利用普通电子天平实现高性能热天平测量要求的测量装置

摘要

本发明公开了一种利用普通电子天平实现高性能热天平测量要求的测量装置，包括有PID控温系统、机械耦合设置界面、电子天平、电阻炉、运动组件。公知计算机与电子天平的连接，用于实现采集电子天平的参数；公知计算机与运动组件中的步进电机连接，用于输出步进电机的启动、关闭指令。本发明热天平的机械结构部分从外部看，从下至上布置有电阻炉、支撑板、外罩、玻璃罩、电子天平，电阻炉与支撑板之间设有支撑柱、玻璃管，支撑板上安装有套筒、运动组件、外罩，外罩上安装有玻璃罩，玻璃罩上安装有电子天平。本发明利用计算机程序控制的机械耦合与电子天平自身自动清零功能相结合，有效地清除了电子天平自身的零点漂移，实现了应用普通天平的长时间连续测量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种热天平，更特别地说，是指一种利用普通电子天平实现高性能热天平长时间连续测量要求的测量装置。该热天平的采样周期为10s～1h可调，记录时间可按照测量要求自由设定。

背景技术

热天平是一种在程序控温下自动记录物质质量与温度(或时间)函数关系的仪器。

热天平按器件组成可以分为电子天平、加热炉、PID控温系统(存储在一公知计算机内)。按称重方式可分为杠杆天平、张丝支撑天平、螺旋弹簧天平和吊臂天平等。

用普通天平代替热天平长时间称重的最大障碍是天平自身存在零点漂移。其漂移量往往大于样品在单个步长测量周期的增重量，而且这种零点漂移随环境、环境温度、测量时间等的变化而不断改变。这种零点漂移没有规律性，很难消除。天平自身的零点漂移带来的测量误差会叠加在重量变化的数据中。

发明内容

为了解决上述热天平的缺陷，本发明利用计算机程序控制的机械耦合与电子天平自身自动清零功能相结合，有效地清除了电子天平自身的零点漂移，实现了应用普通天平的长时间连续测量。其测量性能可与高性能的热天平相媲美。

本发明的目的是提供一种利用普通电子天平实现高性能热天平测量要求的测量装置，该装置通过机械耦合方式来控制步进电机101驱动偏心轮103的高、低位与运动板108的接触，使得运动板108上、下运动带动A金属丝6A、B金属丝6B的上、下从动，从而使电子天平3对样品进行数据采集；通过PID控温系统对步进电机101进行相关参数控制来实现测量全过程自动化。

本发明的一种利用普通电子天平实现高性能热天平测量要求的测量装置，包括有公知计算机、PID控温系统、电子天平(3)、电阻炉(4)，PID控温系统存储在公知计算机内，其特征在于：还包括机械耦合设置界面、运动组件(1)，机械耦合设置界面存储在公知计算机内，公知计算机与电子天平(3)的连接，用于采集电子天平(3)的参数；公知计算机与运动组件(1)中的步进电机(101)连接，用于输出步进电机(101)的启动、关闭指令；

机械结构部分从外部看，从下至上布置有电阻炉(4)、支撑板(23)、外罩(22)、玻璃罩(21)、电子天平(3)，电阻炉(4)与支撑板(23)之间设有支撑柱、玻璃管(15)，支撑板(23)上安装有套筒(2)、运动组件(1)、外罩(22)，外罩(22)上安装有玻璃罩(21)，玻璃罩(21)上安装有电子天平(3)，玻璃罩(21)的中心位置设有A通孔(211)，外罩(22)的中心位置设有B通孔(221)，支撑板(23)的中心位置设有C通孔，A通孔(211)、B通孔(221)、C通孔设置在热天平的中心线上；电阻炉(4)与支撑板(23)之间设有A支撑柱(11)、B支撑柱(12)、C支撑柱(13)、D支撑柱(14)、一根玻璃管(15)，玻璃管(15)位于中心线位置，玻璃管(15)用于A金属丝(6A)通过；支撑板(23)上安装有外罩(22)外罩(22)内放置有运动组件(1)、套筒(2)，套筒(2)、电机安装座(104)固定安装在支撑板(23)上，电子天平(3)的平台(31)底部通过挂勾(32)与B金属丝(6B)一端的吊环(61)连接，B金属丝(6B)的另一端固定在铜座(110)上，A金属丝(6A)的一端固定在铜座(110)上，A金属丝(6A)的另一端与样品篮(5)连接，样品篮(5)内可以放置被测物体；运动组件(1)由步进电机(101)、偏心轮(103)、A限位开关(107)、B限位开关(106)、运动板(108)、铜座(110)、内套筒(109)组成，步进电机(101)安装在电机安装座(104)上，电机安装座(104)固定在支撑板(23)上，电机输出轴(102)连接有偏心轮(103)，偏心轮(103)上安装有B限位开关(106)，A限位开关(107)安装在T形支架(105)上，T形支架(105)固定在支撑板(23)上，内套筒(109)上端与运动板(108)的左端(181)连接，内套筒(109)的中心设有F通孔，F通孔用于A金属丝(6A)通过，内套筒(109)套接在套筒(2)的D通孔(2A)内，实现内套筒(109)在套筒(2)内上下活动，运动板(108)的右端(182)置于偏心轮(103)上方；铜座(110)与金属丝(6)固定连接。

本发明利用普通电子天平实现高性能热天平测量要求的测量装置的优点：

(1)在常规PID控温系统中添加如图3所示的参数设置界面，从而将运动组件与电子天平相结合的机械耦合方式。

(2)采用常规PID控温系统、普通电子天平与运动组件的配合，其性价比高，操作简便，测量全过程自动化。

(3)运动组件中采用步进电机、偏心轮、运动板与两个限位开关的配合，使得本发明的热天平能够实现测量精度高、天平自动清零、消除零点漂移。

(4)运用常规PID控温系统和添加的机械耦合设置界面能够实现测量数据逐点保存，实现长时间测量。

(5)运用公知计算机为平台，通过安装的操作系统(如Excel、Originpro等制图软件)使得所有数据自动成图(如图4所示)，实时反映重量变化，可视化程度高。

(6)本发明的热天平测量精确，测量范围广，在0～80g测量范围，测量误差为±0.01mg；在0～220g测量范围，测量误差为±0.1mg。

附图说明

图1是本发明热天平的外部结构图。

图1A是图1的分解图。

图2是本发明运动组件、套筒与支撑板的装配图。

图2A是本发明运动组件与套筒的分解图。

图3是本发明机械耦合设置界面。

图4是本发明热天平根据采集数据获得性能图示。

图中：         1.运动组件          101.步进电机           102.电机输出轴         103.偏心轮104.电机安装座   105.T形支架         106.B限位开关          107.A限位开关          108.运动板181.左端         182.右端            109.内套筒             110.铜座               2.套筒2A.D通孔         3.电子天平          31.平台                32.挂勾                4.电阻炉41.A接口         42.B接口            5.样品篮               6A.A金属    6B.B金属   61.吊环11.A支撑柱       12.B支撑柱          13.C支撑柱             14.D支撑柱             15.玻璃管

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1、图1A所示，本发明的一种利用普通电子天平实现高性能热天平测量要求的测量装置，包括有PID(Proportion Integration Differentiation)控温系统、机械耦合设置界面、电子天平3、电阻炉4、运动组件1、支撑板23、外罩22、玻璃罩21、四根支撑柱、玻璃管15。

PID控温系统存储在一公知计算机内，本发明在常规PID控温系统中添加了机械耦合设置界面(如图3所示)，通过各参数的设置，使得本发明热天平的称重能够自动化的实现。公知计算机的最低配置为CPU 1GHz，内存1.24GB，硬盘10GB，操作系统Windows 2000/2003/XP等。在本发明中，公知计算机与电子天平3的连接，用于实现采集电子天平3的参数；公知计算机与运动组件1中的步进电机101连接，用于输出步进电机101的启动、关闭指令。公知计算机内的机械耦合设置界面用于设置测量时间、样品面积大小，并查看数据和存储。对公知计算机存储下的数据，关联至测量时间与增重的自动成图中，获得测量周期时间内时间与样品重量的关系(如图4所示)。自动成图通过安装的操作系统(如Excel、Originpro等制图软件)生成。

电子天平3采用赛多利斯公司生产的CP225D型电子天平，该电子天平的精度为0.1mg，最大称重为210g，最小称重0.05mg。

电阻炉4用于为样品测量提供一个高温的温度环境，使得对样品篮5中的被测物体(样品)进行热环境下的物质称重时，看出相关的变化。电阻炉4通过A接口41与外部的氧气瓶连通，电阻炉4通过B接口42排出炉内的气体。

本发明设计的热天平分为含有公知计算机的控制部分，另一个是机械结构部分两部分。公知计算机的控制部分包括有操作系统Windows 2000/2003/XP等、PID控温系统、机械耦合设置界面(如图3所示)。

参见图1、图1A所示，本发明设计的热天平机械结构部分从外部看，从下至上布置有电阻炉4、支撑板23、外罩22、玻璃罩21、电子天平3，电阻炉4与支撑板23之间设有支撑柱(四根支撑柱)、玻璃管15，支撑板23上安装有套筒2、运动组件1、外罩22，外罩22上安装有玻璃罩21，玻璃罩21上安装有电子天平3，电子天平3与公知计算机连接，公知计算机与运动组件1中的步进电机101连接；玻璃罩21的中心位置设有A通孔211，外罩22的中心位置设有B通孔221，支撑板23的中心位置设有C通孔(图中未示出)，A通孔211、B通孔221、C通孔设置在热天平的中心线上；电阻炉4与支撑板23之间设有四根支撑柱(A支撑柱11、B支撑柱12、C支撑柱13、D支撑柱14)、一根玻璃管15，玻璃管15位于中心线位置，玻璃管15用于A金属丝6A通过；四根支撑柱、玻璃管15的长短决定了支撑板23与电阻炉4顶部之间的距离，为20cm～80cm；支撑板23上安装有外罩22(外罩22内放置有运动组件1、套筒2，套筒2、电机安装座104固定安装在支撑板23上)，外罩22上安装有玻璃罩21，玻璃罩21上安装有电子天平3，电子天平3的平台31底部通过挂勾32与B金属丝6B一端的吊环61连接，B金属丝6B的另一端固定在铜座110上，A金属丝6A的一端固定在铜座110上，A金属丝6A的另一端与样品篮5连接，样品篮5内可以放置被测物体(样品)。

参见图1A、图2所示，A金属丝6A、B金属丝6B分别固定在铜座110上，铜座110安装在运动板108的左端181。

参见图2、图2A所示，运动组件1由步进电机101、偏心轮103、两个限位开关(A限位开关107、B限位开关106)、运动板108、铜座110、内套筒109组成，步进电机101安装在电机安装座104上，电机安装座104固定在支撑板23上，电机输出轴102连接有偏心轮103，偏心轮103上安装有B限位开关106，A限位开关107安装在T形支架105上，T形支架105固定在支撑板23上，内套筒109上端与运动板108的左端181连接，内套筒109的中心设有F通孔，F通孔用于A金属丝6A通过，内套筒109套接在套筒2的D通孔2A内，实现内套筒109在套筒2内上下活动，运动板108的右端182置于偏心轮103上方。铜座110与金属丝6固定连接，本发明的运动组件1，当启动步进电机101后，电机首先到达初始位置，在此过程中，步进电机101带动偏心轮103通过运动板108将铜座110向上顶起，使得吊环61悬空于挂勾32中。由于电子天平3具有的自动归零的功能，此时电子天平3可认为空载，即非承重状态。步进电机101继续转动，以此为时间零点开始计时，步进电机101带动偏心轮103由最高点顺时针转动(B限位开关106安装在偏心轮103的最高位，在高位时，运动板108向上抬起)，相应的运动板108、铜座110由上向下运动的同时，内套筒109在套筒2内向下滑动。当下滑到偏心轮的最低位时，吊环61挂起在挂勾32上，样品篮5中的被测物体重量被反映在电子天平3。

本发明设计的热天平在静止时，运动板108与偏心轮的最高位是接触的，又由于B限位开关106安装在偏心轮103的最高位，因此，运动板108在偏心轮转动一周，由B限位开关106来计量，铜座110、运动板108向上向下运动一回合。对于被测物体可以通过在公知计算机内设置参数的手段来设定多次运动，来求取被测物体的精确重量。

本发明设计的热天平的具体操作过程为：

将被测物体(样品)放到样品篮5中，挂到电阻炉4中的金属丝6末端，接通电源，设定温度、加热到指定温度、开启电脑(公知计算机，但计算机内安装有用于采集电子开平3输出样品重量参数的界面，以及控制步进电机运动的设置界面，这个界面为传统热天平都具有的，此专利申请中不在重复说)，打开步进电机101控制程序，设定试验参数，启动步进电机101，实验开始。步进电机101首先到达初始位置，步进电机101带动偏心轮103转动下，当到达最高位时运动板108、铜座110被向上抬起，吊环被悬空，电子天平3为非承重状态；当步进电机101继续转动(高位向低位)，运动板108、铜座110向下，同时内套筒109在套筒2的D通孔内滑动，吊环被吊起，从而样品的重量被电子天平3称重。在步进电机101往复运动中重复对样品进行称重，从而较为精确的测得被测物体的重量。