CN104296371B - 一种自动控温加热水循环恒温控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动控温加热水循环恒温控制方法。设置一种自动控温加热的水循环恒温热源实验装置，由加热水箱、温度和水循环控制装置及恒温热水罐组成；加热水箱分为第一水箱和第二水箱，第一水箱和第二水箱通过绝热隔温有机玻璃板上的连接管相通；加热水箱侧壁开4个孔，分别安装加水管、出水管、回水管和电缆线管；温度和水循环控制装置由电源开关、断电保护器、温度控制器、继电器、水循环泵开关和自动加水控制器构成；恒温热水罐顶部熔接一个进水管和一个出水管，分别通过绝热管路与加热水箱的出水管和回水管连接；通过该装置以实现自动控温加热水循环恒温控制。本方法节能、安全、操作方便、控温精度高、适用范围广。

Description

一种自动控温加热水循环恒温控制方法

技术领域

本发明涉及一种自动控温加热水循环恒温控制方法，属于环境岩土工程测量控制技术领域。

背景技术

岩土体的热物理特性是环境岩土工程关注的一个重点内容。近年来，随着经济的发展，人们在各种工程建设中遇到了一系列与岩土体热物理特性密切相关的问题：①浅层地能开采过程中土体的热湿迁移；②城市“热岛”效应对土体的影响；③地铁、隧道等地下空间中的土体热量传递和扩散；④矿井热害的预防等。在这些工程问题中，一方面岩土体的热物理特性影响着热传递过程，另一方面工程活动改变了地质环境的温度场，又影响了岩土体的工程性质，表现出复杂的耦合效应。因此，在研究上述与热相关的环境岩土工程问题时，对岩土体的热物理特性及相关耦合效应进行室内实验是一种必不可少的手段；而在室内实验过程中，一种能够自动加热、精确控温并提供恒定温度的热源实验装置是至关重要的前提条件。目前，实验室一般采用“电阻丝加热”和“水浴加热”等方法制作实验用热源装置。“电阻丝加热”方法加热不均，且温度不易控制。“水浴加热”法是水经加热源加热至一定温度后存储起来，当自然冷却至该温度以下时，自动加热；采用该法时加热水槽中的水分易蒸发，为保持水槽中水位不变，需经常向水槽中加水，加水瞬间水槽内水温难以维持恒定。

发明内容

本发明的目的是克服传统实验热源的加热不均、水温难以维持恒定等缺点，提供一种自动控温加热水循环恒温控制方法，为环境岩土体的热物理特性室内实验提供一个恒温热源控制方法。

具体步骤为：

(1)设置一种自动控温加热的水循环恒温热源实验装置，由加热水箱、温度和水循环控制装置和恒温热水罐组成；加热水箱采用20L车载保温箱作为保温箱体，由绝热隔温有机玻璃板将水箱分为第一水箱和第二水箱；第一水箱的主要功能是使其内部的水温达到目标温度，内置电加热器、水循环泵、水温传感器和液位传感器；第二水箱用来储存达到目标温度的恒温水，内置水循环泵和水温传感器；第一水箱和第二水箱之间通过绝热隔温有机玻璃板上的连接管相通，其上的连通开关由第一水箱内部的水温传感器和外置的温度控制器控制；在保温箱体两侧壁开有四个圆孔，分别用来安装加水管、出水管、回水管和电缆线管；温度和水循环控制装置由电源开关、断电保护器、温度控制器、继电器、内部水循环泵开关、外部水循环泵开关和自动加水控制器构成，并集中安装在一块20mm厚有机玻璃板上；温度控制器设定预期目标温度，并通过继电器和水温传感器联合控制电加热器；自动加水控制器通过液位传感器控制加水开关；内部水循环泵开关控制加热水箱的内部水循环，外部水循环泵开关控制实验装置的外部水循环；断电保护器在线路发生过载、短路、欠压的情况下进行可靠的保护；恒温热水罐采用纯铜制成一个密封长方体，其顶部熔接一个进水管和一个出水管，分别通过绝热管路与加热水箱的出水管和回水管相连接，形成实验装置的外部水循环，实验时其内部循环的恒温热水能提供恒定的热源温度。

(2)将加水管用软塑料管连接到实验室水龙头上，打开龙头使水进入到第一水箱内，并保持水龙头一直处于打开状态。

(3)接通温度和水循环控制装置的电源并打开电源开关；自动加水控制器通过液位传感器控制加水管上的加水开关，使第一水箱内的水位至所需的位置。

(4)将温度控制器的温度设定为目标温度；温度控制器通过继电器和水温传感器联合控制电加热器，对第一水箱内的水进行加热。

(5)打开内部水循环泵开关，第一水箱内的水循环泵开始运转，通过箱内的水不断循环促进电加热器周围的热量扩散，加速水温均匀。

(6)第一水箱内的水温传感器测量到箱内水温为目标温度时，反馈至温度控制器，通过继电器关闭电加热器，停止对箱内水进行加热；同时，温度控制器打开连接管上的连通开关，使恒温水流入第二水箱。此时，第一水箱内的水位下降，自动加水控制器通过液位传感器控制加水管上的加水开关，使第一水箱内的水位至所需的位置；由于新加入水的温度较低，第一水箱内的水温将低于目标温度，温度控制器将关闭连接管上的连通开关，同步地，温度控制器通过继电器和水温传感器联合控制电加热器，对第一水箱内的水进行加热；如此反复几次，直至第二水箱内的恒温水位至所需的位置。

(7)打开外部水循环泵开关，第二水箱内的水循环泵使箱内水流入恒温热水罐中；等恒温热水罐内装满水后，由于压力的作用，多余的水将通过出水管经过回水管流入到第一水箱内，再进行箱内水循环；如此，形成实验装置的整个外部水循环，实验时其内部循环的恒温热水可提供恒定的热源温度，即实现自动控温加热水循环恒温控制。

本发明方法的优点：本发明方法采用恒温循环水提供恒定温度的热源，克服了加热不均匀的缺点；同时，通过设置第一水箱和第二水箱，能使实验装置的循环水温度保持恒定，克服了传统水浴方法中水温难以维持恒定的缺点；最后，通过自动加水控制器和液位传感器的联合使用，即避免了加热过程中水分蒸发引发的问题，又实现了自动加水和防止干烧等功能，达到了节能、安全等目的；另外，本发明方法操作方便，所用设备简单轻便，控温精度高，适用范围广。

附图说明

图1是本发明所使用的自动控温加热水循环恒温热源实验装置的加热水箱结构示意图。

图2是本发明所使用的自动控温加热水循环恒温热源实验装置的温度和水循环控制装置结构示意图。

图3是本发明所使用的自动控温加热水循环恒温热源实验装置的恒温热水罐结构示意图。

图中标记：1-保温箱体；2-绝热隔温有机玻璃板；3-第一水箱；4-第二水箱；5-电加热器；6-水循环泵；7-水温传感器；8-液位传感器；9-连接管；10-出水管；11-回水管；12-加水管；13-电缆线管；14-20mm厚有机玻璃板；15-电源开关；16-断电保护器；17-温度控制器；18-继电器；19-内部水循环泵开关；20-外部水循环泵开关；21-自动加水控制器；22-恒温热水罐；23-进水管；24-出水管。

具体实施方式

实施例：

本发明的一个优选的实施例结合附图详述如下：

参见图1～3，本发明所使用的自动控温加热的水循环恒温热源实验装置，包括加热水箱、温度和水循环控制装置及恒温热水罐。加热水箱采用20L车载保温箱作为保温箱体1，由绝热隔温有机玻璃板2将水箱分隔为第一水箱3和第二水箱4；第一水箱3内置电加热器5、水循环泵6、水温传感器7和液位传感器8，第二水箱4内置水循环泵6和水温传感器7，第一水箱3和第二水箱4之间通过绝热隔温有机玻璃板2上的连接管9相通，其上的连通开关由第一水箱3内部的水温传感器7和外置的温度控制器17控制；在保温箱体两侧壁开有4个圆孔，分别用来安装出水管10、回水管11、加水管12和电缆线管13。温度和水循环控制装置由电源开关15、断电保护器16、温度控制器17、继电器18、内部水循环泵开关19、外部水循环泵开关20、自动加水控制器21构成，集中安装在一块20mm厚有机玻璃板14上。恒温热水罐22采用纯铜制成一个密封长方体，顶部熔接一个进水管23和一个出水管24，分别通过绝热管路与加热水箱的出水管10和回水管11相连接，形成了实验装置的外部水循环，实验时其内部循环的恒温热水可提供恒定的热源温度。

以上是本实施例所使用装置的结构描述，下面对其各部分的工作原理和整个实施流程进行详细说明。

各部分说明及其工作原理：

(1)加热水箱：采用20L车载保温箱作为保温箱体1，箱体材料为进口PP聚丙烯，中间夹层采用优质EPS保温模块，箱盖边缘处及箱身各处接口均以高精度配合位无缝隙设计，能够持久保温；由绝热隔温有机玻璃板2将水箱分隔为第一水箱3和第二水箱4，容积分别为12L和8L；在保温箱体两侧开有4个圆孔，分别用来安装出水管10、回水管11、加水管12和电缆线管13。第一水箱3主要用来使其内部水温加热到目标温度，并保持水位不变，为第二水箱4提供恒温热水，其工作原理是：外部的温度控制器17设定预期目标温度，内置的水温传感器7量测水温并反馈到温度控制器17，通过继电器18控制内置电加热器5的启动和关闭；内置的液位传感器8控制加水开关的开闭，保证箱内水位不变；内置的水循环泵6用于箱内水的循环，促进电加热器5周围的热量扩散，使箱内水温尽快均匀。第二水箱4主要用来储存达到目标温度的恒温水，并通过内置水循环泵6使箱内水流入恒温热水罐22中。第一水箱3和第二水箱4之间通过绝热隔温有机玻璃板2上的连接管9相通，其上的连通开关由第一水箱3内部的水温传感器7和外置的温度控制器17控制，其工作原理是：当第一水箱3内的水温达到目标温度时，内置的水温传感器7测试水温值并反馈至外置的温度控制器17，由其控制打开连通开关；反之，当第一水箱3内的水温低于目标温度时，温度控制器17则自动控制闭合连通开关。

(2)电加热器5：采用并联两个功率均为800W的电热器共同工作，为扩大其加热范围，在电加热器上、下两面各连接一个散热片，使箱内水热扩散更均匀、加热效果更好；由螺栓将电加热器与上、下散热片紧密连接成一体，通过4个支架固定在第一水箱3底部的中间部位。

(3)水循环泵6：采用JY-PG-150型潜水泵，最大扬程1.6m，最大流量800L/h；在第一水箱3内置的电加热器5周围对称安装两台潜水泵，用于水箱内部水的循环，促进加热器周围的热量扩散，使箱内水温尽快均匀(称之为“内循环”)；在第二水箱4内侧壁上安装一台潜水泵，位于出水管正下方10cm处，通过软管与出水管连接，用于实验装置的外部水循环(称之为“外循环”)。

(4)水温传感器7：采用PT-100铂电阻温度传感器，标定精度为0.1℃，测量范围为-20～150℃；通过夹具将水温传感器7分别固定于第一水箱3和第二水箱4的箱内中部位置，用于测量箱内水的温度；第一水箱3的水温传感器7与水温控制器17、继电器18联合使用，对箱内水的温度进行恒温控制。

(5)液位传感器8：采用ZC-SS200L侧装型水箱浮球阀，使用美国OKI进口干簧管及SUS304材质制作，工作温度为120℃以内；外置的自动加水控制器21与加水管12上的加水开关相连，通过液位传感器8感应第一水箱3内的水位高低，三者联合对水位进行控制，其工作原理是：液位传感器8有高、低两个感应点，当箱内水位低于低感应点时，控制器21自动打开加水开关，对水箱进行加水；当箱内水位高于高感应点时，控制器21自动闭合加水开关，对水箱停止加水。

(6)温度和水循环控制装置：包括电源开关15、断电保护器16、温度控制器17、继电器18、内部水循环泵开关19、外部水循环泵开关20和自动加水控制器21，其工作原理是：温度控制器17设定预期目标温度，并通过继电器18和水温传感器7联合控制电加热器5；自动加水控制器21通过液位传感器8控制加水开关；内部水循环泵开关19和外部水循环泵开关20控制实验装置的水循环，分为加热水箱的内部水循环和实验装置的外部水循环；断电保护器16在线路发生过载、短路、欠压的情况下进行可靠的保护；上述电源开关15、断电保护器16、温度控制器17、继电器18、内部水循环泵开关19、外部水循环泵开关20和自动加水控制器21全部集中安装在一块20mm厚有机玻璃板14上。

(7)恒温热水罐22：采用导热热阻非常小的纯铜制成一个密封长方体，为防止热量散失，仅热源接触壁面为光滑纯铜平面，其它各面均贴上绝热隔温材料，罐体的尺寸大小视实验时热源的接触面要求而定；热水罐顶部熔接一个进水管23和一个出水管24，分别通过绝热管路与加热水箱的出水管10和回水管11相连接，形成了实验装置的外部水循环，实验时其内部循环的恒温热水可提供恒定的热源温度；进水管23深入罐体底部，出水管24直接熔接在罐体顶部，且进水管径稍小于出水管径，目的是保证在水循环泵作用下罐内的水不产生过大的压力。

以热源温度T＝40℃为例，设置好上述装置，具体实施流程如下：

步骤1：将加水管12用软塑料管连接到实验室水龙头上，打开龙头使水进入到第一水箱3内，并保持水龙头一直处于打开状态。

步骤2：连接温度和水循环控制装置的电源并打开电源开关；自动加水控制器21通过液位传感器8控制加水管12上的加水开关，使第一水箱内的水位至合适位置。

步骤3：将温度控制器17的温度设定为40℃；温度控制器17通过继电器18和水温传感器7联合控制电加热器5，对第一水箱3内的水进行加热。

步骤4：打开内部水循环泵开关19，第一水箱3内的两台水循环泵开始运转，通过箱内的水不断循环促进电加热器5周围的热量扩散，加速水温均匀。

步骤5：第一水箱3内的水温传感器7量测到箱内水温为40℃时，反馈至温度控制器17，通过继电器18关闭电加热器5，停止对箱内水进行加热；同时，温度控制器17打开连接管9上的连通开关，使40℃的恒温水流入第二水箱4。此时，第一水箱3内的水位下降，自动加水控制器21通过液位传感器8控制加水管12上的加水开关，使第一水箱内的水位至所需的位置；由于新加入水的温度较低，第一水箱内3内的水温将低于40℃，温度控制器17将关闭连接管9上的连通开关，同步地，温度控制器17通过继电器18和水温传感器7联合控制电加热器5，对第一水箱3内的水进行加热。如此反复几次，一直至第二水箱4内的40℃恒温水位至所需的位置。

步骤6：打开外部水循环泵开关20，第二水箱4内的水循环泵6使箱内水流入恒温热水罐22中；等恒温热水罐22内装满水后，由于压力的作用，多余的水将通过出水管24经过回水管11流入到第一水箱3内，再进行箱内水循环。如此，形成了实验装置的整个外部水循环，实验时其内部循环的恒温热水可提供恒定的热源温度，即实现自动控温加热水循环恒温控制。

Claims (1)

1.一种自动控温加热水循环恒温控制方法，其特征在于具体步骤为：

(1)设置一种自动控温加热的水循环恒温热源实验装置，由加热水箱、温度和水循环控制装置和恒温热水罐组成；加热水箱采用20L车载保温箱作为保温箱体，由绝热隔温有机玻璃板将水箱分为第一水箱和第二水箱；第一水箱的主要功能是使其内部的水温达到目标温度，内置电加热器、水循环泵、水温传感器和液位传感器；第二水箱用来储存达到目标温度的恒温水，内置水循环泵和水温传感器；第一水箱和第二水箱之间通过绝热隔温有机玻璃板上的连接管相通，其上的连通开关由第一水箱内部的水温传感器和外置的温度控制器控制；在保温箱体两侧壁开有四个圆孔，分别用来安装加水管、出水管、回水管和电缆线管；温度和水循环控制装置由电源开关、断电保护器、温度控制器、继电器、内部水循环泵开关、外部水循环泵开关和自动加水控制器构成，并集中安装在一块20mm厚有机玻璃板上；温度控制器设定预期目标温度，并通过继电器和水温传感器联合控制电加热器；自动加水控制器通过液位传感器控制加水开关；内部水循环泵开关控制加热水箱的内部水循环，外部水循环泵开关控制实验装置的外部水循环；断电保护器在线路发生过载、短路、欠压的情况下进行可靠的保护；恒温热水罐采用纯铜制成一个密封长方体，其顶部熔接一个进水管和一个出水管，分别通过绝热管路与加热水箱的出水管和回水管相连接，形成实验装置的外部水循环，实验时其内部循环的恒温热水能提供恒定的热源温度；

(2)将加水管用软塑料管连接到实验室水龙头上，打开龙头使水进入到第一水箱内，并保持水龙头一直处于打开状态；

(3)接通温度和水循环控制装置的电源并打开电源开关；自动加水控制器通过液位传感器控制加水管上的加水开关，使第一水箱内的水位至所需的位置；

(4)将温度控制器的温度设定为目标温度；温度控制器通过继电器和水温传感器联合控制电加热器，对第一水箱内的水进行加热；

(5)打开内部水循环泵开关，第一水箱内的水循环泵开始运转，通过箱内的水不断循环促进电加热器周围的热量扩散，加速水温均匀；

(6)第一水箱内的水温传感器测量到箱内水温为目标温度时，反馈至温度控制器，通过继电器关闭电加热器，停止对箱内水进行加热；同时，温度控制器打开连接管上的连通开关，使恒温水流入第二水箱；此时，第一水箱内的水位下降，自动加水控制器通过液位传感器控制加水管上的加水开关，使第一水箱内的水位至所需的位置；由于新加入水的温度较低，第一水箱内的水温将低于目标温度，温度控制器将关闭连接管上的连通开关，同步地，温度控制器通过继电器和水温传感器联合控制电加热器，对第一水箱内的水进行加热；如此反复几次，直至第二水箱内的恒温水位至所需的位置；

(7)打开外部水循环泵开关，第二水箱内的水循环泵使箱内水流入恒温热水罐中；等恒温热水罐内装满水后，由于压力的作用，多余的水将通过出水管经过回水管流入到第一水箱内，再进行箱内水循环；如此，形成实验装置的整个外部水循环，实验时其内部循环的恒温热水可提供恒定的热源温度，即实现自动控温加热水循环恒温控制。