專利名稱：采用冷熱抵消方法獲取瞬變溫度液體的控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種自動控制技術領域的方法，具體地說，涉及的是一種采用冷熱抵消方法獲取瞬變溫度液體的控制方法。

背景技術：
很多工業(yè)過程與場合都涉及到使用溫度快速變化的液體，通常要求是液體溫度變化快速并可連續(xù)調節(jié)，同時由自動控制程序可實現(xiàn)對不同溫度變化規(guī)律的控制。目前獲得變溫液體的方式通常是使用不同溫度液體的混合方式。
經對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，混合方式(參見專利93202791.1油井井口摻水溫度自動裝置)是采用一股低溫液體與另一股高溫液體進行混合，通過控制混合兩股液體的流量比例進行調節(jié)出口溫度。該種方式原理簡單、容易實現(xiàn)，只需要一個可加熱到恒定高溫的儲液罐與一臺出口溫度為低溫的制冷機組即可。該方法的缺點在于，兩股流體的流量控制不易精確實現(xiàn)，而且控制流量比例的機構成本高；另外，利用混合液體比例的方法產生的變溫液體，其溫度隨時間的變化比較緩慢，又往往與液體管路的長度、管道直徑以及液體流動速度有很大關系，不易精確控制。


發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種采用冷熱抵消方法獲取瞬變溫度液體的控制方法，通過溫度從低溫到高溫快速變化的液體，取代原有的液體混合方法，具有易于實現(xiàn)、可靠性高、控制方法簡單等特點。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明采用兩級電加熱器加熱液體，通過控制兩級電加熱器的加熱功率，在抵消連續(xù)運行的制冷機組的制冷量的同時，獲得溫度隨時間快速變化的液體。由連續(xù)工作的制冷機組與PID溫度控制器調節(jié)的制冷側電加熱器配合產生低于環(huán)境溫度的液體介質；隨后液體介質采用計算機控制的兩級電加熱器加熱，先經過第一級電加熱器，第一級電加熱器加熱量隨時間而變化，其出口的液體溫度也隨時間而改變，實現(xiàn)溫度連續(xù)可調，然后液體介質經過第二級電加熱器進一步加熱，抵消制冷機組的制冷功率。第一級電加熱器、第二級電加熱器的加熱量與液體在用戶端損耗的熱量之和等于制冷機組的制冷功率，從而實現(xiàn)制冷機組的連續(xù)運行，并在兩級電加熱器之間形成溫度快速變化的液體介質。
本發(fā)明包括如下步驟 步驟一將制冷側增壓泵的進口連接到絕熱儲液罐的一個出口，制冷側增壓泵的出口連接到制冷機組的進口，液體應用側增壓泵進口通過儲液罐連接到第一級電加熱器進口，開啟制冷側增壓泵與液體應用側增壓泵，為閉合液體循環(huán)提供動力。制冷側的作用是產生目標溫度為T0的恒溫液體，存儲在絕熱儲液罐中；液體應用側利用儲液罐中的恒溫液體，通過兩級電加熱器進行加熱控制，在變溫液體應用部件中形成溫度為f(t)變化的液體。
步驟二開啟制冷機組，直到絕熱儲液罐中液體溫度降低到PID溫度控制器的目標溫度T0。制冷機組出口通過制冷側電加熱器連接到儲液罐入口，形成閉合液體回路，絕熱儲液罐儲存溫度經制冷側調整的液體，并維持在目標溫度T0。
步驟三檢測制冷側電加熱器出口的液體溫度T1，并比較T1是否與目標溫度T0相等。當制冷機組穩(wěn)定運行后，應有T1＝T0。如T1＝T0條件不滿足，則繼續(xù)運行制冷機組與制冷側電加熱器；制冷側電加熱器由PID溫度控制器控制其加熱量，最終可使其出口的液體溫度穩(wěn)定在T0。如T1＝T0得到滿足，則進入步驟四。
步驟四開啟第一級電加熱器與第二級電加熱器。液體應用側增壓泵泵出的液體流到第一級電加熱器，液體依次流過第一級電加熱器、變溫液體應用部件、第二級電加熱器、三通閥，再此過程中經第一級電加熱器與第二級電加熱器加熱。
步驟五計算機根據(jù)設定的目標溫度曲線T＝f(t)，其中t為時間，利用能量守恒方程換算得出第一級電加熱器和第二級電加熱器的加熱功率。
步驟五中，采用比例開環(huán)控制策略控制第一級電加熱器和第二級電加熱器的加熱功率。利用步驟四中敘述的液體流動順序，通過調節(jié)第一級電加熱器與第二級電加熱器的加熱量，實現(xiàn)液體溫度的快速變化。
步驟六檢測是否需要停止的信號。如果否，則繼續(xù)循環(huán)至步驟五，根據(jù)目標設定曲線進行加熱控制；如果是需要停止，則依次進入步驟七和步驟八。
步驟七關閉第一級電加熱器和第二級電加熱器； 步驟八關閉制冷機組； 步驟九關閉制冷側增壓泵和液體應用側的增壓泵； 至此，冷熱抵消原理產生變化溫度場的控制流程全部完成。
本發(fā)明采用制冷機組與電加熱器配合進行冷熱對沖，同時獲得快速變溫液體。液體介質在制冷系統(tǒng)中獲得一恒定的低溫，并由絕熱儲液罐儲存；3臺大功率、小流量的電加熱器相配合，通過使用控制策略，獲得變化溫度的液體。使用本發(fā)明獲得的變溫液體，其溫度可實現(xiàn)精確、快速地控制，具有從低于環(huán)境溫度到高于環(huán)境溫度的溫度調節(jié)范圍。該方法易于實現(xiàn)，具有可靠性高、控制方法簡單、溫度調節(jié)范圍廣等特點。
使用本發(fā)明的技術方案，能夠獲得溫度快速可調的液體，其溫度隨時間的變化率可達2℃/min以上，控制方法簡單，控制得到的精度高；此外，使用計算機控制，還可以實現(xiàn)按程序控制溫度變化曲線。本發(fā)明可應用于對各種場合的變溫液體控制，包括儀器校正、科研實驗以及其他對溫度變化要求較高的工業(yè)場合。



圖1為本發(fā)明實施例使用的系統(tǒng)結構圖。
圖2為本發(fā)明實施例的流程圖。
圖3為本發(fā)明的一個具體實施效果圖。
圖中制冷機組1，制冷側電加熱器2，第一級電加熱器7，第二級電加熱器9，PID溫度控制器3，絕熱儲液罐4，制冷側增壓泵5，液體應用側增壓泵6，變溫液體應用部件8，三個閘閥10、11、12，三通閥13，球閥14，流量計15。

具體實施例方式 下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
如圖1所示，為本實施例使用的系統(tǒng)結構圖，包括制冷機組1，制冷側電加熱器2，第一級電加熱器7，第二級電加熱器9，PID溫度控制器3，絕熱儲液罐4，制冷側增壓泵5，液體應用側增壓泵6，變溫液體應用部件8，三個閘閥10、11、12，三通閥13，球閥14，流量計15。儲液罐4和管路中流動的是液體介質。
制冷機組1出口與制冷側電加熱器2的進口相連接，制冷側電加熱器2由PID溫度控制器3控制其發(fā)熱量，可控制進入儲液罐4的液體溫度恒定。制冷機組1的進口與三通閥13相連接，三通閥13的一個進口端通過第一閘閥11與制冷側增壓泵5出口相連接，制冷側增壓泵5進口與儲液罐4底部相連接，將儲液罐4中的低溫液體加壓泵出；三通閥13的另一進口端通過第二閘閥12與第二級電加熱器9的出口相連接。液體應用側增壓泵6將儲液罐4中的溫度恒定的液體加壓后，與第一級電加熱器7的進口相連接，第一級電加熱器7出口與變溫液體應用部件8進口相連接。變溫液體應用部件8出口與第二級電加熱器9的進口相連接。第一閘閥10的進口與第二液體泵6的出口相連接，第一閘閥10的出口與儲液罐4相連接，起旁通調節(jié)流量的作用。球閥14與儲液罐4相連接，起補液作用。球閥14起開關作用，三通閥13起到混合液體作用，三個閘閥10、11、12的作用均為調節(jié)流量。
所述的變溫液體應用部件8，可以是高效換熱器，或是能夠利用變溫液體產生溫度場的其他換熱部件，其作用是將溫度快速變化的液體溫度傳遞給需要的部件或場合。
如圖2所示，采用圖1所示的系統(tǒng)，本實施例首先啟動液體泵5、6運行，隨后啟動制冷機組1。運行一段時間后不斷檢測絕熱儲液罐4的進口溫度，也就是制冷側電加熱器出口的溫度T1，并與目標溫度T0相對比。若T1≠T0，則說明液體還未完全冷卻，繼續(xù)運行制冷機組1與電加熱器2；反之若T1＝T0，說明絕熱儲液罐4中的液體已經完全冷卻至T0溫度，可以進行下一步操作。由于電加熱器2采用了PID溫度控制器3控制其出口溫度，故能夠保證運行一段時間后T1一定可以降低至與T0相等。
當滿足條件T1＝T0后，開啟第一級電加熱器7和第二級電加熱器9的電源并進入下一步的加熱量控制。按照預先設定好的溫度變化數(shù)據(jù)，計算出第一級和第二級電加熱器7和9的加熱功率并采用計算機開環(huán)比例控制。這樣可實現(xiàn)在系統(tǒng)各部件連續(xù)運行的條件下，獲得溫度為f(t)的變溫液體。
當系統(tǒng)需要結束時，首先關閉第一級電加熱器7和第二級電加熱器9的電源，隨后關閉制冷機組1與制冷側電加熱器2的電源，最后關閉制冷側增壓泵5和液體應用側增壓泵6。
采用圖1所示的系統(tǒng)，本實施例涉及的采用冷熱抵消方法獲取瞬變溫度液體的控制方法，具體包括如下步驟 步驟一開啟制冷側增壓泵5和液體應用側增壓泵6，使液體充滿制冷機組1以及所有管路； 步驟二開啟制冷機組1，以使絕熱儲液罐4中的液體溫度降低。
步驟三檢測制冷機組1后制冷側電加熱器2出口的液體溫度T1是否與設定的目標溫度T0相等。如T1＝T0條件不滿足，則繼續(xù)運行制冷機組1與制冷側電加熱器2；如T1＝T0得到滿足，則進入步驟四。
步驟四開啟第一級電加熱器7和第二級電加熱器9。
步驟五計算機根據(jù)設定的目標溫度曲線T＝f(t)，(其中t為時間)，經過式(b)和式(c)換算得出第一級電加熱器7和第二級電加熱器9的加熱功率各為Q7和Q9。
步驟六檢測是否需要停止的信號，如果否，則繼續(xù)循環(huán)至步驟五，根據(jù)目標設定曲線進行加熱控制；如果是需要停止，則依次進入步驟七和步驟八。
步驟七關閉第一級電加熱器7和第二級電加熱器9； 步驟八關閉制冷機組1； 步驟九關閉制冷側增壓泵5和液體應用側增壓泵6； 至此，冷熱抵消原理產生變化溫度場的控制流程全部完成。
以上描述了整個系統(tǒng)的運行控制方法，其中涉及到的控制方程主要為能量守恒方程，其詳細描述見下。
式(a)表示的是制冷側的制冷量Qc、制冷機組的制冷量Qr與電加熱器2的加熱量Qe之間的關系。所謂制冷側的制冷量是指制冷機組產生的制冷量經過電加熱器2的熱量對沖，剩余的一部分制冷量。采用這種冷熱對沖是采用了加熱器2的加熱量可連續(xù)調節(jié)而制冷機組不便于連續(xù)調節(jié)的緣故。在PID調節(jié)到最低時，電加熱器2仍產生基本加熱量Qe，這樣在制冷機組在制冷量波動時可由電加熱器2進行調節(jié)，保證輸入儲液罐的液體溫度T1恒定與T0相等，從而使出口溫度的控制更加精確。
Qc＝Qr-Qe (a) 其中 Qr是制冷機組的制冷量，kW； Qe是電加熱器2在PID調節(jié)到最低時的加熱量，即基本加熱量，kW。
式(b)(c)分別表示的是控制電加熱器7和9的加熱功率Q7和Q9的計算方程，其中Qu代表變溫液體在應用部件中消耗的熱功率，由式(d)表示。電加熱器7出口為目標溫度曲線f(t)，進口為恒定的低溫T0，故電加熱器的加熱功率可以由其進出口溫差與液體質量流量和液體熱容的乘積計算得出。同時，由于電加熱器9主要起到平衡制冷量的作用，故在控制其加熱功率時，需要綜合考慮制冷側制冷量、電加熱器7的加熱量與變溫液體應用部件8消耗熱量，由(c)式計算。
Qu為變溫液體在其變溫液體應用部件8中消耗的熱功率，其計算也是通過溫差與液體質量熱容以及液體質量流量的乘積得出，如式(d)所示。
Q7＝c*m*[f(t)-T0] (b) Q9＝Qc-Q7-Qu (c) Qu＝c*m*[T2-f(t)] (d) 式中 c為液體的質量比熱容，kJ/(kg.℃)； m為液體的質量流量，kg/s； Qc為制冷機組的制冷量與PID控制的電加熱器(2)熱功率之差，kW； Qu為變溫液體在其應用部件8過程中消耗的熱功率，kW； T2為變溫液體應用部件8出口的液體溫度，℃； 以上兩電加熱器7和9的控制均采用開環(huán)比例控制策略，即計算機輸出信號與電加熱器的加熱功率成系數(shù)為k的正比例關系。
質量流量計15用于測量管路中液體質量流速m，供控制部分參考。
如圖3中的曲線為獲得的變溫液體溫度變化曲線。圖中的橫軸為時間(單位分鐘)，縱軸為溫度值(單位℃)。其控制目標是高溫35℃、低溫5℃的脈沖溫度變化，其變化周期為8分鐘。從圖3的溫度曲線看出，控制效果與控制目標誤差在±0.3℃內。上述溫度變化率為7.5℃/分鐘。
權利要求
1、一種采用冷熱抵消方法獲取瞬變溫度液體的控制方法，其特征在于由連續(xù)工作的制冷機組與PID溫度控制器調節(jié)的制冷側電加熱器配合產生低于環(huán)境溫度的液體介質，隨后液體介質采用計算機控制的兩級電加熱器加熱，第一級電加熱器加熱量隨時間而變化，其出口的液體溫度也隨時間而改變，實現(xiàn)溫度連續(xù)可調，第二級電加熱器進一步加熱，抵消制冷機組的制冷功率，其中第一級電加熱器、第二級電加熱器的加熱量與液體在用戶端損耗的熱量之和等于制冷機組的制冷功率，從而實現(xiàn)制冷機組的連續(xù)運行，并在兩級電加熱器之間形成溫度快速變化的液體介質。
2、根據(jù)權利要求1所述的采用冷熱抵消方法獲取瞬變溫度液體的控制方法，其特征是，包括步驟為
步驟一將制冷側增壓泵的進口連接到絕熱儲液罐的一個出口，制冷側增壓泵的出口連接到制冷機組的進口，液體應用側增壓泵進口通過儲液罐連接到第一級電加熱器進口，開啟制冷側增壓泵與液體應用側增壓泵為閉合液體循環(huán)提供動力；
步驟二開啟制冷機組，直到絕熱儲液罐中液體溫度降低到設定的溫度T0，制冷機組出口通過制冷側電加熱器連接到絕熱儲液罐入口，形成閉合液體回路，絕熱儲液罐儲存溫度經制冷側調整的液體，并維持在溫度T0；
步驟三檢測制冷側電加熱器出口的液體溫度T1，并比較T1是否與設定溫度T0相等，當制冷機組穩(wěn)定運行后，有T1＝T0，如T1＝T0條件不滿足，則繼續(xù)運行制冷機組與制冷側電加熱器，采用PID溫度控制器控制制冷側電加熱器加熱量，最終使其出口的液體溫度穩(wěn)定在T0，如T1＝T0得到滿足，則進入步驟四；步驟四開啟第一級電加熱器與第二級電加熱器，液體應用側增壓泵泵出的液體依次流過第一級電加熱器、變溫液體應用部件、第二級電加熱器、三通閥，再此過程中經第一級電加熱器與第二級電加熱器加熱；
步驟五計算機根據(jù)設定的目標溫度曲線T＝f(t)，其中t為時間，利用能量守恒方程換算得出第一級電加熱器和第二級電加熱器的加熱功率；
步驟五中，采用比例開環(huán)控制策略控制第一級電加熱器和第二級電加熱器的加熱功率，利用步驟四中敘述的液體流動順序，通過調節(jié)第一級電加熱器與第二級電加熱器的加熱量，實現(xiàn)液體溫度的變化；
步驟六檢測是否需要停止的信號，如果否，則繼續(xù)循環(huán)至步驟五，根據(jù)目標設定曲線進行加熱控制；如果是需要停止，則依次進入步驟七和步驟八；
步驟七關閉第一級電加熱器和第二級電加熱器；
步驟八關閉制冷機組；
步驟九關閉制冷側增壓泵和液體應用側的增壓泵；至此，冷熱抵消原理產生變化溫度場的控制全部完成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種溫度控制技術領域的采用冷熱抵消方法獲取瞬變溫度液體的控制方法，由連續(xù)工作的制冷機組與PID溫度控制器調節(jié)的制冷側電加熱器配合產生低于環(huán)境溫度的液體介質；隨后液體介質采用計算機控制的兩級電加熱器加熱，第一級電加熱器加熱量隨時間而變化，其出口的液體溫度也隨時間而改變，實現(xiàn)溫度連續(xù)可調，第二級電加熱器進一步加熱，抵消制冷機組的制冷功率。第一級電加熱器、第二級電加熱器的加熱量與液體在用戶端損耗的熱量之和等于制冷機組的制冷功率，從而實現(xiàn)制冷機組的連續(xù)運行，并在兩級電加熱器之間形成溫度快速變化的液體介質。本發(fā)明能獲得溫度隨時間的變化率可達2℃/min以上的液體，控制簡單，精度高。
文檔編號G05D23/19GK101520665SQ20091004823
公開日2009年9月2日 申請日期2009年3月26日 優(yōu)先權日2009年3月26日
發(fā)明者郭孝峰, 吳靜怡, 夏再忠, 王如竹 申請人:上海交通大學