CN110764554A - 一种应用在分光光度计法分析仪器中的温度控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋分析领域，公开了一种应用在分光光度计法分析仪器中的温度控制系统及方法。此种温度控制系统结构简单，应用广泛。此种温度控制方法通过对温升和电压的定标，根据得出的函数采用具体的电压进行升温和恒温控制，稳定输出，同时温度控制功能占用CPU的时间也较少。此外，此种温度控制方法通过可编程电阻调节可调电压源芯片的输出电压，即调节电热丝的电压来调节恒温精度控制，精度较高。

Description

一种应用在分光光度计法分析仪器中的温度控制系统及方法

技术领域

本发明涉及海洋分析领域，尤其涉及一种应用在分光光度计法分析仪器中的温度控制系统及方法。

背景技术

分光光度计法是通过溶液的吸光度值来测量溶液浓度的一种方法，其最主要的理论依据是琅勃比尔定律。为了应用分光光度计法，需要根据待测物质的特性，选取一种或几种化学试剂，按照一定的顺序和时间要求，与样本进行化学反应，产生带有一定吸光度的显色溶液，然后应用琅勃比尔定律公式，求导出待测物质的摩尔浓度(或质量浓度)。在应用该方法中，化学反应时的温度对结果的准确性和精确性有重要影响，为此，一般都会存在一个温度控制单元，完成温度控制功能。温度控制得越稳定，化学反应的一致性越好，精度越高。一般来说，会将化学反应的温度设定在某一固定温度，该温度等于或稍高于待测样本的最高温度。同时，较高的化学反应温度也会增加化学反应速度和活化分子百分比。

应用分光光度计法时，温度控制功能可以分为两个阶段：升温阶段和恒温阶段。其中，升温阶段是指将待测样本从较低温度加温到目标温度的阶段，该阶段时间不应过长，在很多应用过程中，只存在一次升温阶段；恒温阶段是指到达目标温度后，保持化学反应温度在目标温度上下浮动的阶段，一般来说，仪器绝大多数时间的工作在恒温阶段，恒温阶段的控制精度，直接决定了化学反应的程度是否稳定。

在绝大多数应用中，恒温阶段是温度控制的重点，其要求是：1)恒温精度要求高，即最高和最低温度温差尽量小；2)CPU占用时间少，减少CPU负荷；3)控制方式简单易用，能够适用于多种情况。

升温阶段是温度控制的组成部分，只要满足以下要求即可：1)到达恒温时间尽量短；2)升温时没有大的温度过冲现象。

目前，有两种温度控制方式在仪器中得到广泛应用，即PWM控制方式和PID控制方式。

1)PWM控制方式

PWM(Pulse Width Modulation)控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。PWM控制方式有其自身优点：电路设计简单；控制方式简单，而且可以实时调整。但是，PWM控制方式也有其固有缺点：由于PWM控制的电压一般较大，在恒温阶段提供的热量较大，很容易超出所需温度控制精度；要实现微秒级的精确控制时，CPU占用时间长，无法兼顾其他功能的执行；电源负荷经常突变，影响其他信号稳定性，并对电源有潜在损伤。

2)PID控制法

PID控制器(比例-积分-微分控制器)是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。

PID控制法的优点包括：应用范围广泛，系统适应性强；能够消除温度上的过冲现象；相对应的，PID也有自身的缺点：系统设计复杂，需要根据系统特点设定模型参数，并实时调整参数以适应系统变化，需要一定的时间进行调整；需要复杂的硬件基础，才能完全发回PID的功效，在对体积、复杂程度、功耗有一定要求的仪器，应用受限；到达满足需要的恒温阶段时间受限；系统重要变量改变时，难以迅速调整。

因此，需要一种提高仪器的恒温精度，同时当样本变化时，快速调整，降低恒温调整时间的温度控制方法和系统。

发明内容

本发明主要是解决上述现有技术所存在的技术问题，提供一种应用在分光光度计法分析仪器中的温度控制系统。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案，一种应用在分光光度计法分析仪器中的温度控制系统，包括水管和可编程处理器芯片，还包括缠绕在水管上的加热丝、设于水管处的温度传感器、与加热丝电连接的可调电压源芯片，所述可调电压源芯片的输出电压由至少一个可编程电阻器调节，所述温度传感器可与可编程处理器芯片电连接，所述可调电压源芯片与可编程处理器芯片电连接。

进一步的，所述温度传感器包括两个热敏电阻，分别设于水管出水口和入水口用于测量液体的初始温度和加热后温度。

本发明还提供一种应用在分光光度计法分析仪器中的温度控制方法，包括以下步骤：

1)、在应用状态，进行温升-电压关系测量并进行记录，拟合温升-电压关系曲线，并将原始数据和曲线公式存入可编程处理器芯片中；

2)、根据步骤1)中的温升-电压关系曲线，应用所需的升温电压，加热直至目标温度范围；

3)、根据步骤1)中的温升-电压关系曲线，应用所需的恒温电压，保持温度在目标温度范围内；

4)、通过温度传感器实时监测液体加热后温度，可编程处理器芯片根据加热后温度和目标温度差，调节可编程电阻器，对输出电压进行微调，保证电压在允许范围内波动。

进一步的，所述步骤1)中保持流速为不同的确定值进行多次测量并进行记录，拟合各条温升-电压关系曲线，并将原始数据和曲线公式存入可编程处理器芯片中。

进一步的，所述步骤1)为在加热丝电阻、水管长度、水管截面积不变的情况下，对加热丝施加不同的电压，并测量得到响应的温升，经过多点采样后，通过拟合，得到电压和温升之间的函数关系。

有益效果

本发明提供了应用在分光光度计法分析仪器中的温度控制系统和方法，具备以下有益效果：

(1)、系统结构简单，应用广泛。

(2)、通过对温升和电压的定标，根据得出的函数采用具体的电压进行升温和恒温控制，稳定输出，同时温度控制功能占用CPU的时间也较少。

(3)、通过可编程电阻调节可调电压源芯片的输出电压，即调节电热丝的电压来调节恒温精度控制，精度较高。

附图说明

图1为本发明可调电压源芯片的电路图；

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：

温控系统包括以下部分：

1)水管——水管是加热部件中容纳液体的部分，其内部的液体的横截面积为S，水管长度为L，在仪器设计阶段，根据现场应用需求，确定S和L的值；

2)加热丝——加热丝缠绕在水管上，外部由绝缘层保护，作为加热源，为液体加热，其两端电压为v，电阻为R。在仪器设计阶段，根据现场应用需求，确定R值，以及v的最大值和最小值；

3)电源及控制电路——为加热丝提供电压，此处采用可调电压源芯片，其输出电压由两个电阻的比值确定，可以在v的最大值和最小值之间进行调整。其中一个电阻为可编程电阻器，可以在控制电路的作用下，实时改变电阻值，调整电源输出电压；

4)温度传感器——包括两个热敏电阻，分别位于水管的入水口和出水口，用于测量液体的初始温度和加热后温度。

5)可编程处理器芯片——分光光度计法分析仪器的CPU。

、与分光光度计法分析仪器的CPU与温度传感器芯片电连接，可调电压源芯片与分光光度计法分析仪器的CPU电连接，便与调整控制加于电热丝的电压，可采用通用的通信及外设设备。

电源及控制电路的电路图如图1所示：U₁是电源芯片，用于产生加热丝的加热电压Vout，其中，Vin是芯片输入电压，Vout是芯片输出电压，Vout的值满足公式

公式中，Vt是U₁的3脚的电压，是一个固定值，R₁、R₂是分压电阻，R₂由可编程电阻器U₂的A端和W端电压决定，SCL、SDA、ADDR和nRESET为控制器控制引脚。其余电阻R₃、R₄及电容C₁、C₂、C₃为配置阻容，可根据具体应用增减。

以下，为突出加热电压Vout的实时可调特性，将其改写为v。

加热丝的功率为

在某一非常短的时间段Δt内，加热丝传递给液体的热量为

其中，α是加热丝传递给液体的热量占加热丝功率的比值，它会随着加热丝温度与液体温度的温差的变化而改变，温差越大，比值越大。

根据热量和温升之间的关系，加热丝会使液体温度升高T_升，如下式

ΔQ_升＝c*m*T_升＝c*ρ*S*L*T_升

其中，c是液体的比热容；m是液体的质量；S是水管中液体的横截面，L是水管中液体长度；ρ是液体的密度；

综合以上两式，可得

同理，在仪器工作过程中，也存在使液体温度下降的影响因素，在本发明中，不包含主动散热部分，只包括被动散热部分，其影响因素是仪器的热设计和外界气温，由于其影响较小，且波动范围不大，可以将二者的影响合并为一个值，统一计算，可见

ΔQ_降＝c*ρ*S*L*T_降＝βΔt

其中，β代表在微小时间段Δt内的温度改变，与α类似，是一个随着温度差改变而改变的值。由上式可得

综合微小时间段Δt内的升温和降温影响，可得到温度变化应为

对上式进行分析可知，在液体质量、加热丝电阻的情况下，在每一个微小时间段Δt内，总能对加热丝的电压进行调节，使得电压v满足：

此时，温度不变。

温度控制系统设计时，有以下关键步骤：

1)标定温升和电压之间的关系

根据下式

可得，由于仪器热设计、加热丝电阻、外部环境温度都无法通过电路进行计算，因此加热丝电压v的无法通过理论计算，在仪器应用过程中，可以使用试验的方法确定。也就是说，对加热丝的电压和液体的温升进行标定，即在加热丝电阻、水管长度、水管截面积不变的情况下，对加热丝施加不同的电压，并测量得到响应的温升，经过多点采样后，通过拟合，得到两者之间的函数关系，一般来说，此关系为二次曲线。

2)确定温升的动态范围

根据仪器现场应用条件，可以估算出液体初始温度的范围，进一步可以确定它们到目标温度所具有的温差。

例如，在某应用中，液体温度范围是5-35℃，目标温度为35℃，那么最大温差范围就是0-30℃。

3)确定加热丝电压的动态范围

在温升-电压关系曲线上，根据温升的动态范围，找到对应的电压值范围，该电压值可以在恒温阶段直接应，可确保温度会落在目标温度附近。

当液体质量比较小时，达到同样的温升所需要的时间也较小，可以直接使用恒温段的电压进行加热。在大多数情况下，可以直接使用恒温段电压对液体加热。

当液体质量比较大时，温升所需时间较长，如果对温升时间要求严格，可以根据具体的时间要求提高电压，缩短时间。

综合比较恒温电压和升温电压，得到加热丝电压的动态范围。为了保证电压的动态范围完全可控，可以将电压的动态范围进一步扩展，例如，最低电压降低最低电压的20％，最高电压增加最高电压的20％。

4)确定可编程电阻器的电阻值

加热丝的电压由开关电源提供，其电压满足下式：

其中，v是加热丝电压，也是电源输出电压；V_T是电压反馈点的电压，一般是一个固定值；R₂为输出节点与反馈点的比例电阻；R₁为反馈点与地之间的比例电阻。此处R₂由可编程电阻器实现，可以由单片机动态控制，根据需要进行调整。

把输出电压最高值和最低值，分别带入上式，即可确定R₂和R₁的比值范围，R₁和R₂满足的是比例关系，R₁可以有很多值满足比例关系，一般选择R₁的值在一至几十k之间即可。R₁确定好后，可以求出R₂的最大值。

5)确定可编程电阻器的位数

在恒温阶段，一般都需要根据需要给出允许温度浮动的范围，对于温度要求不严格的应用，可能只需要满足1℃即可，在需要更高精度的应用中，0.1℃甚至更低都有可能。

假设目标温度为T，允许的温度范围是T±θ，可以由温度-电压曲线，得到T+θ和T-θ相对应的电压值V_T+θ和V_T-θ，这两个电压与目标温度T对应的电压V_T之间的电压差分别为V_+θ和V_-θ。

那么可编程电阻器的位数N应该满足：

由此，可确定满足温度波动范围内的电阻器的位数。

实施例2：

当液体在水管中静止不动时，液体处于静止状态，实施例1中的各步骤及推导公式完全适用。在应用过程中，温度控制方法，包括以下步骤：

1)、在应用状态，进行温升-电压关系测量并进行记录，拟合温升-电压关系曲线，并将原始数据和曲线公式存入可编程处理器芯片中；

2)、根据步骤1)中的温升-电压关系曲线，应用所需的升温电压，加热直至目标温度范围；

3)、根据步骤1)中的温升-电压关系曲线，应用所需的恒温电压，保持温度在目标温度范围内；

4)、通过温度传感器实时监测液体加热后温度，可编程处理器芯片根据加热后温度和目标温度差，调节可编程电阻器，对输出电压进行微调，保证电压在允许范围内波动。

实施例3：

当水管中的液体开始流动时，需要对之前的热力学模型进行进一步分解，以确定影响因素。考虑在微小时间段Δt内进入水管的液体部分的温升，如下

其中，A为液体的流速，在大多数应用中，是一个常数。

可见，液体动态流动时，实施例1中的各步骤及推导公式基础上，影响温差的因素增加了一个液体的流速。

在应用过程中，温度控制方法，包括以下步骤：

1)保持流速为不同的确定值进行多次测量并进行记录，拟合各条温升-电压关系曲线，并将原始数据和曲线公式存入可编程处理器芯片中；

2)、根据步骤1)中的温升-电压关系曲线，应用所需的升温电压，加热直至目标温度范围；

3)、根据步骤1)中的温升-电压关系曲线，应用所需的恒温电压，保持温度在目标温度范围内；

4)、通过温度传感器实时监测液体加热后温度，可编程处理器芯片根据加热后温度和目标温度差，调节可编程电阻器，对输出电压进行微调，保证电压在允许范围内波动。

最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均应认为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种应用在分光光度计法分析仪器中的温度控制系统，包括可编程处理器芯片和水管，其特征在于：还包括缠绕在水管上的加热丝、设于水管处的温度传感器、与加热丝电连接的可调电压源芯片，所述可调电压源芯片的输出电压由至少一个可编程电阻器调节，所述温度传感器与可编程处理器芯片电连接，所述可调电压源芯片与可编程处理器芯片电连接。

2.根据权利要求1所述的一种应用在分光光度计法分析仪器中的温度控制系统，其特征在于：所述温度传感器包括两个热敏电阻，分别设于水管出水口和入水口，用于测量液体的初始温度和加热后温度。

3.一种应用在分光光度计法分析仪器中的温度控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)、在应用状态，进行温升-电压关系测量并进行记录，拟合温升-电压关系曲线，并将原始数据和曲线公式存入可编程处理器芯片中；

2)、根据步骤1)中的温升-电压关系曲线，应用所需的升温电压，加热直至目标温度范围；

3)、根据步骤1)中的温升-电压关系曲线，应用所需的恒温电压，保持温度在目标温度范围内；

4)、通过温度传感器实时监测液体加热后温度，可编程处理器芯片根据加热后温度和目标温度差，调节可编程电阻器，对输出电压进行微调，保证电压在允许范围内波动。

4.根据权利要求3所述的一种应用在分光光度计法分析仪器中的温度控制方法，其特征在于：所述步骤1)中保持流速为不同的确定值进行多次测量并进行记录，拟合各条温升-电压关系曲线，并将原始数据和曲线公式存入可编程处理器芯片中。

5.根据权利要求3或4所述的一种应用在分光光度计法分析仪器中的温度控制方法，其特征在于：所述步骤1)为在加热丝电阻、水管长度、水管截面积不变的情况下，对加热丝施加不同的电压，并测量得到响应的温升，经过多点采样后，通过拟合，得到电压和温升之间的函数关系。

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