專利名稱：一種多級細化精密溫度控制裝置及控制方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于溫度控制領域，涉及一種溫度裝置及控制方法，尤其涉及熱分析儀、恒溫浴槽、溫度校準儀等儀器設備中需要精密溫度控制的精密溫度控制裝置和控制方法。
背景技術(shù)：
溫度控制技術(shù)不僅僅廣泛應用于工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域，在許多精密測量儀器儀表中也得到廣泛應用。熱分析儀器用于測量材料特性與溫度的關系，如熱重分析儀通過程序控制線性升降溫和恒溫，以考察物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度(或時間)的變化關系；差示掃描量熱儀和差熱分析儀通過程序控制線性升降溫和恒溫，以考察物質(zhì)內(nèi)部熱轉(zhuǎn)變相關的溫度、熱流的關系；熱機械分析儀通過程序控制控制線性升降溫和恒溫，以考察材料形變與溫度的關系； 毛細管粘度計測量粘度時，因粘度與溫度相關性大，需要高精度的恒溫槽為毛細管粘度計構(gòu)建恒溫環(huán)境；溫度校準儀同樣需要一個高精度的溫度環(huán)境對其他的溫度傳感器或溫度測量儀表進行標定。在眾多與溫度相關的精密儀器儀表中，精密溫度控制裝置是保證其得到精確測量結(jié)果的重要條件。上述精密測量儀器一方面需要加大加熱器件功率、減小加熱對象熱容，以便減小測量時間，另一方面需要精確的溫度環(huán)境以保證得到準確的測量結(jié)果。但如果可控功率粒度過大，很難實現(xiàn)精確的溫度控制，溫度波動范圍較大。目前溫度控制系統(tǒng)中，常用的功率控制方法有任意相角可控硅控制、過零型控制、PWM控制等。任意相角可控硅控制通過調(diào)整導通角調(diào)整輸出功率，導通角的計算需要采用三角函數(shù)，計算量大，并且由于零點檢測電路的延時帶來較大的誤差，并且開關器件的導通并不是交流電電壓的零點，對電網(wǎng)和測量儀器內(nèi)部的干擾較大；PWM方式可以實現(xiàn)精確的功率控制，但由于采用斬波方式，對于大功率加熱器件，頻繁的大電流、高電壓開關對測量儀器內(nèi)部小信號測量電路干擾較嚴重，影響測量的準確度；過零型控制在交流電的零點實現(xiàn)大功率開關器件的導通和截止，對電網(wǎng)和測量儀器內(nèi)部干擾很小，但由于只能控制完整的半個交流電波形是否施加到加熱器件，若控制周期較小，則導致可控功率粒度過大，輸出的功率不是太大，就是太小，導致溫度波動大， 難以實現(xiàn)精確的溫度控制；若控制周期較大，溫控系統(tǒng)響應不及時，導致嚴重的低頻干擾。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上情形，本發(fā)明目的在于提出一種可控功率粒度小，對電網(wǎng)和測量儀器內(nèi)部干擾小的多級細化精密溫度控制裝置和控制方法。采用多級功率控制單元對過零型功率控制粒度進行細化，同時滿足對電網(wǎng)和測量儀器內(nèi)部干擾小和可控功率粒度小的要求。本發(fā)明所提出的多級細化精密溫度控制裝置，它包括微處理器模塊1、溫度采集模塊2和加熱控制模塊3，溫度采集模塊2和加熱控制模塊3分別與所述微處理器模塊1相連的；本發(fā)明還提出了一種多級細化精密溫度控制裝置中實現(xiàn)多級功率控制的功率分配方法。所述溫度采集模塊2包括溫度傳感器2. 1、電橋2. 2、放大電路2. 3、濾波電路2. 4、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路2. 5，還包括電壓基準源電路2. 6和電橋驅(qū)動電路2. 7。溫度傳感器2. 1與電橋電路2. 2相連，是電橋電路2. 2的一個橋臂；溫度傳感器2. 1組成的電橋?qū)⒈豢貙ο鬁囟绒D(zhuǎn)化為電信號；放大電路與電橋2. 2相連，將電橋2. 2輸出的信號放大到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路所需要的電壓范圍；放大電路2. 2同時還與濾波電路2. 4相連，濾波電路2. 4進行低通濾波，避免引起模數(shù)轉(zhuǎn)換電路混疊干擾；濾波電路2. 4與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路2. 5相連，將濾波后的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；基準電壓源電路2. 6與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路2. 5相連，為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路提供電壓基準，同時電壓基準源電路還與電橋驅(qū)動電路2. 7相連，形成穩(wěn)定的電壓加載到電橋。所述加熱控制模塊3包括兩級或兩級以上功率控制單元，每級功率控制單元包含驅(qū)動電路3. 1、過零態(tài)固態(tài)繼電器(或過零態(tài)可控硅)開關器件3. 2、發(fā)熱器件3. 5 ；開關器件 3. 2連接交流電，同時與發(fā)熱器件3. 5相連，開關器件3. 2的導通與截止控制交流電是否加載到發(fā)熱器件3. 5 ；驅(qū)動電路3. 1與微處理器模塊1、開關器件3. 2同時相連，微處理器模塊 1輸出的控制信號通過驅(qū)動電路3. 1后控制開關器件3. 2的導通與截止。每級功率控制單元的最大功率各不相同，下一級功率控制單元最大功率約等于上一級功率控制單元可控功率粒度，多級功率控制單元單獨受微處理器控制，細化可控功率粒度。各級功率控制單元分別與微處理器模塊1 一個控制輸出引腳相連，微處理器可以獨立的控制每級功率控制單元，控制輸出到各級功率控制單元發(fā)熱器件的發(fā)熱量。所述多級細化精密溫度控制裝置控制方法，實現(xiàn)多級功率控制的功率分配，采用取整求余功率分配方法；取整求余功率分配方法步驟為
1)溫度控制算法求解出的下一溫控周期的輸出功率P;
2)P對第一級功率控制單元的可控功率粒度整除，整除結(jié)果為分配給第一級功率控制單元的輸出功率P1，P對第一級功率控制單元的可控功率粒度求余Pl_remain;
3)Pl_remain對第二級功率控制單元的可控功率粒度整除，整除的結(jié)果為第二級功率控制單元的輸出功率P2，P2對第二級功率控制單元的可控功率粒度求余P2_remain;
4)依次類推，計算出各級功率控制單元下一溫控周期輸出功率Pn。由上可知，本發(fā)明所述多級細化精密溫度控制裝置及控制方法采用過零型功率控制電路控制加熱器件的發(fā)熱量，達到了減小功率控制電路對電網(wǎng)和精密測量儀器干擾的目的；同時，通過多級功率控制單元對過零型功率控制方法可控功率粒度進行細化，解決了過零型功率控制可控功率粒度大的問題，為實現(xiàn)溫度波動小的精密溫度控制提供前提。


圖1是多級細化精密溫度控制裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是溫度采集模塊示意圖。圖3是各級功率控制單元示意圖。圖4是實施例1微處理器電路。圖5是實施例1溫度放大與采集電路。圖6是實施例1參考電壓源與電橋驅(qū)動電路。圖7是實施例1加熱控制模塊電路。圖8是實施例1控制方法流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例1對本發(fā)明進行進一步的說明。實施例1是恒溫浴槽的多級細化精密溫度控制裝置及控制方法。用于粘度測量、 溫度校準恒溫浴槽，要求溫度波動小于士0.01攝氏度。實施例1包括微處理器模塊、溫度采集模塊和加熱控制模塊；微處理器模塊分別與溫度采集模塊和加熱控制模塊相連。實施例1所包含微處理器模塊如圖4所示，微處理器Ul采用C0RTEX-M3內(nèi)核的 ARM處理器STM32F103C8T6。Yl、C6和C7構(gòu)成微處理器時鐘外圍電路，與STM32F103C8T6 的5、6腳相連。RU C8為上電復位電路，與STM32F103C8T6的7腳相連；3. 3V電源經(jīng)Cl、 C2、C3、C4去耦濾波后，連接到Ul的數(shù)字電源引腳48、36、M ；經(jīng)電感Li、C5濾波后連接到 STM32F103C8T6模擬電源引腳9 ；STM32F103C8T6的13腳(FSO)輸出一定的時鐘信號，控制溫度采集模塊模數(shù)轉(zhuǎn)換內(nèi)部低通濾波器拐點頻率；14腳連接溫度采集模塊模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片片選引腳，用來選中模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片；STM32F103C8T6的15、16、17引腳分別對應SPI接口 SCK、MISO、MOSI信號，也連接到溫度采集模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，對模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進行讀寫； STM32F103C8T6的沈、27引腳連接到加熱控制模塊，分別控制兩個功率控制單元。如圖5所示，實施例1溫度采集模塊包括帶溫度傳感器TS的電橋電路、放大電路、 濾波電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。鉬電阻在-50°C 400°C具有最好的線性和準確度，溫度傳感器 TS采用PT100鉬電阻溫度傳感器；R2、R3、R5與溫度傳感器TS組成電橋，TS采用三線制接法，削弱連接導線電阻帶來的影響；電橋輸出的信號經(jīng)C14、C15濾波后輸入到低噪聲儀表放大器AD8^9，AD8429的放大倍數(shù)由R6決定(G=1+6K/R6)，根據(jù)測溫范圍和電橋參數(shù)，恰當選擇R6，使輸出的信號電壓范圍在0-3V之間；U3與周圍的阻容元件組成正反饋型有源二階低通濾波器，按照巴特沃夫濾波器設計，截止頻率5HZ ；U3輸出的信號連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片U4采用Linear模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片LTC2400，其M位分辨率、優(yōu)良的線性度、極低的溫度系數(shù)為獲取高精度溫度提供了有力的保障。如圖6所示，實施例1溫度采集模塊還包括電壓基準源電路和電橋驅(qū)動電路。電壓基準源芯片U5采用LTC6655基準電壓源，+12V電源經(jīng)RIO、C21去耦后輸入到U5，U5的 6、7腳輸出噪聲低、溫度漂移小、準確度高的3. OV參考電壓；該3. OV參考電壓直接輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片U4 2腳Ref輸入端，作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的基準電壓，同時該3. OV參考電壓還輸出到U6所組成的電橋驅(qū)動電路，TO為電壓跟隨器，TO輸出與LTC6655輸出參考電壓同樣穩(wěn)定的3. OV電壓，驅(qū)動電橋電路。加熱控制模塊包括多級功率控制單元，實施例1中加熱控制模塊包括兩級功率控制單元，每級功率控制單元包括大功率開關電路和大功率開關器件驅(qū)動電路。如圖7所示， M1、Q1、R12、R13、R14構(gòu)成一級功率控制單元，M2、Q2、R11、R15、R16構(gòu)成二級功率控制單元， M1、M2為過零型固態(tài)繼電器；Ql、R12、R13、R14是Ml的驅(qū)動電路，微處理器模塊輸出的P_ Conl信號為高電平時，Ql導通，+5V電源通過R12、Ql、Ml內(nèi)部光耦構(gòu)成回路，驅(qū)動Ml固態(tài)繼電器輸入端內(nèi)部光耦，當交流電的零點到來時，輸出端接通，220V交流電施加到HEARTl 加熱絲，同理Q2、Rll、R15、R16是M2的驅(qū)動電路，微處理器模塊輸出的P_Con2信號為高電平時，Ql導通，+5V電源通過R11、Q2、M2內(nèi)部光耦構(gòu)成回路，驅(qū)動M2固態(tài)繼電器輸入端內(nèi)部光耦，當交流電的零點到來時，輸出端接通，220V交流電施加到HEART2加熱絲。在實施例1中，為了避免高電壓、大電流狀態(tài)下開關引起對電網(wǎng)和精密測量儀器的影響，采用過零型固態(tài)繼電器，只能控制一個完整的交流半波是否施加到加熱絲上，在一定的溫度控制周期下，可控功率粒度較大，實施例1中采用兩級功率控制，細化功率控制粒度。如實施例1中一級功率控制單元相連接的加熱絲HEARTl的電阻為20歐姆，交流電電壓為220V時，最大功率約M00W，50HZ交流電包含100個半波，溫度控制周期為1秒時，則功率控制粒度為M00W/100=24W，如此大的功率控制粒度難以滿足溫度波動小于0. 01度的要求，實施例1中采用第二級功率控制單元對第一級功率控制單元進行補充。第二級功率控制單元加熱絲HEART2電阻為2000歐姆，最大功率約24W，同樣，1秒的溫控周期中包含了 100個半波，則第二級功率控制單元的功率控制粒度為0. 24W。實施例1中，相對于傳統(tǒng)的溫控方式，通過增加一級功率控制單元，細化功率控制粒度到0. 24W，為精密溫度控制提供條件。實施例1恒溫浴槽多級細化精密溫度控制裝置所采用的控制方法為取整求余功率分配法。當一個溫控周期到達時，算法流程如圖8所示
1)獲取恒溫浴槽當前實際溫度值；
2)計算當前目標溫度值；
3)根據(jù)自適應PID溫度算法(或其他溫度溫度控制算法)計算出下一溫控周期需輸出的加熱功率P ；
4)P除以第一級功率控制控制粒度，對商取整，得到第一級功率控制單元導通的交流電半波個數(shù)；P對第一級功率控制單元求余，得到PlRemain ；
5)PlRemain除以第二級功率控制單元功率控制粒度，對商取整，得到第二級功率控制單元導通的交流電半波個數(shù)；
6)根據(jù)4)、5)的結(jié)果控制P_Conl、P_Con2輸出相應的高電平的時間。綜上所述，實施例1針對傳統(tǒng)單級過零型溫度控制裝置，功率控制粒度過大，導致溫度控制波動大的問題，通過增加第二級功率控制單元細化功率控制粒度，實現(xiàn)高精度溫度控制，發(fā)揚了過零型功率開關器件對電網(wǎng)和設備本身干擾小的優(yōu)勢，同時克服了傳統(tǒng)單級過零型功率控制功率控制粒度大的缺點。以上實施例僅供說明本發(fā)明之用，而并非對本發(fā)明保護范圍的限制。有關技術(shù)領域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明之精神和范圍的情況下，還可以做出各種變型和變換，而所有等同的技術(shù)方案也應歸屬本發(fā)明保護的范疇之內(nèi)，由各權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種多級細化精密溫度控制裝置，包括微處理器模塊，分別與處理器相連的溫度采集模塊和加熱控制模塊；其特征在于加熱控制模塊包含兩級或兩級以上功率控制單元， 每級功率控制單元連接不同功率的發(fā)熱器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述多級細化精密溫度控制裝置，其特征在于所述加熱控制模塊所包含的各級功率控制單元分別與微處理器模塊一個輸出引腳相連，微處理器可以獨立的控制每級功率控制單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述多級細化精密溫度控制裝置，其特征在于所述每級功率控制單元所連接的發(fā)熱器件發(fā)熱功率各不相同，下一級功率控制單元的最大功率等于上一級功率控制單元最小可控功率粒度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述多級細化精密溫度控制裝置，其特征在于所述功率控制單元包含驅(qū)動電路、功率開關器件、發(fā)熱器件；功率開關器件為過零型開關器件，連接交流電，同時與發(fā)熱器件相連；功率開關器件的導通與截止控制交流電是否加載到發(fā)熱器件。
5.一種控制方法，根據(jù)被控對象當前溫度、目標溫度，通過溫度控制算法求解下一溫控周期需要輸出的加熱功率，其特征在于所述控制方法包含取整求余功率分配方法，將溫度控制算法所求解的下一溫控周期輸出的加熱功率分配到各級功率控制單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述控制方法，其特征在于所述控制方法所包含的取整求余功率分配方法，計算步驟為1)溫度控制算法求解出的下一溫控周期的輸出功率P;2)P對第一級功率控制單元的可控功率粒度整除，整除結(jié)果為分配給第一級功率控制單元的輸出功率Pl，P對第一級功率控制單元的可控功率粒度求余Plremain;3)Plremain對第二級功率控制單元的可控功率粒度整除，整除的結(jié)果為第二級功率控制單元的輸出功率P2，P2對第二級功率控制單元的可控功率粒度求余P2_remain;4)依次類推，計算出各級功率控制單元下一溫控周期輸出功率Pn。
全文摘要
本發(fā)明公開一種多級細化精密溫度控制裝置。包括微處理器模塊、與微處理器模塊相連的溫度采集模塊和加熱控制模塊；所述加熱控制模塊包括兩級或兩級以上功率控制單元，每級功率控制電路分別連接不同功率的加熱器件，下一級功率控制單元的最大功率等于上一級功率控制單元最小可控功率粒度；本發(fā)明還公開了一種控制方法，采用取整求余功率分配方法將溫度控制算法求解出下一溫控周期所需輸出的功率分配到各級功率控制單元。本發(fā)明采用多個功率控制模塊細化可控功率粒度，提高溫度控制精確度，減小溫度波動。
文檔編號G05D23/30GK102495650SQ201110424258
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月19日
發(fā)明者曹星, 王皓, 鄒豪杰, 顏小靈, 黃曉峰 申請人:湖南工業(yè)大學