專利名稱：用于石油產(chǎn)品運動粘度測定的恒溫系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種恒溫系統(tǒng)，具體地，涉及一種用于石油產(chǎn)品運動粘度測定的恒溫 系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
石油產(chǎn)品的運動粘度和動力粘度是衡量該產(chǎn)品的重要指標(biāo)之一，主要測定在某個 溫度下，一定體積的液體在重力作用下流過玻璃毛細管的時間，該時間在不同的溫度下是 不同的，且粘度越大的產(chǎn)品這種差異越明顯，所以要得到在某一特定溫度下的運動粘度值， 對其恒溫浴的溫度控制有極高要求。目前市場上的恒溫控制采用傳統(tǒng)的PID算法(即，比 例-積分-微分控制算法)，是根據(jù)當(dāng)前的溫度與上一個控制周期的溫度做比較，根據(jù)比例， 積分，微分參數(shù)計算出當(dāng)前的脈沖寬度，進行調(diào)節(jié)。實際上這種辦法的缺陷在于忽略了誤差 的存在，只取了工作周期的兩點進行計算，忽略累計誤差，這樣，時間一長，控制便出現(xiàn)了偏 差，控溫精度為士0. 1°C，這遠不能滿足一些高精度的測定場合，如出具毛細管粘度計的常 數(shù)的計量單位等，恒溫浴的控制精度越高，就越能得到可靠的流動時間，保證了一致性和可 靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為石油產(chǎn)品的運動粘度測量提供一個高精度的恒溫控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將 溫度控制在士0.01°C的精度范圍內(nèi)，適用于精密度要求極高的恒溫控制領(lǐng)域。為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種用于石油產(chǎn)品運動粘度測定的恒溫系統(tǒng)， 該恒溫系統(tǒng)包含恒溫浴，嵌入式設(shè)置在頂蓋上的攪拌器，該攪拌器伸入到恒溫浴中；所述的攪拌器設(shè)置在 頂蓋中部，攪拌速度均勻，且介質(zhì)流的轉(zhuǎn)速恒定；所述的攪拌器優(yōu)選為槳式攪拌器；及，設(shè)置在恒溫浴上的加熱控制系統(tǒng)，該加熱控制系統(tǒng)包含溫度測量系統(tǒng)以及與該溫 度測量系統(tǒng)的輸出端連接的溫控儀；所述的溫度測量系統(tǒng)包含設(shè)置在恒溫箱體內(nèi)的通過電路連接的溫度傳感器、數(shù)模 轉(zhuǎn)換器和MCU微處理器，其中該溫度傳感器的信號輸入端伸入到恒溫浴內(nèi)下部，該溫度傳 感器的信號輸出端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，該數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端與MCU微處理器的 輸入端連接；所述的MCU微處理器采用誤差疊加式PID算法計算控溫，即按偏差的比例(P)、積 分(I)和微分(D)進行計算從而控制加熱器功率的方法。所述的溫控儀還包含與所述的MCU微處理器的輸出端連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，與該數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端連接的開關(guān)模塊，與該開關(guān)模塊輸出端連接的運算放大器，
與該運算放大器的輸出端連接的三極管，與該三極管輸出端連接的固態(tài)調(diào)壓器，及與該固態(tài)調(diào)壓器電路連接的主加熱器。進一步地，所述的溫控儀還包含與所述的MCU微處理器的輸出端連接的達林頓管；與所述的達林頓管的輸出端連接的固態(tài)繼電器，及與所述的固態(tài)繼電器電路連接的輔助加熱器，為了加快升溫速度，該輔助加熱器 優(yōu)選為采用大功率U型管。所述的恒溫浴包含恒溫缸體，設(shè)置在恒溫缸體外部的保溫缸體及設(shè)置在保溫缸體 頂部的頂蓋；所述的恒溫缸體和保溫缸體都采用絕熱性好的材料制成，且恒溫缸體和保溫 缸體構(gòu)成的雙缸結(jié)構(gòu)都保證了系統(tǒng)的保溫性能，使熱量不容易損失。為了方便控制加熱介質(zhì)液面高度，避免加熱介質(zhì)放得太少或太多，所述的恒溫浴 里還設(shè)置有液壓傳感器。所述的攪拌器設(shè)置在頂蓋的中部，攪拌速度均勻，且介質(zhì)流的轉(zhuǎn)速恒定；進一步 地，所述的攪拌器優(yōu)選為槳式攪拌器。所述的溫度測量系統(tǒng)的溫度傳感器為鉬電阻式溫度傳感器，該鉬電阻式溫度傳感 器的感溫輸入端伸入到恒溫浴中，盡量靠下的位置，以盡量精確的采集數(shù)據(jù)；所述的恒溫箱 體內(nèi)溫度控制在40°C 50°C;所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器與MCU微處理器，通過SPI接口通信，低功 耗，低噪聲。本發(fā)明的溫度測量系統(tǒng)突破以往的電橋測量方法，采用三線制恒流測量方法進行 測量，將溫度傳感器有電阻值的兩根引線分別用一定量的電流激勵(激勵電流不應(yīng)超過溫 度傳感器的規(guī)定電流值)并差分接入運放，放大后得到AD數(shù)值；在第三根引線上形成共模 電壓通過一電阻接地，消除了引線電阻的影響。使恒流源經(jīng)過鉬電阻式溫度傳感器，當(dāng)溫度 變化引起電阻值的變化，從而引起電壓的變化等模擬信號，所述的溫度測量系統(tǒng)通過鉬電 阻式溫度傳感器單極性無增益連續(xù)采集該模擬信號，然后將模擬信號輸送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，再由MCU微處理器換算出相應(yīng)溫度，完成溫度測量。由于 測量電路的溫度偏差極小，再加上測量元件數(shù)模轉(zhuǎn)換器的精密度極高，所測量的溫度不確 定度達到0. 005 0C ο所述的加熱控制系統(tǒng)是影響慣性的最大因素，具體體現(xiàn)在其加熱功率和表面功率 密度(P/CM3)，某時刻的加熱功率一定要等于系統(tǒng)的耗散功率，該系統(tǒng)的耗散功率包含恒溫 浴介質(zhì)的表面耗散、缸體的表面耗散、加熱控制系統(tǒng)的熱損失。溫度控制是指MCU微處理器根據(jù)當(dāng)前的溫度變化，結(jié)合控制參數(shù)(比例，積分，微 分)，將被控對象的溫度控制在一定的范圍之內(nèi)，本恒溫系統(tǒng)可將恒溫浴溫度控制在中心點 士 0.01°C的誤差范圍內(nèi)。由于受恒溫浴介質(zhì)和環(huán)境溫度的影響，在不同的控制點它所需的加熱功率是不一 定的；否則會造成過沖振蕩和滯后振蕩這兩種現(xiàn)象。進一步地，為了盡可能減少系統(tǒng)產(chǎn)生的滯后效應(yīng)，所述的溫度傳感器的位置盡量 靠近加熱器。本系統(tǒng)的MCU微處理器采用高精度的誤差疊加式PID算法進行加熱控制，以保證恒溫。所述的誤差疊加式PID算法，就是說參與本次脈沖計算的不僅有本次的溫度相對誤 差Δ T0，還有前幾次的溫度相對誤差ΔΤ1，ΔΤ2... 一直追溯到第一次。設(shè)計算溫度相對誤差的周期為t。也就是說每隔時間t對溫度誤差Δ T計算一次ΔΤη = Tl-TO (η = 0,1,2.....N)式中Tl為此次采樣的溫度，而TO為上一次采樣的溫度，采樣周期t 一般大于等于 20ms ο這里再引入誤差和的概念，定義誤差和XTn為每次溫度誤差的累計，即XTn = XTn-I+Δ Tn-I XK (η = 0,1,2......N)式中XTn為本次參與計算的溫度誤差和，XTn-I為上一次參與計算的溫度誤差和， Δ Tn-I為上一次的溫度相對誤差，而K為誤差系數(shù)，與比例，積分，微分常數(shù)有關(guān)(以下會詳 細說明)；顯然可以看出，第一次XTO = 0。上述的誤差系數(shù)K，實際上是P，I，D三個常數(shù)的綜合體現(xiàn)，而P，I，D參數(shù)是通過溫 度控制前的自診定得到的，該自診定的基本步驟是步驟1，加熱恒溫??；步驟1. 1輔助加熱器與主加熱器同時加熱，粗步調(diào)溫，步驟1. 2關(guān)閉輔助加熱器，只采用主加熱器單獨加熱；步驟2，恒溫浴被加熱到離控制點還有2°C的時候，以每500ms為計時因子對微分 常數(shù)從零開始記數(shù)，一直記到溫度達到控制點之后關(guān)閉主加熱管；此時也得到了微分常量 D ；步驟3，記錄最大過沖溫度，即最高溫度值Tmax ；步驟4，待溫度下降到比Tmax低0. 2°C的時候仍然以500ms為計時因子對積分常 數(shù)從零開始記數(shù)，一直記到溫度下降到比Tmax低1. 2°C為止；此時得到積分常量I ；當(dāng)然根 據(jù)不同的恒溫浴結(jié)構(gòu)可以選擇不同的開始記數(shù)時間，只要保證記數(shù)終止的溫度和開始記數(shù) 的溫度之差為1°C以上且2V以下即可；步驟5，計算比例常量P 比例常量約等于Tmax與設(shè)定控制溫度之差的N倍；根據(jù) 不同的恒溫浴結(jié)構(gòu)來決定這個N值的大小，一般N為1 3之間。以上通過自診定得到的P，I，D三個常量在溫控的時候全部體現(xiàn)在誤差系數(shù)K上， 如下式表示K = P+BXI+CXD式中B，C為個常量的系數(shù)，是根據(jù)不同的恒溫浴結(jié)構(gòu)而得，一般都小于零。所以，當(dāng)前參與計算脈沖寬度的變量為ΔΤη+ΧΤη。這種將多次的誤差累加和同時 參與計算得到當(dāng)前的控制脈沖的算法更優(yōu)，更加能提高控制精度；最后根據(jù)微處理器當(dāng)前 計算出的脈沖寬度，實現(xiàn)開關(guān)模塊的連通和關(guān)閉，在開關(guān)模塊連通時，微處理器計算出的加 熱功率信號實現(xiàn)輸出，經(jīng)放大后，通過固態(tài)調(diào)壓器驅(qū)動電加熱器以相應(yīng)的功率工作；當(dāng)開關(guān) 模塊關(guān)閉時，不能實現(xiàn)信號輸出，電加熱器不工作。從而實現(xiàn)微處理器MCU能控制主加熱器 以不同的功率工作，達到精細調(diào)溫的目的。本發(fā)明通過高精度鉬電阻式溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，并經(jīng)高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器將溫度 傳感器采集的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，該數(shù)字信號輸入到MCU微處理器進行運算完成溫 度測量；然后，MCU微處理器進一步地進行誤差疊加式PID算法對加熱器進行加熱控制，將恒溫浴內(nèi)部的溫度精確控制到士0. ore的精度范圍內(nèi)，適用于精密度要求極高的恒溫控制 領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明的用于石油產(chǎn)品運動粘度測定的恒溫系統(tǒng)的恒溫浴結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明的用于石油產(chǎn)品運動粘度測定的恒溫系統(tǒng)的溫度測量系統(tǒng)的模塊 圖；圖3為本發(fā)明的用于石油產(chǎn)品運動粘度測定的恒溫系統(tǒng)的溫度測量電路原理圖；圖4為本發(fā)明的用于石油產(chǎn)品運動粘度測定的恒溫系統(tǒng)的溫度控制和功率驅(qū)動 電路模塊圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步說明。如圖1所示，本發(fā)明提供了一種用于石油產(chǎn)品運動粘度測定的恒溫系統(tǒng)，該恒溫 系統(tǒng)包含恒溫浴10、攪拌器20和加熱控制系統(tǒng)。如圖1所示，恒溫浴10(如圖2所示)包含恒溫缸體11，設(shè)置在恒溫缸體11外部 的保溫缸體12，及設(shè)置在保溫缸體12頂部的頂蓋13 ；本實施例的恒溫缸體11選用一定厚 度的鋼化玻璃，該厚度可由加熱浴的大小和介質(zhì)決定。另外，在該恒溫缸體11的外部，為 了保證其保溫效果還需要設(shè)置保溫缸體12，實現(xiàn)“雙缸”結(jié)構(gòu)，保溫缸體的材料導(dǎo)熱性必須 差，即絕熱性好，這里選用的是有機玻璃，而且兩缸之間的空氣也是熱的不良導(dǎo)體，這樣，將 雙重保證了系統(tǒng)的保溫性能，使熱量不容易損失。本實施例還在恒溫浴里設(shè)置有液壓傳感 器34，用來控制加熱介質(zhì)液面高度的，避免加熱介質(zhì)放得太少或太多。攪拌器20嵌入式設(shè)置在頂蓋13上，該攪拌器20伸入到恒溫浴中；所述的攪拌器 20設(shè)置在頂蓋13的中部，攪拌速度均勻，且恒溫浴中的介質(zhì)流的轉(zhuǎn)速恒定；所述的攪拌器 20優(yōu)選為槳式攪拌器。加熱控制系統(tǒng)設(shè)置在頂蓋上，該加熱控制系統(tǒng)包含溫度測量系統(tǒng)31以及與該溫 度測量系統(tǒng)31的輸出端連接的溫控儀32。如圖2所示，本實施例中，溫度測量系統(tǒng)31 (圖2中沒有標(biāo)號)包含設(shè)置在恒溫箱 體311內(nèi)的通過電路連接的溫度傳感器312、模數(shù)轉(zhuǎn)換器313和MCU微處理器314 ；其中該 溫度傳感器312的感溫點一端伸入到恒溫浴10內(nèi)下部，盡量靠下的位置，以盡量準(zhǔn)確的采 集恒溫浴10中溫度數(shù)據(jù)的模擬信號；該模擬信號輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器313，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù) 字信號，并輸入到MCU微處理器314進行數(shù)據(jù)處理，得到當(dāng)前的溫度數(shù)值；為了保證更高的 測量精度，所述的恒溫箱體內(nèi)溫度控制在40°C 士0. 1°C。所述的溫度傳感器選用高精度A級的PT1000，其電阻隨溫度變化的誤差小，該電 阻還有一個重要的參數(shù)，就是50%上升相應(yīng)時間，該時間盡可能的短來提高電阻的靈敏度。 此外，電阻的自身發(fā)熱參數(shù)也是一個不可忽略的因素，所以不適宜通太大的電流，按照標(biāo) 準(zhǔn)，鉬電阻流過的電流不超過4mA。本實施例溫度測量系統(tǒng)31采用三線制恒流測量方法，使恒流源經(jīng)過溫度傳感器 312，恒溫浴中溫度變化引起溫度傳感器的電阻值的變化，從而引起電壓的變化等模擬信號，經(jīng)(AD779!3)模數(shù)轉(zhuǎn)換器313轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由MCU微處理器314換算出相應(yīng)溫度。 所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD7793為ADI公司所生產(chǎn)，是一款Σ -Δ型串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，低功耗，低 噪聲，溫度系數(shù)只有3PPM/°C，內(nèi)部自帶高精度的恒流源，輸出電流有10uA，210uA,和ImA三 種可以選擇，另外，內(nèi)部高精度，低噪聲的模擬放大單元更是其精度有力的保證。具體溫度測量電路如圖3所示測量電路環(huán)境該測量電路屬于精密測量，所有的元器件應(yīng)該不允許有明顯的溫 度漂移，所以將測量電路部分置于一溫度控制在40°C 士 0. 1°C的恒溫箱體內(nèi)，考慮到是對 箱內(nèi)空氣進行控溫，故箱體的體積不易太大，控制在100 (mm) X 100 (mm) X 60 (mm)之內(nèi)即可。測量過程具體采集電路如圖3所示，模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7793采用210uA或者ImA恒流 激勵PT1000，產(chǎn)生的差分電壓進入其模擬采樣1通道，采樣參考源選用其內(nèi)部自帶的1. 17V 電壓參考(圖3中在參考源上接入一電阻是為了不讓該外部參考輸入引腳懸空，通過電阻 將電流釋放)，使用單極性無增益連續(xù)采樣，采樣頻率為12.5HZ。AD7793的1，3，15，16腳 為通信控制引腳，由MCU微處理器(本電路中使用DSPIC16F33系列)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù) 用，13腳AVDD為模擬電源，主要為內(nèi)部的運算放大器提供電壓，14腳為數(shù)字電源，為內(nèi)部的 數(shù)字電路提供電壓。工作狀態(tài)，軟件設(shè)置每80ms產(chǎn)生一次中斷，并通過讀取AD7793的15 號引腳(數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢提示)的電平狀態(tài)來判斷是否有新的數(shù)據(jù)更新(低電平表示數(shù)據(jù)已 準(zhǔn)備好)，如有將其AD采樣結(jié)果讀出，根據(jù)結(jié)果結(jié)算出此時的差分電壓V，計算公式為V=L 17XD1/D0式中Dl表示當(dāng)前的AD值，DO表示AD滿度值，24位AD為16777215。根據(jù)PT1000上的電流激勵，可以計算出當(dāng)前PT1000的電阻值，通過PT1000的電 阻和溫度轉(zhuǎn)換公式(本電路測量范圍為o°c 100°C)計算出當(dāng)前的溫度數(shù)值t，公式如下R = RtX (1+AXt+BXtXt)式中R為PT1000當(dāng)前的阻值，Rt為0°C時的阻值，是1000. 00 Ω，A禾Π B分別是 ΡΤ1000電阻率溫度系數(shù)的各次項系數(shù)。本實施例里溫度測量系統(tǒng)中恒流源選用的是1mA，選用內(nèi)部1. 17V精準(zhǔn)電壓參考 源，不使用內(nèi)部放大增益，外部不需要接任何阻容器件，直接由AD轉(zhuǎn)換結(jié)果結(jié)算出當(dāng)前的 PTlOOO上的電阻數(shù)值，之后根據(jù)鉬電阻的阻值算出當(dāng)前的溫度；實際測量的溫度不穩(wěn)定度 能精確到0. 005 0C O溫度控制是指根據(jù)當(dāng)前的溫度變化，結(jié)合控制參數(shù)(比例，積分，微分)，將被控對 象的溫度控制在一定的范圍之內(nèi)。本溫控儀32能將溫度控制在中心點士0.01°C的誤差范 圍內(nèi)。溫度控制環(huán)境該控制系統(tǒng)所采用的恒溫浴10在前已經(jīng)介紹過，恒溫浴10選用 的材料的表面耗散功率要基本等于系統(tǒng)的加熱功率，該系統(tǒng)主加熱器件選用的是一支500W 的盤狀電加熱管，另外，為了盡快提升溫度，還需要大功率的輔助電加熱管321，該輔助加熱 管321對溫度控制不起作用；本實施例選擇U型管加熱器。攪拌電機穿過主加熱器件在其 中間。所有的這些溫度控制器件都應(yīng)該在恒溫浴的中部?？刂圃頊囟瓤刂频碾娐吩砣鐖D4所示，所述的溫控儀32與MCU微處理器314 連接，MCU微處理器計算當(dāng)前的脈沖寬度并模擬所需的加熱功率；所述的溫控儀32包含
數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)，該數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入端與MCU微處理器314的輸出端連接，接 收MCU微處理器314輸出的數(shù)字信號并將之轉(zhuǎn)換為模擬信號；開關(guān)模塊，該開關(guān)模塊的輸入端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出端連接，通過輸入的模擬信 號控制該開關(guān)模塊的導(dǎo)通和關(guān)閉，在本實施例中，將有用的模擬信號放置于一個通道上，通 過MCU對該通道的編程來選擇開通或者關(guān)閉該通道，實現(xiàn)了模擬信號的開關(guān)；運算放大器，該運算放大器的輸入端與上述開關(guān)模塊的輸出端連接，可將較弱的 電信號轉(zhuǎn)換為較強的電信號；三極管，該三極管的輸入端與運算放大器的輸出端連接，該三級管的作用是進一 步加強放大信號，以驅(qū)動固態(tài)調(diào)壓器；與該三極管輸出端連接的固態(tài)調(diào)壓器，該固態(tài)調(diào)壓器是一種用直流去控制交流變 化的功率器件，直流輸入0 IOV變化時，負載上的交流電壓也從0 220V變化；經(jīng)MCU運 算后發(fā)送不同的模擬信號，該信號經(jīng)過放大后，在調(diào)壓器負載上得到的功率也是不一樣的， 是隨輸入模擬量變化的，起到了動態(tài)調(diào)壓的效果；及，與該固態(tài)調(diào)壓器電路連接的主加熱器。所述的溫控儀32還包含達林頓管(ULN2003)，該達林頓管的輸入端與MCU微處理 器314的輸出端連接，其作用是將微弱的電信號擴大為強的電信號，以驅(qū)動固態(tài)繼電器；該 固態(tài)繼電器與輔助加熱管321連接，控制輔助加熱管的開通和關(guān)閉，達到需要的時候加快 溫度提升速度的作用，該輔助加熱管優(yōu)選為U型管加熱器321 (如圖1所示)。進一步地，為 了盡可能減少系統(tǒng)產(chǎn)生的滯后效應(yīng)，所述的溫度傳感器312的位置盡量靠近主加熱器。由于受恒溫浴介質(zhì)和環(huán)境溫度的影響，在不同的控制點它所需的加熱功率是不一 定的，否則會造成過沖振蕩和滯后振蕩這兩種現(xiàn)象。該溫控儀引入D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器是為了 通過MCU控制當(dāng)前的加熱功率，根據(jù)所需加熱功率變化，MCU的傳輸給D/A的數(shù)字量信號也 就不同，通過D/A轉(zhuǎn)換得到的模擬量也就不同，再過運放和三極管驅(qū)動固態(tài)調(diào)壓器，使得負 載上得到的功率就不同，起到不同加熱功率的控制。本實施例里D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器選用的是 TI公司的DAC7512，它是一款12位，與MCU微處理器通過SPI接口的串行D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器， 功耗小，轉(zhuǎn)換速率快，噪聲低。本實施例MCU微處理器將運算得到的數(shù)字信號，發(fā)送給數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將之轉(zhuǎn)換為 模擬信號后，通過模擬信號實現(xiàn)MCU對開關(guān)模塊CD4051的控制，當(dāng)開關(guān)模塊開通后，所述的 模擬信號傳輸給運算放大器LM258和三極管進行放大加強后，傳輸?shù)焦虘B(tài)調(diào)壓器(就是一 種用直流去控制交流變化的器件，直流輸入0 IOV變化時，負載上的交流電壓也從0 220V變化)，最后驅(qū)動電加熱管以不同功率進行工作。另一方面，MCU微處理器傳輸信號給達林頓管ULN2003，經(jīng)達林頓管將信號放大 后，傳輸給固態(tài)繼電器，驅(qū)動輔助加熱管321進行工作。本系統(tǒng)的恒溫控制采用高精度的誤差疊加式PID算法，就是說參與本次控制周期 脈沖計算的，不僅是該周期的前后兩點，還有之前的脈沖數(shù)一齊參與運算，將多次的誤差累 加得到當(dāng)前的控制脈沖；這種將多次的誤差累加和同時參與計算得到當(dāng)前的控制脈沖的算 法更優(yōu)，能進一步提高控制精度；最后根據(jù)當(dāng)前計算出的脈沖寬度通過固態(tài)調(diào)壓器驅(qū)動電 加熱器。這里所說的脈沖控制是定周期控制，也就是每次控制的周期是恒定，本系統(tǒng)采用的 是20ms，所計算出的脈寬是指這20ms時間內(nèi)高電平的寬度。
綜上所述，一個好的恒溫浴是溫度控制的關(guān)鍵，這里用慣性來描述它的指標(biāo)，以上 三個組成必須相輔相成，互相配合。使得恒溫浴的慣性曲線在溫度控制點周圍呈近似平穩(wěn) 直線。實際上測得的是小幅的正弦曲線，其波動周期應(yīng)該為控制周期的幾十倍。而所述的加熱控制系統(tǒng)是影響慣性的最大因素，具體體現(xiàn)在其加熱功率和表面功 率密度(P/CM3)，某時刻的加熱功率一定要等于恒溫系統(tǒng)的耗散功率，該恒溫系統(tǒng)的耗散功 率包含恒溫浴介質(zhì)的表面耗散，缸體的表面耗散，加熱控制系統(tǒng)的熱損失等等。以下結(jié)合實施例來具體說明本發(fā)明。實施例實施環(huán)境自動運動粘度測定器，恒溫浴大小300mmX 300mm圓缸，攪拌器槳式 攪拌系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速1400r/min左右。主加熱器600W左右不銹鋼加熱盤管，被控溫度點為 50. 00°C，使用被控介質(zhì)98%純凈水。測量環(huán)境A級PT1000溫度傳感器，50%上升時間為4秒。所有電子元器件均在 40°C恒溫環(huán)境下。實施過程步驟1，恒溫控制系統(tǒng)通電后的初始溫度是25. 67°C，之后開始穩(wěn)步加熱；步驟1. 1，為了盡快達到設(shè)定的被控溫度點50. 00°C，還需要開放一只1000W左右 的大功率輔助加熱管321，形狀不一，這里使用的是U型管狀，該加熱管主要起到快速提升 溫度的作用，對溫度控制不起作用；觀察每秒鐘的溫升速率在0. 030C ；步驟1. 2，加熱10分鐘左右后關(guān)閉該大功率加熱管，由主加熱器獨自加熱；步驟2，MCU微處理器通過接收到的溫度傳感器的信號進行誤差疊加式PID運算；步驟2. 1，本恒溫浴設(shè)定的被控溫度點50. 00°C，當(dāng)溫度傳感器312實時測量到的 溫度信號傳輸?shù)組CU，MCU每接受一個實時溫度值，需與50. 00°C進行比較是否已經(jīng)到了只 差2°C (這個2°C的差值是預(yù)先設(shè)定好的)的時候，當(dāng)MCU判斷實時溫度離被控溫度還有2°C 的時候，進入自診定狀態(tài)，以每500ms為計時因子對微分常數(shù)從零開始記數(shù)，一直記到溫度 達到被控溫度點50. 00°C之后關(guān)閉主加熱管；此時也得到了微分常量D ；步驟2. 2，觀察恒溫浴的過沖溫度，計算當(dāng)前的最大過沖溫度值，即Tmax ；此時，該 恒溫浴開始降溫，待恒溫浴內(nèi)的溫度下降到比Tmax低0. 2°C的時候仍然以500ms為計時因 子對積分常數(shù)從零開始記數(shù)，一直記到溫度下降到比Tmax低1.2°C為止，此時得到積分常 量I ；步驟2. 3，計算比例常量P 比例常量P約等于Tmax與設(shè)定控制溫度之差的N倍； 根據(jù)不同的恒溫浴結(jié)構(gòu)來決定這個N值的大小，一般N為1 3之間，本恒溫浴的N值為 1. 5 ；步驟2. 4，以上通過自診定得到的P，I，D三個常量在溫度控制的時候全部體現(xiàn)在 誤差系數(shù)K上，如下式表示K = P+BXI+CXD式中B，C為個常量的系數(shù)，是根據(jù)不同的恒溫浴結(jié)構(gòu)而得，一般都小于零。步驟3，計算當(dāng)前參與計算脈沖寬度的變量ΔΤη+ΧΤη ；步驟3. 1，計算溫度相對誤差Δ Τη，就是每隔時間t的溫度誤差，第一次為ΔΤ1，第 二次為ΔΤ2，第η次為Δ Τη，每隔時間t對溫度誤差Δ T計算一次
ΔΤη = Tl-TO (η = 0,1,2.....N)式中Tl為此次采樣的溫度，而TO為上一次采樣的溫度，采樣周期t 一般大于等于 20ms，本實施例選用20ms ；步驟3. 2，計算誤差和XTn，XTn為每次溫度誤差的累計XTn = XTn-I+Δ Tn-I XK (η = 0,1,2......N)式中XTn為本次參與計算的溫度誤差和，XTn-I為上一次參與計算的溫度誤差和， Δ Tn-I為上一次的溫度相對誤差，而K為上述步驟2得到的誤差系數(shù)，顯然可以看出，第一 次 XTO = 0 ；步驟3. 3，運算出脈沖寬度的變量ΔΤη+ΧΤη ；步驟4，通過步驟3計算出來的脈沖寬度的變量ΔΤη+ΧΤη，經(jīng)由D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換，模 擬開關(guān)模塊控制數(shù)據(jù)輸出，輸出的信號經(jīng)運算放大器和三極管加強放大來控制固態(tài)調(diào)壓器 的功率，從而控制主加熱器工作；待恒溫浴內(nèi)溫度達到被控溫度點后，該溫度會在被控溫度 點周圍小幅振蕩著緩慢接近被控溫度點，在10分鐘左右后，穩(wěn)定在被控溫度點士0. 01°C。實施結(jié)果穩(wěn)定在被控溫度點之后，經(jīng)過M小時的觀察，溫度能穩(wěn)定在士o.orc 的范圍內(nèi)。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應(yīng)當(dāng)認識到上述的 描述不應(yīng)被認為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的 多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種用于石油產(chǎn)品運動粘度測定的恒溫系統(tǒng)，其包含 恒溫浴(10)，嵌入式設(shè)置在恒溫浴(10)上的攪拌器(20)，該攪拌器00)伸入到恒溫浴(10)內(nèi)部；及，設(shè)置在恒溫浴(10)上的加熱控制系統(tǒng)，該加熱控制系統(tǒng)包含溫度測量系統(tǒng)(31)以及 與該溫度測量系統(tǒng)(31)的輸出端連接的溫控儀(32)； 其特征在于所述的溫度測量系統(tǒng)(31)包含設(shè)置在恒溫箱(311)體內(nèi)的通過電路連接的溫度傳感 器(312)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(313)和微處理器(314)，其中該溫度傳感器(312)的信號輸入端伸 入到恒溫浴(10)內(nèi)下部，該溫度傳感器(312)的信號輸出端與數(shù)模轉(zhuǎn)換器(313)的輸入端 連接，該數(shù)模轉(zhuǎn)換器(313)的輸出端與微處理器(314)的輸入端連接； 所述的微處理器(314)采用誤差疊加式PID算法計算控溫。
2.如權(quán)利要求1所述的用于石油產(chǎn)品運動粘度測定的恒溫系統(tǒng)，其特征在于，所述的 溫控儀(32)包含與微處理器(314)的輸出端連接的開關(guān)模塊， 與該開關(guān)模塊輸出端連接的運算放大器， 與運算放大器輸出端連接的固態(tài)調(diào)壓器， 及與該固態(tài)調(diào)壓器電路連接的主加熱器。
3.如權(quán)利要求2所述的用于石油產(chǎn)品運動粘度測定的恒溫系統(tǒng)，其特征在于，所述的 溫控儀(3 還包含與所述的微處理器(314)的輸出端連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
4.如權(quán)利要求2所述的用于石油產(chǎn)品運動粘度測定的恒溫系統(tǒng)，其特征在于，所述的 溫控儀(3 還包含與所述的微處理器(314)的輸出端連接的達林頓管； 與所述的達林頓管的輸出端連接的固態(tài)繼電器，及 與所述的固態(tài)繼電器電路連接的輔助加熱器(321)。
5.如權(quán)利要求1所述的用于石油產(chǎn)品運動粘度測定的恒溫系統(tǒng)，其特征在于，所述的 恒溫浴(10)包含恒溫缸體(11)、設(shè)置在恒溫缸體(11)外部的保溫缸體(1 及設(shè)置在保溫 缸體(1 頂部的頂蓋(1 ；其中，所述的恒溫缸體(11)和保溫缸體(1 采用絕熱材料制 成。
6.如權(quán)利要求1所述的用于石油產(chǎn)品運動粘度測定的恒溫系統(tǒng)，其特征在于，所述的 攪拌器00)設(shè)置在頂蓋(1 的中部，該攪拌器00)為槳式攪拌器，攪拌速度均勻，且介質(zhì) 流的轉(zhuǎn)速恒定。
7.如權(quán)利要求1所述的用于石油產(chǎn)品運動粘度測定的恒溫系統(tǒng)，其特征在于，所述的 恒溫浴(10)里還設(shè)置有液壓傳感器(34)。
8.如權(quán)利要求1所述的用于石油產(chǎn)品運動粘度測定的恒溫系統(tǒng)，其特征在于，所述的 溫度測量系統(tǒng)(31)的溫度傳感器(31 設(shè)置在主加熱器的旁邊。
9.如權(quán)利要求1所述的用于石油產(chǎn)品運動粘度測定的恒溫系統(tǒng)，其特征在于，所述的 溫度測量系統(tǒng)(31)的溫度傳感器(312)為鉬電阻式溫度傳感器，采用三線制恒流測量方法進行測量。
10.如權(quán)利要求1所述的用于石油產(chǎn)品運動粘度測定的恒溫系統(tǒng)，其特征在于，所述的 恒溫箱(311)體內(nèi)溫度設(shè)置為40°C 50°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于石油產(chǎn)品運動粘度測定的恒溫系統(tǒng)，其包含恒溫浴，嵌入式設(shè)置在恒溫浴上并伸入到恒溫浴中的攪拌器，及設(shè)置在恒溫浴上的加熱控制系統(tǒng)；該加熱控制系統(tǒng)包含溫度測量系統(tǒng)以及與該溫度測量系統(tǒng)的輸出端連接的溫控儀；所述的溫度測量系統(tǒng)包含設(shè)置在恒溫箱體內(nèi)的通過電路連接的溫度傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和微處理器；所述的溫控儀通過微處理器控制加熱器的加熱功率。本發(fā)明提供的恒溫系統(tǒng)采用三線制恒流測量方法進行測量，并通過運用誤差疊加式PID算法進行加熱控制，可將恒溫浴內(nèi)部的溫度精確控制到±0.01℃的精度范圍內(nèi)，適用于精密度要求極高的恒溫控制領(lǐng)域。
文檔編號G01N11/06GK102081029SQ20091019966
公開日2011年6月1日 申請日期2009年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月30日
發(fā)明者沈亞光, 袁緣 申請人:上海神開石油儀器有限公司, 上海神開石油化工裝備股份有限公司