基于pid控制的封闭腔内的自然对流传热装置及其使用方法
【专利摘要】本发明属于对流传热传质领域，特别是涉及一种基于PID控制的自然对流传热装置及其使用方法。本发明通过上位机软件设置一个温度范围，PC机利用PID控制原理自动且准确地调控加热片的温度，使得加热片的温度值在设定范围内缓慢变化，加热壁面维持在一个稳定的温度值。通过恒温槽调控冷板的温度，使得冷板的温度值在设定范围内缓慢变化，冷却壁面维持在一个稳定的温度值。通过数据采集仪分别采集插在加热壁面和冷却壁面中热电偶测得的温度值，并将采集到的数据实时上传给PC机软件进行处理，上位机自动保存记录下由热电偶采集到的当前冷却加热壁面的两铜块的温度，整个过程全部实现自动完成。
【专利说明】基于PID控制的封闭腔内的自然对流传热装置及其使用方法
【技术领域】
[0001]本发明属于对流传热传质领域，特别是涉及一种基于PID控制的自然对流传热装置及其使用方法。
【背景技术】
[0002]能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础，能源的开发利用极大地推进了世界经济和人类社会的发展。随着中国经济快速发展，人口增加、工业化和城镇化进程的加快，能源需求大幅度上升，能源短缺以及能源生产造成的能源环境问题十分突出，经济发展面临的环境压力越来越大，严重制约了我国经济的发展。
[0003]热能是能源的常见存在形式之一，对于热能的高效输运是长久以来工程研究人员探索的课题。由于温升导致的浮升力所引起的自然对流是普遍存在而且对于换热过程有重要影响。管道、输电线的散热、电子器件的散热、暖气片对室内空气的散热以及海洋洋流、大气环流等都与自然对流有关。而热能的输运效率很大程度上取决于热交换设备的热输运能力。因此，对自然对流检定装置的研究是十分有必要的。
【发明内容】
[0004]本发明为解决现有的自然对流实验装置所存在的问题，提供了一种操作简便、自动化程度高的新型自然对流检定装置。
[0005]本发明中的自然对流传热装置，包括封闭腔、恒温槽、PID温控装置、热电偶、加热片、冷板、数据采集仪和PC机。
[0006]在封闭腔的四个绝缘壁面中的两个相对面上分别设置有冷却壁面和加热壁面，在对应于冷却壁面和加热壁面的封闭腔外表面开有多个用于插入热电偶的细孔。
[0007]所述冷板紧贴封闭腔的冷却壁面，冷板上开有进水口和出水口，所述恒温槽通过两根管道分别与冷板的进水口和出水口相连。
[0008]所述加热片黏贴在封闭腔的加热壁面上。
[0009]所述PID温控装置包括转换模块、输入模块、输出模块和开关电源。其中转换模块通过串口线与PC机连接，各个模块由开关电源供电；所述加热片与输出模块信号连接，热电偶与输入模块信号连接。
[0010]所述数据采集仪分别采集插在冷却壁面和加热壁面中热电偶测得的数据，通过串口线将数据传输到PC机。
[0011]使用上述装置的方法:
利用PC机控制PID温控装置自动调控加热片的温度；利用数据采集仪采集加热壁面和冷却壁面的温度，实时记录。其步骤如下:
(I)通过上位机软件设置一个温度点，PC机通过PID温控装置自动调控加热片的温度，从而使加热壁面达到设定温度点并稳定。
[0012](2)待PID温控装置将温度控制在设定值后，上位机软件开始读取数据采集仪采集到的热电偶测得的加热壁面和冷却壁面的温度值，并自动对数据进行分析处理及保存。
[0013](3)当设定下一个温度点时，上位机软件停止读取数据采集仪采集到的温度值，并重复步骤(I)。
[0014]本发明的有益效果:采用模块化设计结构，大大提高检测效率。由于在以往对温度检定采用人工检定，存在较大的误差，而本发明采用上位机软件自动调控加热片的温度，利用PID控制精确加热片的温度，利用上位机软件实现自动记录加热片和冷却加热两壁面的温度温，整个过程全部实现自动完成，消除了人为误差，提高了的准确性，操作人员工作得以大量简化，劳动强度降低，提高了工作效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明结构示意图。
[0016]图2本发明中封闭腔结构示意图 图3为本发明中冷板示意图。
[0017]图4为本发明中加热片示意图。
[0018]图5为本发明中PID温控装置示意图。
[0019]图6为本发明的装置上位机软件流程图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明作进一步的描述。
[0021]如图1所示，封闭腔101提供一个密闭的环境。封闭腔101结构如图2所示，铜块202作为封闭腔101的冷却壁面，铜块203作为封闭腔101的加热壁面，封闭腔体201表面钻几个深至两铜块垂直轴线的细孔204，将热电偶106、110埋入，将采集到的数据传输给数据采集仪109。
[0022]恒温槽104通过两根水管103、105分别与冷板102的进水端302和出水端303相连，冷板102结构如图3所示，冷板的冷却壁面301通过导热硅脂紧贴作为冷却壁面的铜块202表面。
[0023]加热片111通过粘合剂黏贴在作为加热壁面的铜块203表面，通过插入的热电偶112将采集得的数据传输给PID温控装置113。数据采集仪109和PID温控装置113分别通过RS232串口线107、114与PC机108相连接，将采集到的温度值实时上传给PC机。PC机108控制PID温控装置113，从而控制加热片111在设定的温湿度范围内缓慢上升和下降。加热片111结构如图4所示，加热片加热部分401黏贴在加热壁面203表面，信号线402接入开关电源514的电源正极端、信号线403接入输出模块508的信号排线接线端口 509的信号负端，信号线404 —端接入开关电源514的电源负极端，另一端接入输出模块508的信号排线接线端口 509的信号正端。
[0024]PID温控装置113结构示意图如图5所示，由转换模块502、输入模块505、输出模块508、开关电源514组成。转换模块502的通信端口 501通过RS232串口线114与PC机108相连接。通过信号排线接线端口 503上的信号线510、511分别将转换模块502、输入模块505、输出模块508的信号正、负接线端相连接，通过信号线512、513分别将转换模块502、输入模块505、输出模块508的高、低电平接线端连接到开关电源514的排线接线端口515的24V电源正、负极端。输入模块505的信号排线接线端口 504、506可同时连接8路热电偶，输出模块508的信号排线接线端口 507、509可同时连接8路加热片。开关电源514通过电源线516与220V电源相连接。
[0025]装置使用方法流程图如图6所示，通过本地PC机打开登录系统，经权限判定正确后进入检定功能界面，否则将无法进入。
[0026]首先将标记好顺序的热电偶插入到封闭腔体201的细孔204中，将热电偶的引线插入到输入模块505的信号排线接线端口 504、506相对应的接口中，将加热片的信号线插入到输出模块508的接线端子排507、509相对应的接口中。将冷板的冷却壁面301和加热片的加热部分401分别紧贴封闭腔101的冷却壁面202和加热壁面203的两铜块表面。用RS232串口线连接PC机108与数据采集仪109、PID温控装置113中的转换模块502。
[0027]打开PC机内已安装上位机软件，登陆后系统后。用户需要设置好温湿度范围。点击开始按钮后，软件通过PID温控装置自动开始调控加热片，当温度调控到设定值时，自动开始读取数据采集仪采集到冷却壁面和加热壁面中热电偶的温度，并对温度数据进行自动保存。提示是否需要设定下一个温度点，当设定第二个温度值，温度值设定完成后点击开始。上位机软件开始调节加热片到第二个设定温度值。当整个流程完成后软件自动进行数据处理，最后自动生成报表。
【权利要求】
1.基于PID控制的封闭腔内的自然对流传热装置，包括封闭腔、恒温槽、PID温控装置、热电偶、加热片、冷板、数据采集仪和PC机，其特征在于: 在封闭腔的四个绝缘壁面中的两个相对面上分别设置有冷却壁面和加热壁面，在对应于冷却壁面和加热壁面的封闭腔外表面开有多个用于插入热电偶的细孔； 所述冷板紧贴封闭腔的冷却壁面，冷板上开有进水口和出水口，所述恒温槽通过两根管道分别与冷板的进水口和出水口相连； 所述加热片黏贴在封闭腔的加热壁面上； 所述PID温控装置包括转换模块、输入模块、输出模块和开关电源；其中转换模块通过串口线与PC机连接，各个模块由开关电源供电；所述加热片与输出模块信号连接，热电偶与输入模块信号连接； 所述数据采集仪分别采集插在冷却壁面和加热壁面中热电偶测得的数据，通过串口线将数据传输到PC机。
2.使用如权利要求1所述装置的方法，其特征在于: 利用PC机控制PID温控装置自动调控加热片的温度；利用数据采集仪采集加热壁面和冷却壁面的温度，实时记录；其步骤如下: (1)通过上位机软件设置一个温度点，PC机通过PID温控装置自动调控加热片的温度，从而使加热壁面达到设定温度点并稳定； (2)待PID温控装置将温度控制在设定值后，上位机软件开始读取数据采集仪采集到的热电偶测得的加热壁面和冷却壁面的温度值，并自动对数据进行分析处理及保存； (3)当设定下一个温度点时，上位机软件停止读取数据采集仪采集到的温度值，并重复步骤(I)。
【文档编号】G01N25/20GK104034751SQ201410258974
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】徐旭, 楼彬, 俞自涛 申请人:中国计量学院