一种提高温控精度的装置及方法

1.本发明涉及自动控制技术领域，具体涉及一种提高温控精度的装置及方法。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，自动控制系统应用越来越广泛，但是如何通过现有技术及装置实现更高精度的控制一直是其推广应用的关键。现实生活中存在着温度、速度、浓度等各种各样物理量的控制系统，在最为普遍的温度控制中，被控对象包括各种物体或者一定空间，例如：电热盘加热水的温度自动控制系统，系统主要包括温度传感器、加热负载以及控制器三部分组成，温度传感器将检测数据实时提供给控制器，控制器根据要求判断后给控制电路发出指令，通过控制加热电源的完全断开、闭合动作或者通过控制导通角度使得电热丝类的电阻性负载分别处于停止加热或者部分加热状态，虽然导通角控制方式具有更高的控制精度，但是工程应用中由于容易引起振荡导致系统稳定性变差等性能缺陷，所以电源开关的直接闭合和断开控制方式保证系统运行的稳定性更高技术优势而获得更普遍的应用，所以下面以直接断开或者闭合电源控制方式进行讨论。
3.实际上被控液体的温度始终处于设定的范围内波动，如：80
±
2℃，其中80℃为设定温度值，
±
2℃为允许系统的实际温度波动范围，也就是控制精度，控制精度越高则波动范围越小，造成这种波动的主要原因正是比较大功率电热棒间歇的驱动电源开、关动作所引起，水介质加热本身就是一个典型的滞后系统，再加上大电流间歇通、断的产生冲击作用所导致，例如：一个500w的电热杯的稳定电流达到2a。因此仔细分析具体的控制过程及电热盘负载结构将有助于在不增加系统成本的条件下，通过控制方式与负载结构的变换实现提高系统控制精度的目标。
4.温度控制系统按照应用场合的要求特点，通常分为恒温控制和恒速升温控制二种：1.恒温控制系统的基本功能就是根据要求把液体温度控制在给定的温度值，然后使其在正常工作期间始终处于这个温度值的附近一个波动范围即可。具体实施过程一般是利用一个闭环控制系统实现，通过比较大功率的电热盘以设定升温速度从室温持续加热到设定的温度如80℃后，温度传感器将检测数据实时提供给控制器，控制器根据要求判断后给控制电路发出指令，利用控制加热电源的完全断开或闭合动作使得电热盘分别处于停止加热或者加热状态，保证被控液体的温度始终处于在80
±
2℃的范围内波动。如果系统中水介质及环境温度等一般处于相对稳定状态，此时被加热介质水又完全处于和外界热隔离的理想状态，即理想状态下没有散热损失，那么系统本身不需要控制间歇加热动作，就能够始终处于恒定温度状态。实际上之所以继续在受控状态下还需要进行间断加热来保持恒定温度，是因为系统中被加热介质并不处于完全绝热状态，而是存在着因为绝热方式不同导致程度不同散热损失现象；在加热介质开环控制状态下连续加热且上升到设定温度后，继续通过闭环控制电源的开、合动作继续间歇加热的过程正是补偿各种散热造成的热能量损失。2.恒速升温自动控制系统基本功能就是按照预先设定好的升温速度，将被加热介质连续不断的一直升高到设定值再根据要求保持一定时间恒温状态或者其它需求。具体实施过程目前
也是温度闭环自动控制系统实现，利用电热盘直接加热被加热介质水，并且通过温度传感器实时连续的把被加热介质的温度值提供给控制器，控制器根据此时刻设定温度值比较后，给电热盘发出关闭或者接通电源的指令，保证加热介质按照设定升温速度上升。从理论上分析，对于这个稳定不变的恒速加热系统装置，水介质的数量和热容是固定的，如果不考虑恒速升温过程中存在的随着温度升高引起散热损失的理想情况下，那么理论上一个开环控制系统就可以完成，即一个恒定功率的电热盘持续加热状态加热水介质即可实现。如：1kg水从室温20℃加热到80℃，升温速度：3℃/min；需要的电热盘功率为143w的电热盘连续加热即可。实际上在恒速升温系统中，随着温度升高，散热现象越来越明显，此时控制器需要控制电热棒负载提供更多的热量，才能够保证水介质的升温速度设定值。所以从理论上来说，在不考虑散热损失情况下，同样能够利用143w的电热棒以开环控制方式持续加热就能够实现2℃/min的恒速升温的目标，而实际上不可避免的存在着散热损失，并且随着温度升高散热损失不断增加，同样需要不断增加补充热量才能够达到热平衡，因此散热补偿成为影响温度控制精度的关键。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种提高温控精度的装置及方法，将现有的闭环控制系统分为开环和闭环二个控制系统实现其功能，即通过在开环控制基础上增加相应的闭环控制进行散热损失的加热补偿，保证系统热量动态平衡，实现了恒温恒速控制，提高了温度控制精度。
6.为了实现以上目的，本发明提供了一种提高温控精度的装置，包括用于承载介质的容器，所述容器底部设置有用于加热介质的加热盘，所述容器还设置有用于监测介质的温度的温度传感器，所述温度传感器通信连接至控制器，所述控制器包括开环控制单元和闭环控制单元；
7.所述加热盘包括开环控制负载和闭环控制负载，所述开环控制负载连接所述开环控制单元，所述闭环控制负载连接所述闭环控制单元，且所述开环控制单元和所述闭环控制单元电连接有一个用于给装置供电的电源；
8.或者，所述加热盘仅包括一个负载，所述负载分别控制连接至所述开环控制单元和所述闭环控制单元，所述开环控制单元电连接第一电源，所述闭环控制单元电连接第二电源。
9.进一步地，所述控制器连接有分档旋钮，所述分档旋钮控制连接所述开环控制负载。
10.进一步地，所述开环控制单元连接有分档旋钮，所述分档旋钮控制连接所述负载。
11.进一步地，所述开环控制负载、所述闭环控制负载和所述负载均为电热丝类的电阻性负载。
12.进一步地，所述开环控制负载的功率大于所述闭环控制负载的功率。
13.进一步地，所述容器的外部覆盖有保温层。
14.进一步地，所述容器的上部具有敞口，所述敞口处密封盖设有绝热盖。
15.进一步地，所述加热盘上设置有用于连接电源的电源插座。
16.进一步地，所述电源为直流电源或220v交流电源。
17.本发明还提供了一种采用上述的一种提高温控精度的装置的方法，包括：控制器的开环控制单元以开环控制方式控制开环控制负载以设定升温速度加热介质，同时温度传感器实时监测介质的温度信息并反馈给控制器，控制器接收温度信息后闭环控制单元以闭环控制方式控制闭环控制负载同时进入工作状态进行加热补偿，以使介质恒速升温；加热介质至设定温度后开环控制单元控制关闭开环控制负载后，控制器自动切换到闭环负载工作状态，闭环控制单元以闭环控制方式控制闭环控制负载继续间断加热进行散热补偿，以使介质保持恒温；
18.或者，开环控制单元控制第一电源驱动负载以设定升温速度加热介质，此时闭环控制单元不工作；一旦介质温度达到设定温度后，开环控制单元将自动关闭第一电源，同时自动切换到闭环控制单元，控制第二电源驱动同一负载继续对介质进行散热补偿保持恒温。
19.与现有技术相比，本发明的装置的第一种方案中将加热盘的负载设置为二部分，一部分为一个比较大功率的开环控制负载实现基本升温功能，另一部分再由一个小功率的闭环控制负载在闭环控制状态下实现失散热量(为温度或者时间的函数)的补偿功能，从而达到系统能量平衡。通常情况下对于一个仪器中检测系统来说，能够实现很好的隔热保温措施，所以其中补偿散热损失的闭环控制负载功率仅为单一闭环控制系统功率的四分之一左右，所以如此变换加热方式后达到了减小由此引起的波动范围，实现提高控制精度的目标。其原理类似于仪器中的一个控制旋钮分为粗、细调节二个旋钮，粗调旋钮通过开环控制方式实现温度升高基本目标实现；而细调旋钮通过闭环控制则完成高精度自动控制，依此原理应用于精密检测仪器中效果非常明显，因为相对来说系统中加热介质体量小而容易保证其高的绝热性能，所以闭环回路中的负载的功率仅为开环回路中负载的四分之一或者更小，从而使得电流变化范围缩小为原来的二分之一以下，相应的温度波动范围减小到原来的二分之一以下，即控制精度提高了至少二倍。
20.本发明的装置的第二种方案基于许多场合下由于客观条件限制，如检测仪器中空间太小等原因，无法同时布置二个负载的情况下，仅设置一个负载，采用二个自动控制单元同样实现对于恒温系统的高精度控制，即分别设置开环控制单元和闭环控制单元，且负载分别连接第一电源和第二电源，且二个温度控制单元各自仅独立工作于其中一个工作时间段：其中开环控制单元工作于升温阶段，闭环控制单元工作于恒温阶段，开环控制单元按照选择的加热速度加热介质直至达到设定温度时自动断开第一电源而停止加热；同时自动启动闭环控制单元开始工作，即通过第二电源驱动负载把电能转换为热能，来补充由于温差形成的散热所损失的热量，保持介质温度基本恒定不变，通常仍然采用开关量的控制方式，且与常规的始终由一个电源驱动负载实现恒温的闭环控制系统来比较，则此时上述控制系统相应的加热电流波动范围下降到原来的一半以下，即相当于控制精度提高了一倍以上。
21.本发明的第一种提高温控精度的方法将现有的一个负载分为两个负载同时安装在电热盘中，并把现有技术中统一利用闭环控制的负载分为开环控制和闭环控制二路分别控制的负载，且通常情况下闭环控制负载功率远小于开环控制的负载功率，依次大幅度减小电源控制开关闭合与断开带来的加热电流的冲击幅度，也就同时减小了被控温度的波动范围，即得到提高控制精度的目标。
22.本发明的第二种提高温控精度的方法中开环控制单元按照选择的加热速度加热
介质，达到设定温度时自动断开第一电源而停止加热；同时自动启动闭环控制单元开始工作，即通过第二电源驱动负载把电能转换为热能，来补充由于温差形成的散热所损失的热量，保持介质温度基本恒定不变，相应的加热电流波动范围下降到原来的一半以下，即相当于控制精度提高了一倍以上，实现了恒温恒速控制，提高了温度控制精度。
附图说明
23.图1是本发明装置实施例一的结构示意图；
24.图2是本发明装置实施例一的a
‑
a截面结构示意图；
25.图3是本发明装置实施例二的截面结构示意图；
26.其中，1是绝热盖、2是容器、3是保温层、4是介质、5是电热盘、6是电源插座、7是温度传感器、8是开环控制负载、9是闭环控制负载、10是控制器、11是分档旋钮、12是负载。
具体实施方式
27.下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明作进一步地解释说明，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
28.实施例一：
29.本发明实施例一提供了一种提高温控精度的装置，参见图1和图2，其包括用于承载介质4的容器2，容器2底部设置有用于加热介质4的加热盘5，加热盘5包括开环控制负载8和闭环控制负载9，控制器10包括开环控制单元和闭环控制单元，开环控制负载8通过分档旋钮11连接控制器10的开环控制单元，，闭环控制负载9连接控制器10的闭环控制单元，容器2还设置有用于监测介质4的温度的温度传感器7，温度传感器7通信连接至控制器10，控制器10电连接有同一个用于给装置供电的电源。开环控制负载8和闭环控制负载9均为电热丝。开环控制负载8的功率大于闭环控制负载9的功率。容器2的外部覆盖有保温层3。容器2的上部具有敞口，敞口处密封盖设有绝热盖1。加热盘5上设置有用于连接电源的电源插座6。电源为直流电源或220v交流电源。
30.本发明实施例一还提供了采用上述装置的温控方法，包括：在恒速升温状态时，开环控制单元通过分档旋钮11以开环控制方式控制开环控制负载8以选择的设定升温速度加热介质4，同时温度传感器7实时监测介质4的温度信息并反馈给控制器10，控制器10接收温度信息后以闭环控制单元闭环控制方式控制闭环控制负载9以间断加热方式进行加热补偿，以使介质4恒速升温；在恒温状态时，加热介质4至设定温度后开环控制单元控制关闭开环控制负载8，控制器10的闭环控制单元以闭环控制方式控制闭环控制负载9继续加热进行散热补偿，以使介质4保持恒温。
31.本发明无论是恒温系统还是恒速升温系统都可以把电热盘5的负载分解为二部分，一部分为一个比较大功率的开环控制负载8实现基本升温功能，另一部分再由一个小功率的闭环控制负载9在闭环控制状态下实现失散热量(为温度或者时间函数)的补偿功能，从而达到系统能量平衡。如此变换加热方式的目的是减小由此引起的波动范围，实现提高控制精度的目标。其原理类似于把仪器中的一个控制旋钮分为粗、细调节二个旋钮，粗调旋
钮通过开环控制方式实现温度升高基本目标实现；而细调旋钮通过闭环控制则完成高精度自动控制，依此原理应用于精密检测仪器中效果非常明显，因为相对来说系统中加热介质体量小而容易保证其高的绝热性能，所以闭环回路中的负载的功率仅为开环回路中负载的四分之一或者更小，从而使得电流变化范围缩小为原来的二分之一以下，相应的温度波动范围减小到原来的二分之一以下，即控制精度提高了至少二倍。
32.本发明通过相应的负载结构的变换配合实现，把负载分为开环控制负载8和闭环控制负载9二部分同时安装在电热盘5中，通过把原来统一利用闭环控制的负载分为开环控制z1和闭环控制z2二路分别控制的负载，且通常情况下闭环控制负载远小于开环控制的负载功率，依次大幅度减小电源控制开关闭合与断开带来的加热电流的冲击幅度，也就同时减小了被控温度的波动范围，即得到提高控制精度的目标。
33.下面本发明实施例一分别以恒速升温控制和恒温控制进行示例说明。
34.恒速升温控制：
35.对于3℃/min升温速度的控制系统，此时的开环控制负载8的输出功率应该是143w，那么具体实施中应该留有余地，以防止升温速度超过设定值；至于一旦由于工作条件变化，如电源电压过高等情形，则可以通过闭环控制负载9来弥补，所以开环控制负载8的输出功率p1通常取其计算值的85％作为设计参数，所以p1的功率为143*85％＝120w即可；并且开环控制方式直接接在直流或者交流电源上。而闭环控制负载9的输出功率p2理论计算试验证明最高温度100℃时的散热损失补偿功率为45w，实际中应该取其120％为设计值即p2＝54w，以保证电源电压低于额定电压时保证补偿热量满足需要。理论上闭环控制负载9在刚开始室温环境下加热时因为不存在散热损失，所以原则上处于不工作状态，随着温度升高散热损失增加，控制器10发出指令控制其进行加热补偿所损失的热量。此时系统的负载结构比原来相比增加了一个负载，并通过电热丝直径和材料选择实现其不同功率选择，但是仍然采用同一电源驱动。
36.开环控制单元中增加了一个升温速度的选择开关，即分档旋钮11，把开环控制z1的输出功率按照最高升温速度设计，然后根据实际需要可以选择不同的升温速度，再利用闭环控制z2实现完成散热损失热量的实时补偿，当然此时闭环控制z2的输出功率也需要做相应的增大调整，从而为用户提供更多功能和方便操作。
37.恒温控制：
38.利用上面所述工作原理和负载结构，也能够很容易的实现高精度的恒温自动控制功能。具体实施过程如下：根据需要首先通过分档旋钮11手动选择加热速度档，启动开始旋钮后，开环和闭环二个控制回路的负载都处于正常工作状态下；被加热的水介质持续的主要被开环控制负载8加热并快速升到设定温度后，开环控制负载8关闭，控制器10驱动闭环控制负载9继续处于工作状态，补偿此温度状态下散热损失的热能量，保持系统始终处于热平衡状态即为恒温状态。
39.实施例二：
40.本发明实施例二提供了另一种提高温控精度的装置，参见图3，加热盘5仅包括一个负载12，控制器10包括开环控制单元和闭环控制单元，负载12分别控制连接至开环控制单元和闭环控制单元，开环控制单元电连接第一电源，闭环控制单元电连接第二电源。开环控制单元连接有分档旋钮11，分档旋钮11控制连接负载12。负载12可以是电热丝等负载。其
他的技术特征与实施例一相同，不再一一重复说明。
41.基于实施例二温控装置的温控方法，包括：在升温状态时，开环控制单元控制第一电源驱动负载12以设定升温速度加热介质4，此时闭环控制单元不工作，即第二电源不工作；在恒温状态时，介质4加热至设定温度后，开环控制单元控制第一电源关闭，闭环控制单元控制第二电源驱动负载12进行散热补偿。
42.实施例二的方案考虑到许多场合下由于客观条件限制，如检测仪器中空间太小等原因，无法同时布置二个负载的情况下，仅设置一个负载12，采用二个自动控制单元实现仅对于恒温系统的高精度控制，其具体由通过分档旋钮11手动选择的直接加热速度的开环控制单元和自动维持温度的闭环控制单元二部分组成，具体由二个独立电源、共用的温度传感器7、负载12及控制器10组成，如图3所示。系统工作期间被分为升温阶段和控温阶段二个时间段，且二个温度控制单元各自仅独立工作于其中一个工作时间段：其中开环控制单元工作于升温阶段，闭环控制单元工作于恒温阶段；并配备二个不同的电源。如：利用220v市电作为开环控制单元控制的第一电源，选择好升温速度档后直接驱动负载12实现143w功率的电热丝直接加热升温，到达设定温度后自动关闭第一电源，并同时自动开启闭环控制单元开始工作，其设置功率的大小取决于升温装置的隔热保温措施等因素，通常在仪器中因为容积小且加热介质固定，如：1升甘油介质。由于容易达到比较好的保温效果，此时闭环控制单元的功率仅为开环控制单元功率的三分之一以下，这里以30w为例，第二电源可以采用交流或直流，若以直流电源为例，其电源电压u2＝30*(220*220/143)＝10154，u＝100v。在100v的第二电源的驱动下闭环控制单元驱动负载12间歇性根据指令关断或者闭合动作，驱动负载12把电能转换成为热能来保证负载散热损失的有效补偿，达到系统的热量平衡。
43.若通常仍然采用开关量的控制方式，且与常规的始终由一个电源驱动负载实现恒温的闭环控制系统来比较，则此时上述控制系统相应的加热电流波动范围下降到原来的一半以下，即相当于控制精度提高了一倍以上。
44.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。