CN100434806C - 微波炉专用接触式温度测量控制仪 - Google Patents

微波炉专用接触式温度测量控制仪 Download PDF

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Abstract

一种微波炉专用接触式温度测量控制仪，其特征在于，其中包括有：一专用温度测量装置，该专用温度测量装置用于采集与传送被测物质的温度信息；一主控系统板，该主控系统板与专用温度测量装置连接，该主控系统板用于对温度测量信号的处理和对微波炉加热过程的自动控制。

Description

微波炉专用接触式温度测量控制仪
技术领域
本发明提供一种微波炉专用接触式温度测量控制仪，其是应用电子技术及传感技术，对微波炉内被加热物质的温度进行实时测量控制并传送、显示出来，并对微波炉的加热过程进行实时控制。
背景技术
对于微波炉内被加热物质的温度进行实时检测的研究开发工作，已有一定的进展，国内外曾有人提出过各种不同的技术方案，所有这些测量技术，按所采集温度信息的形式可划分为两大类：接触式温度测量和非接触式温度测量。接触式温度测量多使用半导体温度传感器、热电阻、热电偶；非接触式多使用红外温度传感器和光纤温度传感器。
半导体温度传感器，利用半导体材料导电性能对于温度的敏感性，来反映温度变化，可以应用于微波环境；缺点是：测量温度的范围较小，通常在±150℃之间，实用范围受限。
热电阻、热电偶作为使用范围较广的温度传感器，其应用技术比较成熟，由于这类传感器在进行温度测量时直接接触被测物质，所以能够真实地反映被测物质的客观温度，且测量稳定性重复性均好；缺点是：传感器在自身结构上就形成闭合金属环，在微波场下易出现打火现象，严重时可烧毁传感器，故难以直接在微波场环境下使用。
红外温度传感器是非常典型的非接触式温度传感器，具有远距离测量、受使用环境限制较小的特点；缺点是：因不接触到被测物质，所反映的仅仅是盛装被测物质的器皿的表面温度，难以保证温度测量的真实性和实时性。
光纤温度传感器可在微波场环境下使用；缺点是：价格较贵，限制了应用范围。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种可在微波场下使用的接触式温度测量仪，其具有成本低、可靠性高的优点，同时具有自动显示测量温度、自动设定预置温度、自动对微波炉进行控温和保温的功能。
本发明一种微波炉专用接触式温度测量控制仪，其特征在于，其中包括有：专用温度测量装置、主控系统板、专用驱动电路；
专用温度测量装置用于采集与传送被测物质的温度信息，其包括：一温度传感器，该温度传感器用于将温度变化转化成电阻值的变化；一温度传感器铠装保护套，该温度传感器铠装保护套用于保护温度传感器，使之免受机械磨损及化学腐蚀；一屏蔽连接器，该连接器使温度传感器铠装保护套与微波炉金属内壁实现电连接，用于屏蔽铠装保护套内的温度传感器，使之免受微波场的影响；一温度变送器，该温度变送器将温度传感器采集到的温度测量信号，线性放大至A/D采集与转换电路可以接受的信号范围，并送至SOC控制芯片进行处理；
主控系统板与专用温度测量装置连接，该主控系统板用于对温度测量信号的处理和对微波炉加热过程的自动控制，其包括：一SOC控制芯片，该SOC控制芯片控制系统的工作全过程；一A/D采集与转换电路，该A/D采集与转换电路用于采集放大后的温度信号的模拟量并转换成数字量；一输入键盘电路，该输入键盘电路用于操作人员完成各种所需参数与功能的设定；一LCD显示器电路，该LCD显示器电路用于显示各种运行状态和参数；
专用驱动电路执行主控系统板的各种控制命令，实现各种执行动作，其包括：一磁控管控制电路，该磁控管控制电路控制磁控管高压包，以驱动磁控管产生微波；一微波炉照明灯控制电路，该微波炉照明灯控制电路用于控制微波炉内的照明灯的开启与关闭；一转盘电机驱动控制电路，该转盘电机驱动控制电路用于在微波加热时驱动搁物转盘，使被加热物质在微波场内恒速旋转，以达到均匀加热的目的；一轴流风机驱动控制电路，该轴流风机驱动控制电路用于驱动轴流风机，对磁控管和高压变压器进行散热；其中主控系统板中还包括SOC内部集成的带隙电源，用于为A/D采集与转换电路提供基准电压。
其中该主控系统板还包括一由精密电阻构成的采样电路，该采样电路将温度变送器输出的4-20mA电流信号转换为直流电压信号，再送入A/D转换器最终转换为数字信号。
其中该主控系统板上还包括一RS-232串行通信接口电路，通过该RS-232串行通信接口电路，主控系统板可与上位PC机建立通信连接。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图及实施例对本发明作一详细的描述，其中：
图1是专用温度测量装置与主控系统板框图；
图2是屏蔽连接器示意图；
图3是专用驱动电路原理图。
具体实施方式
请参阅图1、图2与图3，本发明微波炉专用接触式温度测量控制仪，包括三部分，一是专用温度测量装置部分1、二是主控系统板部分2；三是专用驱动电路部分30；以下分别对专用温度测量装置部分、主控芯片电路部分和专用驱动电路部分进行详细的描述。
请参阅图1、图2所示，本发明专用温度测量装置1部分主要由温度传感器11、温度传感器铠装保护套25、屏蔽连接器20、温度变送器12等几部分组成，分述如下：
一专用温度测量装置1，用于对被测物质进行温度检测，该专用温度测量装置部分包括：
一温度传感器11，该温度传感器11采用Pt100铂热电阻，用于采集被加热物品的温度，并将温度变化转化成其电阻值的变化；
一温度传感器铠装保护套25，该温度传感器铠装保护套25用于保护温度传感器11，使之免受机械磨损及化学腐蚀；
一屏蔽连接器20，该屏蔽连接器20将传感器铠装保护套25末端通过螺母26、281、282固定在微波炉内腔体金属板29的开孔上，由于铠装保护套25通过螺母与微波炉内腔体金属板29紧密连接、导通，所以温度传感器11被很好屏蔽在微波场外；
一温度变送器12，该温度变送器12将温度传感器11采集到的被加热物品的温度信号，进行线性放大，至主控芯片电路的A/D采集与转换电路15可以接受的信号范围。
请参阅图1所示，本发明主控系统板2部分主要由SOC控制芯片19、A/D采集与转换电路15，键盘输入电路17，LCD显示器电路16，数据通信接口(RS-232)18等几部分组成，分述如下：
一主控系统板2电路，用于对温度测量信号的处理和对微波炉加热过程的自动控制，该主控芯片电路包括：
一SOC主控芯片19，该芯片19用于控制系统的工作，采用Cygnal公司的C8051F020系列高速SOC混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的微控制器内核，除具有标准8051的数字外设部件外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件；
一A/D采集与转换电路15，该A/D采集与转换电路15用于采集放大后的温度信号(模拟量)并转换成数字量，便于CPU进行处理，采用C8051F020系列芯片内部集成的具有12位分辨率和最高100ksps转换速率的逐次逼近型A/D转换器实现A/D转换。由温度变送器输出的4-20mA电流信号，经R 1精密电阻14的取样，转换为0.48-2.4V电压信号，A/D采集与转换电路15采集该电压信号，并最终转换为数字信号；
一输入键盘电路17，该输入键盘电路17用于操作人员完成各种所需参数与功能的设定，采用4键键盘设计，使所有操作简单、快速、准确；
一LCD显示器电路16，该LCD显示器电路16用于显示各种运行状态和参数，显示分辨率为128×64；
一数据通信接口(RS-232)18，该数据通信接口(RS-232)18用于微波炉与上位PC机之间的通信接口，经过SOC串行通信口UARTO输出的3.3V电平转换为符合RS-232C标准的EIA电平，通过串口线与PC机实现通信。
请参阅图3，本发明专用驱动电路部分30，主要由磁控管控制电路31、微波炉照明灯控制电路32、转盘电机驱动控制电路33、轴流风机驱动控制电路34组成，分述如下：
一磁控管控制电路31，该磁控管控制电路31控制磁控管高压包，产生数千伏高压，以驱动磁控管产生微波；
一微波炉照明灯控制电路32，该微波炉照明灯控制电路32用于控制微波炉内的照明灯的开启与关闭；
一转盘电机驱动控制电路33，该转盘电机驱动控制电路33用于在微波加热时驱动搁物转盘，使被加热物质在微波场内恒速旋转，以达到均匀加热的目的；
一轴流风机驱动控制电路34，该轴流风机驱动控制电路34用于驱动轴流风机，对磁控管和高压变压器进行散热。
本发明的工作过程：
专用温度测量装置的工作过程：
请参阅图1、图2所示，本发明专用温度测量装置1部分主要由温度传感器11、温度传感器铠装保护套25、屏蔽连接器20、温度变送器12等几部分组成。
温度传感器11装于温度传感器铠装保护套25中，通过屏蔽连接器20固定于微波炉腔体金属板29，其温度传感器11的信号线接于温度变送器12。测量时，温度传感器11经温度传感器铠装保护套25置于被测物质中，采集被加热物品的温度信息，转化成自身电阻值的变化，该变化量被送至温度变送器12，转换成相应的电流量送出；屏蔽连接器20和传感器铠装保护套25对温度传感器11起到很好的微波屏蔽作用，以及抗机械磨损及化学腐蚀的保护作用。
主控系统板2工作过程，请参阅图1所示，本发明主控系统板2电路部分主要由SOC控制芯片19、A/D采集与转换电路15，输入键盘电路17，LCD显示器16电路等几部分组成。
由R1电阻14取样将温度变送器12输出的4-20mA电流信号转换为0.48-2.4V直流电压信号，送至A/D转换器15转换为相应的数字信号。由温度变送器12输出的4-20mA电流信号，经精密取样电阻14转换为0.48-2.4V直流电压信号，A/D转换器15通过采集取样电阻14上的电压信号将温度的模拟信号最终转换为数字信号，送至SOC控制芯片19进行数据处理；SOC控制芯片19采用Cygnal公司的C8051F020系列高速SOC混合信号系统级芯片，通过对A/D转换器15送来的信号处理，发出各种动作命令，使微波炉“加热”、“停加热”，从而起到加热控制作用。各种控制所需参数与功能，均由操作人员通过输入键盘电路17进行设定，键盘电路17采用4键键盘设计，使所有操作简单、快速、准确，LCD显示器电路显示分辨率为128×64，可即时显示各种运行状态和参数。
专用驱动电路30的工作过程，请参阅图3：
该专用驱动电路30包括：磁控管控制电路31，微波炉照明灯控制电路32，转盘电机驱动控制电路33，轴流风机驱动控制电路34。
该磁控管控制电路31执行主控系统板2的各种控制命令，实现各种执行动作，当主控系统板2发出“加热”控制命令时，该磁控管控制电路31接通高压变压器电源回路，产生高压，以驱动磁控管发射微波，加热炉内反应物；当主控系统板2发出“停加热”控制命令时，该磁控管控制电路31切断高压变压器电源回路，使磁控管停止发射微波，停止对炉内反应物加热；当微波炉处于工作状态时，微波炉照明灯控制电路32打开炉内照明灯，同时轴流风机驱动控制电路34启动轴流风机，对磁控管和高压变压器进行散热；当微波炉处于停止状态时，微波炉照明灯控制电路32关闭炉内照明灯，同时轴流风机驱动控制电路34关闭轴流风机，停止对磁控管和高压变压器散热；根据加热的不同需要，可通过输入键盘电路的按键选择是否启动微波炉内的搁物转盘，由转盘电机驱动控制电路33，控制搁物转盘是否旋转。
数据通信接口(RS-232)18，用于微波炉与上位PC机之间的通信接口，经过SOC串行通信口UARTO输出的3.3电平转换为符合RS-232C标准的EIA电平，通过串口线与PC机实现通信。
微波炉专用接触式温度测量控制仪的主要内容：
测温：实时检测微波炉内被加热物质的温度；
显示：显示实时检测出的被加热物质温度值；显示目标温度值及恒温时间；
预置：目标温度值及恒温时间；
控制：控制微波炉加热过程；控制微波炉加热达到预置目标温度值时的恒温过程；
通信：与上位PC机实现串口通信；
人机界面：简便的键盘操作实现系统各项功能。
微波炉专用接触式温度测量控制仪的主要用途：
随着微波化学技术的不断发展，对在微波场中进行的各种化学反应过程，提出了更加严格的监测与控制方面的要求。本发明即顺应这一技术需求，可以实现在微波场中实时检测反应物的温度，相应地自动控制微波炉加热过程，使加热过程稳定地达到预置目标温度值，并继续自动控制此后的恒温过程，直至达到预置的恒温时间。
本发明可广泛应用于微波化学实验设备中。既可用于将家用微波炉改造成为微波化学实验炉；也可应用于实验室专用微波炉，提高温度测量与控制精度；还可应用于工业微波炉，增加对加热过程的测控功能。
应用本发明可实现同时对多台微波加热装置进行监控。
本发明的基本特点：
温度检测采用接触式温度传感器，具有实用性。比较其它方式，其特点是：
接触式温度传感器具有较高的响应速度，还具有较稳定的温度特性曲线，使得整个测量仪具有实时性好、精度高的特点；
接触式温度传感器的铠装保护套通过连接器与微波炉的内腔体金属板相接，形成对传感器的屏蔽保护，使接触式温度传感器可在微波环境下正常工作；
接触式温度传感器连同铠装保护套通过连接器的紧固顶丝，可以灵活的升降，以适应被测物质的高度变化；
使用C8051F020系列单片机，该单片机具有体积小、功能强、各类资源集成度高的特点，便于作为嵌入式系统安装于微波炉内；
与非接触式温度传感器相比，本发明的测量方法具有直接测量被测物质体内温度的特点，测量结果真实；成本低。

Claims (3)

1、一种微波炉专用接触式温度测量控制仪，其特征在于，其中包括有：专用温度测量装置、主控系统板、专用驱动电路；
专用温度测量装置用于采集与传送被测物质的温度信息，其包括：一温度传感器，该温度传感器用于将温度变化转化成电阻值的变化；一温度传感器铠装保护套，该温度传感器铠装保护套用于保护温度传感器，使之免受机械磨损及化学腐蚀；一屏蔽连接器，该连接器使温度传感器铠装保护套与微波炉金属内壁实现电连接，用于屏蔽铠装保护套内的温度传感器，使之免受微波场的影响；一温度变送器，该温度变送器将温度传感器采集到的温度测量信号，线性放大至A/D采集与转换电路可以接受的信号范围，并送至SOC控制芯片进行处理；
主控系统板与专用温度测量装置连接，该主控系统板用于对温度测量信号的处理和对微波炉加热过程的自动控制，其包括：一SOC控制芯片，该SOC控制芯片控制系统的工作全过程；一A/D采集与转换电路，该A/D采集与转换电路用于采集放大后的温度信号的模拟量并转换成数字量；一输入键盘电路，该输入键盘电路用于操作人员完成各种所需参数与功能的设定；一LCD显示器电路，该LCD显示器电路用于显示各种运行状态和参数；
专用驱动电路执行主控系统板的各种控制命令，实现各种执行动作，其包括：一磁控管控制电路，该磁控管控制电路控制磁控管高压包，以驱动磁控管产生微波；一微波炉照明灯控制电路，该微波炉照明灯控制电路用于控制微波炉内的照明灯的开启与关闭；一转盘电机驱动控制电路，该转盘电机驱动控制电路用于在微波加热时驱动搁物转盘，使被加热物质在微波场内恒速旋转，以达到均匀加热的目的；一轴流风机驱动控制电路，该轴流风机驱动控制电路用于驱动轴流风机，对磁控管和高压变压器进行散热；其中主控系统板中还包括SOC内部集成的带隙电源，用于为A/D采集与转换电路提供基准电压。
2、根据权利要求1所述的微波炉专用接触式温度测量控制仪，其特征在于，其中该主控系统板还包括一由精密电阻构成的采样电路，该采样电路将温度变送器输出的4-20mA电流信号转换为直流电压信号，再送入A/D转换器最终转换为数字信号。
3、根据权利要求1所述的微波炉专用接触式温度测量控制仪，其特征在于，其中该主控系统板上还包括一RS-232串行通信接口电路，通过该RS-232串行通信接口电路，主控系统板可与上位PC机建立通信连接。
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