CN109375674B - 一种气体介质热-功调节的恒温装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体介质热‑功调节的恒温装置，包括气缸、恒温室、第一管道、第二管道、电热丝、循环风机、温度传感器、气缸驱动机构、单片机控制系统；气缸驱动机构驱动气缸的活塞移动，第一、第二管道的一端均与气缸的无杆端相连通，第一管道的另一端和恒温室的一侧相连通，第二管道的另一端和恒温室的另一侧相连通，电热丝设置在第一管道内，循环风机设置在第二管道内，温度传感器设置在恒温室内，电热丝、循环风机、温度传感器以及气缸驱动机构均与单片机控制系统相连。本发明根据气体状态方程pV＝mRT，通过调节气腔体积调节气体温度，并利用电热补偿热耗散以及恢复压缩空间；本发明可以快速对环境的温度扰动做出响应，使恒温室内温度保持稳定。

Description

一种气体介质热-功调节的恒温装置

技术领域

本发明涉及恒温控制领域，具体涉及一种精确控制温度并对温度扰动作出快速响应的气体介质热-功调节的恒温装置。

背景技术

在精度要求较高的项目中，科研工作者与工业从业者需要将微弱的电信号进行运放，从而达到精准测量与控制的目的。但是在电信号运放的过程时，因环境温度、电路发热等引起的温度变化带来的干扰误差也很会被随之放大，严重影响之后的电信号处理与应用。为了严格控制过程中的温度变化，需要一种能够精确控制系统工作环境温度的运放系统。现有的恒温控制系统往往采用电加热技术，系统工质通常采用水或空气。目前的电加热技术中，这两种工质都存在着各自的问题：采用水作为介质时，由于水的比热容较大，装置的能耗较大，加热时间较长，难以对温度扰动做出即时响应；采用空气作为介质时，由于空气的比热容较小，且缺乏有效的降温手段，容易因干扰引起温度变化，装置难以稳定控制温度。因此需要寻求一种可以快速响应，抗干扰能力强，兼具升温与降温手段的温度控制装置。

发明内容

本发明 的目的在于提供一种气体介质热-功调节的恒温装置，解决了以往温度控制装置难以兼顾稳定性与即时性的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种气体介质热-功调节的恒温装置，包括气缸、恒温室、第一管道、第二管道、电热丝、循环风机、温度传感器、气缸驱动机构、单片机控制系统；气缸驱动机构驱动气缸的活塞移动，所述第一管道的一端和第二管道的一端均与气缸的无杆端相连通，第一管道的另一端和恒温室的一侧相连通，第二管道的另一端和恒温室的另一侧相连通，电热丝设置在第一管道内，循环风机设置在第二管道内，温度传感器设置在恒温室内，电热丝、循环风机、温度传感器以及气缸驱动机构均通过各自的驱动器与单片机控制系统相连。

进一步的，所述气缸包括固定连接的缸体与缸盖，缸体内滑动设置有活塞。

进一步的，所述活塞和缸体之间具有密封环。

进一步的，所述气缸驱动机构包括驱动电机、主动轮、从动轮、丝杠、丝杠套、位移传感器，所述驱动电机安装在缸盖上，驱动电机的传动轴上安装主动轮，丝杠的一端支承在缸盖上，从动轮固定安装在丝杠上，主动轮带动从动轮转动，丝杠外套接有丝杠套，丝杠和丝杠套啮合传动，丝杠套的下端固定连接在活塞上，驱动电机与单片机控制系统相连，位移传感器的基座固定在缸盖上，位移传感器的下端固定在活塞上，位移传感器将采集到的位移信号传递到单片机控制系统。

进一步的，所述主动轮和从动轮均为齿轮。

进一步的，所述第一管道的一端和第二管道的一端分别与气缸的无杆端相连通处位于气缸底部。

进一步的，所述恒温箱由恒温室与箱盖构成，恒温室与箱盖采用螺栓固定连接。

进一步的，包括电热丝驱动器、循环风扇驱动器以及驱动电机驱动器。

进一步的，所述气缸、恒温箱、第一管道以及第二管道外均裹有绝热层。

相比于现有技术，本发明的有益效果如下：本发明根据气体状态方程pV=mRT，通过调节气腔体积调节气体温度，并利用电热补偿热耗散以及恢复压缩空间；本发明可以快速对环境的温度扰动作出响应，使恒温室内温度保持稳定。本发明适用于对温度变化敏感，须消除外界温度扰动影响的装置。通过活塞使压缩室膨胀或被压缩，可以快速改变恒温室内的气体温度，对温度扰动作出快速响应；通过活塞驱动电机的正向或反向运行，控制压缩室被压缩或膨胀，使得本发明兼具升温与降温两种温度控制方法；通过单片机控制系统，使得装置具有较高的灵敏度，可以使恒温气腔内温度保持在设定值的±0.01℃之间，保证恒温气腔内温度稳定。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的控温电路系统图；

标号说明：缸体1，缸盖2，驱动电机3，传动轴4，主动轮5，从动轮6，丝杠7，丝杠套8，活塞9，密封环10，压缩室11，第一管道12，第二管道13，电热丝14，循环风扇15，恒温室16，箱盖17，温度传感器18，位移传感器19。

具体实施方式

为详细说明本发明 的技术内容、构造特性、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详细说明。

参照附图1与附图2，本发明提供一种气体介质热-功调节的恒温装置，包括气缸、恒温箱、第一管道12、第二管道13、电热丝14、循环风机15、温度传感器18、气缸驱动机构、单片机控制系统；气缸驱动机构驱动气缸的活塞9移动，所述第一管道12的一端和第二管道13的一端均与气缸的无杆端相连通，连通处位于气缸底部；第一管道12的另一端和恒温箱的一侧相连通，第二管道13的另一端和恒温箱的另一侧相连通，电热丝14设置在第一管道内，循环风机15设置在第二管道内，温度传感器18设置在恒温箱内，电热丝14、循环风机15、温度传感器18以及气缸驱动机构均与单片机控制系统电连接。所述气缸包括固定连接的缸体1与缸盖2，缸体内滑动设置有活塞9，气缸的无杆端即为压缩室11，所述活塞9和缸体1之间具有密封环10，以防止压缩室11内的气体泄漏。

所述气缸驱动机构包括驱动电机3、主动轮5、从动轮6、丝杠7、丝杠套8、位移传感器19，所述驱动电机3安装在缸盖2上，驱动电机3的传动轴4上安装主动轮5，丝杠7的一端支承在缸盖2上，从动轮6固定安装在丝杠7上，主动轮5带动从动轮6转动，丝杠7外套接有丝杠套8，丝杠7和丝杠套8啮合传动，丝杠套8的下端固定连接在活塞9上，驱动电机3与单片机控制系统相连，位移传感器19的基座固定在缸盖2上，位移传感器19的下端固定在活塞9上，位移传感器19将采集到的位移（活塞9的位移）信号传递给单片机控制系统。所述恒温箱由恒温室16与箱盖17构成，恒温室16与箱盖17采用螺栓固定连接。本实施例所述主动轮5和从动轮6均为齿轮。

所述气缸、恒温箱、第一管道以及第二管道外均裹有绝热层，以减少装置外部的温度扰动对装置的影响。温度传感器19可以是NTC热敏电阻、热电偶、半导体等；电热丝驱动器与循环风扇驱动器可以是三极管开关、MOS开关、继电器等；驱动电机驱动器可以是三极管开关、MOS开关、步进电机驱动器等；位移传感器可以是差分式位移传感器、霍尔式位移传感器、光电式位移传感器等。

本发明的工作要点如下：

工作时，参照附图2，恒温箱内的温度传感器18将电信号传递给单片机控制系统，单片机控制系统将根据温度传感器18的信号控制电热丝驱动器、循环风扇驱动器和驱动电机驱动器的工作状态。

工作时，参照附图2，循环风扇驱动器将稳定驱动循环风扇15工作，以促进压缩室11、第一管道12、第二管道13和恒温箱内的气体流动循环，直到工作结束。

工作时，参照附图2，温度传感器19测定恒温室的温度，并将温度信息传递给单片机控制系统。单片机控制系统根据气体状态方程pV=mRT，由恒温室温度与目标温度可以计算得到活塞位移量△x。当恒温室温度与目标温度不相同时，单片机控制系统控制驱动电机驱动器驱动驱动电机3正转或反转，使活塞9发生位移。位移传感器19检测活塞9的位移量，当活塞9位移量达到△x时，单片机控制系统控制驱动电机驱动器停止工作，进而使活塞9停止运动。此时再根据温度传感器18测定的恒温室温度进行一轮新的循环控制。

单片机控制系统控制驱动电机驱动器的工作状态，当恒温室温度低于设定温度时，驱动电机驱动器驱动驱动电机3正转，驱动电机3带动传动轴4正转，传动轴4带动主动轮5正转，主动轮5带动从动轮6正转，从动轮6带动丝杠套8正转，丝杠套8带动活塞9下行运动，压缩压缩室11内的气体，实现温度上升；当恒温室温度高于设定温度时，驱动电机驱动器驱动驱动电机3反转，驱动电机3带动传动轴4反转，传动轴4带动主动轮5反转，主动轮5带动从动轮6反转，从动轮6带动丝杠套8反转，丝杠套8带动活塞9上行运动，使压缩室11内的气体膨胀，实现温度下降。

单片机控制系统控制电热丝驱动器的工作状态，当恒温室温度低于设定温度时，电热丝驱动器驱动电热丝工作，加热气体；当恒温室温度高于设定温度时，电热丝驱动器不工作。

单片机控制系统控制循环风扇驱动器的工作状态，当处于工作状态时，循环风扇驱动器即驱动循环风扇开始工作，促进压缩室11与恒温室16中的气体流动，使压缩室11与恒温室16中的气体温度处处相等。以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种气体介质热-功调节的恒温装置，其特征在于，包括气缸、恒温箱、第一管道、第二管道、电热丝、循环风机、温度传感器、气缸驱动机构、单片机控制系统；气缸驱动机构驱动气缸的活塞移动，所述第一管道的一端和第二管道的一端均与气缸的无杆端相连通，第一管道的另一端和恒温箱的一侧相连通，第二管道的另一端和恒温箱的另一侧相连通，电热丝设置在第一管道内，循环风机设置在第二管道内，温度传感器设置在恒温箱内，电热丝、循环风机、温度传感器以及气缸驱动机构均通过各自的驱动器与单片机控制系统相连；

所述气缸包括固定连接的缸体与缸盖，缸体内滑动设置有活塞；

所述活塞和缸体之间具有密封环；

所述气缸驱动机构包括驱动电机、主动轮、从动轮、丝杠、丝杠套、位移传感器，所述驱动电机安装在缸盖上，驱动电机的传动轴上安装主动轮，丝杠的一端支承在缸盖上，从动轮固定安装在丝杠上，主动轮带动从动轮转动，丝杠外套接有丝杠套，丝杠和丝杠套啮合传动，丝杠套的下端固定连接在活塞上，驱动电机与单片机控制系统相连，位移传感器的基座固定在缸盖上，位移传感器的下端固定在活塞上，位移传感器将采集到的位移信号传递到单片机控制系统。

2.根据权利要求1所述一种气体介质热-功调节的恒温装置，其特征在于，所述主动轮和从动轮均为齿轮。

3.根据权利要求1所述一种气体介质热-功调节的恒温装置，其特征在于，所述第一管道的一端和第二管道的一端分别与气缸的无杆端相连通处位于气缸底部。

4.根据权利要求1所述一种气体介质热-功调节的恒温装置，其特征在于，所述恒温箱由恒温室与箱盖构成，恒温室与箱盖采用螺栓固定连接。

5.根据权利要求1所述一种气体介质热-功调节的恒温装置，其特征在于，包括电热丝驱动器、循环风扇驱动器以及驱动电机驱动器。

6.根据权利要求1所述一种气体介质热-功调节的恒温装置，其特征在于，所述气缸、恒温箱、第一管道以及第二管道外均裹有绝热层。

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