本實用新型一般涉及溫度控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種可實現(xiàn)以與預(yù)設(shè)速率降溫溫度控制設(shè)備。

背景技術(shù)：

近年來，設(shè)備在低溫環(huán)境下的可靠性研究越來越受到人們的重視。例如隨著航空航天等技術(shù)發(fā)展，由于航天設(shè)備及其組件長期暴露在極端惡劣的宇宙空間環(huán)境中，為了保證航天設(shè)備在空間環(huán)境中能夠安全且可靠的運行，模擬和檢測航天設(shè)備在極端溫度環(huán)境中是否安全可靠是十分必要的。

現(xiàn)有的低溫環(huán)境實驗設(shè)備大致為一個環(huán)境試驗容器，將需要測試的設(shè)備放入環(huán)境試驗容器中，通過將低溫制冷器導入環(huán)境試驗容器中的換熱設(shè)備使得實驗容器內(nèi)溫度降至需要的實驗溫度，在此過程中，一般采用比例‐微分‐積分(PID) 算法實現(xiàn)溫度控制。如圖1所示，為輸出值u隨著時間t的變化曲線，當需要將輸出值u控制在期望值R時，常見的PID控制方法根據(jù)預(yù)設(shè)使得輸出值u控制在期望值R的范圍內(nèi)，在期望值R的附近可以有一定的波動，并最終大致穩(wěn)定在期望值R。

然而，如圖2所示，在一般的降溫過程中，需要在0～t1的時間內(nèi)將溫度以某個預(yù)定的降溫速率將實驗容器內(nèi)的溫度從T1降至目標溫度T2，然后再 t1～t2的時間內(nèi)使溫度大致保持在目標溫度T2，由于PID控制方法實現(xiàn)的溫度曲線和圖1的輸出值變化曲線相似，因此可以實現(xiàn)的是t1～t2的保持溫度的溫控過程，而0～t1時間段的以固定速率降溫的溫控過程并不能實現(xiàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種溫度控制設(shè)備，其中的變量控制裝置將如上述所述的降溫過程分割為多個子時間段，在每個子時間段內(nèi)分別進行溫度控制，從而在整個降溫過程上可呈現(xiàn)出以固定降溫速率實現(xiàn)溫度控制。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型提出一種溫度控制設(shè)備，其包括液氮提供裝置、變量調(diào)節(jié)裝置、環(huán)境試驗容器、測溫裝置以及變量控制裝置。液氮提供裝置通過變量調(diào)節(jié)裝置與環(huán)境試驗容器連接，變量控制裝置與變量調(diào)節(jié)裝置連接，設(shè)置在環(huán)境試驗容器內(nèi)的測溫裝置將測得的溫度信號發(fā)送至變量控制裝置。其中，變量控制裝置包含：

輸入單元，其包括當前溫度輸入接口、目標溫度輸入接口、降溫速率輸入接口和時間間隔輸入接口；當前溫度輸入接口與測溫裝置連接，以獲取溫度信號，目標溫度輸入接口獲取預(yù)定的目標溫度信號，降溫速率獲取單元獲取預(yù)定的降溫速率信號，時間間隔輸入接口獲取預(yù)定的時間間隔信號；

與輸入單元連接的主控單元，其從輸入單元接收溫度信號、目標溫度信號、降溫速率信號以及時間間隔信號，產(chǎn)生變量控制信號，同時主控單元還包括錯誤輸出接口，用于輸出錯誤信號；

輸出單元，其一端與主控單元連接，另一端與變量調(diào)節(jié)裝置連接，用于將從主控單元接收到的變量控制信號輸出至變量調(diào)節(jié)裝置。

與主控單元連接的顯示單元。以及

電源單元，與所述輸入單元、所述主控單元和所述輸出單元連接。

上述溫度控制設(shè)備，其中顯示單元具有輸入顯示屏和輸出顯示屏；輸入顯示屏用于顯示溫度信號、目標溫度信號、降溫速率信號以及時間間隔信號的任意一種或其組合；輸出顯示屏用于顯示變量控制信號和錯誤信號。

上述溫度控制設(shè)備，其中變量調(diào)節(jié)裝置包括截止閥和調(diào)節(jié)閥，所述變量控制信號為閥門開度信號。

上述溫度控制設(shè)備，其中主控單元為PID控制器。

上述溫度控制設(shè)備，其中輸入單元還包含參數(shù)輸入接口，用于向主控單元輸入比例增益信號、積分時間信號和微分時間信號。

上述溫度控制設(shè)備，所述輸入顯示屏還顯示增益信號、積分時間信號和微分時間信號的任意一種或其組合。

上述溫度控制設(shè)備，其中主控單元采用西門子公司制造的CPU1515‐2PN 處理芯片。

上述溫度控制設(shè)備，其中輸入單元還包括用于獲取模式信號的模式切換接口和用于獲取手動變量控制信號的手動輸入接口。

上述溫度控制設(shè)備，其中輸入顯示屏還顯示模式信號和/或手動變量控制信號。

上述溫度控制設(shè)備，其中主控單元還包括復位接口，用于接收復位信號。

綜上所述，本實用新型的有益效果為：變量控制裝置根據(jù)時間間隔信號將從當前溫度到目標溫度的整個降溫過程分割為多個子控制過程，在每個子控制過程單獨進行溫度控制，從而實現(xiàn)了在整個降溫過程上的溫度變化曲線呈現(xiàn)以預(yù)設(shè)的降溫速率下降。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有PID控制方法的輸出值曲線示意圖；

圖2為溫度控制過程期望的溫度變化曲線圖；

圖3為本實用新型的溫度控制設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實用新型的第一實施方式的變量控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本實用新型的第一實施方式的顯示單元的顯示界面示意圖；

圖6為本實用新型的第二實施方式的變量控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本實用新型的第二實施方式的顯示單元的顯示界面示意圖；

圖8為本實用新型的第二實施方式的溫度變化曲線的示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本實用新型進行詳細說明。

請參閱圖3，圖3為本實用新型的溫度控制設(shè)備100的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，溫度控制設(shè)備100包括液氮提供裝置110、變量調(diào)節(jié)裝置120、環(huán)境試驗容器130、測溫裝置140以及變量控制裝置150構(gòu)成。液氮提供裝置110通過變量調(diào)節(jié)裝置 120將低溫液氮輸送至環(huán)境試驗容器130中，從而將環(huán)境試驗容器130中的溫度降低至低溫試驗所需的目標溫度，變量控制裝置150通過控制變量調(diào)節(jié)裝置對液氮的通斷以及流速進行控制，從而對環(huán)境試驗容器130內(nèi)的降溫過程進行控制，另外，設(shè)置在環(huán)境試驗容器130的測溫裝置140可對環(huán)境試驗容器130內(nèi)的實時溫度進行檢測，并將測得的溫度信號反饋至變量控制裝置150。

在具體的實施方式中，液氮提供裝置110可為用于儲存低溫液氮的容器，例如壓力罐或可自增壓的杜瓦瓶，變量調(diào)節(jié)裝置120可包括一個電動截止閥和一個氣動調(diào)節(jié)閥，通過電動截止閥的開閉，可控制液氮的導通與阻斷，從而控制環(huán)境試驗容器130中降溫過程的開始與中斷，通過氣動調(diào)節(jié)閥的開度變化，控制液氮流向環(huán)境試驗容器130的流速，從而控制環(huán)境試驗容器130中降溫速度。環(huán)境試驗容器130中可設(shè)置換熱器131，用以接收來自液氮提供裝置110液氮，液氮通過換熱器131時，吸收環(huán)境試驗容器130中氣體的熱量，從而達到降溫的效果。

請參閱圖4，圖4為本實用新型的第一實施方式的變量控制裝置150的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，主控單元152分別連接輸入單元151、輸出單元153和顯示單元 154，另外，電源155為主控單元152、輸入單元151、輸出單元153和顯示單元 154提供電力。在輸入單元151中，當前溫度輸入接口1511可從測溫裝置140處接收當前溫度T0，目標溫度輸入接口1512可接收預(yù)定的目標溫度Td、降溫速率輸入接口1513可接收預(yù)定的降溫速率R，時間間隔輸入接口1514可接收預(yù)定的時間間隔t，之后，輸入單元151將接收到的當前溫度T0、目標溫度Td、降溫速率R以及時間間隔t發(fā)送至主控單元151。另外，在主控單元151還具有錯誤輸出接口1521，用以在系統(tǒng)產(chǎn)生錯誤時發(fā)出錯信號。

為了實現(xiàn)溫度控制設(shè)備以預(yù)定的降溫速度進行降溫，輸入單元151在接受上述信號后，通過當前溫度T0、目標溫度Td、降溫速率R以及時間間隔t得出具有k個階段目標溫度D_i(i＝1～k)的階段目標溫度序列D，之后，通過執(zhí)行降溫控制后經(jīng)過的時間tp，判斷當前時間所處的降溫階段i，并根據(jù)對應(yīng)的階段目標溫度Di和當前溫度T0計算得出變量控制信號OP。具體而言，根據(jù)降溫速率R和時間間隔t得出相鄰時間間隔的溫度差Tf，使得Tf、R和t滿足公式(1)：

Tf＝R×t (1)

之后，根據(jù)當前溫度T0、目標溫度Td和溫度差Tf得到降溫過程包含的階段的數(shù)量k，使得T0、Td、Tf和k滿足公式(2)：

k＝(T0‐Td)÷Tf (2)

之后，生成階段目標溫度序列D，使D滿足公式(3)和公式(4)：

D＝{D₁＝T0‐Tf,D₂,…,D_i‐1,D_i＝Td} (3)

D_i–D_i‐1＝Tf (4)

再根據(jù)經(jīng)過的時間tp判斷當前溫度所處的階段i，使i滿足公式(5)：

(i‐1)×t＜tp≤I×t (5)

最后根據(jù)與當前階段i對應(yīng)的階段溫度Di和當前溫度T0得出變量控制信號OP，對于變量控制信號OP的計算，變量控制信號OP可與階段溫度Di和當前溫度T0 的差值成正比，及溫差越大，則OP越大，溫差越小，則OP越小，當然也可采用其它方法計算變量控制信號OP的大小。

僅舉例而言，例如當前溫度T0為200K，目標溫度Td為195K，降溫速率R為約0.028K/s，時間間隔t為36s，則根據(jù)公式(1)，相鄰時間間隔的溫度差Tf為 0.028K/s×36s＝1K，在根據(jù)公式(2)，得出200K至195K的降溫過程的階段數(shù)量i為(200K‐195K)÷1K＝5，從而階段目標溫度序列D為 {199K,198K,197K,196K,195K}，若當前從執(zhí)行降溫控制之后的經(jīng)過時間tp為80s，則由于72s(2×36s)＜80s≤108s(3×36s)，所以當前所處的階段序號為3，當前階段目標溫度D₃為197K，從而根據(jù)當前溫度和當前階段目標溫度計算變量控制信號OP，例如在某些實施例中，變量調(diào)節(jié)裝置120為一個電動截止閥和一個氣動調(diào)節(jié)閥，則變量控制信號OP為氣動調(diào)節(jié)閥的閥門開度，若當前溫度T0為 198K，與當前階段目標溫度的溫差較大，則閥門開度OP可為100％，使得電動截止閥開啟且氣動調(diào)節(jié)閥開度最大，若當前溫度T0為197.5K，與當前階段目標溫度的溫差適中，則閥門開度OP可為50％，使得電動截止閥開啟且氣動調(diào)節(jié)閥半開，若當前溫度T0為197.1K，與當前階段目標溫度的溫差較小，則閥門開度 OP可為10％，使得電動截止閥開啟且氣動調(diào)節(jié)閥略微開啟，若當前溫度T0為階段目標溫度的197K或低于階段目標溫度(諸如196.8K)，則閥門開度OP可為0％，使得電動截止閥關(guān)閉，停止向環(huán)境試驗容器130提供低溫液氮。

請參閱圖5，圖5為本實用新型的第一實施方式的顯示單元154的顯示界面示意圖，顯示界面可分為輸入界面1541和輸出界面1542，在輸入界面中1541，可包含當前溫度數(shù)據(jù)、目標溫度數(shù)據(jù)、時間間隔數(shù)據(jù)和降溫速率數(shù)據(jù)，在輸出界面1542中，可包含變量控制信號和相關(guān)錯誤信息，例如在變量調(diào)節(jié)裝置120 為電磁閥時面，變量控制信號為閥門開度。

請參閱圖6，圖6為本實用新型的第二實施方式的變量控制裝置250的結(jié)構(gòu)示意圖。在本實用新型的較佳實施方式中，變量控制裝置250中的主控單元 252采用了西門子公司制造的型號為CPU1515‐2PN的處理芯片,與圖4中的變量控制裝置150相比，其不同之處在于，輸入單元251還具有PID控制參數(shù)接口2515，模式切換接口2516和手動設(shè)定接口2517，另外，主控單元252中還具有復位接口2522，其中，PID控制參數(shù)接口2515可接收PID算法中的所需的比例系數(shù)Vp、積分系數(shù)Vi和微分系數(shù)Vd，并將這些參數(shù)發(fā)送至主控單元 252中，模式切換接口2516可接收模式切換信號MA，手動設(shè)定接口2517可接收手動設(shè)定信號MP，由于通過當前溫度T0、目標溫度Td、降溫速率R、時間間隔t以及溫控開始后的經(jīng)過時間tp得出當前所處階段i和對應(yīng)的階段目標溫度D_i與圖4中的變量控制裝置150相似，因此不再贅述。在本實施方式中，當?shù)玫疆斍八庪A段i和對應(yīng)的階段目標溫度D_i以及當前溫度T0后，使用PID 算法計算變量控制信號OP，例如變量調(diào)節(jié)裝置220為一個電動截止閥和一個氣動調(diào)節(jié)閥時，則變量控制信號OP為閥門開度，其中，對于PID算法中所需的比例系數(shù)Vp、積分系數(shù)Vi和微分系數(shù)Vd，經(jīng)過實際測量調(diào)試，在較佳實施方式中比例系數(shù)Vp優(yōu)選為40，積分系數(shù)Vi優(yōu)選為120，微分系數(shù)Vd優(yōu)選為 60。另外，在本實施方式中，可通過從模式切換接口2516處接收的模式切換信號MA控制溫度控制在手動模式和自動模式之間進行切換，當MA為自動控制模式時，則根據(jù)上述描述，通過PID算法自動計算變量控制信號OP，若MA 為手動模式時，則將手動設(shè)定接口2517處接收的手動設(shè)定信號MP作為變量控制信號OP，用以控制變量調(diào)節(jié)裝置220，同時，當復位接口2522接收到復位信號時，則中斷正在進行的溫度控制操作，使溫控設(shè)備恢復至初始模式。

請參閱圖7，圖7為本實用新型的第二實施方式的顯示單元254的顯示界面示意圖。其與圖5中的顯示單元154相比，顯示單元254的不同之處在于，在輸入界面2541中，還包括當前模式指示燈，當為自動模式時，自動標識一側(cè)的指示燈亮起，此時可顯示當前預(yù)設(shè)的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，當手動標識一側(cè)的指示燈亮起，此時顯示當前設(shè)定的手動設(shè)定信號。

請參閱圖8，圖8為本實用新型的第二實施方式的溫度變化曲線的示意圖，在使用本實用新型的分段PID溫度控制過程中，在每個時間間隔為t的時間段內(nèi)，溫度的變化值均為Tf，雖然在每個時間段中的溫度變化曲線Q與如圖1 所示的PID特有的輸出曲線相似，但是當整個降溫過程分割的階段數(shù)量足夠多時，則在整個降溫過程上則會呈現(xiàn)出以預(yù)定的降溫速率進行降溫的溫度變化曲線，從而達到環(huán)境試驗容器內(nèi)溫度以預(yù)設(shè)的降溫速率降溫至目標溫度的效果。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施方式，并非用以限定本實用新型，任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本實用新型的構(gòu)思進行各種變化與修飾，但這些變化與修飾都應(yīng)落入本實用新型所附權(quán)利要求的保護范圍。