专利名称：自适应温度控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于同时控制加热元件的温度并监控其温度的装置。具体地，所述装置涉及控制用在包括色谱柱、检测器和其它组件的加热的色谱分析中加热元件的温度，不过它可以用在期望在一温度范围内精确加热的任何系统中。
背景技术：
公开有一种与任意导电材料一起使用的自适应温度控制器。经常需要将测量设备的部分或其它物体保持在高于环境温度。在现有技术中这是用各种温度控制器实现的。众所周知要提供容易控制的热源。最常用的热是由导电元件传递的。在现有技术中，这类导电元件的温度是由单独的装置常常是电阻温度检测器(RTD)监控的。然而，这需要多个部件，这类设备占用的空间、这类设备的重量及其成本增大。此外，这类系统经常不能产生快速温度变化。而且，设备的加热是不均勻的，常常不够快。因此，期望对具有较少部件的温度控制器的改进，其可能会降低重量、空间和成本，提供均勻的加热，能够快速加热和冷却。
发明内容
本文公开的自适应温度控制器包括温度传感器、用于测量电阻的装置，导电材料和电源。在操作中，所述控制器确定在一个或更多个预定温度下导电材料的电阻，并能够确定在一温度范围内的其它温度下导电材料的相应电阻，并施加获得这些电阻需要的电压或电流。通过使用温度传感器或者通过基于环境气温通过近似可确定导电材料的预定(校准) 温度。结果，电压或功率可即时改变以产生对材料温度的近似无限控制。结合附图，在参考下文对本发明的详细描述之后，更容易理解本发明的前述及其它目的、特征和优点。
所以，获得所描述的本发明的特征、优点和目的以及很显然的其它方面的方式可被详细理解，上文简单概括的本发明的更具体描述可以通过参考在附图中图解说明的其实施例来进行，附图形成本说明书的一部分。但是，应注意的是，附图只图解说明本发明的典型实施例，因此不认为是限制本发明的范围，因为本发明还允许有其它等同的有效实施例。图Ia描述现有技术的一个实施例的横截面图。图Ib描述现有技术的另一个实施例的横截面图。图加描述通过自适应温度控制器的组件的直接加热。图2b描述通过由自适应温度控制器控制的直接加热而被加热的组件。图3a描述通过自适应温度控制器的组件的间接加热。图北描述通过由自适应温度控制器控制的间接加热而被加热的组件。图4描述组件101的加热，其中加热是通过自适应温度控制器经由由微控制器/微处理器控制的脉冲宽度调制开关电源控制的。图5描述组件101的加热，其中加热和冷却是由自适应温度控制器控制的。图6描述组件101的加热，其中加热是由包括计算机接口的自适应温度控制器控制的。图7描述用于校正带导电材料的自适应温度控制器的各步骤的一个实施例的流程图。图8描述用于校正带导电材料的自适应温度控制器的各步骤的一个可替代实施例的流程图。图9描述所述系统的一个实施例。
具体实施例方式如图Ia和图Ib所示，在已知的温度控制器中，导电元件250和传感器251被设置在邻近系统300的元件301或在其周围，以分别加热、监控元件301的温度。众所周知，要提供容易控制的热源。最通常的是热由导电元件250传递，随后散发给元件301。导电元件 250可设置在邻近元件301 (图la)或其周围(图lb)。在现有技术中，导电元件250的温度是由单独的传感器251常常是RTD监控的。这需要有多个部件，增大了这类设备占用的空间、这类设备的重量及其成本。导电材料50可以用来直接或间接地加热系统100的组件101，诸如在色谱分析情况下的检测器或柱。在色谱分析情况下，组件101可以是色谱系统100的色谱柱102，其包括分析物注入器103和检测器104。在直接加热中，如图加所示，系统100的组件101、柱至少部分由图2b的横截面图所示的导电材料50组成。在间接加热中，如图3a所示，系统 100的组件101被导电材料50接触，如图北的横截面所示。在间接加热中，被接触或围绕的组件101可以是检测器、柱或其它装置。在图3a中，组件101还是柱。导电材料50将元件加热到的温度、加热速率和在任何温度下的加热持续时间是由自适应温度控制器10控制的。在替代实施例中，自适应温度控制器可以与其中需要在一个范围内精确控制温度的任何系统结合使用。如图加和图3a中所示，在操作中，与自适应温度控制器10结合使用的导电材料 50具有作为温度函数的已知电阻。自适应温度控制器10与导电材料50导电连通。对于导电材料50，电阻和温度之间的关系可以通过自适应温度控制器10应用方程式或通过这类数据表的插值获得。由于导电材料50的电阻已知是温度的函数，所以导电材料50的温度可以通过导电材料50的电阻的动态测量确定。导电材料50的温度因此可以通过施加给导电材料50的电流(或电压或者电流电压两者)来控制。在优选实施例中，导电材料50是在导电材料50是用于色谱分离中的柱时，导电材料50可以由使用电镀工艺敷涂镍的商用熔融石英柱构成。可在镍涂层上加入聚胺的薄层，以用于绝缘。可替代地，导电材料50可以是镍丝平行于熔融石英柱设置，然后用纤维玻璃的细线缠绕的柱，其还可用作绝缘子。在任一实施例中，柱是诸如用铝箔缠绕的、捆扎的、包裹的。两根导线可以点焊到导电材料50的每一端，以提供两组电线，因此提供4个电线电阻测量系统，以便增大电阻测量的准确性。
在不能马上知道导电材料50的电阻但已知其归一化电阻特性的情况下，如在不知道镍电线的长度或直径的情况下，自适应温度控制器10可以通过在一个或更多个已知温度下测量导电材料50的电阻而被校准以与导电材料50—起使用。通过在炉子中加热导电材料50，可以在导电材料50中获得均勻温度。用构成导电材料50的材料在基准温度下的归一化电阻值除导电材料50的测量电阻值而得到的标定因子然后可应用于归一化电阻特性，以确定导电材料50在任一特定温度下的电阻。与现有技术不同，通过使用自适应温度控制器10，可以使用任何长度或尺寸的导电材料50来用于加热。因为加热材料的维度会由于材料的波动和切割技术而变化，所以提供任何长度或尺寸的材料的使用是有意义的。而且，与现有技术不同，由于温度可以随时通过所施加的电压和电流的测量来确定，所以不需要单独的温度传感器。期望自适应温度控制器10包括学习步骤以确定电阻的响应，因此确定导电材料 50的温度，以改变电流、电压或功率。响应的确定对降低或消除通过自适应温度控制器10 的温度的超调和/或欠调是重要的。在确定导电材料50在已知温度下的电阻之后，自适应温度控制器10然后可以通过本领域已知的各种方法确定温度相对于电压、电流或功率上升的温度上升率，包括通过分析与炉子中的温度升高相比，属于每个单位时间内炉子中导电材料50的温度上升的数据。具有大的质量或直径的导电材料50会表现出与电流、电压或功率的增加成比例的温度的较低速率的增加。同样，具有小的质量或直径的导电材料50 会表现出与电流、电压或功率的增加成比例的温度的高速率的增力卩。在每一种情况下，温度的变化还与构成导电材料50的材料的已知电阻的热系数有关。对于操作范围，作为温度的函数的电阻的热系数可以假设是已知的。自适应温度控制器10因此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，避免期望温度的超调或欠调。在一个替代实施例中，自适应温度控制器10可包括用作导电材料50的已知材料在各个温度的查询表，并包括在该温度下导电材料50的电阻的适当热系数，以确定相关的温度。在又一实施例中，自适应温度控制器10可作为在操作过程中所施加功率的变化的函数记录电阻的变化，从而完全绘制该函数。自适应温度控制器10可控制或保持一个或更多个导电材料50。此外，自适应温度控制器10可控制导电材料50，以给具体装置或在相应的时间段中提供变化的温度，诸如阶跃式或斜坡式的温度上升。在又一实施例中，自适应温度控制器10可与由导电材料50诸如镍构成的组件101 结合使用。一旦已知导电材料50的电阻的热系数，就可以控制组件101的温度，使得温度可以以阶跃式或固定速率增加，以在具有相似沸点的化合物之间提供增大的分离。被配置成通过电阻的确定和功率、电流或电压的施加来控制导电材料50的温度的自适应温度控制器10相对现有技术特别是使用加热筒的温度控制器提供几个优点。由于在加热元件和温度控制器中间不需要单独的加热筒，所以自适应温度控制器10的质量小于这类温度控制器的质量。而且，由于热通量分布在大的区域内而不是从与加热筒相关的特定位置发出，所以可以避免局部的增大或降低的温度区域。而且，由于热是从表面沿柱 101的长度方向传递，以提供沿其长度方向的均勻分布，而不是从与筒式加热器相关联的一点发出，所以温度可以更均勻地分布。最终，由于热是在导电材料50内产生，而不是通过来自外部元件的导热材料传递，所以可相当快地实现温度上升。
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如图4所描述，在一个实施例中，其中组件101由导电材料50组成，用于产生热的功率由自适应温度控制器10供应。这可以通过由微控制器/微处理器12控制的脉冲宽度调制开关电源11供应，不过可以替代地使用本领域已知的其它供电控制系统。供应到导电材料50的电流可以通过检测设置在电流源和导电材料50之间典型地为0. 1欧姆的电流感应电阻器60两端的电压降来确定。同样，检测导电材料50两端的电压。在代表信号传送到模-数转换器之前，可以使用适当地标定所检测电压的放大器。由此获得的数字信号，例如以每秒1000个样本，被传送到微控制器，其中通过应用欧姆定律，即通过用转换的电流值除转换的电压值，获得相对电阻值。相对电阻值可以与用于采用传统比例积分微分(PID) 或模式预测(MPC)控制算法的温度控制的基准电阻值比较。导电材料50的温度还可以通过求解本领域众所周知的温度与电阻之间关系的方程式或通过表插值来确定以用于显示或记录。对于温度斜坡，可以使用来自电流感应电路的检测信号来通过控制导电材料50 内的恒定电流，控制温度变化的速率、线性、指数或其它。在又一实施例中，如图5的描述，自适应温度控制器10可被配置成控制导电材料 50和可在组件101周围引起气流的风扇70的温度。风扇70可以用来增大组件101和导电材料50的冷却速率。在又一实施例中，如图6的描述，自适应温度控制器10包括计算机终端80。计算机终端80提供通过键盘81和监视器82的控制接口。计算机终端80可以是任何计算机， 包括传统的桌上型计算机或手持计算机，诸如与him 相关的计算机，可以以如图7中描述的下面的步骤，实现电导材料50的校准。1)步骤701-识别构成导电材料50的材料，诸如镍、钼或铜；
2)步骤702-通过自适应温度控制器10识别构成导电材料50的材料的归一化电阻特性。这针对材料作为温度的函数的纯粹样本提供归一化电阻特性。不过，该归一化电阻特性必须被标定为基准温度下导电材料50的实际电阻，以提供由自适应温度控制器10使用的适合电阻特性；
3)步骤703-允许将导电材料50的温度稳定在预定温度，其可以是与会使用导电材料 50的温度接近的升高温度；
4)步骤704-自适应温度控制器10接收导电材料50的温度；
5)步骤705-自适应温度控制器10记录在所接收的温度下导电材料50的电阻。这可以通过向导电材料50提供至少一次电压或电流并测量其中传导的电压或电流，或者通过任意应用欧姆定律来实现。这可以通过自适应温度控制器10或通过来自外部万用表的输入来直接实现；
6)步骤706-对于选择的其它温度，重复步骤703-706；
7)步骤707-通过比较归一化电阻特性和在同一温度下的实际电阻，确定应用于与导电材料50关联的归一化电阻特性的标定因子；
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的温度改变到特定温度；
9)步骤709-自适应温度控制器10基于标定的归一化电阻特性，确定与从操作员或计算机终端80接收的温度指令相关的电阻；
710)步骤710-自适应温度控制器10使与温度指令相关的电压或电流施加到导电材料50。可替代地，通过针对每个导电材料50建立校准可以实现导电材料50的校准。这类校准在导电材料50由包括杂质，诸如钴污染的镍的材料组成时可能特别有益。在这种情况下，纯的镍材料的归一化电阻特性与实际材料的电阻特性是不一致的。结果，如果使用归一化电阻特性，导电材料50的实际温度会与自适应温度控制器10表达的温度不同。因此， 特定电阻特性曲线的产生可以提供自适应温度控制器10可依靠的更加准确的数据。如图 8的描述，这些步骤可包括
1)步骤801-加热导电材料50，加热可以在炉子中进行；
2)步骤802-允许导电材料50的温度稳定在预定温度，其可以是与会使用导电材料50 的温度接近的升高温度；
3)步骤803-自适应温度控制器10接收导电材料50的温度；
4)步骤804-自适应温度控制器10记录在所接收的温度下导电材料50的电阻；
5)步骤805-对于选择的其它温度，重复步骤802-804；
6)步骤806-基于导电材料50在所接收的温度下的电阻值，得出针对导电材料50的电阻特性曲线。这可以包括查询构成导电材料50的假设材料的标定归一化电阻特性。7)步骤807-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的温度改变到特定温度；
8)步骤808-自适应温度控制器10基于得出的电阻特性，确定与从操作员或计算机终端80接收的温度指令相关的电阻；
9)步骤809-自适应温度控制器10使与温度指令相关的电压或电流施加到导电材料50。图9中图解说明作为较大的色谱系统的一部分的自适应温度控制器10的一个实施例。如图解说明的，自适应温度控制器10接收温度设置输入，并通过应用控制算法，基于当前温度(通过电阻确定的，从电流或电压的测量中识别的，作为温度的指示符，基于校准数据)，使PWM电源将足够的电流供应到导电材料50，这里组件101，即柱根据需要待加热或冷却。在前述说明书中使用的术语和表述在本文中用作描述而不是限制术语，在使用这些术语和表述时不旨在排除所示和所描述及其部分的特征的等同物。
权利要求
1.一种与导电材料(50)—起使用以加热系统组件(101)的自适应温度控制器(10)，包括用于测量电阻的装置，所述用于测量电阻的装置记录功率、电流和电压构成的组中两个项目的测量值； 所述用于测量电阻的装置通过给功率、电流和电压构成的组中的所述两个项目应用欧姆定律来确定所述导电材料(50)的电阻； 电源(11)，所述电源(11)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(11)的所述电连通来改变温度； 用于控制所述电源(11)输出的装置(12)，所述用于测量电阻的装置将所述导电材料(50)的电阻的所述确定输出到所述用于控制所述电源(11)输出的装置(12);所述用于控制所述电源(11)输出的装置基于所述用于测量电阻的装置的输出和温度输入来确定所述导电材料(50)的电阻的热系数；和所述用于控制所述电源(11)输出的装置(12)基于功率、电压或电流构成的组中一个项目的输出来控制所述导电材料(50)的温度。
2.根据权利要求1所述的自适应温度控制器(10)，进一步包括在所述组件(101)周围引起气流的风扇(70)。
3.根据权利要求1所述的自适应温度控制器(10)，其中所述自适应温度控制器(10)与计算机(80)通信。
4.根据权利要求2所述的自适应温度控制器(10)，其中所述自适应温度控制器(10)与计算机(80)通信。
5.根据权利要求4所述的自适应温度控制器(10)，其中所述自适应温度控制器(10)与计算机(80)通信。
6.一种操作自适应温度控制器(10)的方法，所述自适应温度控制器(10)与导电材料 (50) 一起使用以加热系统组件(101 )，所述自适应温度控制器(10)包括用于测量电阻的装置，所述用于测量电阻的装置记录由功率、电流和电压构成的组中两个项目的测量值； 所述用于测量电阻的装置通过给由功率、电流和电压构成的组中的所述两个项目应用欧姆定律，来确定所述导电材料(50)的电阻；电源(11)， 所述电源(11)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(11)的所述电连通改变温度； 用于控制所述电源(11)的输出的装置(12)，所述用于测量电阻的装置将所述导电材料(50)的电阻的所述确定输出到所述用于控制所述电源(11)的输出的装置(12)；所述用于控制所述电源(11)的输出的装置基于所述用于测量电阻的装置的输出和温度输入，确定所述导电材料(50)的电阻的热系数；和所述用于控制所述电源(11)的输出的装置(12)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，所述方法包括识别构成所述导电材料(50)的材料；所述自适应控制器(10)识别构成导电材料(50)的所述材料的归一化电阻； 允许导电材料(50)的温度稳定在预定温度； 所述自适应温度控制器(10)接收导电材料(50)的温度； 所述自适应温度传感器(10)接收一温度下导电材料(50)的电阻； 所述自适应温度传感器(10)通过比较归一化电阻特性和在所述温度下的所述电阻，确定要施加到归一化电阻特性的标定因子；所述自适应温度传感器(10)接收将导电材料(50)的温度改变为特定温度的指令； 所述自适应温度传感器(10)接收将导电材料(50)的温度改变为特定温度的指令； 所述自适应温度传感器(10)确定与所接收的温度指令相关的电压或电流；和所述自适应温度传感器(10)使得与温度指令相关的电压和电流构成的组中的一个项目被施加到导电材料(50)。
7. 一种操作自适应温度控制器(10)的方法，所述自适应温度控制器(10)与导电材料 (50) 一起使用以加热系统组件(101 )，所述自适应温度控制器(10)包括 用于测量电阻的装置，所述用于测量电阻的装置记录由功率、电流和电压构成的组中两个项目的测量值； 所述用于测量电阻的装置通过给由功率、电流和电压构成的组中的所述两个项目应用欧姆定律，来确定所述导电材料(50)的电阻；电源(11)， 所述电源(11)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(11)的所述电连通改变温度； 用于控制所述电源(11)的输出的装置(12)，所述用于测量电阻的装置将所述导电材料(50)的电阻的所述确定输出到所述用于控制所述电源(11)的输出的装置(12)；所述用于控制所述电源(11)的输出的装置(12)基于功率、电压或电流构成的组中一个项目的输出，来控制所述导电材料(50)的温度， 所述方法包括 加热所述导电材料(50)； 允许导电材料(50)的温度稳定在预定温度； 所述自适应温度控制器(10)接收所述温度；所述自适应温度传感器(10)接收在所述温度下所述导电材料(50)的电阻的标识； 由在所接收的温度下所述电阻的所述标识，得出针对所述导电材料(50)的电阻特性曲线.所述自适应温度传感器(10)接收改变导电材料(50)的温度的指令； 所述自适应温度传感器(10)从所述电阻特性曲线中确定与所述指令相关的电阻；和所述自适应温度传感器(10)使得与指令相关的电压和电流施加到所述导电材料 (50)。
全文摘要
一种自适应温度控制器(10)，包括用于测量电阻的装置、导电材料(50)、电源(11)和功率控制装置(12)。操作中，控制器(10)确定材料(50)在一个或更多个温度下的电阻，因此确定材料(50)在操作温度范围的电阻。基于此确定，只要已知电压和功率，材料(50)的电阻，及因此其温度是已知的。结果，可以瞬时改变电压或功率以产生对材料温度的近似无限控制。
文档编号H05B1/02GK102265703SQ200980152498
公开日2011年11月30日 申请日期2009年9月15日 优先权日2008年10月24日
发明者蔡 H., D. 斯蒂尔恩斯 S. 申请人:万科仪器公司