CN101441486B - 一种电热恒温水浴箱及水温控制方法 - Google Patents

一种电热恒温水浴箱及水温控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明适用于水浴箱领域，提供了一种电热恒温水浴箱及水温控制方法，水浴箱包括水箱，由与水箱连接的进水管和出水管组成的循环水路，位于循环水路上的水泵，以及设置于水箱内的水箱内温度传感器，所述水浴箱还包括：设置于水箱内的多组加热管，每组加热管包括至少1根加热管；设置于所述循环水路上的热量散失参数检测装置；以及根据所述热量散失参数计算水循环所散失的热量，控制加热管工作的恒温控制装置。本发明实施例通过检测水箱进水端和出水端的温度变化，计算水循环所散失的热量，控制加热管补偿热量，对水温进行调节，水温控制精度可以达到±0.2℃内，满足了汽车散热器性能测试的要求。

Description

一种电热恒温水浴箱及水温控制方法
技术领域
本发明属于水浴箱领域，尤其涉及一种电热恒温水浴箱及水温控制方法。
背景技术
现有技术中水浴箱的种类有很多，可以应用在医院、实验室等领域，不同的应用领域对水浴箱的温度控制精度要求不同。在对水浴箱进行恒温控制时，一种方案是在水浴外设有一个循环水管，将水浴中的水抽出，经加热后再注入水浴中，其水温控制精度为1℃。另一种方案是采用两个水箱，即一个水浴箱和一个加热水箱，两个箱之间连接有带水泵的循环水管，水在加热水箱内加热，由循环水管进入水浴箱，与水浴箱内的水进行热交换，使水浴箱内的水温与加热水箱内的水温一致，其水温控制精度为0.5℃。根据机械工业部标准《JBT2293(1978)(2005)汽车、拖拉机散热器风筒试验方法》的要求，汽车散热器进水温度在设定温度±0.2℃内波动，因此作为汽车散热器测试用水来源的水浴箱的水温控制精度也为±0.2℃，现有的浴箱的水温控制精度难以满足汽车散热器性能测试的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电热恒温水浴箱，旨在解决现有水浴箱的水温控制精度较低，难以满足汽车散热器性能测试的要求的问题。
本发明是这样实现的，一种电热恒温水浴箱，包括水箱，由与水箱连接的进水管和出水管组成的循环水路，位于循环水路上的水泵，以及设置于水箱内的水箱内温度传感器，所述水浴箱还包括：
设置于水箱内的多组加热管，每组加热管包括至少1根加热管；
设置于所述循环水路上的热量散失参数检测装置；以及
根据所述热量散失参数计算水循环所散失的热量，控制加热管工作的恒温控制装置，所述恒温控制装置包括：
与电源和所述加热管连接，控制所述加热管导电工作的多个固态继电器，每个固态继电器控制一组加热管；
采集所述热量散失参数的采集卡；
根据所述热量散失参数计算水循环所散失的热量，并根据所述水循环所散失的热量发出水温控制信号的温度控制单元；以及
接收所述水温控制信号，驱动所述多个固态继电器工作的控制电路；
所述恒温控制装置内的温度控制单元根据水循环所散失的热量确定需要常开的加热管个数以及需要进行控制调节的加热管个数，所述温度控制单元通过所述恒温控制装置内的控制电路打开对应的固态继电器，从而打开需要常开的加热管，然后通过固态继电器控制需要调节的加热管，调节时根据实际温差，以及温差的变化率进行判断；
所述水循环所散失的热量依据下式计算：
QW＝VW·γW·CPW·(tW1-tW2)，其中
QW为水循环所散失的热量，VW为热水的体积流量，γW热水的密度，CPW为热水的比热，tW1为水箱的进水温度，tW2为水箱的出水温度。
本发明的另一目的在于提供一种电热恒温水浴箱的水温控制方法，所述方法包括下述步骤：
采集水箱内的水温，控制加热管工作，将水箱内的当前水温加热至预定温度；
控制水泵启动，开始水循环热交换；
采集热量散失参数，计算水循环散失的热量；
恒温控制装置内的温度控制单元根据水循环所散失的热量确定需要常开的加热管个数以及需要进行控制调节的加热管个数，所述温度控制单元通过所述恒温控制装置内的控制电路打开对应的固态继电器，从而打开需要常开的加热管，然后通过固态继电器控制需要调节的加热管，调节时根据实际温差，以及温差的变化率进行判断；
所述水循环所散失的热量依据下式计算：
QW＝VW·γW·CPW·(tW1-tW2)，其中
QW为水循环所散失的热量，VW为热水的体积流量，γW热水的密度，CPW为热水的比热，tW1为水箱的进水温度，tW2为水箱的出水温度。
本发明通过检测水箱进水端和出水端的温度变化，计算水循环所散失的热量，控制加热管补偿热量，对水温进行调节，水温控制精度可以达到±0.2℃内，满足了汽车散热器性能测试的要求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的水浴箱的结构图；
图2是本发明实施例提供的恒温控制装置的结构原理图；
图3是本发明实施例提供的恒温控制装置的电路结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，计算水循环所散失的热量，通过相应算法控制加热管补偿热量，对水温进行调节，可以对水温进行高精度控制。
图1示出了本发明实施例提供的水浴箱的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。
水箱1内有一水箱内温度传感器11以及多组加热管12。在本发明实施例中，加热管12由恒温控制装置9(图中未示出)控制。作为本发明的一个实施例，水箱1内共有10根加热管，工作时，将10根加热管分为5组，第一组3根，第二、三、四组均为2根，第五组1根，分别由5个固态继电器94(图中未示出)控制。
水箱1外有一循环水路，通过进水管2和出水管3与水箱1相连，进水管2上装有进水温度传感器4，出水管3上装有出水温度传感器5。循环水路中有一水泵6，作为水循环的动力源。在循环水路中还装有一个水流量传感器7，测量循环水路的水体积流量。被测散热器8串联在进水管2与出水管3之间。
图2示出了本发明实施例提供的恒温控制装置的结构原理，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。
恒温控制装置9对水箱进行恒温控制的过程分为两个过程。
第一个过程是初始加热，采集卡91采集水箱内温度传感器11检测到的水箱1内的水温，温度控制单元92根据水箱1内的当前水温，通过控制电路93控制固态继电器94控制加热管12工作。温度控制单元92对加热管12的控制通过一个控制算法实现，该算法根据当前水温与设定水温值的差值确定开哪几个固态继电器，即控制哪几个加热管工作，如下表所示：
  水温实际与设定值差   需开启的固态继电器
  -10   1、2、3、4、5
  -5   1、2、3、4
  -2   1、2、3
  -1   1、2
  -0.5   2
其中，温差负值表示实际温度比设定温度值小。
由上表可以看出，在初始加热过程中，加热速度随着实际水温的升高由快到慢，这样可以避免加热过度。在实际水温接近设定水温时，例如实际水温与设定值之差小于0.4℃时进入第二个过程。
第二个过程，温度控制单元92通过控制电路93控制水泵6启动，水循环及热交换开始进行，此时对水温进行微调，使水温稳定在设定值的±0.2℃范围内。
首先，计算出水循环散失的热量，根据此热量确定需要常开几个固态继电器以补充热量，另外再通过调节另几个固态继电器对水温进行微调使水温稳定在设定值附近。
当水循环开始，通过水流量传感器7检测到水流量稳定后，温度控制单元92根据当前的水流量以及进水温度传感器4、出水温度传感器5检测到的水箱1的进出水温，按下式计算水循环所散失的热量：
QW＝VW·γW·CPW·(tW1-tW2)，其中，
QW为水循环所散失的热量，单位为kW，VW为热水的体积流量，单位为m3/h，γW热水的密度，单位为kg/m3，CPW为热水的比热，在本发明实施例中取值为0.001163kW·h/kg·℃，tW1为进水温度，单位为℃，tW2为出水温度，单位为℃。
水循环散失的热量算出后，温度控制单元92据此确定需要常开的加热管个数以及需要进行控制调节的加热管个数，具体算法示例如下：
if(a＞＝100)      c＝8，t＝2；
else if(a＞＝94)  c＝7，t＝2；
else if(a＞＝88)  c＝7，t＝1；
else if(a＞＝82)  c＝6，t＝3；
else if(a＞＝76)  c＝6，t＝1；
else if(a＞＝70)  c＝5，t＝2；
else if(a＞＝64)  c＝5，t＝1；
else if(a＞＝58)  c＝4，t＝2；
else if(a＞＝52)  c＝4，t＝1；
else if(a＞＝46)  c＝3，t＝2；
else if(a＞＝40)  c＝3，t＝1；
else if(a＞＝34)  c＝2，t＝2；
else if(a＞＝28)  c＝2，t＝1；
else if(a＞＝22)  c＝1，t＝2；
else if(a＞＝16)  c＝1，t＝1；
else  c＝0，t＝2；
其中，a表示散失的热量，c表示需要常开的加热管个数，t表示需要调节的加热管个数。
确定需要常开的加热管个数和调节的加热管个数后，温度控制单元92通过控制电路93打开对应的固态继电器94，从而打开需要常开的加热管，然后通过固态继电器94控制需要调节的加热管，调节时根据实际温差，以及温差的变化率进行判断，具体算法示例如下：
if(E0＞＝0.05)
    {if(Ed＜＝-0.05)out＝1；
        else out＝0；}
 else if(E0＞＝-0.02)
   {if(Ed＞＝0)out＝0；
       else out＝1；}
 else if(E0＞＝-0.07)
   {if(Ed＞＝0.05) out＝0；
       else out＝1；}
 else out＝1；
其中，E0表示温差，Ed表示温差的变化率，以每3秒温差的差值为例，out表示需调节的固态继电器是否为开启，1表示通，0表示断。
图3示出了本发明实施例提供的恒温控制装置的电路结构，包括安装在工控电脑中的采集卡91(图中未示出)、温度控制单元92(图中未示出)、控制电路93和固态继电器94。采集卡91采集水箱内温度传感器11、进水温度传感器4、出水温度传感器5以及水流量传感器7分别检测到的水箱1的箱内温度、进水温度、出水温度以及水流量，温度控制单元92根据采集卡91的相应参数产生控制信号，输入到控制电路芯片U1，经过控制电路芯片U1输出到MOS管Q1，MOS管Q1的输出端H0_0和H0_1连接到固态继电器94的控制端H0_0和H0_1。固态继电器94的输入接三相电，输出到加热管。
在本发明实施例中，共有5路与上述相同的控制，5路控制信号从工控电脑输入到控制电路芯片U1的5个输入端，从控制电路芯片U1的5个输出端输出至5个MOS管，5个MOS管分别控制5个固态继电器，从而控制5组加热管。
通过上述调节，可以将水箱的温度稳定地控制在设定值的±0.2℃内。本发明实施例通过检测水箱进水端和出水端的温度变化，计算水循环所散失的热量，控制加热管补偿热量，对水温进行调节，水温控制精度可以达到±0.2℃内，满足了汽车散热器性能测试的要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电热恒温水浴箱，包括水箱，由与水箱连接的进水管和出水管组成的循环水路，位于循环水路上的水泵，以及设置于水箱内的水箱内温度传感器，其特征在于，所述水浴箱还包括：
设置于水箱内的多组加热管，每组加热管包括至少1根加热管；
设置于所述循环水路上的热量散失参数检测装置；以及
根据所述热量散失参数计算水循环所散失的热量，控制加热管工作的恒温控制装置，所述恒温控制装置包括：
与电源和所述加热管连接，控制所述加热管导电工作的多个固态继电器，每个固态继电器控制一组加热管；
采集所述热量散失参数的采集卡；
根据所述热量散失参数计算水循环所散失的热量，并根据所述水循环所散失的热量发出水温控制信号的温度控制单元；以及
接收所述水温控制信号，驱动所述多个固态继电器工作的控制电路；
所述恒温控制装置内的温度控制单元根据水循环所散失的热量确定需要常开的加热管个数以及需要进行控制调节的加热管个数，所述温度控制单元通过所述恒温控制装置内的控制电路打开对应的固态继电器，从而打开需要常开的加热管，然后通过固态继电器控制需要调节的加热管，调节时根据实际温差，以及温差的变化率进行判断；
所述水循环所散失的热量依据下式计算：
QW＝VW·γW·CPW·(tW1-tW2)，其中
QW为水循环所散失的热量，VW为热水的体积流量，γW热水的密度，CPW为热水的比热，tW1为水箱的进水温度，tW2为水箱的出水温度。
2.如权利要求1所述的电热恒温水浴箱，其特征在于，所述热量散失参数检测装置包括：
设置于水箱进水管，检测水箱进水温度的进水温度传感器；
设置于水箱出水管，检测水箱出水温度的出水温度传感器；以及
设置于所述循环水路，检测热水体积流量的水流量传感器。
3.如权利要求1所述的电热恒温水浴箱，其特征在于，所述加热管包括5组，其中第1组包括3根加热管，第2、3、4组均包括2根加热管，第5组包括1根加热管。
4.一种电热恒温水浴箱的水温控制方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
采集水箱内的水温，控制加热管工作，将水箱内的当前水温加热至预定温度；
控制水泵启动，开始水循环热交换；
采集热量散失参数，计算水循环散失的热量；
恒温控制装置内的温度控制单元根据水循环所散失的热量确定需要常开的加热管个数以及需要进行控制调节的加热管个数，所述温度控制单元通过所述恒温控制装置内的控制电路打开对应的固态继电器，从而打开需要常开的加热管，然后通过固态继电器控制需要调节的加热管，调节时根据实际温差，以及温差的变化率进行判断；
所述水循环所散失的热量依据下式计算：
QW＝VW·γW·CPW·(tW1-tW2)，其中
QW为水循环所散失的热量，VW为热水的体积流量，γW热水的密度，CPW为热水的比热，tW1为水箱的进水温度，tW2为水箱的出水温度。
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