CN104166414A - 一种小型水温控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型水温控制系统，由蠕动泵、橡胶软管、控制模块，加热模块，冷却模块组成。蠕动泵通过橡胶软管与加热模块相连，加热模块与冷却模块相连，控制模块与加热模块及冷却模块相连。控制模块控制加热模块与冷却模块，通过启动加热或冷却的使得水温恒定。该系统结构简单，易于实现，温度控制精确、可靠，操作实用方便，价格低廉。该设备能为实验室内研究微型动物的培养、生理及运动学行为特征时提供稳定的水温条件。同时也可作为其他仪器的部件用来为仪器运行提供所需的恒温环境条件，保重测试的准确性。

Description

一种小型水温控制系统

技术领域

    本发明涉及仪器设备领域，具体涉及一种小型水温控制系统。适用于小流量水的加热或冷却，使其稳定在恒定温度，以此来为微型水生生物的生长和繁殖提供必要的恒温环境条件，并为微型水生生物的运动学行为、生长速率及生活史的研究提供恒温环境支持。该设备的应用范围广，可为以溞类为代表的微型水生动物的运动学行为、生长速率及生活史的研究提供必要的恒温环境支持。 

背景技术

随着社会经济的迅速发展，我国水环境问题日益严峻，目前全国有近50%的河段、90%的城市水域受到不同程度的污染。北方河流有水皆污，南方由于河流污染而无水喝的情形频频发生；水污染已经危及到人民群众的身体健康和生产生活，全国目前有3亿多人无法获取安全饮用水。严峻的水污染的形势对水环境监测、预警及保护提出了更高的要求，特别是频繁发生的水污染事件给供水安全敲响了警钟。水质安全作为生态安全最重要的组成部分，直接关系到人民群众生命健康及社会和谐稳定大局，是全面建设小康社会的重要保障。开展水环境监测、预警设备研发，保障用水安全，是贯彻落实党中央、国务院的工作部署，也是全面建设小康社会，落实科学发展观的重要举措。 

 随着人们对于环境安全重要性认识的不断提高，在对环境进行安全性评估的过程中，生物毒性监测发挥的作用越来越大。通过不同层次上的生物毒性监测，可以解决常规的化学监测所不能解决的环境综合毒性问题，评估污染物的生物学毒性效应。利用水生生物作为指示生物进行生物毒性监测可以直接反映了水环境质量变化对生物的影响和危害程度，是实现水环境监测目的的一种最直接而有效的手段。 

水生生物中的某些种类对外界环境(如有毒有害物质排入）的变化非常敏感，其敏感性远远高于人类，可以在有毒有害物质对人体造成伤害之前发出警示，从而保护饮用水源安全。以水生生物中的水溞为例，其在受到有毒有害物质伤害时，运动行为如游动速度、游动高度、游动轨迹形状、单位时间内游动轨迹个数、生长速度、在区域内出现的位置（由于趋利避害会向有毒有害物质浓度低的区域聚集）等等都会发生变化，可以利用这些行为学变化来表征水体毒性的大小。水溞作为毒性测试指示生物得到了国际上的普遍认可，国际标准ISO 6341—1982《水质——大型蚤运动抑制的测定》及国家标准GB/T13266-91《水质- 物质对（大型蚤）急性毒性测定方法》均采用浮游动物中的大型溞（蚤类）作为测试生物。 

     在研究水溞生理生化及运动学行为特点时，需要恒定的水温条件。目前实验室的主要利用光照培养箱或空调进行调节，但效果欠佳。培养箱可以较好的控制温度，但内部空间较小，不利于进行其他操作研究，目前多数用于微型生物的培养。空调所调节的温度波动范围较大，很难将水温控制在某一恒定温度，且耗电量大，成本高。目前市场上已有的水温控系统多是用于加热或冷却的单一功能设备，需要购买两种设备才能实现小流量水的恒温效果，且设备往往体积较大，耗电量较大，效果欠佳。迫切需要研发一种实验室使用的小流量水的温控设备，需要具有加热和冷却的双重功能，且温控精度高、耗电量小、体积小、成本低，易于使用。 

发明内容

本发明的目的是在于针对溞类培养及测试过程中对水温恒定的技术需求，通过研发设计及集成创新，提供了一种小型水温控制系统，包括控制模块、加热系统和冷却系统三个部分所组成。该系统解决了以下两个方面的技术问题：（1）系统具备加热系统与冷却系统，使得水温可以稳定在15℃~30℃的任一设定温度上，温度误差±0.5℃，很好的满足了溞类培养及测试要求。（2）利用液位计探测到水后再接通电源，避免了无水干烧的情况，有力的保护了装置。（3）温控器采用PID控制原理，PID自整定后，自动设置比例、积分、微分参数，输出4~20毫安调压信号给固态继电器，将加热棒功率从0-100%自动调节，使得加热效率大大提高。 

本发明的目的可通过下列技术方案实现： 

一种小型水温控制系统，包括蠕动泵，还包括控制模块和分别与控制模块连接的加热模块和冷却模块，

加热模块包括两端开口的加热室，加热室一端设置有前置面板，加热室另一端设置有后置面板，前置面板和后置面板与加热室之间均设置有密封圈，加热室内设置有加热棒和液位计，前置面板上设置有加热进水口，后置面板上设置有加热出水口，加热进水口与蠕动泵连接；

冷却模块包括压紧固定的铝合金板和亚格力板，铝合金板和亚格力板之间设置有乳胶密封片，亚格力板内侧开设有蛇形槽和椭圆型槽，蛇形槽一端与设置在亚格力板上的冷却进水口连通，蛇形槽另一端与椭圆形槽连通，椭圆型槽内填充有海绵丝，椭圆型槽与设置在亚格力板上的冷却出水口连通，冷却进水口与加热出水口连通，椭圆型槽内还设置有温度传感器，铝合金板上设置有风扇。

如上所述的控制模块包括与液位计连接的液位控制器、与温度传感器连接的温度控制器、与加热棒连接的固态继电器，温度控制器还分别与风扇、固态继电器连接。 

如上所述的加热进水口设置有滤网。 

如上所述的亚格力板还开设有与椭圆形槽连通的排气孔。 

本产品同时具备加热模块及冷却模块，与国内同类产品相比，温度恒定效果好，且实现了小流量的温度控制，更加环保节能。由于增加了液位计探测，避免了设备干烧的情况，更加安全。且该设备由于风扇降温，而不是传统的压缩机降温，使得成本更加低廉，整套设备的成本价在5000元左右。 

 该设备能为实验室内研究微型动物的培养、生理及运动学行为特征提供稳定的水温条件。同时也可作为其他仪器的部件为仪器运行提供所需的恒定水温条件，如可为溞类毒性仪器的关键部件，为溞类的测试提供稳定的环境条件等等。 

本发明与现有技术相比具有以下有益效果： 

（1）该设备具有加热和冷却的双重功能，与其他温控设备相比，温控精度明显提高，精度可达±0.5℃。

（2）设备实现了小流量（5-50ml/分钟）恒温控制，耗电量小、运行成本低，易于使用。 

（3）设备由于增加了液位探头及液位控制器，使得当水位低于液位探头时自动断电，增加了设备的安全性。 

附图说明

图1为本系统的控制模块外部示意图； 

图2为本系统的加热模块、冷却模块和蠕动泵的连接示意图；

图3为本系统的电气原理示意图；

图4为本系统的控制模块外部接口示意图；

图5为加热模块的主视结构示意图；

图6为加热模块的侧视结构示意图；

图7为冷却模块的内部结构示意图；

图8为冷却模块的外部结构示意图；

图9为实施例中经过系统后的恒温的水流的温度变化情况。

图中：1-控制模块，2-加热模块，3-冷却模块，4-蠕动泵，5-固定卡1，6-乳胶软管； 

1-A-显示面板，1-B-开关，1-C-温度传感器接口，1-D-液位计接口，1-E-风扇接口，1-F-控制模块外壳，1-G-加热棒接口，1-H液位控制器，1-I温度控制器，1-J液位开关，1-K-固态继电器；

2-A-加热进水口，2-B-滤网，2-C-加热出水口，2-D-M3固定螺丝，2-E液位计，2-F排气孔，2-G加热棒，2-H-前置面板，2-I-后置面板，2-J-加热室，2-K-密封圈；

3-A-冷却进水口，3-B-冷却出水口，3-C-椭圆形槽，3-D-排气孔，3-E-乳胶密封片，3-F-蛇形槽，3-G-温度传感器，3-H-海绵丝，3-I-铝合金板，3-J-M5固定螺丝，3-K-亚格力板，3-L风扇，3-M-固定卡2，3-N-散热口，3-O-冷却模块外壳。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。 

一种小型水温控制系统，包括三个核心模块，即控制模块1，加热模块2，冷却模块3，其工作原理为利用控制模块1控制加热模块2与冷却模块3，控制模块1还可以调节加热模块2的加热功率，通过加热或冷却使得水温恒定。加热模块2通过固定卡5固定在冷却模块3上。蠕动泵4（型号FB100-1F）通过乳胶软管6为系统提供稳定水流，蠕动泵可以根据需要调节水流速度。 

      如上所述的控制模块1，其控制模块外壳1-F由亚格力板制成，正面固定有温度控制器1-I和开关1-B，温度控制器1-I上的显示面板1-A用来显示实时及设置温度参数，开关1-B用来接通或切断控制模块1的电源；外壳1-F侧面依次装有温度传感器接口1-C，液位计接口1-D，风扇接口1-E，加热棒接口1-G，便于通过数据线分别与与其他两个模块的温度传感器3-G、加热棒2-G、风扇3-L及液位计2-E相连。外壳1-F内部固定（M5螺丝固定）有温度控制器1-I、液位控制器1-H、液位开关1-J、固态继电器1-K。温度控制器1-I通过温度传感器接口1-C与温度传感器3-G相连，用来接收温度传感器3-G的数据；温度控制器1-I连接固态继电器1-K，固态继电器1-K通过加热棒接口1-G与加热棒2-G相连，用来控制加热棒2-G的功率；温度控制器1-I通过风扇接口1-E与风扇3-L相连，用来启动或停止风扇3-L工作，从而给水流降温；液位控制器1-H与液位开关1-J及液位计2-E相连，用来接收液位计2-E信息，接收到信息后闭合液位开关1-J，使整个控制模块1电路接通，开始工作。 

各部件型号如下：温度传感器3-G为PT100铂电阻温度探头，用来探测水温，加热棒2-G功率为80W，风扇3-L型号为酷冷至尊CPU散热风扇，温度控制器1-I型号为欧姆龙E5Z，液位控制器1-H型号为欣灵HHY11PG，固态继电器1-K为FOTEK/阳明生产的SSR10da(10a) 型号。控制模块1工作顺序为当液位计2-E探测到水流，将信息传给液位控制器1-H，此时液位开关1-J闭合，电路接通，温度传感器3-G、温度控制器1-I及固态继电器1-K工作，温度传感器3-G将温度信息传递给温度控制器1-I，温度控制器1-I比较设置温度与实际温度，当实际温度低于设置温度时，温度控制器1-I采用PID控制原理，PID自整定后，自动设置比例、积分、微分参数，输出4～20毫安调压信号给固态继电器1-K，对加热棒功率从0～100%自动调节。当实际水温高于设置温度时，温度控制器1-I将启动风扇3-L降温。 

     如上所述的加热模块2，由前置面板2-H，加热室2-J及后置面板2-H，三者均由不锈钢材料加工制作，然后通过M3固定螺丝2-D连接而成，以上三者之间用密封圈2-K密封，组成加热室2-J的主要空间，用来加热水流。加热进水口2-A位于前置面板2-H底部，并装有滤网2-B，水流由加热进水口2-A进入，经过滤网2-B（40目）滤去颗粒悬浮物以免堵塞管道。液位计2-E用自身的螺丝固定在加热室2-J顶部1/4偏下处，液位计2-E深入加热室2-J内部用来探测加热室有无水流，以免干烧损坏加热棒2-G。加热棒2-G一端固定在加热室2-J顶部，加热部分深入加热室2-J内部，在温度控制器1-I及固态继电器1-K的控制下对水流进行加热。排气孔2-F位于加热室2-J顶部，用来排出气泡。经加热后的水流经加热出水口2-C排出，然后进入冷却模块进水口3-A。 

 如上所述的冷却模块3，由亚格力板3-K通过M5固定螺丝3-J固定在铝合金板3-I上，两者之间用乳胶密封片3-E密封。亚格力板3-K内侧被凿成蛇形槽3-F及椭圆形槽3-C，乳胶密封片3-E与蛇形槽3-F及椭圆形槽3-C对应的部分也被凿空，这样确保水流按照蛇形槽3-F的方向流动，水流经冷却进水口3-A进入蛇形槽3-F，蛇形槽3-F内的水流在风扇3-L作用下降温，经冷却的水流进入椭圆形槽3-C，在海绵丝3-H的吸附下去除气泡，气泡被吸附后经排气孔3-D排出。经冷却及去除气泡的水流经冷却出水口3-B排出。温度传感器3-G装在冷却出水口3-B处，用来测试水温并传给温度控制器1-I，以决定启动加热模块2还是冷却模块3。风扇3-L用固定卡3-M固定在铝合金板3-I上，用来给蛇形槽3-F内的水流降温。铝合金板3-I用M5固定螺丝3-J固定在冷却模块外壳3-O内，形成一个整体，便于放置及移动。 

    一种小型水温控制系统的使用方法是，首先用数据线将温度传感器接口1-C与温度传感器3-G相连，液位计接口1-D与液位计2-E相连，风扇接口1-E与风扇3-L及相连，加热棒接口1-G与加热棒2-G相连。用乳胶软管6（内径3mm）将蠕动泵4与加热模块2的加热进水口2-A相连，将加热模块2的加热出水口2-C与冷却模块3的冷却进水口3-A相连，冷却出水口3-B、排气孔2-F及排气孔3-D连上乳胶软管6，分别用来排水及排气。连接好管路及数据线后，打开开关1-B，并启动蠕动泵4，此时水流在蠕动泵的作用下进入加热模块2，当液位计2-E探测到水流，将信息传给液位控制器1-H，此时液位开关1-J闭合，加热模块2电路接通，温度传感器3-G、温度控制器1-I及固态继电器1-K工作。利用显示面板1-A设定温度，温度传感器3-G将温度信息传递给温度控制器1-I，温度控制器1-I比较设置温度与实际温度，当实际温度低于设置温度时，温度控制器1-I输出4～20毫安调压信号给固态继电器1-K，从而对加热棒2-G功率从0～100%自动调节，从而对水流加热。固态继电器1-K可以由温度控制器1-I控制通断，温度控制器1-I通过4-20mA的电流信号调节固态继电器1-K输出的电压，从而调节加热棒的功率。当实际水温高于设置温度时，温度控制器1-I将启动风扇3-L降温。水流在加热模块2及冷却模块3的作用下即达到设定的温度。 经过加热或冷却的水流经冷却出水口3-B排出，即可得到连续温度恒定的水流。如需改变温度只需在显示面板1-A改变设定温度即可。该设备可满足当初始水温在0～40℃时，进样流量为0～50ml/分钟时，可使水流温度稳定15～30℃内的任意温度。 

实施例1： 

     应用该设备为溞类培养及测试提供恒温水流，按照上述连接方式连接好设备，打开开关1-B，并启动蠕动泵4，此时水流在蠕动泵的作用下以20ml/分钟的流量进入加热模块2，约5分钟后液位计2-E探测到水流，将信息传给液位控制器1-H，此时液位开关1-J闭合，加热模块2电路接通，温度传感器3-G、温度控制器1-I及固态继电器1-K工作。利用显示面板1-A将温度设定在19.5℃，温度传感器3-G将初始水温17.5℃传递给温度控制器1-I，由于实际温度低于设置温度，温度控制器1-I通过固态继电器1-K启动对加热棒加热并自动调节功率，从而对水流加热。温度控制器1-I根据温度传感器3-G传递的实时温度信息不断调整加热棒2-G的功率。约10分钟后，冷却出水口3-B排出的水流水温稳定在19.5±0.5℃，即得到了连续温度恒定的水流供实验所用。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。 

Claims (4)

1.一种小型水温控制系统，包括蠕动泵（4），其特征在于，还包括控制模块（1）和分别与控制模块（1）连接的加热模块（2）和冷却模块（3），

加热模块（2）包括两端开口的加热室（2-J），加热室（2-J）一端设置有前置面板（2-H），加热室（2-J）另一端设置有后置面板（2-I），前置面板（2-H）和后置面板（2-I）与加热室（2-J）之间均设置有密封圈（2-K），加热室（2-J）内设置有加热棒（2-G）和液位计（2-E），前置面板（2-H）上设置有加热进水口（2-A），后置面板（2-I）上设置有加热出水口（2-C），加热进水口（2-A）与蠕动泵（4）连接；

冷却模块（3）包括压紧固定的铝合金板（3-I）和亚格力板（3-K），铝合金板（3-I）和亚格力板（3-K）之间设置有乳胶密封片（3-E），亚格力板（3-K）内侧开设有蛇形槽（3-F）和椭圆型槽（3-C），蛇形槽（3-F）一端与设置在亚格力板（3-K）上的冷却进水口（3-A）连通，蛇形槽（3-F）另一端与椭圆形槽（3-C）连通，椭圆型槽（3-C）内填充有海绵丝（3-H），椭圆型槽（3-C）与设置在亚格力板（3-K）上的冷却出水口（3-B）连通，冷却进水口（3-A）与加热出水口（2-C）连通，椭圆型槽（3-C）内还设置有温度传感器（3-G），铝合金板（3-I）上设置有风扇（3-L）。

2.根据权利要求1所述的一种小型水温控制系统，其特征在于，所述的控制模块（1）包括与液位计（2-E）连接的液位控制器（1-H）、与温度传感器（3-G）连接的温度控制器（1-I）、与加热棒（2-G）连接的固态继电器（1-K），温度控制器（1-I）还分别与风扇（3-L）、固态继电器（1-K）连接。

3.根据权利要求2所述的一种小型水温控制系统，其特征在于，所述的加热进水口（2-A）设置有滤网（2-B）。

4.根据权利要求3所述的一种小型水温控制系统，其特征在于，所述的亚格力板（3-K）还开设有与椭圆形槽（3-C）连通的排气孔（3-D）。