CN100511883C - 高精度水冷却系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水冷却系统，本发明公开了一种高精度水冷却系统，包括电气控制部分、水回路、通过水管与水回路连接的冷凝剂回路，所述电气控制部分包括主控制电路板、电气执行部件、温度控制器、温度传感器，其中，主控制电路板，用于接收采样回水温度，控制冷凝剂回路的电气执行部件；电气执行部件，用于接收主控制电路板的控制信号，执行水温控制调节；温度控制器，接收温度传感器的温度信号，经处理后，传送给主控制电路板；温度传感器，用于在水回路中的回水口采样回水温度，并传送给温度控制器。本发明结构简单，成本低，能能使水温控制在设定温度的±0.1℃范围内，比现有产品的控温精度(一般为±1℃，高精度的为±0.5℃)高得多。

Description

高精度水冷却系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及水冷却系统，具体涉及用于激光打标机的高精度水冷却系统。本发明还涉及水冷却系统的控制方法。

背景技术

水冷系统是水冷型激光器的一个重要组成部分，对于激光打标机来讲，其控温精度和控温稳定度直接影响激光功率的稳定。特别是半导体激光器，冷却水温度波动0.5℃激光输出功率波动很大，同时对激光模式也有很大影响，直接影响打标效果。目前，市场上销售的水冷却机虽然标称控温精度达到±0.5℃，甚至有极少数的标称控温精度达到±0.2℃。但经过事实检验，其使用效果远不及其宣传效应。通常制冷机采用压缩机的启停来控制温度，水温是一个大惯性对象，压缩机的启停不可能将水温稳定地控制在设定温度±0.1℃的精确范围内。用其他办法(如温度梯度的繁琐检测和计算)往往是换来了精度却大大增加了产品的成本。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种结构简单，成本低，能实现高精度控温的水冷却系统。本发明的目的还提供一种高精度水冷却系统的控制方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采取以下方案：

本发明的高精度水冷却系统，包括电气控制部分、水回路、通过蒸发器与水回路充分接触的冷凝剂回路，其特征在于：所述电气控制部分包括主控制电路板、电气执行部件、温度控制器、温度传感器，其中，

——主控制电路板，用于接收温度传感器从水回路中采样回水温度，由温度控制器进行预处理产生的控制信号，并对该控制信号处理后，控制冷凝剂回路的电气执行部件；

——电气执行部件，用于接收主控制电路板的控制信号，执行水温控制调节；

——温度控制器，用于接收温度传感器的温度信号，经处理后，传送给主控制电路板；

——温度传感器，用于在水回路中的回水口采样回水温度，并传送给温度控制器。

其中，所述冷凝剂回路包括压缩机、四通换向阀、制冷电磁阀、旁路电磁阀、冷凝器、气液分离器、毛细管、干燥过滤器，其中，四通换向阀通过水管分别与冷凝器、压缩机、气液分离器、旁路电磁阀和水回路连接，毛细管的一端与干燥过滤器连接，另一端与旁路电磁阀、制冷电磁阀连接，干燥过滤器与冷凝器连接。

其中，所述水回路包括水泵、水箱、蒸发器、过滤装置、流量开关，其中，水泵分别与水箱、过滤装置连接，水箱与蒸发器连接，蒸发器通过其回水口与流量开关连接。

其中，所述电气执行部件包括压缩机、风机、四通换向阀、制冷电磁阀、旁路电磁阀。

其中，所述主控制电路板包括单片机、光耦、驱动芯片、电源、继电器a、继电器b、继电器c、继电器d、故态继电器A、故态继电器B，其中，

——单片机，用于控制主控电路板各部件按照程序实现各自功能；

——光耦，用于将外来信号隔离，以保证单片机的工作不受外界干扰，并将外来信号转换成单片机能识别的信号；

——驱动芯片，用于将单片机输出的控制信号放大，以驱动继电器的动作；

——电源，用于给主控电路板供电；

——继电器a，用于控制为继电器b、继电器c、继电器d供电的电源的切断与开启；

——继电器b、继电器c、继电器d、固态继电器A、固态继电器B，分别用于驱动水泵、压缩机、风机、四通换向阀、制冷电磁阀、旁路电磁阀。

本发明的高精度水冷却系统的控制方法，有以下步骤：

1)在采样时刻，温度控制器从温度传感器处采集当前水温信息；

2)温度控制器将当前水温信息与设置的水温进行比较，并预测下一采样时刻的温度变化趋势，根据当前所需制冷量，运用PID算法计算得出相应结果，并将此结果送至主控制电路板；

3)主控制电路板判断送至的温度控制器运算结果，综合控制电气执行部件协调动作；

4)电气执行部件的动作按照要求精确控制制冷剂回路中剂的制冷量，完成热交换，使水温准确稳定在设定的温度值。

(三)有益效果

(1)本发明由于采用了以上技术方案，能使水温控制在设定温度的±0.1℃范围内，比现有产品的控温精度(一般为±1℃，高精度的为±0.5℃)高得多；(2)本发明结构简单，成本低；(3)本发明用于激光打标机，其输出功率稳定，打标效果好。

附图说明

图1是本发明系统组成的方框图；

图2是本发明总体结构的示意图；

图3是本发明水冷却系统的结构图；

图4是本发明工作流程图；

图5是本发明主控制电路板方框示意图。

图中：1、主控制电路板；2、温度传感器；3、温度控制器；4、流量开关；5、蒸发器；6、过滤装置；7、水箱；8、水泵；9、冷凝器；10、干燥过滤器；11、旁路电磁阀；12、制冷电磁阀；13、四通换向阀；14、气液分离器；15、压缩机；16、毛细管；17光耦；18、单片机；19、电源；20、驱动芯片；21、继电器a；22、继电器b；23、继电器c；24、继电器d；25、固态继电器A；26、固态继电器B。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1、图2、图3，本发明分为水回路部分、冷凝剂回路部分以及电气控制部分三大块。其中电气控制部分包含主控制电路板1、电气执行部件、温度控制器3和温度传感器2。所述电气执行部件包括压缩机15、风机、四通换向阀13、制冷电磁阀12、旁路电磁阀11。

参见图4，本发明的具体控制方法：当从温度传感器2处采集到实际水温以后，将其与设定温度做比较，若实际水温高于设定水温，则发指令给四通换向阀13。使其控制制冷剂流向，进入制冷状态。当实际水温过低，超过设定的低温警戒值时，发指令至四通换向阀13，使其转变制冷剂流向而进入制热状态。进入相应(制冷、制热)状态以后通过以上的比较值预测下一采样时刻的温度变化趋势，再运用PID(比例积分微分)算法计算出实际应通过蒸发器5的冷凝剂流量。最终将这一运算结果转换为制冷电磁阀12和旁路电磁阀11的开启关闭时间参数，控制制冷旁路阀12的开关达到控温目的。

参见图2、图3，本发明主控制电路板控制水回路中水泵8的工作，使之产生循环水；同时，通过温度传感器2从水回路中采样回水温度，由温度控制器3进行预处理产生控制信号给主控制电路板1，主控制电路板1上单片机计算处理以上信号后，控制冷凝剂回路的电气执行部件，即压缩机15、风机、四通换向阀13、制冷电磁阀12、旁路电磁阀11等协调工作，最终达到精确控温的目的。

参见图3，由于控温精度要求很高，所以温度传感器2检测点的选择也很重要。在这里我们将其放在了回水口上，构成反馈控制，省去对温度梯度的繁琐检测和计算。通过设定温度和检测温度的计算预测温度变化趋势，再使用智能PID调节，对冷凝剂进行类似斩波的控制方式达到精确控温的效果。如开机时水温为27℃，设定温度为22℃，经PID计算并预测温度变化趋势后，将控制信号传给主控制电路板1。此时主控制电路板1对以上信号做出相应判断并加以处理，控制四通换向阀13至制冷状态，同时开启制冷电磁阀12，关闭旁路电磁阀11，使得制冷剂由压缩机15通过四通换向阀13流经冷凝器9，然后经过干燥过滤器10和毛细管16，冷凝剂全部进入蒸发器5，与蒸发器5中的热水充分交换热量从而快速降低水温。当水温降至22.5℃时，温度变化趋势呈接近设定温度，此时对进入蒸发器5的冷凝剂进行类似斩波的控制，即关闭制冷电磁阀12，而开启旁路电磁阀11，冷凝剂就会绕过蒸发器5而直接来到四通换向阀13、气液分离器14，并回到压缩机15而完成冷凝剂的循环。这样蒸发器5中的水就不会和冷凝剂产生热交换，从而使水温稳定在22℃±0.1℃。由上可知，当控制四通换向阀13到制冷状态，并采用PID方式调节制冷电磁阀12和旁路电磁阀11的开启/关闭状态(位式控制调节)便能有效地控制冷凝剂和水的热交换频率，从而达到精确控温的目的。若改变冷凝剂的流向，使得刚流出压缩机15的冷凝剂立刻进入蒸发器5和水交换热量，就能达到升高水温的目的。这也就是四通换向阀13的作用。四通换向阀13能改变冷凝剂的回流方向，使系统在制冷和制热间转换。本产品在水温过低时能通过制热过程将水温迅速调节到一定值，从而避免低水温给被控对象造成影响。

参见图3，水回路中还设有水箱7，流量开关4、过滤装置6，其中，水箱7的作用就好比电路中的电容一样，它能够很好的储蓄能量，使得系统中水温变化更加平缓，减少外界对系统的扰动。而流量开关4和过滤装置6的加入是为了适应激光器对循环水流量以及纯净度的要求，加强对激光器的保护。

参见图5，本发明的主控制电路板包括：

单片机18：控制整个电路板各部件按照程序实现各自功能。

光耦17：将外来信号隔离，以保证单片机18的工作不受外界干扰。并将外来信号转换成单片机18能识别的信号。

驱动芯片20：将单片机18输出的控制信号放大，以驱动继电器的动作。

继电器a21：控制为“继电器b22”、“继电器c23”、“继电器d24”供电的电源19的切断与开启。

继电器b22驱动水泵，继电器c23驱动压缩机15、风机，继电器d24驱动四通换向阀13，固态继电器A25驱动制冷电磁阀12、固态继电器B26驱动旁路电磁阀11。

电源19：供电分为12伏和5伏。12伏电供给继电器a-b，5伏电供给单片机18、光耦17。

参见图5，本发明的主控制电路板1工作时，单片机18首先从光耦17那边得到已经过转换的控制器信号，判断应由哪个执行部件动作，当确定是由某一部件动作时将信号传递给驱动芯片20，驱动芯片20将此信号放大，然后控制相应的电气执行部件动作。

本发明的能达到的主要技术指标包括：

制冷量：1匹、2匹制冷；

控温精度：±0.1℃；

流量：1.8m³/h；

开机自动延时2分钟启动压缩机15，关机水泵8自动延时20秒保护被冷却部分。运行指示灯闪烁指示电路板工作正常，水泵8和压缩机15指示灯指示水泵8和压缩机15运行情况。

下面对“斩波、智能PID调节、前馈预测、位式控制”作简要说明。

斩波：将连续不变的模拟量转换成按周期变化的方波。

智能PID调节：PID是自动控制中常用的一种运算方法，PID即英文：比例积分微分的缩写(P—比例I—积分D—微分)。所谓智能PID调节，就是利用微电子电路及相关程序根据被控量的当前状态和目标状态自动完成PID运算，得出被控量控制变化趋势，然后通过处理运算结果实现调节过程。

前馈预测：前馈来自输入的信号，反馈来自输出的信号。本产品的前馈即温度传感器2将温度信号反馈给温度控制器3(即被控量的当前状态)，根据被控量控制变化趋势提前加在控制器上的调节量。

位式控制：数字信号为开关量的信号，其信号变化就像开关的开与关一样只有两个状态(即开和关)。所谓位式控制也就是对开、关两个“位置”上的控制。

Claims (4)

1、一种高精度水冷却系统，包括电气控制部分、水回路、通过水管与水回路连接的冷凝剂回路，其特征在于：所述电气控制部分包括主控制电路板(1)、电气执行部件、温度控制器(3)、温度传感器(2)，其中，

——主控制电路板(1)，用于接收温度传感器(2)从水回路中采样回水温度，由温度控制器(3)进行预处理产生的控制信号，并对该控制信号处理后，控制冷凝剂回路的电气执行部件；

——电气执行部件，包括压缩机(15)、风机、四通换向阀(13)、制冷电磁阀(12)、旁路电磁阀(11)，用于接收主控制电路板(1)的控制信号，执行水温控制调节；

——温度控制器(3)，用于接收温度传感器(2)的温度信号，经处理后，传送给主控制电路板(1)；

——温度传感器(2)，用于在水回路中的回水口采样回水温度，并传送给温度控制器(3)。

2、如权利要求1所述的一种高精度水冷却系统，其特征在于：所述水回路包括水泵(8)、水箱(7)、蒸发器(5)、过滤装置(6)、流量开关(4)，其中，水泵(8)分别与水箱(7)、过滤装置(6)连接，水箱(7)与蒸发器(5)连接，蒸发器(5)通过其回水口与流量开关(4)连接。

3、如权利要求1所述的一种高精度水冷却系统，其特征在于：所述主控制电路板(1)包括单片机(18)、光耦(17)、驱动芯片(20)、电源(19)、继电器a(21)、继电器b(22)、继电器c(23)、继电器d(24)、固态继电器A(25)、固态继电器B(26)，其中，

——单片机(18)，用于控制主控电路板(1)各部件按照程序实现各自功能；

——光耦(17)，用于将外来信号隔离，以保证单片机的工作不受外界干扰，并将外来信号转换成单片机能识别的信号；

——驱动芯片(20)，用于将单片机输出的控制信号放大，以驱动继电器的动作；

——电源(19)，用于给主控电路板(1)供电；

——继电器a(21)，用于控制为继电器b(22)、继电器c(23)、继电器d(24)供电的电源(19)的切断与开启；

——继电器b(22)、继电器c(23)、继电器d(24)、固态继电器A(25)、固态继电器B(26)，分别用于驱动水泵(8)、压缩机(15)、风机、四通换向阀(13)、制冷电磁阀(12)、旁路电磁阀(11)。

4、用于权利要求1所述的一种高精度水冷却系统的控制方法，其特征在于有以下步骤：

1)在采样时刻，温度控制器(3)从温度传感器(2)处采集当前水温信息；

2)温度控制器(3)将当前水温信息与设置的水温进行比较，并预测下一采样时刻的温度变化趋势，根据当前所需制冷量，运用PID算法计算得出相应结果，并将此结果送至主控制电路板(1)；

3)主控制电路板(1)判断送至的温度控制器(3)运算结果，综合控制电气执行部件协调动作；

4)电气执行部件的动作按照要求精确控制制冷剂回路中剂的制冷量，完成热交换，使水温准确稳定在设定的温度值，具体步骤是：当控制四通换向阀(13)到制冷状态，并采用PID方式调节制冷电磁阀(12)和旁路电磁阀(11)的开启/关闭状态便能有效地控制冷凝剂和水的热交换频率，从而达到精确控温的目的；若改变冷凝剂的流向，使得刚流出压缩机(15)的冷凝剂立刻进入蒸发器(5)和水交换热量，就能达到升高水温的目的。

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