用于六面顶压机顶锤温度控制的信号采集电路

黎 智

LI Zhi

（四川工程职业教育技术学院，德阳 618000）

0 引言

金刚石在工业和民用的各个领域都有广泛的应用，但是天然金刚石的产量十分低，远远无法满足人们的需求，于是就出现了人工合成的金刚石。

自18世纪证实了金刚石是由纯碳组成的以后，人们就开始了对人造金刚石的研究，只是在20世纪50年代通过高压研究和高压实验技术的进展，才获得真正的成功和迅速的发展。目前人造金刚石的具体方法多达十几种。按所用技术的特点可归纳为静压、动压和低压等三种方法。按金刚石的形成特点可归纳为直接、熔媒和外延等三类方法。图1中表示碳的压力-温度(P-T)相图和三种方法人造金刚石的实验区。1区为直接法人造金刚石的实验区，2区为熔媒法人造金刚石的实验区，3区为外延法人造金刚石的实验区。

直接法：人造金刚石或利用瞬时静态超高压高温技术，或动态超高压高温技术，或两者的混合技术，使石墨等碳质原料从固态或熔融态直接转变成金刚石，这种方法得到的金刚石是微米尺寸的多晶粉末。

熔媒法：人造金刚石用静态超高压(50～100kb，即5～10GPa) 和高温(1100～3000°C)技术通过石墨等碳质原料和某些金属（合金）反应生成金刚石，其典型晶态为立方体(六面体)、八面体和六-八面体以及它们的过渡形态。

外延法：人造金刚石是利用热解和电解某些含碳物质时析出的碳源在金刚石晶种或某些起基底作用的物质上进行外延生长而成的。

目前在工业上显出重要应用价值的主要是静压熔媒法。采用这种方法可以得到磨料级人造金刚石的产量已超过天然金刚石。生产这种人造金刚石的主要设备就是六面顶压机。对六面顶进行控制时，其重点是要控制好合成腔内的压力和温度，使其满足人造金刚石的工艺条件。

图1 碳的压力-温度（P-T）相图

1 问题描述

目前对六面顶压机合成腔内进行温度场控制是通过直流电加热实现的，无论是控制电流还是电压，最终还是以加热功率的变化来实现温升。由于热量是靠合成料棒电阻自发热产生，即便是石墨衬管等的辅助措施也仅起到了保温的作用，因此，其温度梯度因散热而生，温度应为自棒芯向外递减，并且这种温差在加热与散热条件不变的情况下，应与合成棒直径大小无关。基于这种推理，合成腔体的扩大，提供了一个可以形成更均衡与稳定的温度场的客观条件，或者说，在大腔体中符合优质金刚石生长所需温度条件的空间比例将更大。合成腔温度的变化受两种因素影响：其一是加热，其二是散热。目前，以加热功率控制为基础的控制模式有两种：

1）为恒功率模式，加热功率处于一种恒定状态，随着时间的延长，加热量正比例增加；

2）为变功率模式，加热功率可根据设定曲线变化，随着时间的延长，加热量非正比例增加，这种方法可以使温度在某一点保持恒定。

显而易见，第二种方法可以更好的保证工艺的实施。的工业应用上最常到的恒温控制系统是PID闭环控制系统。通过经典控制理论的分析我们可以知道，闭环控制系统的反馈环节对整个系统的性能影响非常大。在六面体压机的合成腔中是一种高温和高压的环境，要在腔体内安装温度传感器是十分困难的。所以，如何尽可能准确的采集到合成腔内的温度信号就成了影响控制性能的关键问题。

2 一种用于六面顶压机的温度信号采集电路

本文将介绍一种信号采集电路，该电路通过测量加热器电流和电压的大小，再将信号进行乘法运算和除法运算，不但可以得到瞬时功率的大小，还可以得到瞬时阻抗的大小。通过以上方法可以间接得到六面顶压机合成腔内的温度信号，电路系统框图如图2所示。

2.1 放大电路

图2 系统框图

图3 放大电路图

图3所示电路为电流信号放大电路。电流信号的采集是通过测量加热回路中串入的一段铜排两端的电压来实现。该电路共分为三部分。第一部分为前置放大电路，采用高精度运算放大器AD548K，具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低功耗和抗干扰能力强等特点。由于采集的信号有几十毫伏的电压，所以前置放大器的放大倍数不能太大，以免造成电路的饱和。第二部分为隔离放大电路，采用了二端变压器耦合的隔离放大器AD202KN作为放大器件，该芯片由放大器、调制器、解调器、整流和滤波、电源变换器等组成，具有精度高、功耗低、共模性能好、体积小等特点。第三部分为输出阻抗匹配电路，采用了LF356，具有输入阻抗高的特点，可保证信号的输出。

第一级运放的放大倍数为：

第二级的放大倍数为：

第三级的阻抗匹配电路对于信号的幅值没有任何影响。经过两级放大后，总的放大倍数为26×2.6=67.6倍，采集信号范围是0～±75mV，最后输出的信号就放大成了 0～±5V，可以用于后续的A/D转 换进行信号处理。对于电压信号放大电路而言，就少了一个前置放大电路，通过调节电位器，使AD202KN的放大倍数为2.5倍，采集信号范围是0～±2V，经过放大过后输出信号也变成了0～±5V。

2.2 真有效值转换电路

采集到的电压信号或电流信号经过前面的放大电路后，都变成了 的电压信号。在这个环节必须要把 的交流输出信号转换成为有效值才能输出，所以必须用到真有效值转换电路。电路输出的直流电压将线性地正比于被测的各种波形交流信号的有效值，基本上不受波形失真度的影响。

AD637KD由美国AD公司研制的真有效转换器，是一种隐含运算式的AD芯片，转换精度优于1%，性能较好，电路图如图4所示。

图4 真有效值转换电路图

经过此电路后，信号将完成以下运算：

输出将变为 的接口信号，便于与后续的控制器进行连接。

2.3 瞬时功率运算电路

瞬时功率运算采用的是美国AD公司研制的AD534KD芯片，这款芯片可以用于乘法运算、除法运算、平方运算和平方根运算，运算的误差最大值为±0.5%。当其用于乘法运算时，典型的运算功能描述公式为：

如果按照图5中的用法，其功能描述公式就变成了：

由于X2和Y2直接接地，所以最终的运算功能就变成了：X1Y1

图5 功率运算电路图

X1和Y1直接连接经过放大的加热回路电压信号和电流信号，运算后的输出信号就是加热时的瞬时功率。但这个功率输出并不是直流有效值，所以在电路的末端还要加上一个真有效值转换电路，该转换电路与图4相同。

2.4 阻抗运算电路

阻抗运算仍然是采用美国AD公司研制的AD534KD芯片，具体电路如图6所示。

图6 阻抗运算电路图

电路的运算功能描述如下：

图中，Y1、X2和Z1都接地，取值为“0”，功能描述式化简为：

Z2连接的是电压有效值，X1连接的是电流有效值，电路的输出就是阻抗值。

2.5 供电回路

图7中为供电回路，采用桥式整流后，再经LM7815和LM7915稳压，再经多级滤波，输出±1.5V。

图7 供电回路图

3 结束语

本文中提到的电路通过检测电加热器的加热电压和加热电流，再将采集到的信号转换成为电压接口信号输出，控制器就可以运用这些信号直接控制加热器的加热功率，间接达到控制合成腔内温度的目的。经工程应用证明，该电路通过对电路结构的精心设计并选用新的集成器件，很好的解决了在工业现场可能遇到的问题，性能稳定，精度高，抗干扰能力强，能较好的完成信号采集的功能。再联接A/D转换电路后就可以将信号送入控制器中进行闭环控制，实现温度信号的实时监控。

[1]毕克勇.浅谈六面顶液压机电液控制模式.工业金刚石,2005,(3)：87-90.

[2]蔡博.六面顶压机液压、电控系统的研究进展.2004,(4)：19-21.

[3]Op Amp Circuit Collection, National Semiconductor Corporation,Application Note 31 February 1978.

[4]AD202/AD204 User's Manual,Analog Devices,Inc.,1994.

[5]AD534 User's Manual,Analog Devices,Inc.,1999.

[6]AD548 User's Manual,Analog Devices,Inc.,1997.

[7]AD637 User's Manual,Analog Devices,Inc.,1999.

[8]LF356 User's Manual,STMicroelectronics GROUP OF COMPANIES,1998.