专利名称：自适应温度控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于对加热元件的温度进行同步控制并对^t显度进行监测的装 置。具体来说，该装置涉及控制用于色谱分析的加热元件的温度控制，其包括 对柱、检测器和其它构件进行加热，尽管该装置也可用于任一期望在一定范围 温度内进行精确加热的系统。
背景技术：
公开了一种与任意导电材料一起使用的自适应温度控制器。通常必须将试 验设备或其它产品的一部分维持在环境温度以上。这在现有技术中通过各种温 度控制器而实现。公知提供一种易于控制的热源。大多数情况下热从导体材料 传递出来。在现有技术中该导体材料的温度由一个单独的装置进行监测，该装
置通常为电阻温度检测器(RTD)。然而这需要多个部件，从而增加了该设备所 占的空间、该设备的重量以及其成本。此外，这种系统通常不能产生快速的温 度变化。而且，设备的加热不是恒定的并且通常不够ffiil。
因此期望具有一禾中改进的温度控制器，其具有较少的部件，可M^、重量、 空间和成本，可提供恒定的加热，以及f,进^M的加热和^i卩。
发明内容
在此所公开的自适应温度控制器包含温度传感器，用于测量电阻的装置， 导电材料和电源。在操作中，该控制器确定该导电材料处于环境温度时的电阻 并能够确定处于一温度范围内的温度时该导电材料的相应电阻以及施加必须的 电压或电流以获得该电阻。可以通过IOT温度传感器或通过基于环境空气温度 的估算来确定该导电材料的温度。从而，可以即时改变电压或功率以对材料温 度进fi^似无限控制。
结合附图考虑下自本发明的描述可以更容易地理解前述和其它本发明的 目的、特征和优点。
参考在作为说明书的一部分的附图中所述的实施例，可以得到并详细理解将变得明显的所述本发明的特征、优点和目的、以及其它，可以获得对上述简 要概括的本发明的更具体的说明。然而，应当注意，附图仅示出了本发明典型 的1雄实施例，因此不应被认为是对其范围的限制，因为本发明可以包括其它 等效的实施例。
附图la描述了现有技术中一个实施例的截面图。
附图lb描述了现有技术中另一实施例的截面图。
附图2a描述了由自适应温度控制器对部件进行的直接加热。
附图2b描述了由自适应M^控制器控制进行直接加热的部件。
附图3a描述了由自适应t^控制器对部件进行的间接加热。
附图3b描述了由自适应温度控制，制进行间接加热的部件。
附图4描述了由自适应^j度控制器通过脉宽调制开关电源控制加热的部件
101 ，其中脉宽调制开关电源由微控制驟微处理器所控制。
附图5描述了由自适应、鹏控制離制加热和^i啲部件101 。
附图6描述了由包含计嶽几接口的自适应温度控制器控制加热的部件101 。
附图7描述了一个实施例的流程图，其中该实施例的步骤将自适应^M控
制器对照导电材料进行校正。
附图8描述了另一实施例的流程图，其中该实施例的步骤将自适应温度控
制器对照导电材料进行校正。
具体实施例方式
如附图la和lb所示，在已知温度控制器中，导体元件250和传感器251 紧邻系统300的部件301或位于部件301的周围以分别对元件301加热和对元 件301的温度进行监测。公知可提供一种易于控制的加热源。大多数情况下热 从导电元件250传出并随后散发至元件301。导电元件250可田比邻(附图la) 或围绕(附图lb)元件301放置。在现有技术中，导电元件250的温度由一个 单独的温度传感器250进行监测，该温度传感器250通常为RTD。这就需要多 个部件，从而增加了该设备所占的空间、该设备的重量以及其成本。
可《顿导电材料50辆系统圃的部件101謝于直接或间接加热，该部件 101例如为色谱分析中的检测器或柱。在进行色谱分析时，部件IOI可以是色谱 系统100的色谱柱102，系统100包括分析物注射器103和检测器104。,接 加热过程中，如附图2a所示，系统100的部件101， 一个柱，至少部分由导电材料50构成，如附图2b中截面所示。在间接加热过程中，如附图3a所示，导 电材料50接触系统100的部件101 ，如附图3b中截面所示。在间接加热过程中， 所接触或环绕的部件101可以是检测器、柱、或其它装置。在附图3a中，部件 IOI仍为柱。导电材料50加热该元件所达到的温度、加热速率、和在任意i^Jt 下的加热持续时间由自适应温度控制器10控制。在可选实施例中，该自适应温 度控制器可结合任一期望在一个范围内精确控制M的系统来4OT 。
如附图2a和3a中所示，在操作中，与自适应温度控制器10—起使用的导 电材料50具有已知的与温度成函数关系的电气电阻。自适应温度控制器10与 导电材料50导电通信。对于导电材料50来说，其电阻和Mit之间的关系可以 由自适应^^控制器10通过应用公式^Iiill:匕类数据表的插值计算而获得。由 于己知导电材料50的电气电阻为温度的函数，因此可以Mil动态测量导电材料 50的电气电阻确定导电材料50的温度。如下所述，导电材料50的温度可以通 过与温度传感器30联系或通过基于传感器30所确定的周围空气^JS进行估算 而确定得到。从而可依据施加给导电材料50的电流(或电压或二者)来控制导 电材料50的温度。在优选实施例中，导电材料50是镍。
当不會遣接得知导电材料50的电阻，但已知其归一化电阻特性时，例如当 镍导线的长度或直径未知时，可以通过在使用、M传感器30测量导电材料50 的相应温度时测量导电材料50的电阻来校准该与导电材料50 —起使用的自适 应温度控制器10。 fflM将测得的导电材料50的电阻除以在该参考温度下构成导 电材料50的材料的归一化电阻推导得出比例因数，然后可将该比例因数应用到 归一化电阻特性以确定特定温度下导电材料50的电阻。
不同于现有技术的是，舰l顿自适应温度控制器io，可以使用任意长度 或大小的导电材料50来加热。能够j柳任意长度或大小的材料具有重大的意义， 这是因为由于材料的波动和切割的技术，加热材料的尺寸也将变化。此外，不 同于现有技术的是，由于可通过测量所施加的电压和电流来在任意时刻确定得 到温度，因此不需要单独的温度传感器。
期望自适应旨控制器10包括一个学习步骤以确定电流、电压或功率改变 下导电材料50的电阻、进而温度的响应度。确定响应度对ffiil自适应、^控制
器10来M^或消除^^超调和/或欠调非常重要。在确定了处于环境^iS时导电
材料50的电阻后，自适应温度控制器10可接着确定相对于电压、电流或功率的增加温度增加的速率。质量大的导电材料50其与电流、电压或功率的增加成
比例的M^升高的速率较低。类似地，质量小的导电材料50其与电流、电压或
功率的增加成比例的温度升高的速率较高。在各种情况下，温度的变化还与构
成导电材料50的材料的已知热电阻系数有关。对操作范围来说，该热电阻系数 可以被假设为一常数。自适应温度控制器10因此可确定由施加给导电材料50 的电流、电压或功率的突发所引起的电阻的变化。从而自适应温度控制器10通 过提前确定导电材料50对于电流、电压或功率的变化的响应度避免了温度变化 率的预期 鹏的超调或欠调。在可选实施例中，自适应温度控制器10可包括各 种温度下用于导电材料50的己知材料的查找表并包括导电材料50在该温度下 的适当的热电阻系数以确定相关的温度的增加。在进一步的实施例中，自适应 ^M控制器10可在旨操作中记录作为电流变化的函数的电阻变化，从而绘制 出M操作过程中的函数。
自适应温度控制器10可控制或保持一个或多个导电材料50。
进一步地，自适应温度控制器10可控制一导电材料50以向特定装置或在 相应的时间周期中提供不同的温度，例如阶跃式或斜坡式的温度增加。
在进--步的实施例中，自适应温度控制器10可结合由例如镍的导电材料 50所构成的部件101 —起使用。 一旦知道导电材料50的热电阻系数，就可以控 制部件101的温度，这样温度可以以阶跃式或固定速率增加以增强具有相似沸 点的化合物间的分离。
相比于现有技术，特别是使用加热管的温度控制器而言，M确定电阻和 施加功率、电流或电压来控制导电材料50的温度的自适应、皿控制器10具有 许多优点。由于在加热元件和温度控制器之间不需要单独的加热管，自适应温 度控制器10的质量小于该温度控制器的质量。此外，由于热通量经由大面积散 发出去，而不是从与加热管有关的特定位置发射出去，因此可以避免局部区域 温度增加或降低。进一步地，由于热从表面传递出去而不是从与加热管有关的 一侧传递出去，因此、M可以更均匀的分布。最后由于热量在导电材料50内部
产生而不是从外部元件经由导热材料传递，因此可以非常mii地完成升温。
如附图4所示，在一个实施例中，部件IOI由导电材料50构成，产生热量 的电源由自适应温度控制器10通过由微控制器/微处理器12控制的脉宽调制开 关电源ll供给，虽然也可f顿本领域已知的其它电源控制系统。供给导电材料50的电 ; 过检测电流检测电阻60两端的电压降而得到，其中电流检测电阻 60位于脉宽调制开关电源和导电材料50之间，典型为0.1欧姆。同样地对导电 材料50两端的电压进行检测。在代表信号被传递至模数转换器之前可以使用放 大器来适当缩放所检测到的电压。由此得到的例如为iooo次每秒的数字信号被 传递给微控制器，其中有关电阻值通过欧姆定律而得到，即通过将转换后的电 压值除以转换后的电流值而得到。该有关电阻值可与参考电阻值进纟亍比较以用 于采用传统比例积分微分(PID)控制算法的温度控制。还可ffl31解答本领域公 知的关于温度电阻的方程或者从表中计算差ftt确定导电材料50的温度以用于 显示或记录。
在附图5所示的进一步的实施例中，自适应温度控制器10可用于控制导电 材料50的温度和风扇70，其中风扇70可弓胞部件101周围的空气流动。为了 使^itl;线上升，可根据对导电材料50中恒定电流的控制使用来自电流检测电 路的检测信号来控制温度变化的速率、线性、指数或其它。风扇70可用于增加
导电材料50的;ti卩皿。
在附图6所示的进一步的实施例中，自适应 鹏控制器10包含计^t几终端 80。计算机终端80经由键盘81和监视器82提供控制接口。计^t几终端80可 以是包括传统的台式计算机或掌上电脑的任一计創;几，例如Palm⑧的相关产品， 导电材料50校正可在附图7中所示的下述步骤中实现
1) 步骤701 _识别导电材料50的材料；
2) 步骤702_自适应、皿控制器10获得导电材料50的归一化电阻；
3) 步骤703—将导电材料50的温度稳定在预定温度，该预定温度可以是 环境^S:或接近于导电材料50的JOT^Jt的高温；
4) 步骤704—自适应 驢控制器10至少提供一次电压或电流给导电材料 50并测量流经的电流或电压；
5 )步骤705 —由 鹏传感器30测量导电材料50的、驢；
6) 步骤706—自适应^Jt控制器10接收导电材料50的温度；
7) 步骤707 —自适应温度控制器10确定导电材料50处于所接收温度时的 电阻；
8) 步骤708—自适应温度控制器10接收来自操作员或计算机终端80的指 令以将导电材料50的温度改^SHt定温度；9) 步骤709—自适应^^控制器10确定与接收自操作员或计算机终端80 的温度指令有关的电压；
10) 步骤710—自适应^jt控制器10使得与温度指令有关的电压或电流被 施加给导电材料50。
或者，如附图8所示，导电材料50的校正也可在下述步骤中完成
1) 步骤801 —将导电材料50的温度稳定在环衞，或接近于导电材料50 将被使用的高温；
2) 步骤802—测量导电材料50的温度并将该测量温度输出给自适应温度 控制器10;
3) 步骤803—导电材料50的观糧^S作为参数iaA控制器单元；
4) 步骤804—控制器由相对电阻和预设归一化电阻特性计算用于导电材料 50的测量纟鹏的比例因数-,
5) 步骤805—输入用于导电材料50的测量 驢的温度选择点。 在前述说明书中所采用的术语和表达在其中用作描述性术语且不是限制性
的，使用这些术语和表达并不意在排除所示或所述特征或其部分的等效方式。
权利要求
1、一种自适应温度控制器(10)，用于同步进行温度测量和控制以与导电材料(50)一起使用来加热系统部件(101)，包括温度传感器(30)，所述温度传感器(30)确定所述导电材料(50)的温度；用于测量电阻的装置，所述用于测量电阻的装置记录对由功率、电流和电压所构成的组中的两个成员的测量；所述用于测量电阻的装置通过对所述由功率、电流和电压所构成的组中的两个成员应用欧姆定律确定所述导电材料(50)的电阻；电源，所述电源与所述导电材料(50)电连通；所述导电材料(50)基于来自所述电源的所述电连通改变温度；用于控制所述电源的输出的装置，所述用于测量电阻的装置将所述确定的所述导电材料(50)的电阻输出至所述用于控制所述电源的输出的装置，所述温度传感器(30)将确定的所述导电材料(50)的温度输出给所述用于控制所述电源的输出的装置；所述用于控制所述电源的输出的装置基于所述用于测量电阻的装置的输出和所述温度传感器(30)的输出确定所述导电材料(50)的热电阻系数；所述用于控制所述电源的输出的装置基于功率、电压或电流的组中的一个的输出控制所述导电材料(50)的温度。
2、 如权利要求l所述的自适应温度控制器(10)，其特征在于，还包括由 微控制器/微处理器(12)控制的脉宽调制开关电源(11)。
3、 如权利要求l所述的自适应温度控制器(10)，其特征在于，还包括在 所述部件(101)周围引起空气流动的风扇(70)。
4、 如权禾腰求2所述的自适应温度控制器(10)，其特征在于，还包括在 所述部件(101)周围引起空气流动的风扇。
5、 如权禾腰求l所述的自适应温度控制器(10)，其特征在于，所述自适应温度控制器(10)与计算t/lit^S信。
6、 如权利要求2所述的自适应温度控制器(10)，其特征在于，所述自适应、鹏控制器(10)与计^mi^预信。
7、 如权禾腰求4所述的自适应M控制器(10)，其特征在于，所述自适 应^Jt控制器(10)与计^t/liS，Tffi信。
8、 一种校正自适应温度控制器(10)的方法，其中所述自适应温度控制器 (10)用于同步进行温度测量和控制以与导电材料(50) —起使用来加热系统部件(101)，所述自适应温度控制器(10)包括 'M传感器(30)，所述、M传感器(30)确定所述导电材料(50)的温度； 用于测量电阻的装置，所述用于测量电阻的装置记录对由功率、电流和电压所构成的组中的 两个成员的测量；所述用于测量电阻的装置M3W所述由功率、电流和电压所构成的组 中的两个成员应用欧姆定律确定所述导电材料(50)的电阻； 电源，所述电源与所述导电材料(50)电^rn;所述导电材料(50)基于来自所述电源的所述电^il改变温度； 用于控制所述电源的输出的装置，所述用于测量电阻的装置将所述确定的所述导电材料(50)的电阻输出至所述用于控制所述电源的输出的装置，所述温度传感器(30)将确定的所述导电材料(50)的温度输出给所述用 于控制所述电源的输出的装置；所述用于控制所述电源的输出的装置基于所述用于测量电阻的装置的输出 和所述温度传感器(30)的输出确定所述导电材料(50)的热电阻系数；以及所述用于控制所述电源的输出的装置基于功率、电压或电流的组中的一个 的输出控制所述导电材料(50)的温度，该方纟去包括确定所述导电材料(50)的材料；所述自适应温度控制器(10)获取所述导电材料(50)的归一化电阻;使得导电材料(50)的温度稳定在预定温度；所述自适应温度控制器(10)至少提供一次电压或电流给导电材料 (50)并测量流经其中的电流或电压；所述^Jt传感器(30)测量导电材料(50)的温度； 所述自适应温度控制器(10)接收所述温度传感器(30)的测量结果； 所述自适应^j^控制器(10)确定处于所述^j度传感器(30)的测量结果时的导电材料的电阻；所述自适应、，控制器(10)接收指令以将导电材料(50)的温度改，特定、，；所述自适应、M控制器(10)确定与所接收的温度指令相关的电压； 所述自适应温度控制器(10)将与温度指令相关的电压和电流的组中 的一个施加给导电材料(50)。
9、 一种校正自适应温度控制器(10)的方法，其中所述自适应温度控制器 (10)用于同步进行温度测量和控制以与导电材料(50) —起使用来加热系统 部件(101)，所述自适应^J^控制器(10)包括 ^Jt传感器(30)，所述皿传感器(30)确定所述导电材料(50)的温度； 用于测量电阻的装置，所述用于测量电阻的装置记录对由功率、电流和电压所构成的组中的 两个成员的测量；所述用于测量电阻的装置M^t所述由功率、电流和电压所构成的组 中的两个成员应用欧姆定律确定所述导电材料(50)的电阻； 电源，所述电源与所述导电材料(50)电超通； 所述导电材料(50)基于来自所述电源的所述电m改变温度； 用于控制所述电源的输出的驢，所述用于测量电阻的装置将所述确定的所述导电材料(50)的电阻输 出至所述用于控制所述电源的输出的装置，所述温度传感器(30)将确定的所述导电材料(50)的温度输出给所述用 于控制所述电源的输出的装置；所述用于控制所述电源的输出的装置基于所述用于测量电阻的装置的输出和所述温度传感器(30)的输出确定所述导电材料(50)的热电阻系数；以及所述用于控制所述电源的输出的装置基于功率、电压或电流的组中的一个的输出控制所述导电材料(50)的温度，该方法包括稳定所述导电材料(50)的温度； 测量所述导电材料(50)的温度；将所述导电材料(50)的所述温度的测量结果输出至所述自适应温度 控制器(10);将所述导电材料(50)的所述、鹏的所述测量结果作为参数输入所述自适应温度控制器(10);所述自适应温S控制器(10)由相对电阻和预设归一化电阻特性计算 用于所述导电材料(50)的所述纟鹏的所述观懂结果的比例因数；以及将用于所述导电材料(50)的所述温度的所述观懂结果的至少一个温度设定点输入所述自适应、鹏控制器(io)。
全文摘要
自适应温度控制器(10)包括环境温度传感器(30)、用于测量电阻的装置、导电材料(50)、电源、和用于控制电源的装置。在操作中，控制器(10)判定处于环境温度或接近环境温度下的材料电阻。基于该判定，只要已知电压和功率，就可得知材料的电阻，并从而得知其瞬时温度。此外，自适应温度控制器(10)确定导电材料(50)的响应度以确定相对于电压、电流或功率的增加的预测温度增量和温度增加速率。从而可即时改变电压或功率以对材料温度进行近似无限控制。
文档编号H05B1/02GK101485229SQ200780008877
公开日2009年7月15日 申请日期2007年3月13日 优先权日2006年3月13日
发明者C·S·考尔斯, S·D·斯蒂尔恩斯, 蔡华民 申请人:万科仪器公司