引言

冰點溫度測量系統根據拉烏爾冰點理論，以溶液冰點下降值與溶液的摩爾濃度成正比關系為基礎，采用高靈敏的感溫元件——熱敏電阻測量不同溶液的冰點，進而得出所測溶液的滲透壓摩爾濃度[1]。同一溶液的冰點會隨溶液摩爾濃度的變化而改變。一般情況下溶液濃度越高，其冰點越低。冰點溫度測量系統在藥物研發、生產及臨床用藥等方面具有重要應用[2]。

1、冰點測量原理

對于水溶液，在從液態向固態冷卻變化過程中，溫度雖已達到結冰點甚至超過結冰溫度，而不發生結冰的現象稱之為“過冷現象”。這時的液體是極不穩定的，受到一定的擾動可觸發其立刻結晶而變為固態，由于分子能量突然由高能態變為低能態，多余的能量就會以熱的形式釋放出來，稱為晶化熱。由于晶化熱的存在，使過冷的溶液在結冰形成過程產生溫度回升現象，溶液在結冰后有一段溫度平穩的時間，即冰點溫度穩定時間出現，這段平穩的溫度稱之為測量冰點。上述過程可用“結冰曲線”（圖1）予以描述[3]。

圖中的溫度—時間曲線，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段相對穩定的曲線即為所測溶液的冰點溫度。因此，只要通過系統中的高靈敏度溫度傳感器測得這段平穩曲線的溫度值，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，內置32位高精度∑-ADC轉換器，8通道差動／單端模擬輸入，增強的8052內核，32位累加器和32K的Flash存儲器（MSC1210Y5），可自行分配數據和程序存儲器的大小，兼容SPI串口等片外設備[4][5]。其速度快、處理能力強、可靠性高、功耗低，與目前常用的8位微控制器相比，其片內資源豐富，適應于各種控制場合，內部集成度高，硬件可靠性和穩定性強，應用范圍廣泛。

3、冰點溫度測量系統的總體設計

本文的設計是應用于溶液的冰點溫度測量。如圖2所示，溫度傳感器1采用高靈敏度玻璃封裝負溫度系數的熱敏電阻[6]，將其置于被測溶液中，把測量的模擬信號送入MSC1210，模擬信號經過MSC1210內部的PGA，放大后進AD轉換器，單片機根據轉換后的信號大小，通過數學運算將其轉換成溫度，并通過串口與PC機進行通訊。當溫度傳感器檢測到溶液處于過冷狀態即溶液溫度處于圖1中的C點時，MSC1210控制直流電機帶動一根探針，用探針刺入溶液的方式對溶液制造擾動，使溶液迅速結晶。為避免探針溫度對溶液結晶過程組成影響，MSC1210控制制冷系統對溶液和探針同時制冷[7]，并用溫度傳感器2粗略測量制探針所處的環境的溫度。溫度傳感器2采用DS18B20一線總線數字式傳感器[8]，其具有12位的分辨率，正確度（correctness）[9]為±0.5℃，可將測量溫度以數字形式送入MSC1210。

4、系統電路

MSC1210只需要極少的外部元件便可以構成高精度的測量儀表，根據此系統的實際應用，可用恒流源法組成一個溫度測量系統。組建恒流源電路的方法有很多[10]，本系統采用穩壓管加運算放大器的方法。

如圖3所示，運放LF356、穩壓管LM335/5V和電阻R1、R2構成一個恒流源系統。R1兩端電壓 即為穩壓管D1兩端電壓，流經R1的電流即為經過熱敏電阻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境的溫度值。

5、儀器標定

儀器的標定采用測量標準溶液冰點對應電壓值的方式。取0.1mol/kgH2O、0.2mol/kgH2O、0.3mol/kgH2O、……1.7mol/kgH2O的NaCl溶液，它們對應的冰點分別為-0.345℃、-0.690℃、-1.035℃、……、-5.865℃。測量溶液冰點對應電壓值，擬合的溫度－電壓曲線如圖4所示。根據溫度與電壓的對應關系，就可測得未知濃度溶液的冰點溫度值。

6、實驗結果

實驗參數：實驗室溫約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℃時阻值約為2.08K。

按照實驗硬件設計，參考電壓為2.5V，AD轉換為24位，理論上電壓分辨率可以達到0.1uV，但程序設計其分辨率取到1uV。在實驗中，盡管電路自身及周圍環境的對測量電壓造成一定干擾，通過AD轉換后，電壓的有效分辨力仍可達到50uV即0.05mV，對應被測溫度的分辨力為0.001℃。

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

結論

本文根據拉烏爾冰點理論與溶液的過冷現象，設計了基于MSC1210的溶液冰點溫度測量系統，其測量精度高，速度快，體積小，功耗低，可擴展性強，具有在線編程和在線調試功能，系統升級方便。在醫藥、環保、生物和食品衛生等領域有廣闊的應用前景。

參考文獻

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[7] 徐德勝，半導體制冷與技術[M]，上悔：上海交通大學出版社，1992：45

[8] 張鵬，熊磊，姚東蘋，分辨率可編程的一線總線數字溫度計DS18B20及其應用，電子產品世界，2002（04）：23

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[10] 衛永琴，高建峰，一種恒流源電路的巧妙設計，儀器儀表學報，2006（9）： 1170-1172

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

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