精密恒温控制实验箱的制作方法

专利名称：精密恒温控制实验箱的制作方法
技术领域：
本发明属于电子设备技术领域，特别涉及一种用于小范围的高稳定恒温环境 的恒温控制箱。
背景技术：
随着人们对信息需求的不断增加，通信系统传输容量也需要得到相应的提 高。光孤子通信能提供非常高的传输速率，它具有保形传输的特点，能够传输极 长的距离而不发生形变，其传输容量比当今最好的通信系统高出1 2个数量级， 中继距离可达上百公里，因此光孤子通信很快成为研究热点。超高速主动锁模光 纤激光器由于可以产生超高速光孤子脉冲，被认为是未来远程无中继光纤通信系 统的理想光源。但是，关于超高速主动锁模光纤激光器的稳定性技术难题始终没 有得到完全解决。主动锁模光纤激光器稳定工作的前提条件之一是调制信号频率 应为腔内纵模间隔的整数倍。在失谐不严重时，输出脉冲中产生相位噪声，失谐 严重时，则会引起锁模失效，表现为输出光脉冲崩溃。由于主动锁模光纤激光器 腔内有较长的光纤，而光纤的长度极易因外界环境的影响而发生漂移，因而调制 频率和腔长很难保持匹配，所以不能保证长时间稳定工作。设计此恒温控制实验 箱就是要尽可能的保持光纤所在环境的稳定，在此基础上再利用其它控制方法， 如用PZT调节光纤长度，最终使得调制频率与腔长得到匹配，从而保证超高速 主动锁模光纤激光器的稳定工作。
另外恒温控制实验箱在现代科技的其他领域中应用也十分广泛。例如，用在 计量与测试中，可以有效地克服温度波动对计量标准和测试仪器的影响，提高计 量等级；用在缓变微弱信号的检测中，可以使被测信号从环境温度变化引起的漂 移信号中暴露出来。恒温控制实验箱在生物制药、动植物物种保护、重要人体组 织或器官的保存、仪表与电子器件试验、工程材料的低温性能测试等领域也有广 泛的应用前景。
目前常见的恒温箱都采用压縮机制冷、电加热的方式保持恒温，其优点是功 率大因此比较适合在较大容积的恒温箱上使用。如广州东之旭试验设备有限公司
生产的WGD系列恒温箱 制冷机全封闭压縮机； 制冷剂R22;
加热器镍铬合金电热丝式加热器； 内、外壳材料SUS304光亮不锈钢板； 绝热材料超细玻璃棉或聚胺脂泡沫； 控温方式PID控制；
工作室尺寸400x500x500 (WGD-20);
温度范围-20°C +130°C (150°C);
温度均匀度±1.5°C;
温度波动度±0.5°C;
升温时间-20°C +l30°C 70分钟以内；
降温时间+20'C~-20°C40分钟以内。
半导体制冷器(TEC)是一种固体制冷方式，与通常压縮机制冷系统相比， 其优点是没有机械转动部分，无需制冷剂，无噪声、无污染、体积小，可小型、 微型化，可靠性高，寿命长，可电流反向加热，易于恒温。目前国内外已有类似
产品
比如，美国ADVANCED THERMOELECTRIC公司(http:〃www.tecooling.com) 的ElectraCOOI^LA系列产品，其特点为 可编程数字PID系统控制。
控温稳定度io.rc。
采用静音高性能风扇。 配有RS232/RS485通信接口 (可选)。
比如，天津市精易工贸有限公司的DWB系列半导体恒温试验箱，主要用于 石油、化工、医药、电子及科研等部门的实验室使用。
但是，上述的产品也只有产品性能的介绍，而没有见到具体结构的公开。

发明内容
本发明要解决的技术问题是，制作体积小的恒温箱，采用易于控制的加热、 制冷器件(半导体制冷器)，达到提供一个小范围的高稳定恒温环境的目的。
上述的目的通过以下的技术方案实现
一种精密恒温控制实验箱，有恒温箱和恒温控制器两个部分。 所说的恒温箱，箱体是外壳与铝材料的内胆之间填充保温绝热层，内胆的尺
寸为160~180xl60~180xl00~120mm3;负温度系数热敏电阻(NTC)放置在箱体 内，并与恒温控制器的温度测量电路连接；外散热器和内散热器相对的装在外壳 外面和内胆的里面，在外散热器和内散热器之间顺次相互贴紧的装有半导体致冷 器和导热铝块，导热铝块相互接触的装在内胆的外侧；半导体致冷器连接恒温控 制器的TEC驱动电路的输出端；
所说的恒温控制器由温度设置电路、温度测量电路、减法器电路、PI控制 电路、限幅保护电路、TEC驱动电路(VCCS)和显示电路构成；
其中温度设置电路包括直流供电电源(Vcc)接电阻R33再接一个电压基 准模块D接地；电压基准模块D并接电位器R34，电位器R34抽头与运放U7B 同相输入端相连；运放U7B反相输入端接电阻R35接地，电阻R36接在运放 U7B反相输入端和输出端；在运放U7B输出端连接一个由运放U2B组成的电压 跟随器，运放U2B同相输入端接运放U7B输出，运放U2B反相输入端与运放 U2B输出端相连；
其中温度测量电路包括直流供电电源(Vcc)接2.5￥稳压管01;稳压管 Dl阳极与运放U1A的同相输入端和电阻R5相连；电阻R5另一端接地；运放 U1A的输出端与电阻R39和电容C18相连；电容C18与运放U1A的反相输入 端相连，并通过单刀四掷开关S1与四个电阻R1、 R2、 R3、 R4相连，并与三极 管Q1的射极相连；电阻R1、 R2、 R3、 R4与外部直流电源(Vcc)相连；电阻 R39与三极管Ql的基极相连；三极管Ql的射极与恒温箱内的负温度系数热敏 电阻(NTC)相连，负温度系数热敏电阻的另一端接地；在三极管Q1的射极输 出端连接一个由运放U1B组成的电压跟随器，运放U1B同相输入端接三极管 Ql的射极，运放U1B反相输入端与运放U1B输出端相连；三极管Q1的集电极 为恒流源输出；
其中减法器电路包括由运放U1B组成的电压跟随器的输出和由运放U2B 组成的电压跟随器的输出分别通过电阻R6、 R8与构成减法器的运放U2A的同 相输入端和反相输入端相连；运放U2A的同相输入端又与电阻R7相连再接外
部直流参考电压iFcc ;运放U2A的反相输入端又与电阻R9相连再接运放U2A 2
的输出；
其中PI控制电路包括减法器电路的输出通过电位器R20与外部直流参考
电压lrcc相连；电位器R20的抽头通过由运放U3A组成的电压跟随器与比例 2
放大电路相连；所述比例放大电路包括 一个与由运放U3A组成的电压跟随器 输出端和运放U3B反相输入端相连的电阻R12， 一个与运放U3B反相输入端和 输出端相连的电阻R13;减法器电路的输出与积分电路相连；所述的积分电路包 括减法器电路的输出通过电阻R11与运放U4B的反相输入端相连； 一个电容 C4和一个电阻R14串联后连接在运放U4B的反相输入端和输出端之间；运放
U4B的同相输入端接外部直流参考电压丄For;电阻R13与R12的比值等于
2
45~55，电阻Rll和电容C4之积取5~8;
其中限幅保护电路包括PI控制电路的比例放大电路输出通过电阻R16与 PI控制电路(4)的积分电路输出通过电阻R15相连，并连接运放U4A的反相
输入端；运放U4A的同相输入端接外部直流参考电压ircc;由两个相反方向串
2
连的5.1V稳压管D2、 D3并联电阻R17构成负反馈，连接运放U4A的反相输入 端和输出端；运放U4A的输出端通过电阻R38与电位器R18相连再接外部直流
参考电压iFcc;电位器R18的抽头电压即为限幅保护电路的输出； 2
其中TEC驱动电路(VCCS)包括限幅保护电路的输出与运放U5A同相 输入端相连；运放U5A的输出端通过电阻R21与运放U6A的反相输入端相连；
运放U6A的同相输入端接外部直流参考电压lFcc;运放U6A的反相输入端通
2
过电阻R22与输出端相连；运放U6A的输出端与用参数互补的达林顿管组成桥 式电路相连；所述的桥式电路的构成包括运放U6A的输出与NPN型达林顿管 Q2及PNP型达林顿管Q3的基极相连；达林顿管Q2的集电极接直流供电电源 (Vcc);达林顿管Q3的集电极接地；达林顿管Q2的发射极与达林顿管Q3的 发射极相连后再通过取样电阻R25串接半导体致冷器(TEC)与NPN型达林顿 管Q4及PNP型达林顿管Q5的射极相连；达林顿管Q4的集电极接直流供电电 源(Vcc);达林顿管Q5的集电极接地；运放U6A的输出经由运放U6B组成的
反相器与达林顿管Q4及达林顿管Q5的基极相连；所述反相器包括运放U6A 的输出经电阻R24接运放U6B的反相输入端；运放U6B的同相输入端接直流参
考电压丄Fcc;运放U6B的反相输入端通过电阻R23与输出端相连；取样电阻 2
R25的电压通过同相放大器，把信号反馈回TEC驱动电路的运放U5A的反相输 入端；所述的同相放大器包括与取样电阻R25—端和运放U5B反相输入端相 连的电阻R26; —个与运放U5B反相输入端和输出端相连的电阻R28; —个与 取样电阻另一端和运放U5B同相输入端相连的电阻R27; —个与运放U5B同相
输入端和直流参考电压lr"相连的电阻R29; —个与运放U5B输出端和比较器
2
U5A相连的电阻R30;
其中显示电路包括温度设置电路的输出和温度测量电路的输出通过单刀双 掷选择开关S2输入到运放U7A的同相输入端；运放U7A的反相输入端接输出 端；运放U7A的输出端通过串联的电阻R40和电位器R41接地；电位器R41的 抽头与显示器J2相连。
前述的保温箱箱体内的保温绝热层可以是聚氯乙烯泡沫；在外散热器、半导 体致冷器、导热铝块、内散热器和内胆之间的接触面应当涂有导热硅脂；负温度 系数热敏电阻(NTC)可以选有0.1k、 lk、 10k或100k四种阻值。
本发明有以下有益效果
1. 本精密恒温控制实验箱的保温部分具有良好的保温效果，当保温箱体内 外温差为20。C时损失热功率仅为6.88瓦。
2. 本精密恒温控制实验箱的热传递部分具有很强的热传递能力，可在比较 大的箱体内外温差范围内补充保温部分的热量损失。
3. 本精密恒温控制实验箱的恒温控制器使用一个液晶显示器可以切换显示 设置温度值和实际温度值，减少了设备，节省了成本。
4. 本精密恒温控制实验箱的恒温控制器抗干扰能力强，性能稳定工作可靠， 正常使用不会出现误动作。
5. 采用限幅过流保护，降低了瞬时高电压和瞬时强电流所引起的击穿破坏， 有效保护了仪器的稳定工作。
6. 本精密恒温控制实验箱不仅可以用于为主动锁模光纤激光器实验提供恒 温环境，而且还适用于其它需要恒定温度的小环境场合。7.此恒温控制实验箱的温度稳定性较高，且可以长期稳定工作。


图1是本发明的恒温控制实验箱的总体结构概图。 图2是本发明的保温及热传递部分结构图。 图3是本发明的恒温控制器温度设置电路原理图。 图4是本发明的恒温控制器温度测量电路原理图。 图5是本发明的恒温控制器减法器电路原理图。 图6是本发明的恒温控制器PI控制电路原理图。 图7是本发明的恒温控制器限幅保护电路原理图。 图8是本发明的恒温控制器TEC驱动电路(VCCS)原理图。 图9是本发明的恒温控制器显示电路原理图。 图10是本发明的半导体致冷器加热时实际测量的阶跃响应曲线。 图11是本发明的半导体致冷器制冷时实际测量的阶跃响应曲线。
具体实施例方式
实施例1结合

本发明的总体结构
本发明的精密恒温控制箱可以分为恒温箱(10)及恒温控制器两部分。 所说的恒温箱(10)包括保温部分构件和热传递部分构件。
保温部分的作用是使由热传递部分传递进来的热量尽可能少地返回外部环
境中去。如图2所示，恒温箱(10)的保温部分构件为箱体的外壳(11)采用
了不锈钢材料设计，保证了整个箱体的强度。为使箱内各处空气温度尽可能保持
一致使用了导热性能较好的铝作为内胆(12)的材料。保温绝热层(13)采用聚氯 乙烯泡沫，较佳的厚度为15mm。负温度系数热敏电阻(14)可以放置在保温部 分底部内壁中，并与恒温控制器的温度测量电路(2)连接。
热传递部分的作用是尽可能快地给恒温控制实验箱内部提供热量使其内部 环境温度与设定温度保持一致。如图2所示，恒温箱(10)的热传递部分构件包 括恒温箱(10)箱体装外散热器(15) —块，它与半导体致冷器(17)其中一 面贴在一起，TEC的另外一面紧贴一导热铝块(18)，用导热铝块(18)接触恒 温箱(10)箱体的内胆(12)，内胆(12)另一侧也贴一块内散热器(16)。在外 散热器(15)、半导体致冷器(17)、导热铝块(18)、内散热器(16)和内胆(12)
之间的接触面应当涂有导热硅脂，加强热传递的效果。半导体致冷器(17)连接 恒温控制器的TEC驱动电路(6)的输出端。最好将外散热器(15)、内散热器
(16) 放置在箱体的顶部，可以使箱体内部构件各部分温度基本相同。 散热器采用自然对流换热的方式进行散热，可以减小或避免其它因素对光相
干实验的干扰。当然，也可以用加装风扇的办法提高散热器的散热效果，以适应 其它需要大控温范围的实验需要。
恒温控制器是本发明的控制部分。如图1所示，恒温控制器包括温度设置 电路(1)、温度测量电路(2)、减法器电路(3)、 PI控制电路(4)、限幅保护 电路(5)、 TEC驱动电路(VCCS) (6)和显示电路(7)七部分。其中温度设 置电路(1)和温度测量电路(2)分别与显示电路(7)相连，另外温度设置电 路(1)和温度测量电路(2)还与减法电路(3)相连，减法电路(3)与PI控 制电路(4)相连，PI控制电路(4)与限幅保护电路(5)相连，限幅保护电 路(5)与TEC驱动电路(6)相连。
工作时，放置在恒温箱(10)内部的负温度系数热敏电阻(14)连接到恒温 控制器的温度测量电路(2)的NTC输入端，热传递部分的半导体致冷器TEC
(17) 连接恒温控制器的TEC驱动电路(6)的输出端，根据NTC的温度反馈 情况控制半导体致冷器(17)加热或制冷，形成一个闭合的控制回路，从而达到 控制恒温箱内温度的目的。
实施例2结合

恒温控制器的电路结构
如图3所示，恒温控制器的温度设置电路(l)包括外部直流供电电源(Vcc) 接一 9.1k电阻再接一精密的电压基准模块(LM336)接地；LM336并接一 10k 电位器，其抽头与运放U7B同相输入端相连；运放U7B反相输入端接一10k电 阻接地，又接一 22k电阻接U7B输出。另外为提高驱动能力在U7B输出端又加 了一由U2B组成的电压跟随器，U2B同相输入端接U7B输出，U2B反相输入端 与其输出端相连。
如图4所示，恒温控制器的温度测量电路(2)包括外部直流供电电源(Vcc) 接2.5V稳压管Dl;稳压管Dl阳极与运放U1A的同相输入端和9.1k电阻R5 相连；电阻R5另一端接地；运放U1A的输出端与lk电阻R39和470pF电容 C18相连；电容C18与运放U1A的反相输入端相连，并通过单刀四掷开关与四
个电阻(R1,R2，R3,R4)相连，并与三极管Ql的射极相连；上述四个电阻 (R1，R2，R3,R4)与外部直流电源(Vcc)相连；电阻R39与三极管Q1的基极相 连；三极管Q1的射极与恒温箱体内的负温度系数热敏电阻(NTC)相连，NTC 的另一端接地。另外为提高驱动能力在三极管Q1的射极输出端又加了一由U1B 组成的电压跟随器，U1B同相输入端接三极管Q1的射极，U1B反相输入端与其 输出端相连。其中Rl=250k、 R2=25k、 R3=2.5k、 R4=0.25k; Ql的型号为9012。 如图5所示，恒温控制器的减法器电路(3)包括上述由U1B组成的电压 跟随器的输出和由U2B组成的电压跟随器的输出分别通过100k电阻R6、 R8与 运放U2A的同相输入端和反相输入端相连；所述的减法器U2A的输出为设定电 压和测量电压的差值；运放U2A的同相输入端又与一 100k电阻R7相连再接外
部直流参考电压iFcc;运放U2A的反相输入端又与一 100k电阻R9相连再接 2
运放U2A的输出。
如图6所示，恒温控制器的PI控制电路(4)包括上述减法器电路(3)
的输出通过10k电位器R20与外部直流参考电压丄Kc相连；电位器R20的抽头
2
通过由U1B组成的电压跟随器与比例放大电路相连；所述比例放大电路包括 一个与由U1B组成的电压跟随器输出端和运放U3B反相输入端相连的电阻R12， 一个与运放U3B反相输入端和输出端相连的电阻R13;上述的减法器电路(3) 的输出与积分电路相连；所述的积分电路包括减法器U2A的输出通过电阻Rll 与运放U4B的反相输入端相连； 一个电容C4和一个0.22欧姆电阻R14串联后 连接运放U4B的反相输入端和输出端；运放U4B的同相输入端接外部直流参考
电压丄Fcc。其中电阻R12、电阻R13、电阻Rll及电容C4的值决定了此恒温 2
控制器的PI控制参数电阻R13与R12的比值等于45 55，电阻R11和电容C4 之积取5~8。
如图7所示，恒温控制器的限幅保护电路(5)包括上述PI控制电路(4) 的比例放大电路输出通过10k电阻R16与PI控制电路(4)的积分电路输出通过 10k电阻R15相连，并连接运放U4A的反相输入端；运放U4A的同相输入端接
外部直流参考电压iFcc;由两个相反方向串连的5.1V稳压管D2、 D3并联10k 2
电阻R17构成负反馈，连接运放U4A的反相输入端和输出端；运放U4A的输出 端通过3.6k电阻R38与10k电位器R18相连再接外部直流参考电压上Fcc;电位
2
器R18的抽头电压即为限幅保护电路(5)的输出。
如图8所示，恒温控制器的TEC驱动电路(VCCS) (6)包括限幅保护电 路(5)的输出与运放U5A同相输入端相连；运放U5A的输出端通过100k电阻 R21与运放U6A的反相输入端相连；运放U6A的同相输入端接外部直流参考电
压丄Fcc;运放U6A的反相输入端通过100k电阻R22与输出端相连；运放U6A 2
的输出端与用参数互补的达林顿管组成桥式电路相连;所述的桥式电路的构成包 括运放U6A的输出与NPN型大功率达林顿管Q2及PNP型大功率达林顿管 Q3的基极相连;NPN型大功率达林顿管Q2的集电极接外部直流供电电源(Vcc); PNP型大功率达林顿管Q3的集电极接地；NPN型大功率达林顿管Q2的发射极 与PNP型大功率达林顿管Q3的发射极相连后再通过1欧姆取样电阻R25串接 热电致冷器(TEC)与NPN型大功率达林顿管Q4及PNP型大功率达林顿管Q5 的射极相连；NPN型大功率达林顿管Q4的集电极接外部直流供电电源(Vcc); PNP型大功率达林顿管Q5的集电极接地；运放U6A的输出经一由U6B组成的 反相器与NPN型大功率达林顿管Q4及PNP型大功率达林顿管Q5的基极相连； 所述反相器包括运放U6A的输出经100k电阻R24接运放U6B的反相输入端；
运放U6B的同相输入端接外部直流参考电压lF";运放U6B的反相输入端通
2
过100k电阻R23与输出端相连；0.1欧姆取样电阻R25的电压通过同相放大器， 把信号反馈回TEC驱动电路(6)的运放U5A的反相输入端；所述的同相放大 器包括与取样电阻一端和运放U5B反相输入端相连的20k电阻R26; —个与 运放U5B反相输入端和输出端相连的200k电阻R28; —个与取样电阻另一端和 运放U5B同相输入端相连的20k电阻R27;—个与运放U5B同相输入端和外部
直流参考电压lFcc相连的200k电阻R29; —个与运放U5B输出端和比较器U5A
相连的10k电阻R30。
如图9所示，恒温控制器的显示电路(7)包括上述温度设置电路(1)的 输出和上述温度测量电路(2)的输出通过单刀双掷选择开关S2输入到运放U7A 的同相输入端；运放U7A的反相输入端接输出端；运放U7A的输出端通过串联 的lk电阻R40和10k电位器R41接地；电位器R41的抽头与显示器J2相连。
实施例3本发明PID控制系统的设计
恒温控制实验箱的恒温控制器部分通过改变PID控制参数改造后得到的。
该参数的确定方法如下 -
由于整个系统涉及的环节较多，不便在时域直接分析，所以需在s域建立系
统的模型。该系统的开环传递函数由PID控制系统传递函数和受控系统传递函 数两部分组成，即G(力-GW'C 2(力，又因为CCy;^GW'[i (小CW]，所以系
统闭环传递函数
CQy)= G(力=G^)C 2 0) — 1 + G(s) — 1 + G, (s). G2 (s)
、 G刺4 +丄
其中"")为PID控制的传递函数 X为piD控制的比例因
子，r为积分时间常数。《(力为受控系统的传递函数。要分析这个系统首先就 要对受控系统的传递函数进行实验确定。
在本设计中，系统只对极低频率有响应且已知受控系统是惯性系统，因此采 用通过实验测得系统的阶跃响应，然后在时域用非线性拟合的方法确定系统的传 递函数。热敏电阻、TEC、空气等都具有热惯性，此受控系统是一个二阶惯性系
统，则《("应具有的一般形式为 《
<formula>formula see original document page 14</formula>
对受控系统的阶跃响应 W^+1)0^ + 1)进行拉普拉斯反变换得
对受控系统的阶跃响应曲线进行非线性拟合，得到受控系统传递函数的参 数，升温时尺'=0'14446; 5=854.1217; r2 =312.51887,降温时《=0.2234; ^ =1731.10134. z"2 =110.19373。
因为本系统是一个三阶系统，其阶跃响应不易直接通过计算求得，所以采用 MATLAB分析整个系统的阶跃响应。根据MATLAB计算得到的系统的阶跃响应
曲线判断PID控制参数的具体数值。在本发明中，根据保温、热传递部分的具 体情况，最终确定的PID控制参数为比例因子K取50、积分时间常数r取5s 8s， 就可以使恒温实验箱内的温度得到很好的控制。
图IO和11为系统实际测量的阶跃响应曲线，它的横轴表示时间，它反映了 这个系统能否达到稳定和达到稳定所需时间的长短。图IO显示的是该系统加热 时的阶跃响应曲线，图11显示的是该系统制冷时的阶跃响应曲线。由图10可以 看出当t小于5s时系统达到稳定需要的时间非常长，即系统很难达到稳定，尤
其是当t小于ls时系统将失去控制永远不能达到稳定状态。由图11可以看出当 t大于8s时系统处于过阻尼状态，达到稳定需要的时间非常之长。因此将r取在 5s 8s之间是必须的。PID控制参数中的比例因子K由PI控制电路(4)中的电 阻R13与R12的比值决定；积分时间常数r由PI控制电路(4)中的电阻Rll 和电容C4之积决定。
由于本发明是要对恒温箱内的空气温度进行控制，而温度的热惯性非常大不 易控制，因此本发明设计的恒温实验箱采用了全新的系统传递函数确定方法，能 够更加精确地描述本发明的数学模型，从而使得到的PID控制参数更加符合本 发明的实际情况，达到超越现有产品的温度稳定度。现有的采用压缩机制冷、电 加热方式的恒温系统的温度稳定度在±0.5°<:左右，采用半导体制冷器(TEC)控
温方式的恒温系统的温度稳定度在士o.rc左右，而本发明的精密恒温控制实验箱
可以达到土0.02'C的空气稳定度，这也是本发明最突出的特点。 实施例4本发明的工作原理
用负温度系数热敏电阻(NTC)测量恒温实验箱内温度，此电阻连接恒温控 制器的温度测量电路(2)。恒温控制器的温度测量电路(2)在实际温度测量时 需要给定一个恒流源，这个恒流源的精度和稳定度直接影响了整个仪器的精度和 稳定度，所以制作是难度很高，但是本发明利用运放的"虚短"和三极管的特性设 计出了简单实用的恒流源发生电路。而且通过改变反馈电阻的大小还可以改变恒 流源的值。用此电流通过负温度系数热敏电阻(NTC)得到表征实际温度的电压 值。
设定温度是由温度设置电路(1)以电压的形式给出的，并用跟随器隔离， 减少了漏电流所产生的误差。该温度控制器还配有4位半的数码显示器，且显示
的数值可以在设置温度和实际温度之间切换。本发明可以用一个开关实现两种温 度值的切换，减少了电路结构。用此电路可设定用来表征温度的电压值，本发明 最终控制的目的就是使温度测量电路(2)的输出电压与此电压值保持一致。即 让恒温控制实验箱内温度与设定温度保持一致。
由于本发明所设计的恒温控制器能够使温度上升或者下降从而最后稳定在 设定的温度值，要实现此功能可以利用半导体致冷器TEC (17)，当TEC中电流 正方向流动时TEC制冷，而当TEC中电流反方向流动时TEC加热。因此只要 利用驱动电流控制TEC中电流流动的方向和大小就可以有效控制TEC的温度， 从而实现恒温实验箱内温度的恒定。负温度系数热敏电阻NTC (14)从恒温实 验箱内部感应到温度的变化，然后转化为电压信号作为负反馈再与设置温度电压 信号在减法器电路(3)中做减法运算，将产生的差值送到PI控制电路(4)中 进行处理，所得到得控制信号输入到控制TEC中电流流动方向和大小的由四个 达林顿三极管构成的桥式电路，桥式电路中取样电阻所产生的反馈信号使得驱动 TEC的电流更加快速和平稳。这样控制TEC加热或制冷从而达到控制恒温箱内 空气温度的目的。
温度设置电压值和实际温度测量电压值的差是TEC驱动的标准，利用温差 可以有很多TEC驱动电流的控制方法，本发明选择PI控制方法，适当选择控制 参数，可以达到超调量小，震荡时间短的目的。PI控制方法的缺点是在初始控 制时刻驱动电压幅度可能很大，很容易击穿后面的运放或桥式电路，因此本发明 引入一对反向击穿电压为5.1V的稳压管，并与运放的反馈电阻并联，从而有效 控制了驱动信号的幅度，保护了后续电路的安全稳定工作。通过恰当地选取PI 控制的参数可以很好的实现此恒温箱体内空气温度的恒定。
本发明的恒温控制实验箱不仅可以用于为主动锁模光纤激光器实验提供恒 温环境，而且还适用于其它需要恒定温度的小环境场合，因此具有非常广泛的应 用领域。该恒温控制实验箱的温度控制精度为iO.rC，短期稳定度为±2.6><10'3°0， 长期稳定度为士0.024'C，常温(20'C)下的控温范围为10。C 40'C。
实施例5给出一组最佳参数
箱体内胆(12)的尺寸最好是180xl80xl20mm3。
按照实施例2，各元件的较好的参数为电阻R33- 9.2k、R34=10k、R35=10K、
R36=22k、 R5=9.1k、 R39=lk、 Rl=250k、 R2=25k、 R3=2.5k、 R4=0.25k、 R6-R7= R8=R9-100k、 R20=10k、 R14=0.22欧姆、R16=10k、 R15=10k、 R17=10k、 R38=3.6k、 R18=10k、 R21=R22=100k、 R25=0.1欧姆、R24=100k、 R23=100k、 R26=20k、 R28=200k、 R27=20k、 R29=200k、 R30=10k、 R40=lk、 R41=10k;电容C18=470pF; Ql的型号为9012;电压基准模块D为LM336。
电阻R13与R12的比值等于50,电阻Rll和电容C4之积取5 8。
权利要求
1、一种精密恒温控制实验箱，有恒温箱(10)和恒温控制器两个部分，其特征在于，所说的恒温箱(10)，箱体是外壳(11)与铝材料的内胆(12)之间填充保温绝热层(13)，内胆(12)的尺寸为160～180×160～180×100～120mm3；负温度系数热敏电阻(14)放置在箱体内，并与恒温控制器的温度测量电路(2)连接；外散热器(15)和内散热器(16)相对的装在外壳(11)外面和内胆(12)的里面，在外散热器(15)和内散热器(16)之间顺次相互贴紧的装有半导体致冷器(17)和导热铝块(18)，导热铝块(18)相互接触的装在内胆(12)的外侧；半导体致冷器(17)连接恒温控制器的TEC驱动电路(6)的输出端；所说的恒温控制器由温度设置电路(1)、温度测量电路(2)、减法器电路(3)、PI控制电路(4)、限幅保护电路(5)、TEC驱动电路(6)和显示电路(7)构成；其中温度设置电路(1)包括直流供电电源(Vcc)接电阻R33再接一个电压基准模块D接地；电压基准模块D并接电位器R34，电位器R34抽头与运放U7B同相输入端相连；运放U7B反相输入端接电阻R35接地，电阻R36接在运放U7B反相输入端和输出端；在运放U7B输出端连接一个由运放U2B组成的电压跟随器，运放U2B同相输入端接运放U7B输出，运放U2B反相输入端与运放U2B输出端相连；其中温度测量电路(2)包括直流供电电源(Vcc)接稳压管D1；稳压管D1阳极与运放U1A的同相输入端和电阻R5相连；电阻R5另一端接地；运放U1A的输出端与电阻R39和电容C18相连；电容C18与运放U1A的反相输入端相连，并通过单刀四掷开关S1与四个电阻R1、R2、R3、R4相连，并与三极管Q1的射极相连；电阻R1、R2、R3、R4与外部直流电源(Vcc)相连；电阻R39与三极管Q1的基极相连；三极管Q1的射极与恒温箱(10)内的负温度系数热敏电阻(14)相连，负温度系数热敏电阻(14)的另一端接地；在三极管Q1的射极输出端连接一个由运放U1B组成的电压跟随器，运放U1B同相输入端接三极管Q1的射极，运放U1B反相输入端与运放U1B输出端相连；三极管Q1的集电极为恒流源输出；其中减法器电路(3)包括由运放U1B组成的电压跟随器的输出和由运放U2B组成的电压跟随器的输出分别通过电阻R6、R8与构成减法器的运放U2A的同相输入端和反相输入端相连；运放U2A的同相输入端又与电阻R7相连再接外部直流参考电压id="icf0001" file="A2007100559130003C1.gif" wi="11" he="8" top= "43" left = "63" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>运放U2A的反相输入端又与电阻R9相连再接运放U2A的输出；其中PI控制电路(4)包括减法器电路(3)的输出通过电位器R20与外部直流参考电压id="icf0002" file="A2007100559130003C2.gif" wi="9" he="8" top= "70" left = "55" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>相连；电位器R20的抽头通过由运放U3A组成的电压跟随器与比例放大电路相连；所述比例放大电路包括一个与由运放U3A组成的电压跟随器输出端和运放U3B反相输入端相连的电阻R12，一个与运放U3B反相输入端和输出端相连的电阻R13；减法器电路(3)的输出与积分电路相连；所述的积分电路包括减法器电路(3)的输出通过电阻R11与运放U4B的反相输入端相连；一个电容C4和一个电阻R14串联后连接在运放U4B的反相输入端和输出端之间；运放U4B的同相输入端接外部直流参考电压id="icf0003" file="A2007100559130003C3.gif" wi="11" he="8" top= "123" left = "141" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>电阻R13与R12的比值等于45～55，电阻R11和电容C4之积取5～8；其中限幅保护电路(5)包括PI控制电路(4)的比例放大电路输出通过电阻R16与PI控制电路(4)的积分电路输出通过电阻R15相连，并连接运放U4A的反相输入端；运放U4A的同相输入端接外部直流参考电压id="icf0004" file="A2007100559130003C4.gif" wi="11" he="8" top= "159" left = "149" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>由两个相反方向串连的5.1V稳压管D2、D3并联电阻R17构成负反馈，连接运放U4A的反相输入端和输出端；运放U4A的输出端通过电阻R38与电位器R18相连再接外部直流参考电压id="icf0005" file="A2007100559130003C5.gif" wi="11" he="8" top= "186" left = "63" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>电位器R18的抽头电压即为限幅保护电路(5)的输出；其中TEC驱动电路(6)包括限幅保护电路(5)的输出与运放U5A同相输入端相连；运放U5A的输出端通过电阻R21与运放U6A的反相输入端相连；运放U6A的同相输入端接外部直流参考电压id="icf0006" file="A2007100559130003C6.gif" wi="11" he="8" top= "222" left = "108" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>运放U6A的反相输入端通过电阻R22与输出端相连；运放U6A的输出端与用参数互补的达林顿管组成桥式电路相连；所述的桥式电路的构成包括运放U6A的输出与NPN型达林顿管Q2及PNP型达林顿管Q3的基极相连；达林顿管Q2的集电极接直流供电电源(Vcc)；达林顿管Q3的集电极接地；达林顿管Q2的发射极与达林顿管Q3的发射极相连后再通过取样电阻R25串接半导体致冷器(17)与NPN型达林顿管Q4及PNP型达林顿管Q5的射极相连；达林顿管Q4的集电极接直流供电电源(Vcc)；达林顿管Q5的集电极接地；运放U6A的输出经由运放U6B组成的反相器与达林顿管Q4及达林顿管Q5的基极相连；所述反相器包括运放U6A的输出经电阻R24接运放U6B的反相输入端；运放U6B的同相输入端接直流参考电压id="icf0007" file="A2007100559130004C1.gif" wi="11" he="8" top= "67" left = "33" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>运放U6B的反相输入端通过电阻R23与输出端相连；取样电阻R25的电压通过同相放大器，把信号反馈回TEC驱动电路(6)的运放U5A的反相输入端；所述的同相放大器包括与取样电阻R25一端和运放U5B反相输入端相连的电阻R26；一个与运放U5B反相输入端和输出端相连的电阻R28；一个与取样电阻另一端和运放U5B同相输入端相连的电阻R27；一个与运放U5B同相输入端和直流参考电压id="icf0008" file="A2007100559130004C2.gif" wi="9" he="8" top= "112" left = "71" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>相连的电阻R29；一个与运放U5B输出端和比较器U5A相连的电阻R30；其中显示电路(7)包括温度设置电路(1)的输出和温度测量电路(2)的输出通过单刀双掷选择开关S2输入到运放U7A的同相输入端；运放U7A的反相输入端接输出端；运放U7A的输出端通过串联的电阻R40和电位器R41接地；电位器R41的抽头与显示器J2相连。
2、 按照权利要求1所述的精密恒温控制实验箱，其特征在于，所说的保温 绝热层(13)是聚氯乙烯泡沫；在外散热器(15)、半导体致冷器(17)、导热铝 块(18)、内散热器(16)和内胆(12)之间的接触面涂有导热硅脂；负温度系 数热敏电阻(14)选有0.1k、 lk、 10k或100k四种阻值。
3、 按照权利要求1或2所述的精密恒温控制实验箱，其特征在于，所说的 箱体内胆(12)的尺寸是180x180x120mm3;各元件的参数为电阻1133= 9. 2k、 R34=10k、 R35=10K、 R36=22k、 R5=9.1k、 R39=lk、 Rl=250k、 R2=25k、 R3=2.5k、 R4=0.25k、 R6=R7= R8=R9=100k、 R20=10k、 R14=0.22欧姆、R16=10k、 R15=10k、 R17=10k、 R38=3.6k、 R18=10k、 R21=R22=100k、 R25=0.1欧姆、R24=100k、 R23=100k、 R26=20k、 R28=200k、 R27=20k、 R29=200k、 R30=10k、 R40=lk、 R41=10k;电容C18470pF; Ql的型号为9012;电压基准模块D为LM336;电 阻R13与R12的比值等于50。
全文摘要
本发明的精密恒温控制实验箱属于电子设备技术领域。由恒温箱(10)及恒温控制器两部分构成。恒温箱(10)包括保温部分构件和热传递部分构件。恒温控制器由温度设置电路(1)、温度测量电路(2)、减法器电路(3)、PI控制电路(4)、限幅保护电路(5)、TEC驱动电路(VCCS)(6)和显示电路(7)七部分构成。本发明性能稳定工作可靠，温度控制精度为0.1℃，短期稳定度为±2.6×10^-3℃，长期稳定度为±0.024℃，常温下的控温范围为10℃～40℃。不仅可以用于为主动锁模光纤激光器实验提供恒温环境，而且在小环境场合的计量与测试中、缓变微弱信号的检测中得到应用。
文档编号G05D23/19GK101201635SQ20071005591
公开日2008年6月18日 申请日期2007年7月27日 优先权日2007年7月27日
发明者单江东, 戈 吴, 汝玉星, 田小建 申请人:吉林大学