低本底伽馬能譜儀閃爍探測器的智能化溫控系統(tǒng)設計

武旭東，王 瑋，李 婷，段金松，麻金龍

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

低本底伽馬能譜儀中使用的閃爍體相對光輸出會隨著環(huán)境溫度變化而變化，這將導致在能譜測量中的譜漂移[1]。 目前針對該問題的有效解決方案為利用恒溫系統(tǒng)，維持儀器在恒溫條件下測量，使閃爍體相對光輸出基本保持恒定，進而達到穩(wěn)譜效果。 對于溫控系統(tǒng)的設計，已有研究使用加熱膜和風冷技術應用于慣性平臺溫度控制[2]，采用半導體制冷片與電阻絲加熱的方式設計了應用于航空重力儀的溫控系統(tǒng)[3]，通過控制低磁線圈給銣源加熱保溫[4]等。 筆者針對低本底伽馬能譜儀使用需求，設計了智能化溫控系統(tǒng)，探測器溫度穩(wěn)態(tài)誤差小于0.5 ℃，使能譜儀閃爍體探測器在相對恒定的溫度下工作，減小甚至消除環(huán)境溫度變化引起的閃爍體相對光輸出變化問題，為后續(xù)穩(wěn)定的能譜數(shù)據(jù)采集提供基礎。

1 系統(tǒng)整體設計

本系統(tǒng)設計了探測器專用水箱，材料為導熱率較高的紫銅，該水箱內(nèi)部加工有循環(huán)水路，將其套于探測器晶體部分，通過進出水口及循環(huán)水泵完成內(nèi)部液體循環(huán)。 如圖1所示，系統(tǒng)主要由主機控制器、 溫度采集模塊、 微控制器、 PID 控制模塊、 制冷加熱模塊組成。 整個系統(tǒng)獨立運行，系統(tǒng)通過留有的CAN 總線和USB 接口與主機控制器進行數(shù)據(jù)通信；溫度采集模塊使用鉑熱電阻PT100，可精確采集水箱溫度、 環(huán)境溫度、 制冷片及加熱片溫度；微控制器采用ARM Cortex-M3 內(nèi)核單片機，作為控制系統(tǒng)的核心；PID 控制模塊在微控制器專用程序協(xié)調(diào)下，采集水箱溫度與環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，使用PID 控制算法進行計算，并發(fā)送相應占空比的PWM 信號，調(diào)整制冷加熱模塊的電流大小，實現(xiàn)對制冷加熱模塊的控制。

2 智能溫控系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

2.1 溫度采集電路設計

鉑熱電阻是利用鉑絲的電阻值隨溫度變化的特性設計和制作的[5]，本系統(tǒng)選用的PT100 鉑熱電阻，其阻值與溫度變化的關系如公式（1）所示[6]。

式中：Rt—PT100 在 t ℃時阻值；R0—PT100 在0 ℃時阻值；t—實時溫度；A、 B、 C—PT100系數(shù)值：A=3.968 47×10-3；B=-5.847×10-7；C=-4.22×10-12。

PT100 測量溫度有兩種方案：1） 設計恒流源連接至PT100 鉑熱電阻，通過測量PT100兩端電壓變化換算出溫度；2） 采用惠斯通電橋，電橋中三個電阻阻值恒定，另一個使用PT100 鉑熱電阻，當 PT100 電阻值變化時，將會產(chǎn)生電勢差，由此換算出溫度。 對比這兩種方法，第一種測溫方案較為簡單，可通過接線方式進行誤差補償。

鉑熱電阻電流源測溫方案有三種接法，分別為二線制、 三線制和四線制接法（圖 2）[7]。 兩線式接法采樣將 AD 采樣端直接與電流源輸出端相接，未考慮測溫電纜電阻；三線式和四線式增加了AD 采樣補償線，消除了測溫電纜電阻引起的測量誤差，而四線式接法還增加了AD 采樣對地補償線，進一步減小測量誤差，該接法適用于遠距離測溫場合。本系統(tǒng)中使用三線式測溫接法，其電路原理見圖3，采樣芯片ADS1248 生成多路電流源，電流流過PT100 產(chǎn)生壓降，使用 ADS1248 內(nèi)部電壓作為參考，以AD 采集的電壓模擬值作為輸入，根據(jù)公式（2）計算PT100 阻值。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 System structure diagram

圖2 電流源測溫方案接線方式Fig. 2 The wiring mode of scheme of measuring temperature by current source

式中：VREF—ADS1248 芯片內(nèi)部參考電壓值；OutCode—AD 采樣值；Gain—芯片內(nèi)部增益值；IIDAC—電流源電流值。

圖3 溫度采集硬件電路原理圖Fig. 3 Circuit schematic of temperature acquisition hardware

2.2 制冷加熱模塊設計

系統(tǒng)使用半導體制冷片和陶瓷加熱片進行循環(huán)水路的制冷或加熱操作，該制冷加熱元件為大功率器件，不能使用單片機直接控制，需要設計相應的驅(qū)動電路。 本系統(tǒng)使用大功率場效應管作為制冷加熱模塊輸出驅(qū)動級，其工作電壓電流較大，而微控制器控制信號為弱電信號，為防止驅(qū)動輸出級大電流對控制信號的干擾，增加了光耦隔離電路，圖4 為制冷加熱模塊驅(qū)動原理。

圖4 制冷加熱模塊驅(qū)動原理圖Fig. 4 Schematic of driving circuit of refrigeration and heating module

3 智能溫控系統(tǒng)控制程序設計

系統(tǒng)主控制器采用ARM Cortex-M3 內(nèi)核的STM32F103 芯片，使用嵌入式實時操作系統(tǒng)FreeRTOS 實現(xiàn)系統(tǒng)整體控制，系統(tǒng)啟動后首先進行各參數(shù)及功能接口的初始化操作，并創(chuàng)建溫度采集、 PID 控制、 CAN 通信任務等。 系統(tǒng)運行過程中，在實時操作系統(tǒng)協(xié)調(diào)下，采集四路溫度數(shù)據(jù)，進行濾波校準數(shù)據(jù)處理，PID 控制器根據(jù)采集的溫度及設定的目標溫度進行相應的算法處理，制冷加熱模塊根據(jù)PID 控制器輸出結(jié)果進行功率調(diào)節(jié)，實現(xiàn)溫度控制。 系統(tǒng)可通過數(shù)據(jù)通信接口，將實時運行狀態(tài)反饋給主機控制器，主機控制器也可以通過該接口預置相關參數(shù)，包括溫度校準因子、 目標溫度、 PID 參數(shù)等。

3.1 溫度數(shù)據(jù)處理

3.1.1 數(shù)據(jù)采集

主控制器通過IIC 接口讀取AD 芯片采集的電壓值，由公式（1）和公式（2）計算溫度值。但是由于溫度-電阻函數(shù)關系為高階方程，直接求解較為復雜。 本系統(tǒng)采用查表和線性插值算法，通過標度變換計算PT100 對應溫度值，具有運算快、 占用處理器內(nèi)部資源少的優(yōu)點，也可以從一定程度上對PT100 進行線性化校正，從而達到非常精確的測溫效果。根據(jù)公式 （1），從-10℃到 50℃，每隔 0.1℃，求出PT100 對應的阻值，在處理器ROM 區(qū)建立一個電阻-溫度分度表。 系統(tǒng)由公式 （2）求取出PT100 阻值，再根據(jù)電阻-溫度分度表，使用查表和線性插值算法求出當前溫度值。

3.1.2 濾波校準

溫度數(shù)據(jù)采集過程中，外部環(huán)境偶然因素的突變性干擾或儀器內(nèi)部不穩(wěn)定性會使采集的數(shù)據(jù)含有噪聲信息，影響測量結(jié)果的準確性。 對于AD 數(shù)據(jù)采集，噪聲來源主要為小幅度高頻電子噪聲，本系統(tǒng)采用滑動加權(quán)平均濾波方法對原始溫度數(shù)據(jù)進行處理，以減小該噪聲影響。

PT100 及AD 采樣電路的差異性使計算出的溫度值與實際值有一定的偏差，需參考標準溫度對PT100 進行校準。 采集PT100 實測溫度值與標準溫度，使用線性擬合方法求取校準因子，對測量結(jié)果進行修正。

3.2 PID 控制算法

對于溫度控制系統(tǒng)，溫度變量具有非線性、 大滯后和時變等特性，單純的PID 控制很難達到精確控溫目的，所以結(jié)合本系統(tǒng)特點，對PID 算法進行相應的改進和提高，使其能符合系統(tǒng)控制要求。 為了減小由于溫度大滯后特性帶來的積分超限控制問題，增加了變速積分和抗飽和積分控制，設置相應的閾值，對積分項進行限制。 通過對不同目標溫度的變化曲線分析，制定優(yōu)化的模糊規(guī)則，并將模糊規(guī)則參數(shù)代入PID 實際計算中，增強系統(tǒng)魯棒性。 針對本文設計的系統(tǒng)，其制冷、 加熱片為兩個獨立部件，根據(jù)其特性差異，制定兩組PID 控制參數(shù)，分別應用于制冷加熱部件。 PID 控制流程圖如圖5 所示。

4 系統(tǒng)測試

圖5 PID 控制流程圖Fig. 5 PID control flowchart

為驗證系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性，將智能化溫控系統(tǒng)應用于低本底伽馬能譜儀，對系統(tǒng)溫度采集、 PID 調(diào)控、 穩(wěn)譜效果等性能指標及整機運行狀態(tài)進行測試和評價。

4.1 溫度校準

采用中科賽凌CTH-WK4503-02FO 可編程恒溫恒濕試驗箱進行溫度數(shù)據(jù)校準與檢驗。溫度區(qū)間設置為0～50℃，每隔5℃，恒溫保持30 min 后進行數(shù)據(jù)采集。 使用線性擬合的方式，分別擬合4 通道PT100 與恒溫恒濕試驗箱探頭溫度，獲得的溫度校準表達式（3）：

采用校準后的溫度采集模塊獲取不同溫度梯度下的測量值，從0 ℃到50 ℃每隔5 ℃進行溫度采集，并進行滑動加權(quán)平均濾波處理，其測量結(jié)果見表1。 通過四通道PT100 獲得的實測溫度值與試驗箱探頭溫度的最大偏差為0.3 ℃，滿足使用要求。

4.2 PID 調(diào)控性能分析

分別設置PID 控制模塊的制冷加熱控制參數(shù)，如表 2 所示。 室溫條件下，分別設置目標溫度為 15、 20、 25、 30、 35、 40 ℃，進行溫控測試，溫度調(diào)控結(jié)果如圖6 所示。

根據(jù)實測溫度，分別計算不同溫度梯度下控制系統(tǒng)的響應速度、 超調(diào)量、 穩(wěn)態(tài)誤差，結(jié)果見表3。 由表3 可知，本文設計的智能化溫控系統(tǒng)，響應速度較快，超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)誤差小于0.5 ℃，PID 調(diào)控性能滿足能譜儀使用需求。

4.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

根據(jù)低本底伽馬能譜儀檢定規(guī)程JJG 417—2006 能譜儀短期穩(wěn)定性指標的試驗方法，將系統(tǒng)應用于北京核地科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的低本底伽馬能譜儀，使用137Cs 點源，采集能譜計算其全能峰峰位 X1。 在 8 h 內(nèi)，設置間隔時間為100 min，對137Cs 進行連續(xù)能譜采集，采集時間為20 min，計算每次測得的全能峰峰位道址 Xi（i=2，3，4，5），再根據(jù)公式（4）計算137Cs 的全能峰峰位道址相對漂移s。分別設定恒溫目標溫度為20、 25、 30 ℃與無溫控系統(tǒng)條件下，使用上述方法試驗，結(jié)果見表4。

由表4 可以看出，在室溫下，由于環(huán)境溫度變化影響，能譜儀峰位漂移較大；使用溫控系統(tǒng)后，在不同溫度下，能譜儀峰位漂移明顯減小。 結(jié)果表明，該系統(tǒng)可穩(wěn)定應用于低本底伽馬能譜儀，維持探測器工作溫度恒定，提升穩(wěn)譜性能。

表1 四通道PT100 實測溫度值與恒溫恒濕試驗箱探頭溫度值比較Table 1 Comparison between the measured temperature values of the four-channel PT1000 and the value of the constant temperature and humidity test chamber probe

表2 PID 控制參數(shù)表Table 2 Parameters of the PID control module

圖6 不同溫度梯度下PID 控制模塊的調(diào)控結(jié)果Fig. 6 Modulated results of PID control module under different temperature gradients

表3 PID 控制模塊對不同溫度梯度的調(diào)控性能分析Table 3 Analysis of modulating performance of the PID control module for different temperature gradients

表4 低本底伽馬能譜儀測得的137Cs 點源峰位道址Table 4 Peak location of 137Cs source measured by low background gamma spectrometer

5 結(jié)語

針對低本底伽馬能譜儀閃爍體受溫度影響帶來譜線漂移的問題，設計了能譜儀智能化溫控系統(tǒng)，具有多路溫度數(shù)據(jù)采集處理功能，使用改進的PID 算法對加熱制冷模塊進行實時調(diào)控，設計 CAN 總線和 USB 接口，使用固定協(xié)議與主機控制器通信，實現(xiàn)參數(shù)設置及實時運行狀態(tài)反饋。 經(jīng)試驗驗證，該系統(tǒng)各項性能指標達到了預期技術要求。 目前已初步應用于北京核地科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的低本底伽馬能譜儀，使用過程中，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，溫度調(diào)控實時可靠，具有良好的應用價值和市場前景。