CN101187816A - 精密温度控制仪 - Google Patents
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Abstract
精密温度控制仪，属于生物实验用仪器，具体涉及一种局部环境温度的精密测量、控制装置，目的在于适于显微镜观察，且电路精炼、稳定性好和控制简单，本发明包括AD转换电路、数据处理单元、DA转换电路、电流驱动放大电路以及加热制冷装置，加热制冷装置包括培养皿、培养皿托盘、托盘下板、培养皿夹片和半导体致冷片。本发明解决了显微镜视野下温度条件的实时控制问题，为研究线虫等生物的研究，提供了精确的温度环境，控制精度可以达到±0.2度，可同时实现加热和制冷，大大拓宽了温度控制范围，适用于各种需要准确控制环境温度的生命科学研究，特别适用于研究线虫的温觉机制。
Description
技术领域
本发明属于生物实验用仪器，具体涉及一种局部环境温度的精密测量、控制装置。
背景技术
物质的物理化学特性、生物组织细胞的活性都与温度有着密切的关系，例如热解产生自由基、膜的流动性等，温度的作用不仅在于使生物存活，更是保持正常生理活动的的条件，在生物实验中准确的温度测量和控制占据着重要的地位。
线虫是一种富有特性的生物，包含了完整的分化组织以及一个有脑的神经系统，因为其简单的体系和对于诸如接触、味道、气味和温度等外界刺激的敏感反应能力，在行为学上有研究的价值，日益成为受人们瞩目的行为可塑性的模式生物。目前，针对线虫触觉、嗅觉、味觉等方面的研究进展都比较顺利；温度感应方面的研究相对有些落后。Hedgecock and Russel在1975年首先发表了线虫关于温度感应方面的论文。国内的研究涉及线虫在温度感应方面的并不多，大都关注其抉择学习行为，主要原因就是目前尚未开发针对线虫实验的温度控制装置，线虫温度感应方面的研究存在较大困难。
Hedgecock and Russel于1975年发表的论文中提到了一套控制实验温度的设备，在一块60×10×1.3cm的铝板两头分别焊接一块10×10×6cm的金属块。两个金属块浸入水浴中，从而实现对温度的控制。而William S.Ryu于2002年发表的关于线虫温度感应方面的论文中也采用了类似的装置，在一块5×12.7×0.32cm的铝板两头分别固定加热设备来实现温度控制，见William S.Ryu_Thermotaxis in Caenorhabditiselegans Analyzed by Measuring Responses to Defined Thermal StimuliNeurosci._2002.7。TOKAI HIT公司是日本一家专门生产显微镜辅助设备的厂家。该公司开发了一套显微镜恒温台，实现恒温的器件是发热玻璃。发热玻璃是在玻璃制作的过程中加入金属成分，但是仍然保持其透明性，在含金属的玻璃两端加电压就可以实现对玻璃的加热，而且加热均匀；控制算法是PID算法；温度控制的范围：室温～50℃，精度0.3℃。上述论文中提及的温度控制方法和设备都比较笨重，不能在显微镜的观察下对温度进行实时控制。
半导体制冷片是一种先进、可靠性高、无污染的制冷器件，在室内空调、热水器、孵化器、恒温箱等温度控制领域应用广泛。半导体致冷技术又称温差电致冷、热电致冷、电子致冷，当两种不同的金属组成的一对热电偶通过电流时，在热电偶结点处产生吸热或放热(由电流方向决定)，这就是法国科学家Peltier发现的珀尔帖效应(Peltier Effect)。
专利号93203592.2名为制冷加热实验装置的设备是用于实验的温度控制装置。整个仪器以一个冷室为主体。冷室为一开口向上的容器，其上有无孔或带孔的盖，散热系统位于冷室的旁边或下面，半导体制冷块安装在冷室与散热系统之间，散热系统可为水冷或风冷。在降压整流电源与半导体制冷块之间装有换向开关和温控装置，用于选择制冷或加热功能和调节温度。但它不能够放置于显微镜下，而且加热、制冷功率仅由开关和旋钮控制，不具备测温的功能。已不能满足现在实验室对温度控制设备的要求。
发明内容
本发明提供一种精密温度控制仪，目的在于适于显微镜观察，且电路精炼、稳定性好和控制简单。
本发明的一种精密温度控制仪，包括AD转换电路、数据处理单元、DA转换电路、电流驱动放大电路以及加热制冷装置，其特征在于：(1)所述AD转换电路，采集铂电阻两端电压值，将其转换为数字量，根据比率法换算为电阻值，送入数据处理单元，所述铂电阻置于加热制冷装置的培养皿中；(2)所述数据处理单元，存储设定温度，对AD转换电路的输入数据进行电阻-温度换算，根据换算得到的温度，采用数字PID控制算法计算控制量，送到DA转换电路；(3)DA转换电路将数字控制量转换为模拟控制量，送到电流驱动放大电路；(4)所述电流驱动放大电路采用双推挽式反馈电流放大电路，将模拟控制量放大成为控制加热或制冷功率大小的电流，送到加热制冷装置的半导体制冷片；(5)所述加热制冷装置包括培养皿、培养皿托盘、托盘下板、培养皿夹片和半导体致冷片，培养皿置于培养皿托盘上，托盘下板位于培养皿托盘下方，培养皿托盘和托盘下板之间放置半导体致冷片。
所述的精密温度控制仪，其特征在于：所述AD转换电路，由并联在电源和地电位之间的分压电路和AD转换芯片组成；分压电路由依次串联的限流电阻、精密电阻和铂电阻构成，精密电阻两端电压作为参考电压输入到AD转换芯片的参考电压正、负输入端，铂电阻两端电压输入到AD转换芯片的差分采样电压输入正、负端。
所述的精密温度控制仪，其特征在于：所述数据处理单元，进行电阻-温度换算的公式为：
t＝-201.4492+1.5242848×R+0.0044783839×R2。
所述的精密温度控制仪，其特征在于，所述加热制冷装置中，培养皿由培养皿底座和培养皿盖组成，所述培养皿底座为底面具有圆孔的圆筒；所述培养皿盖为圆筒形，圆筒形底部嵌入O形橡胶圈，培养皿盖圆筒外径与培养皿底座圆筒内径相同，培养皿盖与培养皿底座高度相同；所述培养皿托盘为圆形，其中间凹部为圆形盒，其内径与培养皿底座圆筒外径相同，圆形盒底部具有透光圆孔；所述托盘下板为圆形板，其中间开有圆孔，圆孔部位有一矩形盒，矩形盒底部具有圆孔，其直径与培养皿托盘圆形盒外径相同。
目前市场上现有温度控制系统往往只能实现加热，温度控制范围只能高于室温，本发明成功的解决了显微镜视野下温度条件的实时控制问题，为研究线虫等生物的研究，提供了精确的温度环境，控制精度可以达到±0.2度，可同时实现加热和制冷，大大拓宽了温度控制范围，适用于各种需要准确控制环境温度的生命科学研究，特别适用于研究线虫的温觉机制。
附图说明
图1为本发明组成示意图；
图2为AD转换电路原理图；
图3为电流驱动放大电路原理图；
图4A为加热制冷装置正视图；
图4B为图4A俯视图；
图5A为培养皿底座剖面图；
图5B为培养皿底座俯视图；
图6A为培养皿盖剖面图；
图6B为培养皿盖俯视图；
图7A为培养皿夹片正视图；
图7B为图7A俯视图；
图8A为培养皿托盘正视图；
图8B为图8A右视图；
图9A为托盘下板背视图；
图9B为图9A右视图；
图10为单片机程序流程框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
本发明如图1所示，铂电阻Pt100放置于加热制冷装置内，温度变化时铂电阻Pt100的阻值也相应的变化，这一变化经过AD转换电路量化后，送入数据处理单元，数据处理完毕后，经DA转换电路将结果送到电流驱动放大电路，使数据变成控制加热或制冷功率大小的电流，从而改变控制加热制冷装置中半导体制冷片的热量转移功率以控制温度。与此同时，显示器提供良好的人机界面，显示当前温度，键盘作为输入设备。
AD转换电路原理图见图2，AD转换电路基于比率法，即不使用恒压源作为AD转化芯片的基准源，而是把一个精密电阻Rf(误差千分之三)直接与铂电阻Pt100串联起来，实际的基准源就是精密电阻Rf两端电压，输入的是铂电阻Pt100两端电压。AD转换芯片ICL7109具有两个差分采样输入端In Hi、In Lo和两个参考电压输入端Refin+及Refin-，精密电阻Rf两端电压作为参考电压输入到AD转换芯片的Ref+、-端，铂电阻Pt100两端电压输入到AD转换芯片的差分采样电压输入正、负端In Hi、In Lo，电源电压VCC通过限流电阻R加到精密电阻Rf及铂电阻Pt100两端。由于精密电阻Rf和铂电阻Pt100两者流过的电流大小一样，因此最后AD转换芯片转化出来的结果就是精密电阻Rf的阻值和铂电阻Pt100的阻值之比。这样做的优点是不用考虑器件在不同温度下的漂移，供电电源的波动也不会影响测量的精度。从而在最大程度上保证AD转换得到的结果能准确的反映铂电阻Pt100的电阻值，因为实际工作时导线电阻也会对结果产生影响。
数据处理单元采用89S52单片机，进行电阻-温度换算，根据换算得到的温度，采用数字PID控制算法计算控制量，送到DA转换电路；由于铂电阻Pt100的电阻-温度公式中的参数随铂电阻纯度的变化而变化，系统自身也存在一定的稳定误差，如果消除这两方面的误差，剩下的就是较小的随机误差，所以本发明采用的铂电阻Pt100温度-电阻转化公式并未采用目前国际通用的公式：R(t)＝R0(1+At+Bt2)0≤t≤850℃(其中A＝3.90802×10-3，B＝-5.8019×10-7)，而是以fluke 51II温度计作为温度标准，通过一系列的实验，确定了当前系统测到的铂电阻Pt100的电阻值与温度一一对应的数据，然后使用专业曲线拟合软件CurveExpert进行后期的数据处理得到以下拟合公式：
t＝-201.4492+1.5242848×R+0.0044783839×R2；
经实验，可以达到0.1度的精度，满足要求。
电流驱动放大电路采用双推挽式反馈电流放大电路，具体电路见图3。图中SR1～SR4是四块散热器，其功能是分别为Q1、Q2、Q3、Q4四个功率放大芯片散热。Q1、Q2、Q3、Q4四个功率放大芯片共同组成了推挽式电流放大电路。电路通过运算放大器U9A实现电流的反馈，接入运算放大器U9B的负引脚，DA转化芯片TLC5620输出的电压(0～5V)输入运算放大器U9B的正引脚，通过电压的比较，放大器U9B的输出电压调节Q1、Q2、Q3、Q4，使电流输出0～5A以控制半导体致冷片TEC1-12705热量转移功率。
本发明设计了专门用于显微镜台的加热制冷装置，包括由底座和盖构成的培养皿、培养皿夹片、培养皿托盘、托盘下板和半导体致冷片TEC1-12705，加热制冷装置以帕尔贴效应为原理，利用半导体致冷片TEC1-12705将热量转移，通过控制电流的大小来控制热量的转移功率，而电流的控制由PID算法实现。
图4A是加热制冷装置的正视图，图4B是加热制冷装置的俯视图。图中标记为：培养皿盖1、培养皿底座2、培养皿托盘3、托盘下板4。
培养皿由培养皿底座和培养皿盖构成，培养皿底座见图5A、图5B，培养皿底座为底面具有圆孔的圆筒；培养皿盖见图6A、图6B，培养皿盖为圆筒形，圆筒形底部嵌入O形橡胶圈，培养皿盖圆筒外径与培养皿底座圆筒内径相同，培养皿盖与培养皿底座高度相同；该设计可以尽量减小外部环境对培养基的影响，且最大程度上让培养皿与培养皿托盘进行热交换，同时又保证了显微镜的视野，培养皿底座中心的圆孔可以放入薄玻片，然后再将培养皿盖放入，，内可放入琼脂或或液体，可以置于显微镜下观察。由于培养皿盖底部有一O形橡胶圈，故在用螺丝固定培养皿底座和培养皿盖后，可以实现密封。半导体致冷片TEC1-12705夹在培养皿托盘与托盘下板之间，培养皿托盘与培养皿接触导热，托盘下板散热。
如图7A、图7B所示，培养皿夹片为具有弧形的弹性铝合金片。可在培养皿盖上放置一块圆形玻片并用培养皿夹片夹稳。
培养皿托盘见图8A、图8B，培养皿托盘为圆形，其中间凹部为圆形盒，其内径与培养皿底座圆筒外径相同，圆形盒底部具有透光圆孔；托盘下板见图9A、图9B，托盘下板为圆形板，其中间开有圆孔，圆孔部位有一矩形盒，矩形盒底部具有圆孔，其直径与培养皿托盘圆形盒外径相同。根据灰体的辐射斯蒂芬玻尔兹曼定律E＝σεT4(W/m2)，σ＝5.670×10-8W/(s×m2×K4)为斯蒂芬玻尔兹曼参数，ε＝0.1为铝在36度的发射率，半导体制冷片的功率为P＝12.3×5W，在托盘下板36度即T＝309K条件下，令P＝E×S S＝3.14×R2得R＝0.62m。即在培养皿托盘制冷的条件下，托盘下板需要有至少62厘米的半径才能热量完全散发出去，考虑到有一部分热量辐射给培养皿托盘，在培养皿托盘上涂上隔热胶，尽量减少托盘下板对培养皿托盘的辐射，同时也加大了托盘下板的半径。培养皿托盘和托盘下板用螺丝固定，中间夹有半导体致冷片TEC1-12705。两个培养皿夹片固定于培养皿托盘，利用其弹性可以夹住放入培养皿托盘中间圆槽内的培养皿。
如图10所示，温度控制仪的流程为：通过开机自检后，从数据处理单元的EEPROM存储芯片X25045中读取上次关机时存储的设定温度，并进行键盘处理；在键盘设置待控制温度后，启动温度控制程序，温度控制程序测量当前室温和培养皿内温度并显示，然后通过数据处理单元采用PID控制算法输出控制量。
Claims (4)
1.一种精密温度控制仪，包括AD转换电路、数据处理单元、DA转换电路、电流驱动放大电路以及加热制冷装置，其特征在于：(1)所述AD转换电路，采集铂电阻两端电压值，将其转换为数字量，根据比率法换算为电阻值，送入数据处理单元，所述铂电阻置于加热制冷装置的培养皿中；(2)所述数据处理单元，存储设定温度，对AD转换电路的输入数据进行电阻-温度换算，根据换算得到的温度，采用数字PID控制算法计算控制量，送到DA转换电路；(3)DA转换电路将数字控制量转换为模拟控制量，送到电流驱动放大电路；(4)所述电流驱动放大电路采用双推挽式反馈电流放大电路，将模拟控制量放大成为控制加热或制冷功率大小的电流，送到加热制冷装置的半导体制冷片；(5)所述加热制冷装置包括培养皿、培养皿托盘、托盘下板、培养皿夹片和半导体致冷片，培养皿置于培养皿托盘上，托盘下板位于培养皿托盘下方，培养皿托盘和托盘下板之间放置半导体致冷片。
2.如权利要求1所述的精密温度控制仪，其特征在于：所述AD转换电路，由并联在电源和地电位之间的分压电路和AD转换芯片组成；分压电路由依次串联的限流电阻、精密电阻和铂电阻构成，精密电阻两端电压作为参考电压输入到AD转换芯片的参考电压正、负输入端，铂电阻两端电压输入到AD转换芯片的差分采样电压输入正、负端。
3.如权利要求2所述的精密温度控制仪，其特征在于：所述数据处理单元，进行电阻-温度换算的公式为：
t＝-201.4492+1.5242848×R+0.0044783839×R2。
4.如权利要求1、2或3所述的精密温度控制仪，其特征在于，所述加热制冷装置中，培养皿由培养皿底座和培养皿盖组成，所述培养皿底座为底面具有圆孔的圆筒；所述培养皿盖为圆筒形，圆筒形底部嵌入O形橡胶圈，培养皿盖圆筒外径与培养皿底座圆筒内径相同，培养皿盖与培养皿底座高度相同；所述培养皿托盘为圆形，其中间凹部为圆形盒，其内径与培养皿底座圆筒外径相同，圆形盒底部具有透光圆孔；所述托盘下板为圆形板，其中间开有圆孔，圆孔部位有一矩形盒，矩形盒底部具有圆孔，其直径与培养皿托盘圆形盒外径相同。
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