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
技術領域：
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：
在生物、化工、醫(yī)藥、家電等各個領域，溫度控制是一個十分普遍而重要的應用。傳統(tǒng)的溫度控制裝置，當需要達到一定的溫度控制精度的時候，使用溫度傳感器測量被加熱部分的溫度，通過電路結構實現(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行處理。并且當需要進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候，則不能實現(xiàn)閉環(huán)加熱控制，系統(tǒng)控溫的精度達不到要求。一種改進的裝置在測溫環(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匹配電阻，系統(tǒng)仍然比較復雜。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，遠離發(fā)熱元件。在這樣的結構中，連接導致的不確定的接觸電阻和導線的分布電阻都會影響電橋法電阻測量的結果。因此這種裝置的控溫精度和重復性都不高。
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(2)和精密電流源串聯(lián)構成，以測量該阻性加熱器的溫度；加熱支路，由電子開關(1)和加熱電源串聯(lián)構成，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)；電壓差動放大器，該放大器與所述阻性加熱器的B、C點相連，對所述阻性加熱器B、C點的電壓差進行放大；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)關系計算其當前溫度；所述阻性發(fā)熱元件上連接有四根導線，最遠的兩根導線通較大的加熱電流，中間兩根導線相距盡可能遠，傳遞電壓信號。所述電壓差動放大器，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、或由分立元件構成的數(shù)字邏輯電路。所述電子開關，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，在其溫度低于目標溫度時用切換電源的方法插入一個固定時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)熱元件的實際溫度。
本發(fā)明的一個具體應用對毛細玻璃管進行溫控。所用毛細管內(nèi)徑0.5mm，外徑1.0mm，長度15mm。在毛細管表面密繞一層漆包線構成約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，具體實驗結果表明系統(tǒng)升溫速度高達15℃/s，控溫精度高達±0.1℃。
圖1.系統(tǒng)結構示意。
圖2.主要波形示意。
具體實施例方式
圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結構示意圖?？刂破?3)把檢測到的實際溫度與目標溫度做比較，決定加熱開關(1)和檢測開關(2)的動作，從而把發(fā)熱元件(6)的溫度維持在目標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)上有效距離最遠的兩點，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)差動放大器(5)相減所得的結果由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(1)，閉合檢測開關(2)，精密檢測電流由A點進入發(fā)熱元件(6)并由D點流出，回到控制側的地端。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際溫度單調(diào)變化，在差動放大器(5)的輸出端得到的放大了的B、C電位差可以直接反應發(fā)熱元件(6)的實際溫度。如果實際溫度大于或等于目標溫度，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)實際溫度小于給定溫度，則進入加熱周期斷開檢測開關(2)，閉合加熱開關(1)，遠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)過一個固定時間的延時后，控制器重新進入測溫周期。
根據(jù)檢測結果，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)的實際溫度控制在精度許可范圍內(nèi)。
進一步說明本發(fā)明中精密溫度檢測的原理。
因為所述發(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關系。又因為B、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關系?？刂破魍ㄟ^測量B、C間的電阻就能得到發(fā)熱元件(6)的實際溫度。因為恒流四端法測電阻的電路結構從B、C點取的電流非常小，所以差動放大器(5)的輸出信號僅與B、C間電阻有確定的比例關系，不受別處分布電阻變化的影響，溫度測量的準度和精度(重復性)得到保證。
圖2是系統(tǒng)工作時的主要波形曲線。上側曲線是發(fā)熱元件上所通過電流的示意，下側曲線是發(fā)熱元件實際溫度的示意。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，一旦實際溫度比目標溫度低到超過精度許可范圍，系統(tǒng)立即開始一個加熱周期。
權利要求
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(2)和精密電流源串聯(lián)構成，以測量該阻性加熱器的溫度；加熱支路，由電子開關(1)和加熱電源串聯(lián)構成，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)；電壓差動放大器，該放大器與所述阻性加熱器的B、C點相連，對所述阻性加熱器B、C點的電壓差進行放大；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)關系計算其當前溫度。
2.根據(jù)權利要求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線，最遠的兩根導線通較大的加熱電流，中間兩根導線相距盡可能遠，傳遞電壓信號。
3.根據(jù)權利要求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、或由分立元件構成的數(shù)字邏輯電路。
5.根據(jù)權利要求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，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，在其溫度低于目標溫度時用切換電源的方法插入一個固定時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溫度上下的許可精度范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權利要求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)熱元件的實際溫度。
全文摘要
一種不需要溫度傳感器的精密加熱溫度控制裝置及方法，屬于溫度測控技術領域，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際溫度，在實際溫度低于目標溫度時對發(fā)熱元件進行脈沖加熱，把發(fā)熱元件的實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，結構簡單，成本低廉，控溫精確，可以應用于任何一種通過電阻式加熱器進行溫度控制的場合。
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 優(yōu)先權日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