专利名称：带传热速率检测的恒温控制装置及方法
技术领域：
本发明是一种高精度的恒温控制系统，增加了外界环境与恒温系统之间传热速 率的检测环节，使恒温控制系统能够更快的对外界环境的变化迅速做出反应，以达 到更高的温度稳定性。本发明属于自动控制的技术领域。
背景技术：
带传热速率检测的恒温控制系统的特点是具有高稳定性和高精度，外界环境的 改变不会引起该系统的恒温状态的波动。
传统的恒温系统的不足之处在于整个系统的时间常数比较大，这样带来的坏处 就是调整时间长。这是由于恒温系统里的恒温空间的热阻非常大，等热量传递到恒 温空间里时，温度传感器获知的是滞后的温度信息。温度信息的滞后会引起温度的 波动或者温度的超调甚至是温度的振荡，而这些都影响了恒温系统的性能。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种带传热速率检测的恒温控制装置及方法， 引入前馈调节，使恒温控制具有快速反应和高稳定精度的能力。
技术方案本发明的思路在传统的恒温控制系统中，恒温空间里的温度是迸 行温度调节的唯一依据，但是由于恒温空间的热阻一般比较大，热量传递到恒温空 间的速度比较慢，恒温空间里的传感器实际上获取的是有相当时间滞后的温度信息， 发现当前温度偏离目标温度时，加热量已经偏离目标比较大，于是恒温空间内不可 避免的出现温度的超调，严重的时候甚至会出现温度的振荡，给恒温系统的恒温稳 定性带来了非常不利的影响。
该装置中的控制与信号处理单元的第一驱动端口 (接第一驱动电路的输入端，
第一驱动电路的输出端接传热速率检测单元；控制与信号处理单元的第二驱动端口 接第二驱动电路的输入端，第二驱动电路的输出端接恒温室内的发热&制冷单元；恒 温室内的传感器的输出端接第二放大电路的输入端，传热速率检测单元的输出端接 第一放大电路的输入端，第一放大电路、第二放大电路的输出端分别接控制与信号 处理单元中的AD转换单元的输入端，AD转换单元的输出端接数据处理，数据处理
的输出端分别接第一驱动端口、第二驱动端口的输入端。
控制与信号处理单元中的数据处理器有两路输出控制信号，第一路输出控制信
3号控制第一驱动端口，第一驱动端口的输出信号控制第一驱动电路，第一驱动电路 直接驱动传热速率检测单元，由传热速率检测单元检测到的信号经第一放大电路放 大后被控制与信号处理单元里的A/D转换单元接收并转换成数字量，传送给数据处 理器进行计算和分析；
第二路输出控制信号控制第二驱动端口 ，第二驱动端口的输出信号控制第二驱 动电路，第二驱动电路直接驱动发热&制冷单元，向恒温室内输出制热量或制冷量； 恒温室内的传感器检测到的温度信号经第二放大电路放大后被控制与信号处理单元 里的A/D转换单元接受并转换成数字量，传送给数据处理器进行计算和分析；
传感器检测的是恒温室内的温度信号；传热速率检测单元检测的是恒温室与外 界环境之间热量交换速率的信号；恒温室内的温度信号使控制与信号处理单元获知 当前恒温室内的状态，并根据恒温室内的状态确定向恒温室输出制热量还是制冷量； 恒温室内与外界环境热量交换速率的信号使控制与信号处理单元能够预估恒温室内 温度变化的趋势，并对这个变化进行合适的响应，达到减小外界环境变化对恒温精 度影响的目的。
传热速率检测单元具有灵活可变的实现方式。传热速率检测单元既可以仅由一 个热敏电阻构成(如图2)——它利用自身的电阻，被通过它的电流加热到和恒温 室同样的温度；传热速率检测单元也可以采用与恒温室相同的结构(如图3)，采用 外部的加热或制冷元件来达到与恒温室同温的状态。根据传热速率检测单元的维持 与恒温室相同温度所需的制冷量或加热量，获取外界环境与恒温系统之间热量交换 速率的信息，预估恒温室内温度变化的趋势。
有益效果本发明着眼于快速的获取外界环境的温度变化——将一个温度传感 器直接暴露在空气中，并把该温度传感器加热(或冷却)到目标温度，获取这时该 温度传感器的加热或制冷功率，就可以获知外界环境对恒温系统的影响。传热速率 检测单元与恒温室具有相同的温度，不同的是各自本身的热惯性和热阻，因此，可
以将暴露在外界环境中传感器本身的加热量或制冷量作为参照，来调节恒温空间的 加热量。由于暴露在空气中的传感器的热阻小，热惯性也小，所以可以更快的获取 温度变化趋势的信息，达到提前获知温度变化的趋势，更快的更精确的稳定温度的 效果。同时，这种方法防止了大幅度的温度超调，使恒温控制达到更高的精度。
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图l是本发明的系统框图，
图2是本发明中同构温度检测单元的一种结构图， 图3是本发明中同构温度检测单元的另一种结构图。
具体实施方式
本发明由控制与信号处理单元l，传热速率检测单元2，传感器3，发热&制冷单 元4，恒温室5，第一驱动电路6，第一放大电路7，第二放大电路8，第二驱动电 路9组成。
控制与信号处理单元1通过自身的第二驱动端口 1-4控制第二驱动电路9驱动 发热&制冷单元4，向恒温室5输出热量或制冷量；恒温室5里的传感器3感知温度 信号，经过第二放大电路8，将恒温室5内的温度信号反馈给控制与信号处理单元1。 同时，控制与信号处理单元1控制第一驱动电路6驱动传热速率检测单元2达到与 恒温室5内一致的温度；传热速率检测单元2将检测到的温度变化信号经第一放大 电路7前馈给控制与信号处理单元1。控制与信号处理单元1将两路温度信息提取， 经过计算和分析后，调整第二驱动端口 l-4的输出。
传热速率检测单元是本发明中最有特色的部分。首先，该检测单元必须具有较 小的热惯性，能够被快速的制冷或加热到合适的温度；其次，该传热单元必须是可 以和外界环境良好传热的，这样，传热速率检测单元才能快速准确的获取当前外界 环境变化的信息。
控制与信号处理单元1是一个非常重要的组成部分，温度信号的A/D转换，输出 量的调节以及温度数据的计算和分析，都是由控制和信号处理单元完成的。A/D采 的精度直接影响了恒温控制的精度，输出量的调节精度直接决定了恒温精度。对于 用作控制与信号处理单元的器件来说，直接驱动发热&制冷单元4是不现实的——发 热&制冷单元4功率比较大，而控制与信号处理单元1驱动能力比较弱，由第二驱动 电路9来连接控制与信号处理单元1。
第二驱动电路9被控制与信号处理单元1控制，同时第二驱动电路9直接驱动 发热&制冷单元4。第二驱动电路9相对于控制与信号处理单元1，必须能承受较大 的电流。同时具备较快的反应速度，能够跟上控制与信号处理单元l发出的控制信 号的速度。
第二放大电路8放大的信号是温度信号，其变化速度比较慢，第二放大电路8 不需要高的速率。但是对放大增益的要求比较高，这样才能取得较高的温度传感精 度。
权利要求
1.一种带传热速率检测的恒温控制装置，其特征在于该装置中的控制与信号处理单元(1)的第一驱动端口(1-3)接第一驱动电路(6)的输入端，第一驱动电路(6)的输出端接传热速率检测单元(2)；控制与信号处理单元(1)的第二驱动端口(1-4)接第二驱动电路(9)的输入端，第二驱动电路(9)的输出端接恒温室(5)内的发热&制冷单元(4)；恒温室(5)内的传感器(3)的输出端接第二放大电路(8)的输入端，传热速率检测单元(2)的输出端接第一放大电路(7)的输入端，第一放大电路(7)、第二放大电路(8)的输出端分别接控制与信号处理单元(1)中的AD转换单元(1-2)的输入端，AD转换单元(1-2)的输出端接数据处理(1-5)，数据处理(1-5)的输出端分别接第一驱动端口(1-3)、第二驱动端口(1-4)的输入端。
2. —种如权利要求1所述的带传热速率检测的恒温控制装置的控制方法，其特 征在于控制与信号处理单元(1)中的数据处理器(1-5)有两路输出控制信号，第 一路输出控制信号控制第一驱动端口 (1-3)，第一驱动端口 (1-3)的输出信号控制 第一驱动电路(6)，第一驱动电路(6)直接驱动传热速率检测单元(2)，由传热速 率检测单元(2)检测到的信号经第一放大电路(7)放大后被控制与信号处理单元(1)里的A/D转换单元(1-2)接收并转换成数字量，传送给数据处理器(1-5)进 行计算和分析；第二路输出控制信号控制第二驱动端口 (1-4)，第二驱动端口 (1-4)的输出信 号控制第二驱动电路(9)，第二驱动电路(9)直接驱动发热&制冷单元(4)，向恒 温室(5)内输出制热量或制冷量；恒温室(5)内的传感器(3)检测到的温度信号 经第二放大电路(8)放大后被控制与信号处理单元(1)里的A/D转换单元(l-2) 接受并转换成数字量，传送给数据处理器(1-5)进行计算和分析。
3. 如权利要求1所述的带传热速率检测的恒温控制装置的控制方法，其特征在 于传感器(3)检测的是恒温室(5)内的温度信号;传热速率检测单元(2)检测的是恒温 室(5)与外界环境之间热量交换速率的信号；恒温室(5)内的温度信号使控制与信 号处理单元(1)获知当前恒温室内的状态，并根据恒温室(5)内的状态确定向恒温 室(5)输出制热量还是制冷量；恒温室(5)内与外界环境热量交换速率的信号使控 制与信号处理单元(1)能够预估恒温室内温度变化的趋势，并对这个变化进行合适 的响应，达到减小外界环境变化对恒温精度影响的目的。
全文摘要
带传热速率检测的恒温控制装置及方法是一种高稳定度，高恒温精度的全新恒温控制装置及方法。该装置中的控制与信号处理单元(1)、传热速率检测单元(2)、传感器(3)、发热&制冷单元(4)、恒温室(5)、第一驱动电路(6)、第一放大电路(7)、第二放大电路(8)、第二驱动电路(9)；该恒温控制系统在传统闭环温度控制系统的基础上，增加了恒温空间与外界环境热量交换速率检测的环节，使恒温系统能够对外界环境的变化迅速反应，减小了温度的波动，提高了恒温的速度和精度。
文档编号G05D23/20GK101661300SQ20091003422
公开日2010年3月3日 申请日期2009年8月26日 优先权日2009年8月26日
发明者凯 张, 张旭苹, 张益昕, 顺 王 申请人:南京大学