专利名称：一种多级细化精密温度控制装置及控制方法
技术领域：
本发明属于温度控制领域，涉及一种温度装置及控制方法，尤其涉及热分析仪、恒温浴槽、温度校准仪等仪器设备中需要精密温度控制的精密温度控制装置和控制方法。
背景技术：
温度控制技术不仅仅广泛应用于工业农业生产领域，在许多精密测量仪器仪表中也得到广泛应用。热分析仪器用于测量材料特性与温度的关系，如热重分析仪通过程序控制线性升降温和恒温，以考察物质的质量随温度(或时间)的变化关系；差示扫描量热仪和差热分析仪通过程序控制线性升降温和恒温，以考察物质内部热转变相关的温度、热流的关系；热机械分析仪通过程序控制控制线性升降温和恒温，以考察材料形变与温度的关系； 毛细管粘度计测量粘度时，因粘度与温度相关性大，需要高精度的恒温槽为毛细管粘度计构建恒温环境；温度校准仪同样需要一个高精度的温度环境对其他的温度传感器或温度测量仪表进行标定。在众多与温度相关的精密仪器仪表中，精密温度控制装置是保证其得到精确测量结果的重要条件。上述精密测量仪器一方面需要加大加热器件功率、减小加热对象热容，以便减小测量时间，另一方面需要精确的温度环境以保证得到准确的测量结果。但如果可控功率粒度过大，很难实现精确的温度控制，温度波动范围较大。目前温度控制系统中，常用的功率控制方法有任意相角可控硅控制、过零型控制、PWM控制等。任意相角可控硅控制通过调整导通角调整输出功率，导通角的计算需要采用三角函数，计算量大，并且由于零点检测电路的延时带来较大的误差，并且开关器件的导通并不是交流电电压的零点，对电网和测量仪器内部的干扰较大；PWM方式可以实现精确的功率控制，但由于采用斩波方式，对于大功率加热器件，频繁的大电流、高电压开关对测量仪器内部小信号测量电路干扰较严重，影响测量的准确度；过零型控制在交流电的零点实现大功率开关器件的导通和截止，对电网和测量仪器内部干扰很小，但由于只能控制完整的半个交流电波形是否施加到加热器件，若控制周期较小，则导致可控功率粒度过大，输出的功率不是太大，就是太小，导致温度波动大， 难以实现精确的温度控制；若控制周期较大，温控系统响应不及时，导致严重的低频干扰。
发明内容
鉴于以上情形，本发明目的在于提出一种可控功率粒度小，对电网和测量仪器内部干扰小的多级细化精密温度控制装置和控制方法。采用多级功率控制单元对过零型功率控制粒度进行细化，同时满足对电网和测量仪器内部干扰小和可控功率粒度小的要求。本发明所提出的多级细化精密温度控制装置，它包括微处理器模块1、温度采集模块2和加热控制模块3，温度采集模块2和加热控制模块3分别与所述微处理器模块1相连的；本发明还提出了一种多级细化精密温度控制装置中实现多级功率控制的功率分配方法。所述温度采集模块2包括温度传感器2. 1、电桥2. 2、放大电路2. 3、滤波电路2. 4、模数转换电路2. 5，还包括电压基准源电路2. 6和电桥驱动电路2. 7。温度传感器2. 1与电桥电路2. 2相连，是电桥电路2. 2的一个桥臂；温度传感器2. 1组成的电桥将被控对象温度转化为电信号；放大电路与电桥2. 2相连，将电桥2. 2输出的信号放大到模数转换电路所需要的电压范围；放大电路2. 2同时还与滤波电路2. 4相连，滤波电路2. 4进行低通滤波，避免引起模数转换电路混叠干扰；滤波电路2. 4与模数转换电路2. 5相连，将滤波后的信号转换为数字信号；基准电压源电路2. 6与模数转换电路2. 5相连，为模数转换电路提供电压基准，同时电压基准源电路还与电桥驱动电路2. 7相连，形成稳定的电压加载到电桥。所述加热控制模块3包括两级或两级以上功率控制单元，每级功率控制单元包含驱动电路3. 1、过零态固态继电器(或过零态可控硅)开关器件3. 2、发热器件3. 5 ；开关器件 3. 2连接交流电，同时与发热器件3. 5相连，开关器件3. 2的导通与截止控制交流电是否加载到发热器件3. 5 ；驱动电路3. 1与微处理器模块1、开关器件3. 2同时相连，微处理器模块 1输出的控制信号通过驱动电路3. 1后控制开关器件3. 2的导通与截止。每级功率控制单元的最大功率各不相同，下一级功率控制单元最大功率约等于上一级功率控制单元可控功率粒度，多级功率控制单元单独受微处理器控制，细化可控功率粒度。各级功率控制单元分别与微处理器模块1 一个控制输出引脚相连，微处理器可以独立的控制每级功率控制单元，控制输出到各级功率控制单元发热器件的发热量。所述多级细化精密温度控制装置控制方法，实现多级功率控制的功率分配，采用取整求余功率分配方法；取整求余功率分配方法步骤为
1)温度控制算法求解出的下一温控周期的输出功率P;
2)P对第一级功率控制单元的可控功率粒度整除，整除结果为分配给第一级功率控制单元的输出功率P1，P对第一级功率控制单元的可控功率粒度求余Pl_remain;
3)Pl_remain对第二级功率控制单元的可控功率粒度整除，整除的结果为第二级功率控制单元的输出功率P2，P2对第二级功率控制单元的可控功率粒度求余P2_remain;
4)依次类推，计算出各级功率控制单元下一温控周期输出功率Pn。由上可知，本发明所述多级细化精密温度控制装置及控制方法采用过零型功率控制电路控制加热器件的发热量，达到了减小功率控制电路对电网和精密测量仪器干扰的目的；同时，通过多级功率控制单元对过零型功率控制方法可控功率粒度进行细化，解决了过零型功率控制可控功率粒度大的问题，为实现温度波动小的精密温度控制提供前提。
图1是多级细化精密温度控制装置整体结构示意图。图2是温度采集模块示意图。图3是各级功率控制单元示意图。图4是实施例1微处理器电路。图5是实施例1温度放大与采集电路。图6是实施例1参考电压源与电桥驱动电路。图7是实施例1加热控制模块电路。图8是实施例1控制方法流程图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例1对本发明进行进一步的说明。实施例1是恒温浴槽的多级细化精密温度控制装置及控制方法。用于粘度测量、 温度校准恒温浴槽，要求温度波动小于士0.01摄氏度。实施例1包括微处理器模块、温度采集模块和加热控制模块；微处理器模块分别与温度采集模块和加热控制模块相连。实施例1所包含微处理器模块如图4所示，微处理器Ul采用C0RTEX-M3内核的 ARM处理器STM32F103C8T6。Yl、C6和C7构成微处理器时钟外围电路，与STM32F103C8T6 的5、6脚相连。RU C8为上电复位电路，与STM32F103C8T6的7脚相连；3. 3V电源经Cl、 C2、C3、C4去耦滤波后，连接到Ul的数字电源引脚48、36、M ；经电感Li、C5滤波后连接到 STM32F103C8T6模拟电源引脚9 ；STM32F103C8T6的13脚(FSO)输出一定的时钟信号，控制温度采集模块模数转换内部低通滤波器拐点频率；14脚连接温度采集模块模数转换芯片片选引脚，用来选中模数转换芯片；STM32F103C8T6的15、16、17引脚分别对应SPI接口 SCK、MISO、MOSI信号，也连接到温度采集模块的模数转换芯片，对模数转换芯片进行读写； STM32F103C8T6的沈、27引脚连接到加热控制模块，分别控制两个功率控制单元。如图5所示，实施例1温度采集模块包括带温度传感器TS的电桥电路、放大电路、 滤波电路和模数转换电路。钼电阻在-50°C 400°C具有最好的线性和准确度，温度传感器 TS采用PT100钼电阻温度传感器；R2、R3、R5与温度传感器TS组成电桥，TS采用三线制接法，削弱连接导线电阻带来的影响；电桥输出的信号经C14、C15滤波后输入到低噪声仪表放大器AD8^9，AD8429的放大倍数由R6决定(G=1+6K/R6)，根据测温范围和电桥参数，恰当选择R6，使输出的信号电压范围在0-3V之间；U3与周围的阻容元件组成正反馈型有源二阶低通滤波器，按照巴特沃夫滤波器设计，截止频率5HZ ；U3输出的信号连接到模数转换电路，模数转换芯片U4采用Linear模数转换芯片LTC2400，其M位分辨率、优良的线性度、极低的温度系数为获取高精度温度提供了有力的保障。如图6所示，实施例1温度采集模块还包括电压基准源电路和电桥驱动电路。电压基准源芯片U5采用LTC6655基准电压源，+12V电源经RIO、C21去耦后输入到U5，U5的 6、7脚输出噪声低、温度漂移小、准确度高的3. OV参考电压；该3. OV参考电压直接输出到模数转换芯片U4 2脚Ref输入端，作为模数转换芯片的基准电压，同时该3. OV参考电压还输出到U6所组成的电桥驱动电路，TO为电压跟随器，TO输出与LTC6655输出参考电压同样稳定的3. OV电压，驱动电桥电路。加热控制模块包括多级功率控制单元，实施例1中加热控制模块包括两级功率控制单元，每级功率控制单元包括大功率开关电路和大功率开关器件驱动电路。如图7所示， M1、Q1、R12、R13、R14构成一级功率控制单元，M2、Q2、R11、R15、R16构成二级功率控制单元， M1、M2为过零型固态继电器；Ql、R12、R13、R14是Ml的驱动电路，微处理器模块输出的P_ Conl信号为高电平时，Ql导通，+5V电源通过R12、Ql、Ml内部光耦构成回路，驱动Ml固态继电器输入端内部光耦，当交流电的零点到来时，输出端接通，220V交流电施加到HEARTl 加热丝，同理Q2、Rll、R15、R16是M2的驱动电路，微处理器模块输出的P_Con2信号为高电平时，Ql导通，+5V电源通过R11、Q2、M2内部光耦构成回路，驱动M2固态继电器输入端内部光耦，当交流电的零点到来时，输出端接通，220V交流电施加到HEART2加热丝。在实施例1中，为了避免高电压、大电流状态下开关引起对电网和精密测量仪器的影响，采用过零型固态继电器，只能控制一个完整的交流半波是否施加到加热丝上，在一定的温度控制周期下，可控功率粒度较大，实施例1中采用两级功率控制，细化功率控制粒度。如实施例1中一级功率控制单元相连接的加热丝HEARTl的电阻为20欧姆，交流电电压为220V时，最大功率约M00W，50HZ交流电包含100个半波，温度控制周期为1秒时，则功率控制粒度为M00W/100=24W，如此大的功率控制粒度难以满足温度波动小于0. 01度的要求，实施例1中采用第二级功率控制单元对第一级功率控制单元进行补充。第二级功率控制单元加热丝HEART2电阻为2000欧姆，最大功率约24W，同样，1秒的温控周期中包含了 100个半波，则第二级功率控制单元的功率控制粒度为0. 24W。实施例1中，相对于传统的温控方式，通过增加一级功率控制单元，细化功率控制粒度到0. 24W，为精密温度控制提供条件。实施例1恒温浴槽多级细化精密温度控制装置所采用的控制方法为取整求余功率分配法。当一个温控周期到达时，算法流程如图8所示
1)获取恒温浴槽当前实际温度值；
2)计算当前目标温度值；
3)根据自适应PID温度算法(或其他温度温度控制算法)计算出下一温控周期需输出的加热功率P ；
4)P除以第一级功率控制控制粒度，对商取整，得到第一级功率控制单元导通的交流电半波个数；P对第一级功率控制单元求余，得到PlRemain ；
5)PlRemain除以第二级功率控制单元功率控制粒度，对商取整，得到第二级功率控制单元导通的交流电半波个数；
6)根据4)、5)的结果控制P_Conl、P_Con2输出相应的高电平的时间。综上所述，实施例1针对传统单级过零型温度控制装置，功率控制粒度过大，导致温度控制波动大的问题，通过增加第二级功率控制单元细化功率控制粒度，实现高精度温度控制，发扬了过零型功率开关器件对电网和设备本身干扰小的优势，同时克服了传统单级过零型功率控制功率控制粒度大的缺点。以上实施例仅供说明本发明之用，而并非对本发明保护范围的限制。有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围的情况下，还可以做出各种变型和变换，而所有等同的技术方案也应归属本发明保护的范畴之内，由各权利要求所限定。
权利要求
1.一种多级细化精密温度控制装置，包括微处理器模块，分别与处理器相连的温度采集模块和加热控制模块；其特征在于加热控制模块包含两级或两级以上功率控制单元， 每级功率控制单元连接不同功率的发热器件。
2.根据权利要求1所述多级细化精密温度控制装置，其特征在于所述加热控制模块所包含的各级功率控制单元分别与微处理器模块一个输出引脚相连，微处理器可以独立的控制每级功率控制单元。
3.根据权利要求1所述多级细化精密温度控制装置，其特征在于所述每级功率控制单元所连接的发热器件发热功率各不相同，下一级功率控制单元的最大功率等于上一级功率控制单元最小可控功率粒度。
4.根据权利要求1所述多级细化精密温度控制装置，其特征在于所述功率控制单元包含驱动电路、功率开关器件、发热器件；功率开关器件为过零型开关器件，连接交流电，同时与发热器件相连；功率开关器件的导通与截止控制交流电是否加载到发热器件。
5.一种控制方法，根据被控对象当前温度、目标温度，通过温度控制算法求解下一温控周期需要输出的加热功率，其特征在于所述控制方法包含取整求余功率分配方法，将温度控制算法所求解的下一温控周期输出的加热功率分配到各级功率控制单元。
6.根据权利要求5所述控制方法，其特征在于所述控制方法所包含的取整求余功率分配方法，计算步骤为1)温度控制算法求解出的下一温控周期的输出功率P;2)P对第一级功率控制单元的可控功率粒度整除，整除结果为分配给第一级功率控制单元的输出功率Pl，P对第一级功率控制单元的可控功率粒度求余Plremain;3)Plremain对第二级功率控制单元的可控功率粒度整除，整除的结果为第二级功率控制单元的输出功率P2，P2对第二级功率控制单元的可控功率粒度求余P2_remain;4)依次类推，计算出各级功率控制单元下一温控周期输出功率Pn。
全文摘要
本发明公开一种多级细化精密温度控制装置。包括微处理器模块、与微处理器模块相连的温度采集模块和加热控制模块；所述加热控制模块包括两级或两级以上功率控制单元，每级功率控制电路分别连接不同功率的加热器件，下一级功率控制单元的最大功率等于上一级功率控制单元最小可控功率粒度；本发明还公开了一种控制方法，采用取整求余功率分配方法将温度控制算法求解出下一温控周期所需输出的功率分配到各级功率控制单元。本发明采用多个功率控制模块细化可控功率粒度，提高温度控制精确度，减小温度波动。
文档编号G05D23/30GK102495650SQ201110424258
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月19日 优先权日2011年12月19日
发明者曹星, 王皓, 邹豪杰, 颜小灵, 黄晓峰 申请人:湖南工业大学