基于MSC1210的冰點(diǎn)溫度測量系統(tǒng)

引言

冰點(diǎn)溫度測量系統(tǒng)根據(jù)拉烏爾冰點(diǎn)理論，以溶液冰點(diǎn)下降值與溶液的摩爾濃度成正比關(guān)系為基礎(chǔ)，采用高靈敏的感溫元件——熱敏電阻測量不同溶液的冰點(diǎn)，進(jìn)而得出所測溶液的滲透壓摩爾濃度[1]。同一溶液的冰點(diǎn)會(huì)隨溶液摩爾濃度的變化而改變。一般情況下溶液濃度越高，其冰點(diǎn)越低。冰點(diǎn)溫度測量系統(tǒng)在藥物研發(fā)、生產(chǎn)及臨床用藥等方面具有重要應(yīng)用[2]。

1、冰點(diǎn)測量原理

對(duì)于水溶液，在從液態(tài)向固態(tài)冷卻變化過程中，溫度雖已達(dá)到結(jié)冰點(diǎn)甚至超過結(jié)冰溫度，而不發(fā)生結(jié)冰的現(xiàn)象稱之為“過冷現(xiàn)象”。這時(shí)的液體是極不穩(wěn)定的，受到一定的擾動(dòng)可觸發(fā)其立刻結(jié)晶而變?yōu)楣虘B(tài)，由于分子能量突然由高能態(tài)變?yōu)榈湍軕B(tài)，多余的能量就會(huì)以熱的形式釋放出來，稱為晶化熱。由于晶化熱的存在，使過冷的溶液在結(jié)冰形成過程產(chǎn)生溫度回升現(xiàn)象，溶液在結(jié)冰后有一段溫度平穩(wěn)的時(shí)間，即冰點(diǎn)溫度穩(wěn)定時(shí)間出現(xiàn)，這段平穩(wěn)的溫度稱之為測量冰點(diǎn)。上述過程可用“結(jié)冰曲線”（圖1）予以描述[3]。

圖中的溫度—時(shí)間曲線，AB段為降溫階段，BC段為過冷階段，CD段為所述的溫度回升階段，DE段相對(duì)穩(wěn)定的曲線即為所測溶液的冰點(diǎn)溫度。因此，只要通過系統(tǒng)中的高靈敏度溫度傳感器測得這段平穩(wěn)曲線的溫度值，最終就能得出所測溶液的滲透壓摩爾濃度。

2、MSC1210特性簡介

MSC1210是美國德州儀器（TI）公司推出的高精度ADC SoC（System on Chip）芯片，內(nèi)置32位高精度∑-ADC轉(zhuǎn)換器，8通道差動(dòng)／單端模擬輸入，增強(qiáng)的8052內(nèi)核，32位累加器和32K的Flash存儲(chǔ)器（MSC1210Y5），可自行分配數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器的大小，兼容SPI串口等片外設(shè)備[4][5]。其速度快、處理能力強(qiáng)、可靠性高、功耗低，與目前常用的8位微控制器相比，其片內(nèi)資源豐富，適應(yīng)于各種控制場合，內(nèi)部集成度高，硬件可靠性和穩(wěn)定性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣泛。

3、冰點(diǎn)溫度測量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本文的設(shè)計(jì)是應(yīng)用于溶液的冰點(diǎn)溫度測量。如圖2所示，溫度傳感器1采用高靈敏度玻璃封裝負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻[6]，將其置于被測溶液中，把測量的模擬信號(hào)送入MSC1210，模擬信號(hào)經(jīng)過MSC1210內(nèi)部的PGA，放大后進(jìn)AD轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大小，通過數(shù)學(xué)運(yùn)算將其轉(zhuǎn)換成溫度，并通過串口與PC機(jī)進(jìn)行通訊。當(dāng)溫度傳感器檢測到溶液處于過冷狀態(tài)即溶液溫度處于圖1中的C點(diǎn)時(shí)，MSC1210控制直流電機(jī)帶動(dòng)一根探針，用探針刺入溶液的方式對(duì)溶液制造擾動(dòng)，使溶液迅速結(jié)晶。為避免探針溫度對(duì)溶液結(jié)晶過程組成影響，MSC1210控制制冷系統(tǒng)對(duì)溶液和探針同時(shí)制冷[7]，并用溫度傳感器2粗略測量制探針?biāo)幍沫h(huán)境的溫度。溫度傳感器2采用DS18B20一線總線數(shù)字式傳感器[8]，其具有12位的分辨率，正確度（correctness）[9]為±0.5℃，可將測量溫度以數(shù)字形式送入MSC1210。

4、系統(tǒng)電路

MSC1210只需要極少的外部元件便可以構(gòu)成高精度的測量儀表，根據(jù)此系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，可用恒流源法組成一個(gè)溫度測量系統(tǒng)。組建恒流源電路的方法有很多[10]，本系統(tǒng)采用穩(wěn)壓管加運(yùn)算放大器的方法。

如圖3所示，運(yùn)放LF356、穩(wěn)壓管LM335/5V和電阻R1、R2構(gòu)成一個(gè)恒流源系統(tǒng)。R1兩端電壓 即為穩(wěn)壓管D1兩端電壓，流經(jīng)R1的電流即為經(jīng)過熱敏電阻Rx的電流，Rx兩端電壓即為MSC1210的0通道AIN0輸入電壓。即

由式（2）可知，熱敏電阻Rx阻值與AIN0輸入電壓 成正比。通過測量 即可換算出熱敏電阻所處環(huán)境的溫度值。

5、儀器標(biāo)定

儀器的標(biāo)定采用測量標(biāo)準(zhǔn)溶液冰點(diǎn)對(duì)應(yīng)電壓值的方式。取0.1mol/kgH2O、0.2mol/kgH2O、0.3mol/kgH2O、……1.7mol/kgH2O的NaCl溶液，它們對(duì)應(yīng)的冰點(diǎn)分別為-0.345℃、-0.690℃、-1.035℃、……、-5.865℃。測量溶液冰點(diǎn)對(duì)應(yīng)電壓值，擬合的溫度－電壓曲線如圖4所示。根據(jù)溫度與電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可測得未知濃度溶液的冰點(diǎn)溫度值。

6、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)參數(shù)：實(shí)驗(yàn)室溫約22℃，氣壓約101千帕；VD3約為4.87V；R1采用低溫漂電阻，阻值約為19.8K；熱敏電阻Rx在20℃時(shí)阻值約為2.08K。

按照實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)計(jì)，參考電壓為2.5V，AD轉(zhuǎn)換為24位，理論上電壓分辨率可以達(dá)到0.1uV，但程序設(shè)計(jì)其分辨率取到1uV。在實(shí)驗(yàn)中，盡管電路自身及周圍環(huán)境的對(duì)測量電壓造成一定干擾，通過AD轉(zhuǎn)換后，電壓的有效分辨力仍可達(dá)到50uV即0.05mV，對(duì)應(yīng)被測溫度的分辨力為0.001℃。

蒸餾水冰點(diǎn)溫度測量過程曲線如圖5、圖6所示，其冰點(diǎn)溫度測量值為0.002℃。0.9%NaCl溶液冰點(diǎn)溫度測量過程曲線如圖7所示，其冰點(diǎn)溫度測量值為-0.517℃。

結(jié)論

本文根據(jù)拉烏爾冰點(diǎn)理論與溶液的過冷現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了基于MSC1210的溶液冰點(diǎn)溫度測量系統(tǒng)，其測量精度高，速度快，體積小，功耗低，可擴(kuò)展性強(qiáng)，具有在線編程和在線調(diào)試功能，系統(tǒng)升級(jí)方便。在醫(yī)藥、環(huán)保、生物和食品衛(wèi)生等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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[11] Texas Instruments, Inc. MSC1210 debugging strategies for high-precision smart sensors. www.ti.com，2005:3-10

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