專利名稱：帶傳熱速率檢測(cè)的恒溫控制裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種高精度的恒溫控制系統(tǒng)，增加了外界環(huán)境與恒溫系統(tǒng)之間傳熱速 率的檢測(cè)環(huán)節(jié)，使恒溫控制系統(tǒng)能夠更快的對(duì)外界環(huán)境的變化迅速做出反應(yīng)，以達(dá) 到更高的溫度穩(wěn)定性。本發(fā)明屬于自動(dòng)控制的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
帶傳熱速率檢測(cè)的恒溫控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是具有高穩(wěn)定性和高精度，外界環(huán)境的 改變不會(huì)引起該系統(tǒng)的恒溫狀態(tài)的波動(dòng)。
傳統(tǒng)的恒溫系統(tǒng)的不足之處在于整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)比較大，這樣帶來的壞處 就是調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)。這是由于恒溫系統(tǒng)里的恒溫空間的熱阻非常大，等熱量傳遞到恒 溫空間里時(shí)，溫度傳感器獲知的是滯后的溫度信息。溫度信息的滯后會(huì)引起溫度的 波動(dòng)或者溫度的超調(diào)甚至是溫度的振蕩，而這些都影響了恒溫系統(tǒng)的性能。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種帶傳熱速率檢測(cè)的恒溫控制裝置及方法， 引入前饋調(diào)節(jié)，使恒溫控制具有快速反應(yīng)和高穩(wěn)定精度的能力。
技術(shù)方案本發(fā)明的思路在傳統(tǒng)的恒溫控制系統(tǒng)中，恒溫空間里的溫度是迸 行溫度調(diào)節(jié)的唯一依據(jù)，但是由于恒溫空間的熱阻一般比較大，熱量傳遞到恒溫空 間的速度比較慢，恒溫空間里的傳感器實(shí)際上獲取的是有相當(dāng)時(shí)間滯后的溫度信息， 發(fā)現(xiàn)當(dāng)前溫度偏離目標(biāo)溫度時(shí)，加熱量已經(jīng)偏離目標(biāo)比較大，于是恒溫空間內(nèi)不可 避免的出現(xiàn)溫度的超調(diào)，嚴(yán)重的時(shí)候甚至?xí)霈F(xiàn)溫度的振蕩，給恒溫系統(tǒng)的恒溫穩(wěn) 定性帶來了非常不利的影響。
該裝置中的控制與信號(hào)處理單元的第一驅(qū)動(dòng)端口 (接第一驅(qū)動(dòng)電路的輸入端，
第一驅(qū)動(dòng)電路的輸出端接傳熱速率檢測(cè)單元；控制與信號(hào)處理單元的第二驅(qū)動(dòng)端口 接第二驅(qū)動(dòng)電路的輸入端，第二驅(qū)動(dòng)電路的輸出端接恒溫室內(nèi)的發(fā)熱&制冷單元；恒 溫室內(nèi)的傳感器的輸出端接第二放大電路的輸入端，傳熱速率檢測(cè)單元的輸出端接 第一放大電路的輸入端，第一放大電路、第二放大電路的輸出端分別接控制與信號(hào) 處理單元中的AD轉(zhuǎn)換單元的輸入端，AD轉(zhuǎn)換單元的輸出端接數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理
的輸出端分別接第一驅(qū)動(dòng)端口、第二驅(qū)動(dòng)端口的輸入端。
控制與信號(hào)處理單元中的數(shù)據(jù)處理器有兩路輸出控制信號(hào)，第一路輸出控制信
3號(hào)控制第一驅(qū)動(dòng)端口，第一驅(qū)動(dòng)端口的輸出信號(hào)控制第一驅(qū)動(dòng)電路，第一驅(qū)動(dòng)電路 直接驅(qū)動(dòng)傳熱速率檢測(cè)單元，由傳熱速率檢測(cè)單元檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)第一放大電路放 大后被控制與信號(hào)處理單元里的A/D轉(zhuǎn)換單元接收并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，傳送給數(shù)據(jù)處 理器進(jìn)行計(jì)算和分析；
第二路輸出控制信號(hào)控制第二驅(qū)動(dòng)端口 ，第二驅(qū)動(dòng)端口的輸出信號(hào)控制第二驅(qū) 動(dòng)電路，第二驅(qū)動(dòng)電路直接驅(qū)動(dòng)發(fā)熱&制冷單元，向恒溫室內(nèi)輸出制熱量或制冷量； 恒溫室內(nèi)的傳感器檢測(cè)到的溫度信號(hào)經(jīng)第二放大電路放大后被控制與信號(hào)處理單元 里的A/D轉(zhuǎn)換單元接受并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，傳送給數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行計(jì)算和分析；
傳感器檢測(cè)的是恒溫室內(nèi)的溫度信號(hào)；傳熱速率檢測(cè)單元檢測(cè)的是恒溫室與外 界環(huán)境之間熱量交換速率的信號(hào)；恒溫室內(nèi)的溫度信號(hào)使控制與信號(hào)處理單元獲知 當(dāng)前恒溫室內(nèi)的狀態(tài)，并根據(jù)恒溫室內(nèi)的狀態(tài)確定向恒溫室輸出制熱量還是制冷量； 恒溫室內(nèi)與外界環(huán)境熱量交換速率的信號(hào)使控制與信號(hào)處理單元能夠預(yù)估恒溫室內(nèi) 溫度變化的趨勢(shì)，并對(duì)這個(gè)變化進(jìn)行合適的響應(yīng)，達(dá)到減小外界環(huán)境變化對(duì)恒溫精 度影響的目的。
傳熱速率檢測(cè)單元具有靈活可變的實(shí)現(xiàn)方式。傳熱速率檢測(cè)單元既可以僅由一 個(gè)熱敏電阻構(gòu)成(如圖2)——它利用自身的電阻，被通過它的電流加熱到和恒溫 室同樣的溫度；傳熱速率檢測(cè)單元也可以采用與恒溫室相同的結(jié)構(gòu)(如圖3)，采用 外部的加熱或制冷元件來達(dá)到與恒溫室同溫的狀態(tài)。根據(jù)傳熱速率檢測(cè)單元的維持 與恒溫室相同溫度所需的制冷量或加熱量，獲取外界環(huán)境與恒溫系統(tǒng)之間熱量交換 速率的信息，預(yù)估恒溫室內(nèi)溫度變化的趨勢(shì)。
有益效果本發(fā)明著眼于快速的獲取外界環(huán)境的溫度變化——將一個(gè)溫度傳感 器直接暴露在空氣中，并把該溫度傳感器加熱(或冷卻)到目標(biāo)溫度，獲取這時(shí)該 溫度傳感器的加熱或制冷功率，就可以獲知外界環(huán)境對(duì)恒溫系統(tǒng)的影響。傳熱速率 檢測(cè)單元與恒溫室具有相同的溫度，不同的是各自本身的熱慣性和熱阻，因此，可
以將暴露在外界環(huán)境中傳感器本身的加熱量或制冷量作為參照，來調(diào)節(jié)恒溫空間的 加熱量。由于暴露在空氣中的傳感器的熱阻小，熱慣性也小，所以可以更快的獲取 溫度變化趨勢(shì)的信息，達(dá)到提前獲知溫度變化的趨勢(shì)，更快的更精確的穩(wěn)定溫度的 效果。同時(shí)，這種方法防止了大幅度的溫度超調(diào)，使恒溫控制達(dá)到更高的精度。


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圖l是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖，
圖2是本發(fā)明中同構(gòu)溫度檢測(cè)單元的一種結(jié)構(gòu)圖， 圖3是本發(fā)明中同構(gòu)溫度檢測(cè)單元的另一種結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明由控制與信號(hào)處理單元l，傳熱速率檢測(cè)單元2，傳感器3，發(fā)熱&制冷單 元4，恒溫室5，第一驅(qū)動(dòng)電路6，第一放大電路7，第二放大電路8，第二驅(qū)動(dòng)電 路9組成。
控制與信號(hào)處理單元1通過自身的第二驅(qū)動(dòng)端口 1-4控制第二驅(qū)動(dòng)電路9驅(qū)動(dòng) 發(fā)熱&制冷單元4，向恒溫室5輸出熱量或制冷量；恒溫室5里的傳感器3感知溫度 信號(hào)，經(jīng)過第二放大電路8，將恒溫室5內(nèi)的溫度信號(hào)反饋給控制與信號(hào)處理單元1。 同時(shí)，控制與信號(hào)處理單元1控制第一驅(qū)動(dòng)電路6驅(qū)動(dòng)傳熱速率檢測(cè)單元2達(dá)到與 恒溫室5內(nèi)一致的溫度；傳熱速率檢測(cè)單元2將檢測(cè)到的溫度變化信號(hào)經(jīng)第一放大 電路7前饋給控制與信號(hào)處理單元1。控制與信號(hào)處理單元1將兩路溫度信息提取， 經(jīng)過計(jì)算和分析后，調(diào)整第二驅(qū)動(dòng)端口 l-4的輸出。
傳熱速率檢測(cè)單元是本發(fā)明中最有特色的部分。首先，該檢測(cè)單元必須具有較 小的熱慣性，能夠被快速的制冷或加熱到合適的溫度；其次，該傳熱單元必須是可 以和外界環(huán)境良好傳熱的，這樣，傳熱速率檢測(cè)單元才能快速準(zhǔn)確的獲取當(dāng)前外界 環(huán)境變化的信息。
控制與信號(hào)處理單元1是一個(gè)非常重要的組成部分，溫度信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換，輸出 量的調(diào)節(jié)以及溫度數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析，都是由控制和信號(hào)處理單元完成的。A/D采 的精度直接影響了恒溫控制的精度，輸出量的調(diào)節(jié)精度直接決定了恒溫精度。對(duì)于 用作控制與信號(hào)處理單元的器件來說，直接驅(qū)動(dòng)發(fā)熱&制冷單元4是不現(xiàn)實(shí)的——發(fā) 熱&制冷單元4功率比較大，而控制與信號(hào)處理單元1驅(qū)動(dòng)能力比較弱，由第二驅(qū)動(dòng) 電路9來連接控制與信號(hào)處理單元1。
第二驅(qū)動(dòng)電路9被控制與信號(hào)處理單元1控制，同時(shí)第二驅(qū)動(dòng)電路9直接驅(qū)動(dòng) 發(fā)熱&制冷單元4。第二驅(qū)動(dòng)電路9相對(duì)于控制與信號(hào)處理單元1，必須能承受較大 的電流。同時(shí)具備較快的反應(yīng)速度，能夠跟上控制與信號(hào)處理單元l發(fā)出的控制信 號(hào)的速度。
第二放大電路8放大的信號(hào)是溫度信號(hào)，其變化速度比較慢，第二放大電路8 不需要高的速率。但是對(duì)放大增益的要求比較高，這樣才能取得較高的溫度傳感精 度。
權(quán)利要求
1.一種帶傳熱速率檢測(cè)的恒溫控制裝置，其特征在于該裝置中的控制與信號(hào)處理單元(1)的第一驅(qū)動(dòng)端口(1-3)接第一驅(qū)動(dòng)電路(6)的輸入端，第一驅(qū)動(dòng)電路(6)的輸出端接傳熱速率檢測(cè)單元(2)；控制與信號(hào)處理單元(1)的第二驅(qū)動(dòng)端口(1-4)接第二驅(qū)動(dòng)電路(9)的輸入端，第二驅(qū)動(dòng)電路(9)的輸出端接恒溫室(5)內(nèi)的發(fā)熱&制冷單元(4)；恒溫室(5)內(nèi)的傳感器(3)的輸出端接第二放大電路(8)的輸入端，傳熱速率檢測(cè)單元(2)的輸出端接第一放大電路(7)的輸入端，第一放大電路(7)、第二放大電路(8)的輸出端分別接控制與信號(hào)處理單元(1)中的AD轉(zhuǎn)換單元(1-2)的輸入端，AD轉(zhuǎn)換單元(1-2)的輸出端接數(shù)據(jù)處理(1-5)，數(shù)據(jù)處理(1-5)的輸出端分別接第一驅(qū)動(dòng)端口(1-3)、第二驅(qū)動(dòng)端口(1-4)的輸入端。
2. —種如權(quán)利要求1所述的帶傳熱速率檢測(cè)的恒溫控制裝置的控制方法，其特 征在于控制與信號(hào)處理單元(1)中的數(shù)據(jù)處理器(1-5)有兩路輸出控制信號(hào)，第 一路輸出控制信號(hào)控制第一驅(qū)動(dòng)端口 (1-3)，第一驅(qū)動(dòng)端口 (1-3)的輸出信號(hào)控制 第一驅(qū)動(dòng)電路(6)，第一驅(qū)動(dòng)電路(6)直接驅(qū)動(dòng)傳熱速率檢測(cè)單元(2)，由傳熱速 率檢測(cè)單元(2)檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)第一放大電路(7)放大后被控制與信號(hào)處理單元(1)里的A/D轉(zhuǎn)換單元(1-2)接收并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，傳送給數(shù)據(jù)處理器(1-5)進(jìn) 行計(jì)算和分析；第二路輸出控制信號(hào)控制第二驅(qū)動(dòng)端口 (1-4)，第二驅(qū)動(dòng)端口 (1-4)的輸出信 號(hào)控制第二驅(qū)動(dòng)電路(9)，第二驅(qū)動(dòng)電路(9)直接驅(qū)動(dòng)發(fā)熱&制冷單元(4)，向恒 溫室(5)內(nèi)輸出制熱量或制冷量；恒溫室(5)內(nèi)的傳感器(3)檢測(cè)到的溫度信號(hào) 經(jīng)第二放大電路(8)放大后被控制與信號(hào)處理單元(1)里的A/D轉(zhuǎn)換單元(l-2) 接受并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，傳送給數(shù)據(jù)處理器(1-5)進(jìn)行計(jì)算和分析。
3. 如權(quán)利要求1所述的帶傳熱速率檢測(cè)的恒溫控制裝置的控制方法，其特征在 于傳感器(3)檢測(cè)的是恒溫室(5)內(nèi)的溫度信號(hào);傳熱速率檢測(cè)單元(2)檢測(cè)的是恒溫 室(5)與外界環(huán)境之間熱量交換速率的信號(hào)；恒溫室(5)內(nèi)的溫度信號(hào)使控制與信 號(hào)處理單元(1)獲知當(dāng)前恒溫室內(nèi)的狀態(tài)，并根據(jù)恒溫室(5)內(nèi)的狀態(tài)確定向恒溫 室(5)輸出制熱量還是制冷量；恒溫室(5)內(nèi)與外界環(huán)境熱量交換速率的信號(hào)使控 制與信號(hào)處理單元(1)能夠預(yù)估恒溫室內(nèi)溫度變化的趨勢(shì)，并對(duì)這個(gè)變化進(jìn)行合適 的響應(yīng)，達(dá)到減小外界環(huán)境變化對(duì)恒溫精度影響的目的。
全文摘要
帶傳熱速率檢測(cè)的恒溫控制裝置及方法是一種高穩(wěn)定度，高恒溫精度的全新恒溫控制裝置及方法。該裝置中的控制與信號(hào)處理單元(1)、傳熱速率檢測(cè)單元(2)、傳感器(3)、發(fā)熱&制冷單元(4)、恒溫室(5)、第一驅(qū)動(dòng)電路(6)、第一放大電路(7)、第二放大電路(8)、第二驅(qū)動(dòng)電路(9)；該恒溫控制系統(tǒng)在傳統(tǒng)閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了恒溫空間與外界環(huán)境熱量交換速率檢測(cè)的環(huán)節(jié)，使恒溫系統(tǒng)能夠?qū)ν饨绛h(huán)境的變化迅速反應(yīng)，減小了溫度的波動(dòng)，提高了恒溫的速度和精度。
文檔編號(hào)G05D23/20GK101661300SQ20091003422
公開日2010年3月3日 申請(qǐng)日期2009年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月26日
發(fā)明者凱 張, 張旭蘋, 張益昕, 順 王 申請(qǐng)人:南京大學(xué)