CN109270972A - 一种恒温控制装置 - Google Patents

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赵寅
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Abstract

本发明实施例提供一种恒温控制装置，该装置包括：第一温控模块和第二温控模块；所述第一温控模块用于在第一封闭空间中为目标物体提供恒定的预设温度；所述第二温控模块用于在第二封闭空间中为所述目标物体提供恒定的目标温度，所述预设温度小于所述目标温度，所述目标物体位于所述第二封闭空间内，所述第二封闭空间位于所述第一封闭空间内。本发明实施例提供的一种恒温控制装置，通过两级温度控制方式来提高目标物体所处环境的温度稳定性，通过第二温控装置和第一温控装置采用逐层递进的方式的增加控制温度，使得恒温控制装置提供的温度更加稳定。

Description

一种恒温控制装置
技术领域
本发明实施例涉及恒温控制技术领域，尤其涉及一种恒温控制装置。
背景技术
在高精度微小惯性加速度测量系统中，要求加速度测量装置的精度优于1×10-5m/s2，常用的惯性级石英绕性加速度测量装置因为误差很难满足高精度加速度测量的要求，需进行误差补偿才能达到要求。
主要误差来源于加速度测量装置本身的物理结构引起的误差以及温度、振动等环境因素的影响。在各种误差中，温度变化引起的加速度输出漂移是主要误差来源之一。为了使石英挠性加速度计精度达到指标要求，并且考虑到系统的工程实用性，需要对加速度计进行精密温度控制。
发明内容
本发明实施例提供一种恒温控制装置，用以解决现有技术中对加速度计的测量精度容易受到温度影响的问题。
本发明实施例提供一种恒温控制装置，包括：第一温控模块和第二温控模块；
所述第一温控模块用于在第一封闭空间中为目标物体提供恒定的预设温度；
所述第二温控模块用于在第二封闭空间中为所述目标物体提供恒定的目标温度，所述预设温度小于所述目标温度，所述目标物体位于所述第二封闭空间内，所述第二封闭空间位于所述第一封闭空间内。
本发明实施例提供的一种恒温控制装置，通过两级温度控制方式来提高目标物体所处环境的温度稳定性，通过第二温控装置和第一温控装置采用逐层递进的方式的增加控制温度，使得恒温控制装置提供的温度更加稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种恒温控制装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例以目标物体为加速度计为例进行说明，温度主要影响石英挠性加速度计的标度因数和零偏。在加速度计工作过程中，造成表头温度变化的原因主要有两个：
一是在系统启动后，加速度测量系统内部温度会逐渐升高，一般工作一两个小时后达到稳定状态，系统温度变化自然会引起加速度计工作温度的变化。
二是由于力矩器线圈在通反馈电流时自身发热造成的表头温度变化，并且由于力矩器的功耗与电流的平方成正比，也就是与输入加速度的平方成正比，因此，由功耗引起的热效应是输入加速度的函数。
通过温度控制不但可以减小零偏和刻度因子的温度误差，而且也会减小加速度计的测量噪声。进行温度控制后，系统标定可以在一个稳定的温度点上进行，因此不再需要复杂的温度误差模型。
加速度计为达到测量精度对温度控制精度的要求如表1所示，为使加速度计的零偏稳定性达到0.5×10-6g、标度因数稳定性到达0.5ppm，要求温控精度达到±0.1℃。
表1加速度计对温控精度的要求
温度敏感度取值 温控精度
零偏 5μg/℃ 0.1℃
标度因数 5ppm/℃ 0.1℃
综合 0.1℃
由于系统工作环境复杂，温度变化范围大(0℃-50℃)，瞬态环境温度波动较为剧烈，导致精密温度控制难度很大，采用常规的一级温度控制方案难以实现温控要求。为实现±0.1℃的加速度计温控精度要求，需要设计两级精密温控结构。
图1为本发明实施例一种恒温控制装置的结构示意图，如图1所示，该装置包括：第一温控模块和第二温控模块；
所述第一温控模块用于在第一封闭空间中为目标物体提供恒定的预设温度；
所述第二温控模块用于在第二封闭空间中为所述目标物体提供恒定的目标温度，所述预设温度小于所述目标温度，所述目标物体位于所述第二封闭空间内，所述第二封闭空间位于所述第一封闭空间内。
本发明实施例提供的恒温控制装置，通过两级温度控制模块为目标物体提供恒定的环境温度，这两级温度控制模块分别为第一温控模块和第二温控模块，第一温控模块在第一封闭空间中为目标物体提供一个恒定的预设温度，第二温控模块在第二封闭空间中为目标物体提供一个恒定的目标温度，预设温度和目标温度之间形成温度差，且目标物体位于第二封闭空间内，第二封闭空间位于第一封闭空间内。
该恒温控制装置用来为该加速度计提供恒定的温度环境，该加速度计对温度变化的要求是：加速度环境温度变化小于±0.1℃，其长期温度漂移能够减少到10-7g的量级。
一般地，由于加速度测量系统工作环境复杂，温度变化范围较大，瞬态环境波动较为剧烈，导致精密温度控制难度很大，采用常规的一级温度控制方案难以实现温控要求。
为实现±0.1℃的加速度计温控精度要求，需要设计两级精密温控结构。通过温控仿真计算，采用两级温控可以保证加速度传感部分的温度稳定精度达到要求。
本发明实施例中第一温控模块温度稳定精度设计为±0.5℃，预期将温度控制在30℃，也就是第一温控模块在第一封闭空间中为目标物体提供30℃的恒定温度，第二温控模块的温度精度设计为加速度计目标精度±0.1℃，预期将温度控制在50℃，也就是第二温控模块在第二封闭空间中为目标物体提供50℃的恒定温度，与第一级温控环境保持一定温差，通过这种递进式恒温方式来实现温度的恒温控制，为加速度计提供一个稳定的温度环境。
本发明实施例提供的一种恒温控制装置，通过两级温度控制方式来提高目标物体所处环境的温度稳定性，通过第二温控装置和第一温控装置采用逐层递进的方式的增加控制温度，使得恒温控制装置提供的温度更加稳定。
在上述实施例的基础上，优选地，所述第二温控模块采用PI控制实现对温度的控制。
具体地，第二温控模块采用PI算法来实现对第二封闭空间内的温度的控制。
需要说明的是，PI算法中，P表示比例控制，是一种最简单的控制方式，其控制器的输出信号与输入信号成比例关系，当仅有比例控制时，系统输出存在稳态误差，I表示积分控制，在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。
在上述实施例的基础上，优选地，所述PI控制的增量式算法如下：
Un＝Un-1+Kp(En-En-1)+KIEn，
其中，Un表示PI第n次的输出控制量，Un-1表示PI第n-1次的输出控制量，Kp表示比例系数，KI表示积分系数，En表示第n次温度误差，En-1表示第n-1次温度误差。
从该式子中可以看出，第二控制模块在上一次的温度误差和这次的温度误差的基础上进行调节，使得第二封闭空间内的温度更加的接近于目标温度。
当加速度测量系统刚开机工作时，由于偏差较大，容易产生积分饱和，因此取消积分作用，主要是比例作用，加快系统的响应时间；当系统温度接近设定值时，才加入积分作用，以消除稳态误差，提高精度。
本发明实施例通过PI控制算法，相比传统的控制方式，控制精度大大的提高，并且，一旦第二封闭空间内的温度偏离目标温度，通过PI调节就可以使第二封闭空间内的温度慢慢趋于目标温度，实现温度的动态调节。
在上述实施例的基础上，优选地，所述第一温控模块包括第一温度传感器、第一控制单元和第一温度控制件；
所述第一控制单元根据所述第一温度传感器采集的温度与所述预设温度之间的差值，控制电流的大小和方向；
所述第一温度控制件根据所述电流的大小和方向，实现制冷或制热。
具体地，所谓的温度控制件，是指通过控制可以实现制冷或者是制热的器件。第一温控模块采用数字温度传感器DS18B20作为温度测量传感器，采用热电制冷器(TEC)作为温度控制件，改变控制电流大小和流向可以利用热电制冷器实现不同功率的制冷或制热。
在上述实施例的基础上，优选地，所述第二温控模块包括第二温度传感器、第二控制单元和第二温度控制件；
所述第二控制单元根据所述第二温度传感器采集的温度与所述预设温度之间的差值，控制电流的大小和方向；
所述第二温度控制件根据所述电流的大小和方向，实现制冷或制热。
第二温控模块采用铂电阻作为温度测量传感器，采用薄膜加热片作为温度控制件，包裹着加速度计第一层屏蔽层，改变控制电流的大小实现不同的加热功率。
在上述实施例的基础上，优选地，所述第一温度传感器为DS18B20，所述第一温度控制件为半导体制冷器。
需要说明的是，半导体制冷器是指利用半导体的热-电效应制取冷量的器件，又称热电制冷器。用导体连接两块不同的金属,接通直流电,则一个接点处温度降低，另一个接点处温度升高。
在上述实施例的基础上，优选地，所述第二温控模块的温度传感器为铂电阻，所述第二温度控制件为薄膜加热片。
所谓的薄膜加热片主要是由镍络合金电热丝和绝缘膜组成的薄膜加热片。
当目标物体为加速度计时，为了减小加速度计和测量电路的温漂，提高测量精度，要求对加速度计和测量电路进行温度控制，温度控制电路包括温度测量和大功率驱动电路。
测量电路的温度测量采用数字式温度传感器DS1631，测量精度±0.5℃，通过I2C与数字处理器进行通信。测量电路的温度控制器采用热电制冷器TEC，具有体积小、噪声小、安全性好等优点，驱动电路采用集成TEC驱动芯片MAX1968，具有外围电路简单，可靠性高的优点。
加速度计有两级精密温控电路，分别为第一温控模块和第二温控模块。
第一温控模块采用一线制数字温度传感器DS18B20，电路简单，数据传输连线简单，精度±0.5℃。
第二温控模块采用铂电阻测温电路，测量精度优于0.1℃。由运放组成的电路提供恒流，仪表运放INA129测量铂电阻两端电压。
在上述实施例的基础上，具体地，所述第一温控模块外面还包括保温层。
具体地，所述保温层的材料为聚氨酯。
聚氨酯的厚度为10mm。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种恒温控制装置，其特征在于，包括：第一温控模块和第二温控模块；
所述第一温控模块用于在第一封闭空间中为目标物体提供恒定的预设温度；
所述第二温控模块用于在第二封闭空间中为所述目标物体提供恒定的目标温度，所述预设温度小于所述目标温度，所述目标物体位于所述第二封闭空间内，所述第二封闭空间位于所述第一封闭空间内。
2.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述第二温控模块采用PI控制实现对温度的控制。
3.根据权利要求2所述装置，其特征在于，所述PI控制的增量式算法如下：
Un＝Un-1+Kp(En-En-1)+KIEn，
其中，Un表示PI第n次的输出控制量，Un-1表示PI第n-1次的输出控制量，Kp表示比例系数，KI表示积分系数，En表示第n次温度误差，En-1表示第n-1次温度误差。
4.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述第一温控模块包括第一温度传感器、第一控制单元和第一温度控制件；
所述第一控制单元根据所述第一温度传感器采集的温度与所述预设温度之间的差值，控制电流的大小和方向；
所述第一温度控制件根据所述电流的大小和方向，实现制冷或制热。
5.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述第二温控模块包括第二温度传感器、第二控制单元和第二温度控制件；
所述第二控制单元根据所述第二温度传感器采集的温度与所述预设温度之间的差值，控制电流的大小和方向；
所述第二温度控制件根据所述电流的大小和方向，实现制冷或制热。
6.根据权利要求4所述装置，其特征在于，所述第一温度传感器为DS18B20，所述第一温度控制件为半导体制冷器。
7.根据权利要求5所述装置，其特征在于，所述第二温控模块的温度传感器为铂电阻，所述第二温度控制件为薄膜加热片。
8.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述第一温控模块外面还包括保温层。
9.根据权利要求8所述装置，其特征在于，所述保温层的材料为聚氨酯。
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