CN101632052B - 温控装置、处理装置以及温控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种温控装置，包括：电阻加热器，其特性在于电阻加热器的电阻值根据其温度而改变；信号发生器，输出具有通路电压和第二电压两种电压电平的控制信号；开关部分，当控制信号的电压电平为第一电压时，使第一电流流经电阻加热器，而当控制信号的电压电平为第二电压时，使电流值比第一电流的小的第二电流流经电阻加热器；以及电压测量装置，在第二电流流经电阻加热器时，测量电阻加热器上的电压值，其中信号发生器根据由电压测量装置所测量的电压值来控制电阻加热器的温度。

Description

温控装置、处理装置以及温控方法
技术领域
本发明涉及一种温控装置以及温控方法，更具体地说，涉及一种温控装置，配备有该温控装置的处理装置，以及通过电阻加热器控制配备有电阻加热器的元件的温度的温控方法，该电阻加热器的特征在于其电阻值根据温度而改变。
背景技术
近年来，燃料电池作为具有高能量转换效率的清洁能源引起了关注，并且燃料电池在燃料电池供电交通工具、家用电器等的实际应用取得了进展。此外，在便携式电子设备，(例如)蜂窝电话和笔记本尺寸的个人计算机上使用燃料电池作为电源的研发取得了进展。
燃料电池是通过氢和氧之间的电化学反应来产生电能的器件。供给燃料电池的氢由(诸如)液体燃料(如甲醇)所产生。这种情况下，从液体燃料和水产生氢的反应装置与燃料电池相连。
该反应装置包括：(例如)使液体燃料和水汽化的汽化器，使汽化了的燃料与水重整反应以产生氢的重整器，以及通过一氧化碳的氧化将重整器中产生的极小量一氧化碳去除的一氧化碳去除器。这样的反应装置，也开发了整体形成重整器和一氧化碳去除器的反应装置。例如，由多个现有的衬底的连接体构成的反应装置，该反应装置用于：在这些衬底的连接表面上形成凹槽；在凹槽壁表面上带有催化剂；衬底相互连接以便由衬底覆盖凹槽而作用为重整器和一氧化碳去除器的流径。
现在，将重整器和一氧化碳去除器的温度设定为适于各自反应的温度(最佳温度)，以便可在每个腔室中有效地引起期望的反应。由于最佳温度高于室温，需要加热重整器和一氧化碳去除器。此外，由于在使用期间必须将重整器和一氧化碳去除器保持在各自最佳温度，需要通过不时地控制它们的温度来控制它们以将它们的温度保持在最佳温度。
为了将重整器和一氧化碳去除器的温度保持在最佳温度，通常使用反馈控制方法。也就是，通过电阻加热器加热重整器和一氧化碳去除器；用温度传感器(如热电偶)测量重整器和一氧化碳去除器的温度；反馈测量到的温度；根据用温度传感器所测量到的温度，控制要供应给电阻加热器的电源。从而，将重整器和一氧化碳去除器保持在最佳温度。
此外，如果电阻加热器的电阻值取决于温度，那么可以基于电阻加热器的电阻值来测量温度。因此也可以将电阻加热器用作温度传感器，并且可以省掉温度传感器。
这种情况下，存在通过控制流经电阻加热器的电流来控制电阻加热器的温度的方法，其中使用运算放大器测量电阻加热器两端的电压(响应电压)。这种情况下，设定流经电阻加热器的电流的电流值；该电流值的电流流经电阻加热器；并且用待反馈的运算放大器测量电阻加热器的电压。然后从电流的设定电流值和所测量到的电压获得电阻加热器的电阻值。此外，也从所获电阻加热器的电阻值获得了该电阻加热器的温度。为了以期望的设定温度来设定电阻加热器，基于所获电阻值或所获温度来新设定流经电阻加热器的电流的电流值，并使新设定电流值的电流流经该电阻加热器。
然而，由于通常将一定电源电压施用于包括电阻加热器的电路，所以将串联可变电阻与电阻加热器相连接以调节可变电阻的电阻值，从而调节流经电阻加热器的电流。这种情况下，部分可变电阻消耗了无用的电功率，并且电源效率下降。此外，无用电功率的消耗产生热，并且有时温控的准确性下降。
此外，如果电阻加热器的电流增大，那么电阻加热器的响应电压也变得更大。这就需要用于测量电阻加热器的响应电压的运算放大器的输入电压范围扩大，或者分割输入电压并因此用衰减器等来衰减各自电压范围的分割后的电压。电阻加热器的响应电压的测量分辨率下降，并且测量误差的成因增加。
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的在于温控装置和控制用于加热的电阻加热器的温度的温控方法，以及设置有该温控装置的处理装置，以抑制它们的功率消耗，并且抑制电阻加热器的电压等的测量分辨率的下降和温控误差的增加。
解决问题的手段
为了实现上述目的，本发明的温控装置包括：电阻加热器，特性为电阻加热器的电阻值根据其温度而改变；信号发生器，输出具有第一电压和第二电压两种电压电平的控制信号；切换部，当控制信号的电压电平为第一电压时，使第一电流流经电阻加热器，而当控制信号的电压电平为第二电压时，使电流值比第一电流小的第二电流流经电阻加热器；以及电压测量装置，在第二电流流经电阻加热器时，测量电阻加热器两端的电压值，其中信号发生器根据由电压测量装置所测量的电压值来控制电阻加热器的温度。
为了实现上述目的，本发明的处理装置，供给原材料，进行其温控，促使原材料的反应或相变，该装置包括：处理器件，促使原材料反应或相变；温控装置，该温控装置包括：设置在处理器件中加热该处理器件的电阻加热器，该电阻加热器的特性是其电阻值根据其温度而改变；信号发生器，输出具有第一电压和第二电压两种电压电平的控制信号；切换部，当控制信号的电压电平为第一电压时，使第一电流流经电阻加热器，而当控制信号的电压电平为第二电压时，使电流值比第一电流小的第二电流流经电阻加热器；以及电压测量装置，在第二电流流经电阻加热器时，测量电阻加热器两端的电压值，其中信号发生器根据由电压测量装置所测量的电压值来控制电阻加热器的温度。
为了实现上述目的，本发明的第一温控方法用于控制电阻加热器的温度，该电阻加热器的特性为其电阻值根据其温度而改变，该方法包括下述步骤：输出具有第一电压和第二电压两种电压电平的控制信号；当控制信号的电压电平为第一电压时，使第一电流流经电阻加热器，而当控制信号的电压电平为第二电压时，使电流值比第一电流小的第二电流流经电阻加热器；在第二电流流经电阻加热器时，测量电阻加热器两端的电压值；根据在测量电压值的步骤中测量的电压值来控制该控制信号，以便控制电阻加热器的温度。
为了实现上述目的，本发明的第二温控方法控制电阻加热器的温度，该电阻加热器的特性是其电阻值根据温度而改变，该方法包括下述步骤：输出具有第一电压和第二电压两种电压电平的控制信号；当控制信号的电压电平为第一电压时，使第一电流流经电阻加热器，而当控制信号的电压电平为第二电压时，使电流值比第一电流小的第二电流流经电阻加热器；在第二电流流经电阻加热器时，测量电阻加热器两端的电压值，并根据测量的电压值和第二电流的电流值来测量电阻加热器的电阻值；以及根据在测量电阻值的步骤中测量的电阻值来控制该控制信号，以便控制电阻加热器的温度。
附图说明
通过下面详细说明以及参考附图，将更加全面地理解本发明，并不旨在限定本发明，附图中：
图1是示出设置有根据本发明温控装置的发电设备的示意性结构的方框图；
图2是根据本发明第一实施例的温控装置的电路；
图3是示出第一实施例中，时间和控制PWM信号的电压电平的关系的实例的波形图；
图4是示出第一实施例的温控装置的处理流程的流程图；
图5是示出根据本发明第二实施例的温控装置的电路结构的电路图；
图6是示出根据本发明第三实施例的温控装置的电路结构的电路图；
图7是示出根据本发明第四实施例的温控装置的电路结构的电路图；
图8是示出作为比较例的常规温控装置的电路结构的电路图。
具体实施方式
下面，将参照附图，描述根据本发明的温控装置、处理装置和温控方法的优选实施例。附带提及的是，在下面描述的实施例中给出了对于体现本发明的技术上优选的多种限制，但是该限制并不旨在将本发明的范围限于下面的实施例和所示实施例。
首先描述了应用根据本发明的温控装置的发电设备1。
图1是示出设置有根据本发明的温控装置的发电设备1的示意性结构的方框图。
发电设备1是安装在电子设备中的设备，并且是用作电源来操控该电子设备的主体的设备，所述电子设备例如：笔记本尺寸的个人计算机、蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、电子记事本、腕表、数码照相机、数码摄像机、游戏装置以及娱乐设备。
发电设备1包括：燃料电池型发电电池2、处理装置3和燃料容器4。燃料容器4在其中储备分离状态或混合状态的液体燃料(例如甲醇、乙醇、二甲醚或汽油)和水。通过未示出的泵，将燃料和水以混合状态供给处理装置主体3。附带提及的是，图1示出的发电设备中的燃料容器4中的燃料是甲醇。
处理装置主体3包括：汽化器6、重整器7、一氧化碳去除器8、燃烧器9以及电阻加热器10和11。
附带提及的是，汽化器6、重整器7、一氧化碳去除器8、燃烧器9以及电阻加热器10和11设置在具有封闭空间的热绝缘封装中，并且通过该热绝缘封装来抑制热能的耗散。
由燃料容器4向处理设备主体3供给的燃料和水首先送至汽化器6。送至汽化器6的燃料和水是原材料，其在汽化器6中相变。通过汽化器6使燃料和水汽化，然后将燃料和水的混合气送至重整器7。附带提及的是，由汽化器6进行的汽化的是吸热反应，而将一氧化碳去除器8的反应热和电阻加热器10的热供给汽化器6，并且将该热用于汽化器6的汽化作用。
送至重整器7的燃料和水的混合气是要在重整器7中反应的原材料。重整器7通过催化剂反应从汽化的水和汽化的燃料产生氢气等，并且产生一氧化碳气体(尽管其量极小)。如果燃料是甲醇，那么在重整器7中引起由下面反应式(1)和(2)表示的化学反应。
重整器7中的重整反应是吸热反应，并且适于重整反应的温度(最佳温度)为约280℃。将燃烧器9的燃烧热和电阻加热器11的热供给重整器7，并且将该热用于重整器7的重整反应。
CH3OH+H2O→3H2+CO2...  (1)
H2+CO2→H2O+CO...  (2)
将在重整器7中产生的氢气等送至一氧化碳去除器8，并且将外部的空气送至该一氧化碳去除器8。一氧化碳去除器8通过优选地用催化剂氧化副产物一氧化碳而选择性地去除它。下文中，将去除了一氧化碳的混合气称作重整气。
附带提及的是，对一氧化碳进行氧化的反应是热生成反应，但是由于在一氧化碳去除器8中适于选择性氧化反应的温度高于室温，所以，当一氧化碳去除器8的温度没有达到最佳温度时，电阻加热器10加热一氧化碳去除器8。
燃料电池型发电电池2配置有：燃料电极20、氧电极21和放在燃料电极20和氧电极21之间的电解质膜22。将从一氧化碳去除器8送出的重整气供给燃料电池型发电电池2的燃料电极20，且进一步将外部空气送至氧电极21。然后，供给燃料电极20的重整气中的氢与供给氧电极21的空气中的氧通过电解质膜22发生电化学反应，并且在燃料电极20和氧电极21之间产生电功率。将从燃料电池型发电电池2提取的电功率供给电子设备主体，并且将电功率存储在该电子设备主体的二次电池中，或者通过电功率操纵电子设备的主体的负载(液晶显示器等)。
如果电解质膜22是具有氢离子渗透性的一种(例如，固体聚合物电解质膜)，那么在燃料电极20处引起下面反应式(3)所表示的反应，并且在燃料电极20处产生的氢离子渗透电解质膜22，以便在氧电极21处引起由下面反应式(4)所表示的反应。
H2→2H++2e-...(3)
2H++1/2O2+2e-→H2O...  (4)
另一方面，如果电解质膜22是具有氧离子渗透性的一种(例如，固体氧化物电解质膜)，那么在氧电极21处引起下面反应式(5)所表示的反应，并且在氧电极21处产生的氢离子渗透电解质膜22，以在燃料电极20处引起由下面反应式(6)所表示的反应。
1/2O2+2e-→2O2-...(5)
H2+2O2-→H2O+2e-...(6)
将没有在燃料电极20处电化学反应仍然是自身的氢气等送至燃烧器9。此外，将外部空气送至燃烧器9。燃烧器9混合氢气(排气)和氧气，以便通过催化剂反应来燃烧混合气。
电阻加热器10和11都是由电加热材料(电阻材料)例如金，所制成。电阻加热器10和11每一个的特性都是其电阻依据其温度而改变，并且特别是在温度和电阻值之间能够总结出比例关系的特性。因此，电阻加热器10和11也作为温度传感器来从它们的电阻值读取它们的温度。将由电阻加热器10和11测量的温度反馈回温控装置5，并且温控装置5根据所测量的温度来控制电阻加热器10和11的加热值。
并不特别限定处理装置主体3中的汽化器6、重整器7、一氧化碳去除器8、燃烧器9和电阻加热器10和11的设置。例如，也可采用这样的设置，即将一氧化碳去除器8和汽化器6配置为相互层压，而将电阻加热器10配置为固定在一氧化碳去除器8和汽化器6的结合体上。这种情况下，通过电阻加热器10来加热一氧化碳去除器8和汽化器6。
此外，例如，也可采用这样的设置，即重整器7和燃烧器9相互层压，而将电阻加热器11固定在重整器7和燃烧器9的结合体上。这种情况下，通过燃烧器9和电阻加热器11来加热重整器7。
此外，例如，也可采用这样的设置，即重整器7和燃烧器9的结合体与一氧化碳去除器8和汽化器6的结合体通过桥部分而耦合，并且从重整器7和燃烧器9的结合体通过该桥部分将热传导至一氧化碳去除器8和汽化器6的结合体一侧。这种情况下，在该桥部分形成了用于将氢等从重整器7流至一氧化碳去除器8的流径。
[第一实施例]
下面参照附图，具体描述根据本发明的温控装置和温控方法中每个的第一实施例。
图2是示出本发明第一实施例的温控装置的电路结构的电路图。
图3是示出第一实施例中，时间和控制PWM信号的电压电平之间关系实例的波形图。
图4是示出第一实施例的温控装置的处理流程的流程图。
图2示出的温控装置5是用作图1中示出的温控装置5的温控装置。附带提及的是，图2示出了对应于电阻加热器11的温控装置5的电路结构，并且该温控装置具有与电阻加热器10相同的电路结构。
温控装置5包括：PWM控制器(信号发生器)51、包括运算放大器OP1等的相加器52、包括运算放大器OP2等的反相放大器53、包括运算放大器OP3等的差分放大器54、包括运算放大器OP4等的差分放大器55、模数转换器(下文简称ADC)56、PWM开关SW1、抽样电阻R8、以及电阻加热器11。
PWM控制器51包括(例如)中央处理单元(CPU)，并且根据内置程序等进行多种控制操作。PWM控制器51进一步产生一定周期脉冲宽度调制信号(下文称作PWM信号)，其根据从ADC 56供给的数字信号在通路电压(第一电压)和断路电压(第二电压)的两种电压电平之间切换，并且输出产生的PWM信号。
PWM控制器51根据从ADC 56反馈的信号使得PWM信号周期恒定，并且控制PWM信号通路电压时间的时间长度和PWM信号断路电压时间的时间长度。PWM控制器51因而控制PWM信号的占空比(通路电压期间的时间和断路电压期间的时间的比)。
从PWM控制器51输出的PWM信号是由电压表示其水平的信号，并且PWM信号的电压电平在PWM信号采用通路电压和在PWM信号采用断路电压时改变。具体地说，PWM的电压电平的极性是，(例如)当PWM信号的电压电平是通路电压时为阳极性，而当PWM信号的电压电平是断路电压时PWM信号的电压电平为0V。
相加器52设置有电阻R1-R4和运算放大器OP1，并且将其输出供给反相放大器53。一方面，电阻R1和电阻R3在相加器52输入端和其输出端之间相互串联，而另一方面电阻R2在电阻R1和电阻R3的连接部分与输入端57之间连接。电阻R1和电阻R3的连接部分与运算放大器OP1的反相输入端相连，而运算放大器OP1的非反相输入端通过电阻R4接地。运算放大器OP1的输出端与反相放大器53的输入端(电阻R5)相连。电阻R1-R4的电阻值都相互相等。
一方面，将从PWM控制器51输出的PWM信号输入至相加器52的输入端(电阻R1)，而另一方面将恒定的叠加电压Vov供给相加器52的输入端57。
相加器52将从PWM控制器51输出的PWM信号的电压电平与叠加电压Vov加在一起，并且对总和的极性取反以输出反相后的总和。从而，当从PWM控制器51输出的PWM信号的电压电平是通路电压时，相加器52的输出是PWM信号的通路电压电平和具有从原始总和极性取反后的极性的叠加电压Vov的总和。另一方面，当从PWM控制器51输出的PWM信号的电压电平是断路电压时，相加器52的输出是具有从原始叠加电压Vov极性取反后的极性的叠加电压Vov(PWM信号水平(0V)和叠加电压Vov的总和)。附带提及的是，叠加电压Vov具有与PWM信号的通路电压相同的极性，并且在本实施例中是正极性。叠加电压Vov的绝对值小于PWM信号的通路电压的绝对值。
接下来，反相放大器53设置有电阻R5-R7和运算放大器OP2。将反相放大器53的输出作为控制PWM信号(控制信号)输出到图2所示的节点A，以便将该控制PWM信号施加到PWM开关SW1。反相放大器53的输入端与相加器52的输出端相连，并且电阻R5和电阻R6在反相放大器53的输入端和其输出端之间相互串联。电阻R5和电阻R6之间的连接部分与运算放大器OP2的反相输入端相连，而运算放大器OP2的非反相输入端通过电阻R7接地。电阻R5-R7的电阻值都相互相等。
将从相加器52输出的信号作为输入信号通过反相放大器53的输入端输入到电阻R5，并且反相放大器53将输入信号的极性取反以输出反相后的输入信号。由于此处电阻R5和电阻R6的电阻值相等，所以，反相放大器53的放大倍数为1。因此，如图3所示，当从PWM控制器51输出的PWM信号的电压电平为通路电压时，反相放大器53的输出(控制PWM信号)的电压电平(节点A的电压电平)是从PWM控制器51输出的PWM信号的通路电压和叠加电压Vov的总和，或者，当从PWM控制器51输出的PWM信号的电压电平为断路电压时，反相放大器53的输出(控制PWM信号)的电压电平(节点A的电压电平)是叠加电压Vov。此处将在从PWM控制器51输出的PWM信号的电压电平为通路电压时的控制PWM信号的电压电平称作通路电压电平(第一电压电平)，而将在从PWM控制器51输出的PWM信号的电压电平为断路电压时的控制PWM信号的电压电平称作断路电压电平(第二电压电平)。附带提及的是，电阻R5和电阻R6的电阻值可不相等。
例如，PWM开关SW1是增强型n-沟道MOS FET，并且反相放大器53的输出端与PWM开关SW1的栅极端相连。在第一实施例中，PWM开关SW1相当于切换部。
抽样电阻R8是固定电阻。此外，电阻加热器11、PWM开关SW1和抽样电阻R8在电源输入端58和地之间相互串联连接。
具体地说，电阻加热器11连接于PWM开关SW1的漏极端和电源输入端58之间，而抽样电阻R8连接于PWM开关SW1的源极端和地之间。
附带提及的是，只要电阻加热器11、PWM开关SW1和抽样电阻R8在电源输入端58和地之间相互串联连接，那么它们的对准顺序不局限于图2中示出的那种。此外，PWM开关SW1可以不是MOS FET，而是双极性晶体管。
直流恒定电压Vs施加于电源输入端58。然后，将从反相放大器53输出的控制PWM信号输入至PWM开关SW1的栅极端，并且，PWM开关SW1按照来自反相放大器53的控制PWM信号来操作。也就是说，当输入到PWM开关SW1的栅极端的控制PWM信号是通路电压电平时，PWM开关SW1变为其通路状态，并且从电源输入端58到地的部分变成通电的状态。然后电流从电源输入端58通过电阻加热器11、PWM开关SW1的漏极和源极之间的极间部分，以及抽样电阻R8流向地电势。
另一方面，当输入到PWM开关SW1的栅极端的控制PWM信号是断路电压电平时，PWM开关SW1变为其几乎是断路状态。也就是说，即使输入到PWM开关SW1的栅极端的控制PWM信号是断路电压电平，断路电压电平仍然不是0V，而是叠加电压Vov V。从而，PWM开关SW1并未变为其彻底断路状态，而是比在从电源输入端58通过电阻加热器11、PWM开关SW1的漏极和源极之间的极间部分，以及抽样电阻R8流至地电势的通路状态时流动的电流更小(更弱)的电流。
当PWM开关SW1的栅极端的电压是通路电压电平而PWM开关SW1处于其通路状态时，也就是说，当从PWM控制器51输出的PWM信号的电压电平是通路电压时，电流从电源输入端58通过电阻加热器11、PWM开关SW1的漏极和其源极之间的极间部分，以及抽样电阻R8流至地电势。从而，电阻加热器11生成热。流经电阻加热器11的电流称作强电流。该强电流相当于第一电流。
另一方面，当PWM开关SW1的栅极端的电压是通路电压电平，而PWM开关SW1处于几乎是断路状态时，也就是说，当从PWM控制器51输出的PWM信号的电压电平是断路电压时，一定测量值的电流从电源输入端58流至地电势，并且相同的电流也流经电阻加热器11。在这时流经电阻加热器11的电流的电流值小于前述强电流(第一电流)的电流值。这时流经电阻加热器1 1的电流称作弱电流。该弱电流相当于第二电流。
如上所述，通过电阻加热器11的强电流的负载率由PWM控制器51的PWM信号的占空比所控制，并且电阻加热器11的加热量受到调节。
差分放大器54和ADC 56的组合相当于测量电阻加热器11的电压的电压测量装置。抽样电阻R8、差分放大器55和ADC 56的组合相当于测量电阻加热器11的电流的电流测量装置。差分放大器54、差分放大器55、抽样电阻R8和ADC 56的组合因此相当于测量电阻加热器11的电阻值的电阻测量装置。
差分放大器54将表示电阻加热器11和PWM开关SW1的连接部分处的电压(也就是说，电阻加热器11两端的电压)与恒定电压Vs之间的差别的信号输出到ADC 56。ADC 56对从差分放大器54输入的信号进行数字转换，并且将表示电阻加热器11两端的电压的转换数字信号(下文称作电压信号)输出至PWM控制器51。附带提及的是，由于差分放大器54是已知的电路，除了运算放大器OP3以外，省略了诸如对于差分放大器54的反馈电阻等的组件的说明。
差分放大器55将表示抽样电阻R8两端的电压的信号输出到ADC 56。此处抽样电阻R8是固定电阻，并且抽样电阻R8两端的电压取决于当抽样电阻R8的电阻值固定时，流经抽样电阻R8的电流，并且该电流与流经电阻加热器11的电流相同。从差分放大器55输出到ADC 56的信号因此表示流经电阻加热器11的电流。
ADC 56接下来对从差分放大器55输入的信号进行模拟到数字的转换，并且将表示电阻加热器11的电流的数字信号(下文称作电流信号)输出至PWM控制器51。附带提及的是，由于差分放大器55是已知的电路，除了运算放大器OP4以外，省略了诸如对于差分放大器55的反馈电阻等的组件的说明。
例如，PWM控制器51与PWM信号的断路电压的时序同步，以便读取从ADC 56输出的电阻加热器11的电压值和电流值的信号。
从ADC 56输入到PWM控制器51的电流信号和电压信号的组合相当于表示电阻加热器11的电阻值的信号。因此，差分放大器54、差分放大器55、抽样电阻R8和ADC 56的组合相当于测量电阻加热器11的电阻值的电阻测量装置，以将表示测量的电阻值的信号输出给PWM控制器5 1。
如上所述，当PWM信号的电压电平是通路电压时，强电流流经电阻加热器11，而当PWM信号的电压电平是断路电压时，弱电流流经电阻加热器11。PWM控制器51通过在PWM信号的电压电平为断路电压时，从来自ADC 56反馈的信号的电阻值来获得电阻加热器11的电阻值(电压值和电流值的比)。然后，PWM控制器51基于电阻加热器11的电阻值的热变特性获得的电阻值来获得电阻加热器11的温度。附带提及的是，如果由Rh表示电阻加热器11的电阻值，那么可以用(Vs×Vs÷Rh)来表示电阻加热器11的电功率。例如，PWM控制器51装配有记录电阻加热器11的电阻值对多种温度的数据表格，其电阻值已预先记录，并且通过查阅数据表格而获得电阻加热器11的温度。
PWM控制器51基于所获得的电阻加热器11的温度和设定温度之间的差别，将PWM信号的占空比的值改变成适于使电阻加热器11的温度接近期望设定电阻加热器11的温度的值，并重新设置该值。然后，PWM控制器51将具有新改变的占空比的PWM信号输出至相加器52。
在图4的基础上更加详细地描述了本实施例的温控装置5的操作流程。
如图4所示，PWM控制器51首先设定待输出的PWM信号的初始占空比(步骤S1)，并且输出具有设定占空比的PWM信号(步骤S3)。
具有通过将叠加电压Vov加到PWM信号所产生的电压电平的控制PWM信号输入到PWM开关SW1的栅极端。
当从PWM控制器51输出的PWM信号的电压电平是通路电压时，从反相放大器53输出的控制PWM信号的通路电压电平具有比PWM信号的通路电压高叠加电压Vov的电压电平。PWM开关SW1然后变成其通路状态，并且强电流流经电阻加热器11。
另一方面，当从PWM控制器51输出的PWM信号的电压电平是断路电压时，从反相放大器53输出的控制PWM信号的断路电压电平具有叠加电压Vov V的电压电平。因此，PWM开关SW1转至几乎断路状态，并且弱电流流经电阻加热器11。
然后，表示流经电阻加热器11的电流的数字信号从ADC 56输出至PWM控制器51，并且表示电阻加热器11的电压的数字信号从ADC 56输出至PWM控制器51。与PWM信号的断路电压的时须同步，PWM控制器51读取电阻加热器11的电压值和电流值(步骤S5)。
PWM控制器51通过运算电阻加热器11的电压值和电流值获得电阻加热器11的电阻，并且基于电阻加热器11的电阻值的热变特性推导电阻加热器11的温度(步骤S7)。
然后，PWM控制器51进行状态评估，并基于该状态评估确定使电阻加热器11的温度接近期望的设定温度Tset所需的PWM信号的新占空比(步骤S9)。
作为本文的评估方法，例如，可以应用由PID控制的反馈控制。也就是说，如果将从控制开始的第n次控制获得的温度TR_n和设定温度(最佳温度)Tset的偏差表示为en＝TR_n-Tset，那么可以通过使用预先确定的比例加权系数P、累积加权系数I和弥散加权系数D，由普通关系式A＝P{en+I∑en+D(en-en-1)}来设定用于使电阻加热器11的温度接近设定温度(最佳温度)Tset的新占空比A。
以按上面提及的方式所确定的新占空比为基础类似地执行上面提及步骤S1-S9的处理，并且重复执行一系列控制运算。
因而将电阻加热器11的温度设定为设定温度，并且进行温控，以将温度保持在设定温度。
附带提及的是，在PWM信号的每个周期或者其周期的每个预定数来进行图4示出的从步骤S1到步骤S9的一系列控制操作。
如上所述，根据本实施例，由于在温控中使用PWM控制方法，其中将电阻加热器11的温度设定为设定温度(最佳温度)并保持该设定温度，因此可以抑制除了电阻加热器11以外的部分的电功率消耗，并且可以抑制除了电阻加热器11以外的部分生成热。也就是说，由于使用了PWM控制方法，可以使抽样电阻R8的电阻值足够小。当PWM信号的电压电平为通路电压时，可以抑制由抽样电阻R8和PWM开关SW1产生的电功率消耗，并且，几乎全部电功率由电阻加热器11所消耗。另一方面，当PWM信号的电压电平是断路电压时，电流从电源输入端58流至地电势，但是电流非常小。从而，可以抑制电功率消耗。
当PWM信号的电压电平是断路电压时，非常小的电流流经电阻加热器11。从而，电阻加热器11和抽样电阻R8的响应电压也都很小。因此，由于用差分放大器54的运算放大器OP3测量了电阻加热器11的小响应电压，而用差分放大器55的运算放大器OP4测量了抽样电阻R8的小响应电压，可以将运算放大器OP3和OP4的增益设得很高，并且可以提高测量分辨率。
附带提及的是，如果PWM开关SW1是抑制型MOS FET，那么微小电流从电源输入端58经过电阻加热器11、PWM开关SW1和抽样电阻R8流至地电势，即使施加到栅极端的电压为0V。可采用将从PWM控制器51输出的PWM信号直接输入到PWM开关SW1的栅极端而不使用相加器52和反相放大器53的结构。
此外，当从PWM控制器51输出的PWM信号的电压电平是断路电压时，如果断路电压电平不是0V并且具有与叠加电压Vov相等的电压电平，那么可采用将从PWM控制器51输出的PWM信号直接输入到PWM开关SW1的栅极端的结构，即使PWM开关SW1是增强型MOS FET。同样在这种情况下，当PWM信号的电压电平是断路电压时，PWM开关SW1不会变成其完全断路状态，并且使得弱电流从电源输入端58经过电阻加热器11、PWM开关SW1和抽样电阻R8流至地电势。
[第二实施例]
下面描述根据本发明的温控装置和温控方法的第二实施例。
图5是示出根据本发明第二实施例的温控装置的电路结构的电路图。
图5示出的温控装置5是代替图2示出的温控装置5，用作图1中示出的温控装置5的温控装置。
附带提及的是，用与第一实施例相同的符号表示与第一实施例的结构相同的那些结构，并且简化或省略对它们的描述。
本实施例中，如图5所示，相当于切换部的PWM开关SW2设有增强型n-沟道MOS FET 61、增强型p-沟道MOS FET 62和电阻器R9。MOS FET62、电阻加热器11和抽样电阻R8在电源输入端58和地电势之间相互串联连接。
具体地说，抽样电阻R8连接于电阻加热器11和地电势之间，而电阻加热器11连接于MOS FET 62的漏极端和抽样电阻R8之间。MOS FET 62的源极端连接至电源输入端58。
此外，MOS FET 61的源极端接地，而MOS FET 61的漏极端与MOSFET 62的栅极端相连。电阻器R9连接于MOS FET 61和62与电源输入端58的连接部分之间。
与第一实施例的温控装置5相比，第二实施例的温控装置5具有与第一实施例的温控装置5基本上相同的结构，只除了PWM开关SW1变成PWM开关SW2。
仍然是在本实施例的温控装置5中，根据与在第一实施例的温控装置5的情况类似地从ADC 56反馈的信号，PWM控制器51改变PWM信号的占空比数值，以便使电阻加热器11的温度接近设定温度，并且重新设置该数值。PWM控制器51输出具有改变的占空比的PWM信号。
在本实施例的温控装置5中，将具有包括加上了叠加电压Vov的电压电平的控制PWM信号输入到MOS FET 61的栅极端。
在PWM信号的电压电平是通路电压的期间时，MOS FET 61和MOSFET 62随后都变成它们的通路状态，并且强电流流经电阻加热器11。
另一方面，在PWM信号的电压电平是断路电压的期间时，MOS FET 61和MOS FET 62都变成几乎是它们的断路状态，并且弱电流流经电阻加热器11。
然后将表示电阻加热器11两端的电压的信号从差分放大器54输出至ADC 56，并且将表示流经电阻加热器11的电流的信号从差分放大器55输出至ADC 56。表示电阻加热器11两端的电压的数字信号和表示流经电阻加热器11的电流的数字信号从ADC 56输出至PWM控制器51。
例如，与PWM信号的断路电压的时序同步，PWM控制器51读取从ADC 56输入的电阻加热器11的电压值和电流值信号作为反馈。
PWM控制器51随后运算电阻加热器11的电压值和电流值，以获得电阻加热器11的电阻值。PWM控制器51随后基于电阻加热器11的电阻值的热变特性，从获得的电阻加热器11的电阻值获得其温度。
PWM控制器51基于所获得的电阻加热器11的温度和设定温度之间的差别，将PWM信号的占空比的值改变成适于使电阻加热器11的温度接近期望设定电阻加热器11的温度(设置温度)的值，并重新设置该值。PWM控制器51输出具有改变的新占空比的PWM信号。PWM控制器51重复进行上述控制操作。
[第三实施例]
下面描述根据本发明的温控装置和温控方法的第三实施例。
图6是示出根据本发明第三实施例的温控装置的电路结构的电路图。
图6示出的温控装置5是代替图2示出的温控装置5，用作图1中示出的温控装置5的温控装置。
附带提及的是，用与那些实施例中相同的符号表示与那些实施例中每个的结构相同的结构，并且简化或省略对它们的描述。
图6示出的温控装置5除了图2的温控装置5的组件外，还包括开关转换元件SW3和SW4。在电阻加热器11和差分放大器54的输入(运算放大器OP3的反相输入端和其非反相输入端)之间分别设有开关转换元件SW3和SW4。附带提及的是，可以使用FET和双极性晶体管作为开关转换元件SW3和SW4。
同时，在第三实施例的温控装置5中，PWM控制器51设定占空比，并且输出该设定占空比的PWM信号。包括加入了叠加电压Vov的电压的PWM信号输入到PWM开关SW1的栅极端。当PWM信号是通路电压时，输入到PWM开关SW1的栅极端的控制PWM信号的电压电平然后变成通路电压电平，而且强电流流经电阻加热器11。当PWM信号是断路电压时，输入到PWM开关SW1的栅极端的控制PWM信号的电压电平变成断路电压电平，而且弱电流流经电阻加热器11。
此外，与待输出到相加器52的PWM信号同步，PWM控制器51将信号(可能是反相的那些)输出至开关转换元件SW3和SW4。控制开关转换元件SW3和SW4，使其与PWM信号的断路电压同步，而且变成其通路状态，并且使其与PWM信号的通路电压同步而变成其断路状态。
当PWM信号的电压电平是断路电压时，因而将表示流经电阻加热器11的弱电流的电流值的信号从差分放大器55输出至ADC 56，而将表示电阻加热器11的电压值的信号从差分放大器54输出至ADC 56。表示穿过电阻加热器11两端的电压的数字信号和表示流经电阻加热器11的弱电流的电流值的数字信号从ADC 56输出至PWM控制器51。
PWM控制器51读取电阻加热器11两端的电压和该弱电流的电流值的信号，该信号例如与PWM信号的断路电压同步，从ADC 56输入作为反馈。
PWM控制器51随后通过运算电阻加热器11的电压值和该弱电流的电流值而获得电阻加热器11的电阻值。PWM控制器51随后基于电阻加热器11的电阻值的热变特性，从获得的电阻加热器11的电阻值获得其温度。
PWM控制器51基于所获得的电阻加热器11的温度和设定温度之间的差别，将PWM信号的占空比的值改变成适于使电阻加热器11的温度接近期望设定电阻加热器11的温度(设定温度)的值，并重新设置该值。PWM控制器51输出改变的新占空比的PWM信号。PWM控制器11重复进行上述控制操作。
PWM控制器51设定新占空比，以便按照电阻加热器11的温度(电阻器)使电阻加热器11的温度接近该设定温度。这之后，PWM控制器51重复该处理。
第三实施例中，当PWM信号为通路电压时，大电流流经电阻加热器11，并且电阻加热器11两端的相对高电压未施加至差分放大器54的运算放大器OP3。从而，当弱电流流经电阻加热器11时，将施加至运算放大器OP3的输入端的电压的最大值抑制为电阻加热器11两端的相对小的电压，并且，然后将具有相对低的耐受电压的运算放大器用作运算放大器OP3，这可以降低其成本。
[第四实施例]
下面描述根据本发明的温控装置和温控方法的第四实施例。
图7是示出根据本发明第四实施例的温控装置的电路结构的电路图。
图7示出的温控装置5是代替图2示出的温控装置5，用作图1中示出的温控装置5的温控装置。
附带提及的是，用与那些实施例中每个相同的符号表示与那些实施例中每个的结构相同的结构，并且简化或省略它们的描述。
图7示出的温控装置5包括：PWM控制器71、恒流电路72、开关转换元件SW11-SW14、虚拟电阻R12、PWM开关SW15、包括运算放大器OP13等的差分放大器74、数模转换器(下文简称ADC)76、PWM开关SW15、以及电阻加热器11。
在第四实施例中，开关转换元件SW11和SW12以及PWM开关SW15的组合相当于此处的切换部。
PWM控制器71包括(例如)中央处理单元(CPU)，并且根据从ADC56提供的数字信号，将在通路电压和断路电压的两种电压电平之间切换期间的PWM信号输出。
PWM控制器71根据自ADC 56反馈的信号使得PWM信号周期恒定，并且控制PWM信号通路电压时间的时间长度和PWM信号断路电压时间的时间长度。PWM控制器71因而控制PWM信号的占空比(通路电压期间的时间和断路电压期间的时间的比率)。
从PWM控制器71输出的PWM信号是由电压表示其水平的信号，并且PWM信号的电压电平在PWM信号采用通路电压和在PWM信号采用断路电压时改变。具体地说，PWM的电压电平的极性是，(例如)当PWM信号的电压电平是通路电压时为阳极性，而当PWM信号的电压电平是断路电压时PWM信号的电压电平为0V。
PWM开关SW15是增强型n-沟道MOS FET。
此外，电阻加热器11和PWM开关SW15在电源输入端78和地电势之间相互串联连接。具体地说，电阻加热器11连接于PWM开关SW15的漏极端和电源输入端78之间，而PWM开关SW15的源极端和地电势相连。附带提及的是，PWM开关SW15可以不是MOS FET，而是双极性晶体管。
将直流恒定电压Vs施用于电源输入端78。从PWM控制器71输出的PWM信号输入至PWM开关SW15的栅极端，并且PWM开关SW15按照PWM信号来操作。
也就是说，当输入到PWM开关SW15的栅极端的PWM信号是通路电压时，PWM开关SW1变为其通路状态，并且从电源输入端78到地电势的部分变成通电的状态。电流然后从电源输入端78通过电阻加热器11和PWM开关SW15流至地电势。这时流经电阻加热器11的电流相当于上述每个实施例的强电流(第一电流)。
另一方面，当输入到PWM开关SW15的栅极端的PWM信号是断路电压时，PWM开关SW15变为其断路状态，并且没有电流流经电阻加热器11和PWM开关SW15。
如上所述，由PWM控制器71通过对PWM信号的占空比进行控制，来控制电阻加热器11的电流的负载率，并且电阻加热器11的加热量受到调节。
恒流电路72包括：运算放大器OP11和电阻器R11。将恒压施用于运算放大器OP11的非反相输入端，并且电阻器R11连接于运算放大器OP11的反相输入端和地电势之间。开关转换元件SW11连接至运算放大器OP11的输出端，而开关转换元件SW12连接至运算放大器OP11的反相输入端。虚拟电阻R12连接于开关转换元件SW11和开关转换元件SW12之间。此外，电阻加热器11连接于开关转换元件SW11和开关转换元件SW12之间。
开关转换元件SW11和SW12都与PWM控制器71的PWM信号同步来进行开关转换。当PWM信号的电压电平是通路电压时，开关转换元件SW11和SW12切换至虚拟电阻R12一侧，而虚拟电阻R12连接于运算放大器OP11的输出端和其反相输入端之间。然后电流流经虚拟电阻R12。
另一方面，当PWM信号的电压电平是断路电压时，开关转换元件SW1和SW2切换至电阻加热器11一侧，并且电阻加热器11连接于运算放大器OP11的输出端和其反相输入端之间。然后电流状态变为电阻加热器11带电的那一状态。
当开关转换元件SW11和SW12切换并且电阻加热器11变为通电状态时，一定的恒定电流从电源输入端78通过电阻加热器11、开关转换元件SW12和电阻器R11流至地电势。这时流经电阻加热器11的恒定电流相当于每个实施例的弱电流(第二电流)，而当PWM信号的电压电平是通路电压时，将电流值设定为比在此时流经电阻加热器11的电流(强电流)的电流值更小的数值。
差分放大器74包括运算放大器OP13等。差分放大器74是已知电路，并且除了运算放大器OP3以外，省略了对差分放大器74的反馈电阻等的说明。在电阻加热器11和差分放大器74的输入(运算放大器OP13的非反相输入端和其反相输入端)之间分别提供开关转换元件SW13和SW14。附带提及的是，可以使用FET和双极性晶体管作为开关转换元件SW13和SW14。
PWM控制器71与PWM信号(反相的部分)同步输出信号至开关转换元件SW13和SW14。控制开关转换元件SW13和SW14，使它们与PWM信号的断路电压的时序同步而变为它们的通路状态，并且使它们与PWM信号的通路同步而变成其断路状态。
当开关转换元件SW13和SW14是通路状态时，差分放大器74将表示电阻加热器11和PWM开关SW15的连接部分的电压(即电阻加热器11两端的电压)与恒压Vs之间的差别的信号输出至ADC 56。ADC 56对从差分放大器74输入的信号进行模数转换，并且将表示电阻加热器11两端的电压的数字信号(下文称作电压信号)输出至PWM控制器71。差分放大器74和ADC 56的组合因此相当于测量电阻加热器11的电压的电压测量装置。
由于当此处PWM信号为断路电压时，开关转换元件SW13和SW14变成其通路状态，当恒流电路72的恒定电流流经电阻加热器11时，表示电阻加热器11两端的电压的电压信号从ADC 76输出至PWM控制器71。
例如，当PWM信号的电压电平是断路电压时，PWM控制器71通过从ADC 76输入的信号读取电阻加热器11两端的电压值作为反馈。
PWM控制器71随后运算恒流电路72的电压值和恒定电流值，以获得电阻加热器11的电阻值。PWM控制器71基于电阻加热器11的电阻值的热变特性，从电阻值获得电阻加热器11的温度。
PWM控制器71基于所获得的电阻加热器11的温度和设定温度之间的差别，将PWM信号的占空比的值改变成适于使电阻加热器11的温度接近期望设定电阻加热器11的温度(设定温度)的值，并重新设置该值。PWM控制器71将改变的新占空比的PWM信号输出到PWM开关SW15的栅极端。PWM控制器71重复进行上述控制操作。
描述了本实施例中的温控装置5的操作顺序。
PWM控制器71首先设定待输出的PWM信号的初始占空比，并且输出具有该设定的占空比的PWM信号。然后，将输出的PWM信号提供给PWM开关SW15的栅极端。
当PWM信号的电压电平是通路电压时，输入到PWM开关SW15的栅极端的电压电平变成通路状态，并且电流(强电流)流经电阻加热器11。
当PWM信号的电压电平是断路电压时，输入到PWM开关SW15的栅极端的电压电平变成断路电压，并且电流(弱电流)流经电阻加热器11。
在恒定电流流经电阻加热器11时，表示电阻加热器11两端的电压的数字信号从ADC 76输出到PWM控制器71。
与PWM信号的断路电压同步，PWM控制器71读取电阻加热器11两端的电压值。
PWM控制器71通过运算电阻加热器11两端的电压值和恒定电流的电流值获得电阻加热器11的电阻值，并且基于电阻加热器11的电阻值的热变特性，从电阻加热器11的电阻值获得该电阻加热器11的温度。
然后PWM控制器71进行与在上述第一实施例的情况相似的状态评估，并基于获得的电阻加热器11的温度值来确定使电阻加热器11的温度接近期望的设定温度的新占空比。
以按上面提及的方式所确定的新占空比为基础类似地执行上面提及步骤，并且重复执行一系列的控制运算。
因而将电阻加热器11的温度设定为设定温度，并且进行温控以将温度保持在设定温度。
同样在本实施例中，由于使用PWM控制方法，可以抑制除了电阻加热器11以外的部分的电功率消耗，并且可以抑制除了电阻加热器11以外的部分生成热。
此外，当PWM信号的电压电平是断路电压时，非常小的电流流经电阻加热器11。因此，电阻加热器11的响应电压也很小。所以，可以将差分放大器74的运算放大器OP3的增益设得很高，并且可以提高测量分辨率。
此外，当大电流在PWM信号为通路电压时流经电阻加热器11的时候，但此时由开关转换元件SW13和SW14拦截了电阻加热器11两端的相对高的电压而没有施加于差分放大器74的运算放大器OP3。从而，当弱电流流经电阻加热器11时，可以将施用于运算放大器OP3的输入端的电压最大值抑制为弱电流流经电阻加热器11时电阻加热器11两端的相对小的电压，并且可以将具有相对小的耐受电压的运算放大器用作运算放大器OP3。因此，可以降低其成本。此外，由于可以使PWM信号电压电平为断路电压时流经电阻加热器11的电流为小的稳定恒定电流，所以可以以高准确性来测量电阻加热器11的电压。
下面比较常规结构来说明本发明实施例的优点。
首先描述作为比较例的常规温控装置结构及其温控操作。
图8是示出作为比较例的常规温控装置的电路结构的电路图。
温控装置300包括电阻加热器11、差分放大器54、ADC 56、和恒流电路310，该恒流电路310包括晶体管制成的开关转换元件SW31、运算放大器OP31和电阻器R31。电阻加热器11、差分放大器54和ADC 56与图2示出的前述第一实施例的温控装置5的结构相同。
当CPU 320将电子信号输出到数模转换器(下文简称DAC)330，数字信号由DAC 330转换成模拟信号，并且将具有根据该数字信号的电压电平的信号输入到运算放大器OP31的非反相输入端。根据输入到运算放大器OP31的非反相输入端的信号的电压电平的大小的恒定电流随后流经电阻加热器11。CPU320因而调节流经电阻加热器11的电流大小。
然后由差分放大器54和ADC 56测量在恒定电流流动时电阻加热器11两端待反馈至CPU 320的电压。
CPU 320操作电阻加热器11两端的测量的电压值，以获得电阻加热器11的电阻值和电功率，并且基于电阻加热器11的电阻值的热变特性，获得该电阻加热器11的温度。CPU 320基于获得的电阻加热器11的温度调节流经电阻加热器11的电流大小，并且控制电阻加热器11的温度，使其成为设定温度。
此外，通过使用具体的数值描述了图8示出的温控装置300的电路设计实例。
图8中，例如，将具有120V的足够大的输入电压范围、Analog Devices，Inc.可提供的测量放大器(产品名：AD628)用作运算放大器OP3。
将在280℃具有电阻值为250Ω的电阻用作电阻加热器11。
在初始状态中，如果假定将120mA的恒定电流流经电阻加热器11而启动，那么当温度达到280℃时，电阻加热器11两端的电压是30V，而电功率是3.6W。运算放大器OP3的输入电压最大值为此时的电压。如果8位ADC 56和CPU 320处理运算放大器OP3的输出电压，那么分辨率变成30/256＝117mV/位。如果从温度的角度考虑分辨率，那么其变为280/256＝1.09℃/位。因此，获得了催化剂反应(其需要温度1℃的控制)的适当的准确性。
对于这种状态，热传导到整个处理装置主体3。如果当处理装置主体3变成热平衡状态时，重整器7的热损失假定为1.5W，那么电阻加热器11的电功率相同地变为1.5W。此时，重整器7的温度恒为280℃，并且电阻加热器11的电阻值也恒为250Ω。从而，得出结论在假定电阻加热器11的电压为19.4V而其电流为77.5mA下进行温控。
从这种热平衡状态开始，提供燃料和水。当重整器7中开始重整反应且在燃烧器9中产生燃烧(工作状态)时，如果假定由电阻加热器11供给的热量(保持重整器7为280℃所必需)为0.4W，那么此时电阻加热器11的电压为10V而其电流为40mA。附带提及的是，由于此状态下运算放大器OP3的增益也与起始时的相同，所以ADC 56中测量到的电阻加热器11的电压仅为10V/117mV＝85位。如果从温度的角度考虑，分辨率变为280℃/85位＝3.29℃/位，并且发现当温度用作反馈控制时没有获得适合的准确性。
另一方面，通过使用具体的数值描述了图2示出的本发明实施例的温控装置5的电路设计实例。
在图2的温控装置5中，例如，将具有120V的足够大的输入电压范围、Analog Devices，Inc.提供的测量放大器(产品名：AD628)用作运算放大器OP3和OP4。将在280℃具有电阻值为250Ω的电阻用作电阻加热器11。此外，抽样电阻R8为0.1Ω并且任何其它电阻器R1-R7都是10kΩ。
首先基于运算放大器OP3和OP4的测量速度，在一定频率条件下设定PWM信号的频率，该频率条件为弱电流(当PWM信号的电压电平为断路电压时流经电阻加热器11)落入期望水平时，可以是稳定的这一上限条件，以及比重整器7的温度的后继速度更快的频率这一下限条件，其为微秒的量级。
如果假定运算放大器OP3和OP4的测量需要20μs，并且此处假定用于在PWM信号的通路电压和断路电压以及电阻加热器11的弱电流稳定之间转换的10μs的多余时间，那么PWM信号为断路电压期间的时间需要30μs或更多。
然而，在上述由重整器7中发生的重整反应的状态(工作状态)中，期望以极低占空比的控制，并且想要PWM信号的频率为尽可能远离下限条件而接近上限条件，以便确保温度可控制性。如果抱着确保控制的分辨率为最大程度这一目的而将最小获取时间(30μs)设为相当于1％的占空比的时间，那么PWM信号周期变慢至微秒量级如3ms(330Hz)，并且存在由下个控制周期干扰温度的可能性。
另一方面，如果相反地使最小获取时间设为相当于占空比高于10％，那么PWM信号的通路电压的最大比率变为小于90％。为了确保以这一比率起始所需的电功率，必须将恒压Vs设为更高，而在电路效率变得更糟时制备电源方面的控制准确性。
考虑到这些因素，此处将用于电压测量所需的最小获取时间(30μs)设定为等于占空比的10％，并且将PWM信号设定为在范围0-90％之内的占空比。此时，PWM信号的周期变为300μs(3.3kHz)。
利用上述设计，PWM信号的占空比为初始状态的90％。温度为280℃时，电阻加热器11的电阻值为250Ω，对应于电阻值的电流为126mA，而电阻加热器11两端的电压为31.5V。
此时电阻加热器11的电压为可控最大电压，并且将该电压设定为恒压Vs。在热平衡状态下，恒压Vs保持31.5V，电阻加热器11的电功率为1.5W处的占空比为38％，而在工作状态下，电阻加热器11的电功率为0.4W处的占空比为10％。确认了在这一工作状态下，对于PWM控制，也能够保证分辨率在约10％的边界。
此外，如果假定在PWM信号的电压电平为断路电压时的弱电流为3mA，那么将运算放大器OP3的最大输入电压抑制为250Ω×3mA＝750mV。由8位ADC 56处理最大输入电压时，考虑到温度的分辨率自然变成与在比较例的初始状态下获得的那个相同的数值280℃/256＝1.09℃/位，因为在两种情况下的温度和位数都相同。然而，此处设计的PWM控制电路的方法在能够在该体系的所有状态中测量温度分辨率的点这一方面来说是很好的，并且电压分辨率变为750mV/256＝2.9mV/位。
相比于温控装置300，温控装置5可以抑制电功率消耗，并且可以按该体系来提高能量效率。从而，由于对于温控装置5的热辐射测量变得并非必要，所以可以进行该电路的小型化。此外，由于只在PWM信号的电压电平为断路电压时进行电压测量，对于该测量的响应电压也很小，并且该响应可以通过高增益而放大。从而，提高测量到的电压以及由测量到的电压所获得的温度的准确性。
尽管示出并描述了多种典型的实施例，但本发明并不限于那些实施例。所以，只由权利要求来限定本发明的范围。

Claims (20)

1.一种温控装置，包括：
电阻加热器，所述电阻加热器的电阻值根据所述电阻加热器的温度而改变；
信号发生器，输出具有第一电压和第二电压两种电压电平的控制信号，其中所述第一电压是通路电压，而所述第二电压是断路电压；
切换部，当所述控制信号的电压电平为所述第一电压时，使第一电流流经所述电阻加热器，而当所述控制信号的电压电平为所述第二电压时，使第二电流流经所述电阻加热器，其中所述第二电流的电流值小于所述第一电流的电流值；以及
电压测量装置，在所述第二电流流经所述电阻加热器时，测量所述电阻加热器两端的电压值，其中
所述信号发生器根据由所述电压测量装置所测量的电压值来控制所述电阻加热器的温度。
2.根据权利要求1所述的温控装置，其中
当所述控制信号的电压电平为所述第一电压时，不将所述电阻加热器两端的电压施加于所述电压测量装置，而当所述控制信号的电压电平为所述第二电压时，将所述电阻加热器两端的电压施加于所述电压测量装置，从而所述电压测量装置在所述第二电流流经所述电阻加热器时测量所述电阻加热器两端的电压值。
3.根据权利要求1所述的温控装置，还包括：
相加器，对所述信号发生器输出的控制信号添加恒定叠加电压，以便向所述切换部输出通过向所述控制信号添加所述恒定叠加电压而获得的信号。
4.根据权利要求1所述的温控装置，其中：
所述控制信号是包括所述第一电压和所述第二电压这两种电压电平的脉冲信号；
所述信号发生器是具有控制占空比数值的功能的PWM控制器，所述占空比是所述控制信号的第一电压的时间和所述控制信号的第二电压的时间的比率。
5.根据权利要求4所述的温控装置，其中：
所述信号发生器根据由所述电压测量装置测量的电压值来推导所述电阻加热器的温度，并且改变并重新设置所述控制信号的占空比数值，以便使所述电阻加热器的温度接近期望的设定温度。
6.根据权利要求4所述的温控装置，还包括：
电流测量装置，测量流经所述电阻加热器的电流的电流值；
电阻测量装置，根据由所述电压测量装置测量的电压值和由所述电流测量装置测量的电流值来测量所述电阻加热器的电阻值，其中
根据由所述电阻测量装置测量的电阻值和所述电阻加热器在期望的设定温度下的电阻值，所述信号发生器改变并重新设置控制信号的占空比的数值，以便使所述电阻加热器的温度接近所述设定温度。
7.根据权利要求4所述的温控装置，还包括恒流电路，以产生对应于所述第二电流的恒定电流，其中：
当所述控制信号的电压电平为所述第二电压时，所述切换部使由所述恒流电路产生的恒定电流流经所述电阻加热器，
根据由所述电压测量装置测量的电压值和所述恒定电流的电流值，所述信号发生器改变并重新设置控制信号的占空比的数值，以便使所述电阻加热器的温度接近期望的设定温度。
8.一种用于温控的处理装置，所述处理装置被提供了原材料，并且所述处理装置对所述原材料进行温控以引起所述原材料的反应或相变，所述处理装置包括：
处理器件，引起所述原材料的反应或相变；
温控装置，其包括：
电阻加热器，其设置在所述处理器件中以便加热所述处理器件，并且所述电阻加热器的电阻值根据所述电阻加热器的温度而改变；
信号发生器，输出具有第一电压和第二电压这两种电压电平的控制信号，其中所述第一电压是通路电压，而所述第二电压是断路电压；
切换部，当所述控制信号的电压电平为所述第一电压时，使第一电流流经所述电阻加热器，而当所述控制信号的电压电平为所述第二电压时，使第二电流流经所述电阻加热器，其中所述第二电流的电流值小于所述第一电流的电流值；
电压测量装置，在所述第二电流流经所述电阻加热器时，测量所述电阻加热器两端的电压值，其中
所述信号发生器根据由所述电压测量装置所测量的电压值来控制所述电阻加热器的温度。
9.根据权利要求8所述的用于温控的处理装置，其中当所述控制信号的电压电平为所述第一电压时，不将所述电阻加热器两端的电压施加于所述温控装置中的所述电压测量装置，而当所述控制信号的电压电平为所述第二电压时，将所述电阻加热器两端的电压施加于所述电压测量装置，从而所述电压测量装置在所述第二电流流经所述电阻加热器时测量所述电阻加热器两端的电压值。
10.根据权利要求8所述的用于温控的处理装置，其中所述温控装置还包括：
相加器，对所述信号发生器输出的控制信号添加恒定叠加电压，以向所述切换部输出通过向所述控制信号添加所述叠加电压而获得的信号。
11.根据权利要求8所述的用于温控的处理装置，其中：
所述温控装置中的控制信号是包括所述第一电压和所述第二电压这两种电压电平的脉冲信号；
所述信号发生器是具有控制占空比数值的功能的PWM控制器，所述占空比是所述控制信号的第一电压的时间和所述控制信号的第二电压的时间的比率。
12.根据权利要求11所述的用于温控的处理装置，其中所述温控装置中的所述信号发生器根据由所述电压测量装置测量的电压值来推导所述电阻加热器的温度，并且改变及重新设置所述控制信号的占空比数值，以便使所述电阻加热器的温度接近期望的设定温度。
13.根据权利要求11所述的用于温控的处理装置，其中：
所述温控装置还包括：
电流测量装置，测量流经所述电阻加热器的电流的电流值；
电阻测量装置，根据由所述电压测量装置测量的电压值和由所述电流测量装置测量的电流值来测量所述电阻加热器的电阻值，其中
根据由所述电阻测量装置测量的电阻值和所述电阻加热器在期望的设定温度下的电阻值，所述信号发生器改变并重新设置控制信号的占空比的数值，以便使所述电阻加热器的温度接近所述设定温度。
14.根据权利要求11所述的用于温控的处理装置，其中：
所述温控装置还包括恒流电路，以产生对应于所述第二电流的恒定电流；
当所述控制信号的电压电平为所述第二电压时，所述切换部使由所述恒流电路产生的恒定电流流经所述电阻加热器；
根据由所述电压测量装置测量的电压值和所述恒定电流的电流值，所述信号发生器改变并重信设置所述控制信号的占空比的数值，以便使所述电阻加热器的温度接近期望的设定温度。
15.一种温控方法，用于控制电阻加热器的温度，所述电阻加热器的电阻值根据所述温度而改变，所述方法包括下述步骤：
输出具有第一电压和第二电压这两种电压电平的控制信号，其中所述第一电压是通路电压，而所述第二电压是断路电压；
当所述控制信号的电压电平为所述第一电压时，使第一电流流经所述电阻加热器，而当所述控制信号的电压电平为所述第二电压时，使第二电流流经所述电阻加热器，其中所述第二电流的电流值小于所述第一电流的电流值；
在第二电流流经所述电阻加热器时，测量电阻加热器两端的电压值；
根据在测量电压值的步骤中测量的电压值来控制所述控制信号，以便控制所述电阻加热器的温度。
16.根据权利要求15所述的温控方法，其中：
所述控制信号是包括所述第一电压和所述第二电压两种电压电平的脉冲信号；
控制所述控制信号的步骤包括控制占空比的数值的步骤，所述占空比是所述控制信号的第一电压的时间和所述控制信号的第二电压的时间之间的比率。
17.根据权利要求16所述的温控方法，还包括以下步骤：
测量流经所述电阻加热器的电流的电流值；
根据在测量电压值的步骤中测量的电压值和在测量电流值的步骤中测量的电流值，测量所述电阻加热器的电阻值，其中
控制所述控制信号的步骤包括以下步骤：
根据在测量电阻值步骤中测量的电阻值和所述电阻加热器在设定温度下的电阻值来改变所述控制信号的占空比的数值以便使所述电阻加热器的温度接近期望的设定温度，
重新设置所述数值。
18.根据权利要求16所述的温控方法，还包括以下步骤：
产生对应于所述第二电流的恒定电流，以在控制信号为所述第二电压时使所述恒定电流流经所述电阻加热器，其中
控制所述控制信号的步骤包括以下步骤：
根据在测量电压值步骤中测量的电压值和所述恒定电流的电流值来改变所述控制信号的占空比的数值，以便使所述电阻加热器的温度接近期望的设定温度，
重新设置所述数值。
19.一种温控方法，控制电阻加热器的温度，所述电阻加热器的电阻值根据所述温度而改变，所述方法包括下述步骤：
输出具有第一电压和第二电压两种电压电平的控制信号，其中所述第一电压是通路电压，而所述第二电压是断路电压；
当所述控制信号的电压电平为第一电压时，使第一电流流经所述电阻加热器，而当所述控制信号的电压电平为第二电压时，使第二电流流经所述电阻加热器，其中所述第二电流的电流值小于所述第一电流的电流值；
在所述第二电流流经所述电阻加热器时，测量所述电阻加热器的电压值，并根据测量的电压值和所述第二电流的电流值来测量所述电阻加热器的电阻值；
根据在测量电阻值的步骤中测量的电阻值来控制所述控制信号以控制所述电阻加热器的温度。
20.根据权利要求19所述的温控方法，其中：
所述控制信号是包括所述第一电压和所述第二电压两种电压电平的脉冲信号；
控制所述控制信号的步骤包括控制占空比的数值的步骤，所述占空比是所述第一电压的时间和所述第二电压的时间之间的比率。
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