專利名稱:不需要溫度傳感器的精密加熱溫度控制裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種不需要溫度傳感器的精密加熱溫度控制裝置及方法。
背景技術(shù)：
在生物、化工、醫(yī)藥、家電等各個(gè)領(lǐng)域，溫度控制是一個(gè)十分普遍而重要的應(yīng)用。傳統(tǒng)的溫度控制裝置，當(dāng)需要達(dá)到一定的溫度控制精度的時(shí)候，使用溫度傳感器測量被加熱部分的溫度，通過電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。傳統(tǒng)的溫度傳感器(包括熱敏電阻、熱電耦、模擬硅溫度傳感器和鎳/鉑電阻式溫度檢測器等)需要專門的測量電路進(jìn)行處理。并且當(dāng)需要進(jìn)行溫度控制的部分由于某些限制(如尺寸、距離、電場等)不能使用溫度傳感器的時(shí)候，則不能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)加熱控制，系統(tǒng)控溫的精度達(dá)不到要求。一種改進(jìn)的裝置在測溫環(huán)節(jié)不使用溫度傳感器，而是用電橋法直接測量阻性發(fā)熱元件的電阻變化，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場溫度的反饋控制。電橋法測電阻需要額外的三個(gè)匹配電阻，系統(tǒng)仍然比較復(fù)雜。另外控制器與發(fā)熱元件所在的現(xiàn)場常常有一定的距離，為此控制器與發(fā)熱元件之間需要接插件連接。匹配電阻一般選擇放在控制器一側(cè)，遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。在這樣的結(jié)構(gòu)中，連接導(dǎo)致的不確定的接觸電阻和導(dǎo)線的分布電阻都會(huì)影響電橋法電阻測量的結(jié)果。因此這種裝置的控溫精度和重復(fù)性都不高。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提出一種簡潔而精準(zhǔn)的加熱溫度控制裝置，該裝置不使用常規(guī)的溫度傳感器，也不增加額外的電橋電阻，而是使用四端法直接精確測量發(fā)熱元件的電阻，實(shí)現(xiàn)精密控溫。
本發(fā)明裝置的特征在于該裝置含有阻性發(fā)熱元件，其電阻隨溫度的變化是單調(diào)的；測溫支路，由電子開關(guān)(2)和精密電流源串聯(lián)構(gòu)成，以測量該阻性加熱器的溫度；加熱支路，由電子開關(guān)(1)和加熱電源串聯(lián)構(gòu)成，以對該阻性加熱器加熱，所述測溫支路與加熱支路并聯(lián)后再與所述阻性加熱器串聯(lián)；電壓差動(dòng)放大器，該放大器與所述阻性加熱器的B、C點(diǎn)相連，對所述阻性加熱器B、C點(diǎn)的電壓差進(jìn)行放大；A/D轉(zhuǎn)換器，其輸入端與所述放大器的輸出端相連；控制器，其輸入端與所述A/D轉(zhuǎn)換器輸出端相連，該控制器根據(jù)阻性加熱器的電阻與溫度的單調(diào)關(guān)系計(jì)算其當(dāng)前溫度；所述阻性發(fā)熱元件上連接有四根導(dǎo)線，最遠(yuǎn)的兩根導(dǎo)線通較大的加熱電流，中間兩根導(dǎo)線相距盡可能遠(yuǎn)，傳遞電壓信號。所述電壓差動(dòng)放大器，其同相和反相輸入端對發(fā)熱元件的電流影響小到不破壞系統(tǒng)的控溫精度。所述控制器，其形式是CPU、或MCU、或CPLD、或FPGA、或由分立元件構(gòu)成的數(shù)字邏輯電路。所述電子開關(guān)，其工作頻率能滿足高速控溫循環(huán)的需求，并且能有效的接通和切斷加熱電源和恒流檢測電源。所述精密恒流電源，其精度能夠滿足溫度測量的精度要求。根據(jù)權(quán)利要求
1，所述加熱電源，其功率能夠加熱發(fā)熱元件。
本發(fā)明方法的特征在于該方法通過測溫周期不斷檢測發(fā)熱元件的溫度變化，在其溫度低于目標(biāo)溫度時(shí)用切換電源的方法插入一個(gè)固定時(shí)間的加熱周期提高發(fā)熱元件的溫度，然后回到測溫周期，維持發(fā)熱元件的溫度在目標(biāo)溫度上下的許可精度范圍內(nèi)。該方法通過四端法測量發(fā)熱元件的電阻，得到發(fā)熱元件的實(shí)際溫度。
本發(fā)明的一個(gè)具體應(yīng)用對毛細(xì)玻璃管進(jìn)行溫控。所用毛細(xì)管內(nèi)徑0.5mm，外徑1.0mm，長度15mm。在毛細(xì)管表面密繞一層漆包線構(gòu)成約9Ω的加熱電阻，由于體系較小不能放置溫度傳感元件，溫度的測量正是基于漆包線的阻值變化。測溫電流為5.00mA，加熱電壓為12VDC，加熱周期為1.0ms，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)升溫速度高達(dá)15℃/s，控溫精度高達(dá)±0.1℃。
圖1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意。
圖2.主要波形示意。
具體實(shí)施方式圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖?？刂破?3)把檢測到的實(shí)際溫度與目標(biāo)溫度做比較，決定加熱開關(guān)(1)和檢測開關(guān)(2)的動(dòng)作，從而把發(fā)熱元件(6)的溫度維持在目標(biāo)溫度上下一定精度的范圍內(nèi)。圖中，恒壓源(7)為發(fā)熱元件(6)提供加熱能量，精密恒流源(8)為發(fā)熱元件(6)提供檢測用的精密電流。A和D是發(fā)熱元件(6)上有效距離最遠(yuǎn)的兩點(diǎn)，這樣可以充分利用發(fā)熱元件。B是A、D之間盡可能接近A的位置，C是A、D之間盡可能接近D的位置，這樣B、C之間能檢測到的信號最大。B、C兩處的電壓信號經(jīng)差動(dòng)放大器(5)相減所得的結(jié)果由A/D轉(zhuǎn)換器(4)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號送入控制器(3)處理。
在控溫過程中，控制器一般處于測溫周期斷開加熱開關(guān)(1)，閉合檢測開關(guān)(2)，精密檢測電流由A點(diǎn)進(jìn)入發(fā)熱元件(6)并由D點(diǎn)流出，回到控制側(cè)的地端。精密電流流經(jīng)阻性發(fā)熱元件(6)產(chǎn)生電壓降，表現(xiàn)為B、C之間的電位差，其數(shù)值為精密電流與B、C間電阻的乘積。由于發(fā)熱元件的電阻隨其實(shí)際溫度單調(diào)變化，在差動(dòng)放大器(5)的輸出端得到的放大了的B、C電位差可以直接反應(yīng)發(fā)熱元件(6)的實(shí)際溫度。如果實(shí)際溫度大于或等于目標(biāo)溫度，控制器一直處于測溫周期，等待發(fā)熱元件降溫。
如果控制器發(fā)現(xiàn)實(shí)際溫度小于給定溫度，則進(jìn)入加熱周期斷開檢測開關(guān)(2)，閉合加熱開關(guān)(1)，遠(yuǎn)大于檢測電流的加熱電流流過發(fā)熱元件(6)使其迅速升溫。經(jīng)過一個(gè)固定時(shí)間的延時(shí)后，控制器重新進(jìn)入測溫周期。
根據(jù)檢測結(jié)果，控制器不斷地在測溫周期與加熱周期之間切換，把發(fā)熱元件(6)的實(shí)際溫度控制在精度許可范圍內(nèi)。
進(jìn)一步說明本發(fā)明中精密溫度檢測的原理。
因?yàn)樗霭l(fā)熱元件(6)的電阻隨溫度單調(diào)變化，所以其電阻值與溫度有唯一的對應(yīng)關(guān)系。又因?yàn)锽、C間的電位差是B、C間的電阻與流過B、C的電流的乘積，其中檢測電流是精確的、已知的。所以B、C間的電位差與溫度有唯一的對應(yīng)關(guān)系。控制器通過測量B、C間的電阻就能得到發(fā)熱元件(6)的實(shí)際溫度。因?yàn)楹懔魉亩朔y電阻的電路結(jié)構(gòu)從B、C點(diǎn)取的電流非常小，所以差動(dòng)放大器(5)的輸出信號僅與B、C間電阻有確定的比例關(guān)系，不受別處分布電阻變化的影響，溫度測量的準(zhǔn)度和精度(重復(fù)性)得到保證。
圖2是系統(tǒng)工作時(shí)的主要波形曲線。上側(cè)曲線是發(fā)熱元件上所通過電流的示意，下側(cè)曲線是發(fā)熱元件實(shí)際溫度的示意。t1期間系統(tǒng)處于加熱周期，發(fā)熱元件上通過較大的電流，溫度迅速升高，加熱周期的時(shí)間是固定的；t2期間系統(tǒng)處于測溫周期，發(fā)熱元件上通過的測溫電流非常小，對元件的溫度影響很小，發(fā)熱元件自然降溫，一旦實(shí)際溫度比目標(biāo)溫度低到超過精度許可范圍，系統(tǒng)立即開始一個(gè)加熱周期。
權(quán)利要求
1.不需要溫度傳感器的精密加熱溫度控制裝置，其特征在于，該裝置含有阻性發(fā)熱元件，其電阻隨溫度的變化是單調(diào)的；測溫支路，由電子開關(guān)(2)和精密電流源串聯(lián)構(gòu)成，以測量該阻性加熱器的溫度；加熱支路，由電子開關(guān)(1)和加熱電源串聯(lián)構(gòu)成，以對該阻性加熱器加熱，所述測溫支路與加熱支路并聯(lián)后再與所述阻性加熱器串聯(lián)；電壓差動(dòng)放大器，該放大器與所述阻性加熱器的B、C點(diǎn)相連，對所述阻性加熱器B、C點(diǎn)的電壓差進(jìn)行放大；A/D轉(zhuǎn)換器，其輸入端與所述放大器的輸出端相連；控制器，其輸入端與所述A/D轉(zhuǎn)換器輸出端相連，該控制器根據(jù)阻性加熱器的電阻與溫度的單調(diào)關(guān)系計(jì)算其當(dāng)前溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1，不需要溫度傳感器的精密加熱溫度控制裝置，其特征在于所述阻性發(fā)熱元件上連接有四根導(dǎo)線，最遠(yuǎn)的兩根導(dǎo)線通較大的加熱電流，中間兩根導(dǎo)線相距盡可能遠(yuǎn)，傳遞電壓信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1，不需要溫度傳感器的精密加熱溫度控制裝置，其特征在于所述電壓差動(dòng)放大器，其同相和反相輸入端對發(fā)熱元件的電流影響小到不破壞系統(tǒng)的控溫精度。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1，不需要溫度傳感器的精密加熱溫度控制裝置，其特征在于所述控制器，其形式是CPU、或MCU、或CPLD、或FPGA、或由分立元件構(gòu)成的數(shù)字邏輯電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1，不需要溫度傳感器的精密加熱溫度控制裝置，其特征在于所述電子開關(guān)，其工作頻率能滿足高速控溫循環(huán)的需求，并且能有效的接通和切斷加熱電源和恒流檢測電源。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1，不需要溫度傳感器的精密加熱溫度控制裝置，其特征在于所述精密恒流電源，其精度能夠滿足溫度測量的精度要求。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1，不需要溫度傳感器的精密加熱溫度控制裝置，其特征在于根據(jù)權(quán)利要求
1，所述加熱電源，其功率能夠加熱發(fā)熱元件。
8.不需要溫度傳感器的精密加熱溫度控制方法，其特征在于該方法通過測溫周期不斷檢測發(fā)熱元件的溫度變化，在其溫度低于目標(biāo)溫度時(shí)用切換電源的方法插入一個(gè)固定時(shí)間的加熱周期提高發(fā)熱元件的溫度，然后回到測溫周期，維持發(fā)熱元件的溫度在目標(biāo)溫度上下的許可精度范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求
8，不需要溫度傳感器的精密加熱溫度控制方法，其特征在于該方法通過四端法測量發(fā)熱元件的電阻，得到發(fā)熱元件的實(shí)際溫度。
專利摘要
一種不需要溫度傳感器的精密加熱溫度控制裝置及方法，屬于溫度測控技術(shù)領(lǐng)域：
，其特征在于控制器通過四端法測量發(fā)熱元件的電阻獲得其實(shí)際溫度，在實(shí)際溫度低于目標(biāo)溫度時(shí)對發(fā)熱元件進(jìn)行脈沖加熱，把發(fā)熱元件的實(shí)際溫度控制在精度許可范圍內(nèi)。本發(fā)明不需要額外的溫度傳感器和電橋匹配電阻，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，控溫精確，可以應(yīng)用于任何一種通過電阻式加熱器進(jìn)行溫度控制的場合。
文檔編號G05D23/24GK1991654SQ200510135478
公開日2007年7月4日 申請日期2005年12月31日
發(fā)明者郭旻, 沈科躍, 周騁, 官曉勝, 程京 申請人:博奧生物有限公司, 清華大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan