CN113056042A - 一种闭环控制光纤加热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种闭环控制光纤加热装置，包括微控制器、三态驱动器、功率级同步降压转换器、碳纤维发热线、比例放大电路和串口通信电路，其中MCU通过三态驱动器使能或者禁用功率级同步降压转换器，使能状态下通过脉冲宽度调制调节功率级同步降压转换器的输出电压，禁止状态下功率级同步降压转换器的输出电压为零；功率级同步降压转换器输出电压连接至碳纤维发热线两端，传感光纤与碳纤维发热线并列布设，由碳纤维发热线对传感光纤进行加热；本发明驱动高功率密度的功率级同步降压转换器通过碳纤维发热线对传感光纤进行加热，具有加热电压功率大，加热过程响应速度快、控制精度高，体积小易于集成等优点，可用于分布式光纤液位测量中传感光纤的加热。
Description
技术领域
本发明涉及一种闭环控制光纤加热装置，属于光纤加热技术领域。
背景技术
超低温液体在航天、石油、化工、医药和制冷等技术领域获得了广泛应用，例如液氢和液氧常被用作弹道导弹和运载火箭推进剂，液氮和液氦以其优良的制冷特性被用于疫苗的超低温冷藏等，相应的针对超低温液体的液位测量技术成为工程应用中的重点研究方向。
目前针对密闭容器内超低温液体的液位测量技术大致包含三类：
(1)压差式液位计因其自身结构在超低温液体流入液相引导管时容易因吸收热量汽化导致气液共存现象，引起液位的不稳定和读数误差；
(2)超低温二极管温度计具有良好的测温精度，温度分辨率可达0.1℃，可以有效地鉴别液面附近的温度差进行液位测量，但是需要离散地布设在贮存容器内，且每一个温度计都需要引出若干导线，当布设数量增加时系统的复杂度迅速提高，因此受限于温度计数量，液位测量精度难以提高；
(3)基于光时域反射(OFDR)或布拉格光栅传感器(FBG)的分布式光纤液位测量技术将传感光纤浸没于超低温液体中，通过测量传感光纤加热过程中液面附近不同介质的温度变化特性来获取液面位置，具有空间分辨率高、抗电磁干扰、布设简单等优点，同时也对光纤加热装置提出了过程可控、大功率、小型化等要求。目前光纤加热装置大致分为两类：
(1)利用线性稳压电源对发热线进行加热，此方案输出功率较大，但是无法实现自动控制，且稳压电源体积较大难以集成；
(2)利用USB接口电压对发热线进行加热，上位机通过开关USB供电来控制发热线的加热状态，该方案可以实现“上位机-USB加热装置”的闭环控制，但是由于USB供电电压固定为5V，无法通过改变电压调整发热线的发热功率，且USB接口的输出电流通常在500mA以内，输出功率偏低，无法用于大型容器内的液位测量。
发明内容
本发明解决的技术问题为：本发明突破了现有技术中“高加热功率”和“自动控制”不可兼得的困境，同时具备了加热功率大，体积小和加热过程自动闭环可控的特点，易于产品集成。
本发明解决的技术方案为：一种闭环控制光纤加热装置，包括：微控制器(MCU)(1)、三态驱动器(2)、功率级同步降压转换器(3)、碳纤维发热线(4)、比例放大电路(5)和串口通信电路(6)；
MCU(1)能够通过串口通信电路(6)与外部调制解调仪通信，外部调制解调仪能够设定功率级同步降压转换器(3)的目标输出电压，通过串口通信电路(6)送至微控制器(MCU)(1)
其中MCU(1)通过三态驱动器(2)控制功率级同步降压转换器(3)处于使能状态或者禁用状态；功率级同步降压转换器(3)在使能状态下，由MCU(1)调节功率级同步降压转换器(3)的输出电压；功率级同步降压转换器(3)在禁用状态下，功率级同步降压转换器(3)的输出电压为零；功率级同步降压转换器(3)输出电压的正负端分别连接碳纤维发热线(4)两端，传感光纤与碳纤维发热线(4)并列布设，由碳纤维发热线(4)对传感光纤进行加热；比例放大电路(5)采集功率级同步降压转换器(3)的输出电压，对功率级同步降压转换器(3)的输出电压进行幅度调整后输出至MCU(1)；MCU(1)根据幅度调整后的功率级同步降压转换器(3)的输出电压，通过PID闭环控制，控制功率级同步降压转换器(3)的输出电压，使功率级同步降压转换器(3)的输出电压稳定到设定的目标输出电压。
优选的，MCU(1)，包括：内部定时器模块；MCU(1)通过内部定时器模块产生PWM波形；MCU(1)具有波形输出引脚和IO引脚，MCU(1)的波形输出引脚连接至三态驱动器(2)输入端，MCU(1)的IO引脚连接至三态驱动器(2)使能端，通过三态驱动器(2)使能端控制三态驱动器(2)的输出端输出PWM波形或者处于高阻状态。
优选的，功率级同步降压转换器(3)具有PWM驱动端；三态驱动器(2)输出端连接至功率级同步降压转换器(3)的PWM驱动端，当PWM驱动端处于高阻状态时，功率级同步降压转换器(3)输出关闭，输出电压为0；当PWM驱动端输入PWM波形时，根据预先设定的输入PWM波形对应的直流电压值，由功率级同步降压转换器(3)输出与对应的直流电压。
优选的，MCU(1)具有ADC引脚；比例放大电路(5)输入为功率级同步降压转换器(3)的输出电压，比例放大电路(5)输出连接至MCU(1)的ADC引脚进行采样，MCU(1)通过PID闭环控制调整MCU(1)输出PWM波形占空比，使得功率级同步降压转换器(3)输出电压稳定到设定的目标输出电压。
优选的，传感光纤与碳纤维发热线(4)并列布设，传感光纤的两端能够连接外部调制解调仪，由碳纤维发热线(4)对传感光纤进行加热，MCU(1)通过三态驱动器(2)、功率级同步降压转换器(3)改变碳纤维发热线(4)两端的电压控制碳纤维发热线(4)的发热功率。
优选的，外部调制解调仪能够设定功率级同步降压转换器(3)的目标输出电压，通过串口通信电路(6)送至微控制器(MCU)(1)；
微控制器(MCU)(1)根据设定的功率级同步降压转换器(3)的目标输出电压，通过三态驱动器(2)控制功率级同步降压转换器(3)的输出电压，调整碳纤维发热线(4)发热功率，从而控制传感光纤加热状态。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明涉及一种闭环控制光纤加热装置，作为分布式光纤液位测量系统的一部分，可由外部调制解调仪根据测量需求自动控制传感光纤的加热状态，无需手动加热，且体积小、易于集成；
(2)本发明采用功率级同步降压转换器对碳纤维发热线进行加热，输出功率密度高，在30mm2典型封装尺寸下，持续输出电流最高可达75A，可以满足大型容器内的液位测量需求；
(3)本发明以MCU作为主控芯片，通过脉冲宽度调制(PWM)改变功率级同步降压转换器输出电压，在MCU内部通过数字PID对电压调整过程进行闭环控制，在MCU工作主频20MHz，输出电压精度100mV的典型条件下，PID收敛时间＜1ms，实现了输出电压的精准、快速调节。
附图说明
图1是本发明一种闭环控制光纤加热装置系统组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明一种闭环控制光纤加热装置，包括微控制器(MCU)、三态驱动器、功率级同步降压转换器、碳纤维发热线、比例放大电路和串口通信电路，其中MCU通过三态驱动器使能或者禁用功率级同步降压转换器，使能状态下通过脉冲宽度调制(PWM)调节功率级同步降压转换器的输出电压，禁止状态下功率级同步降压转换器的输出电压为零；功率级同步降压转换器输出电压连接至碳纤维发热线两端，传感光纤与碳纤维发热线并列布设，由碳纤维发热线对传感光纤进行加热；比例放大电路采集功率级同步降压转换器的输出电压进行幅度调整后反馈至MCU用于PID闭环控制；外部调制解调仪根据测量需求通过串口通信电路向MCU发送控制命令，预设功率级同步降压转换器目标输出电压。本发明以MCU为主控芯片，驱动高功率密度的功率级同步降压转换器通过碳纤维发热线对传感光纤进行加热，具有加热电压功率大，加热过程响应速度快、控制精度高，体积小易于集成等优点，可用于分布式光纤液位测量中传感光纤的加热。
液氢和液氧常被用作弹道导弹和运载火箭推进剂，飞行试验过程中需要对推进剂贮存容器内的液位变化情况进行监测。由于推进剂具备易燃易爆特性，传统的电传感器存在产生电火花的隐患，难以应用；而基于光时域反射(OFDR)或布拉格光栅传感器(FBG)的分布式光纤液位测量技术以光纤光栅作为液位传感器，具有安全系数高、抗干扰能力强的优点，非常适合于推进剂贮存容器内的液位测量。传感光纤加热作为分布式光纤液位测量的一个关键环节，需要加热装置具备自动控制、加热功率高、体积小、易于集成等特点。本发明公开了一种闭环控制光纤加热装置突破了现有技术中“高加热功率”和“自动控制”不可兼得的困境，同时具备了加热功率密度大和自动闭环可控的特点，在推进剂液位测量等特殊工况下具备极高的实际应用价值。
如图1所示，本发明一种闭环控制光纤加热装置，优选包括：微控制器MCU(1)、三态驱动器(2)、功率级同步降压转换器(3)、碳纤维发热线(4)、比例放大电路(5)和串口通信电路(6)；
优选方案为：微控制器MCU(1)，具有内部定时器模块和ADC模数转换器模块，通过内部定时器模块产生PWM波形，波形输出引脚连接至三态驱动器(2)输入端，MCU(1)的IO引脚连接至三态驱动器(2)使能端，控制三态驱动器(2)的输出端输出PWM波形或者处于高阻状态；
优选方案为：三态驱动器(2)，具有输入端、控制端和输出端，当控制端为低电平时，输出端输出高阻状态；当控制端为高电平时，输出端输出输入端信号。
优选方案为：功率级同步降压转换器(3)，具有PWM驱动端和输出端。三态驱动器(2)输出端连接至功率级同步降压转换器(3)的PWM驱动端，当三态驱动器(2)输出端输出高阻状态时，功率级同步降压转换器(3)输出电压为零；当三态驱动器(2)输出端输出不同占空比的PWM波形时，功率级同步降压转换器(3)输出对应的直流电压U，输出直流电压U由PWM波形占空比S和外围LC电路时间常数τ决定，具体数值对应关系需通过仿真分析和调试获得；优选TI的CSD95490Q5MC同步降压转换器，输入电压24V，三态PWM输入，最大额定持续电流75A，封装尺寸仅5mm×6mm，输出电压正负极连接至碳纤维发热线(4)两端；
优选方案为：碳纤维发热线(4)，额定工作电压＜28V，用于加热传感光纤，传感光纤与碳纤维发热线并列布设，MCU(1)通过改变碳纤维发热线(4)两端的电压控制其发热功率,优选低压24V碳纤维发热线；
优选方案为：比例放大电路(5)，包括运算放大器芯片和外围电路，输入为功率级同步降压转换器(3)输出电压，输出连接至MCU(1)的ADC引脚进行采样，MCU(1)通过PID闭环控制调整输出PWM波形占空比使得功率级同步降压转换器(2)的输出电压快速稳定到预设值；优选ADI的ADA4622 24V单电源、轨到轨精密运算放大器；
优选方案为：串口通信电路(6)，包括USB-RS422转换芯片和外围电路，具有USB端和RS422端，其中USB端连接至外部调制解调仪，RS422端连接至微控制器MCU(1)；
优选方案为：外部调制解调仪，外部调制解调仪通过串口通信电路(6)USB端向MCU(1)发送控制命令，设置功率级同步降压转换器(3)的目标输出电压，改变碳纤维发热线(4)的发热功率，达到使得传感光纤升温的目的。
本发明实现加热功率提高的进一步优选方案：设N个功率级同步降压转换器并联(2≤N≤M，其中M为微控制器MCU内部PWM波形输出通道数量)，每个功率级同步降压转换器的最大输出电流为I0，单位为A，由微控制器MCU同步控制N个功率级同步降压转换器产生加热电压U0，单位为V，则加热功率P0＝NU0I0，单位为W，可实现加热功率的N倍增加。
本发明优选的试验条件如下：微控制器MCU(1)选型C8051F040，同步降压转换器(3)选型CSD95490Q5MC，比例放大电路(5)运算放大器选型ADA4622，微控制器MCU(1)工作频率20MHz，PID闭环控制同步降压转换器(3)输出电压精度为100mV。实测最大加热电流约为72A，PID收敛时间约为0.4～0.8ms。加热功率和加热过程闭环控制速度均优于当前已有技术方案。
本发明涉及一种闭环控制光纤加热装置，作为分布式光纤液位测量系统的一部分，可由外部调制解调仪根据测量需求自动控制传感光纤的加热状态，无需手动加热，且体积小、易于集成；且本发明采用功率级同步降压转换器对碳纤维发热线进行加热，输出功率密度高，在30mm2典型封装尺寸下，持续输出电流最高可达75A，可以满足大型容器内的液位测量需求；
本发明以MCU作为主控芯片，通过脉冲宽度调制(PWM)改变功率级同步降压转换器输出电压，在MCU内部通过数字PID对电压调整过程进行闭环控制，在MCU工作主频20MHz，输出电压精度100mV的典型条件下，PID收敛时间＜1ms，实现了输出电压的精准、快速调节。
Claims (6)
1.一种闭环控制光纤加热装置，其特征在于包括：微控制器(MCU)(1)、三态驱动器(2)、功率级同步降压转换器(3)、碳纤维发热线(4)、比例放大电路(5)和串口通信电路(6)；
MCU(1)能够通过串口通信电路(6)与外部调制解调仪通信，外部调制解调仪能够设定功率级同步降压转换器(3)的目标输出电压，通过串口通信电路(6)送至微控制器(MCU)(1)
其中MCU(1)通过三态驱动器(2)控制功率级同步降压转换器(3)处于使能状态或者禁用状态；功率级同步降压转换器(3)在使能状态下，由MCU(1)调节功率级同步降压转换器(3)的输出电压；功率级同步降压转换器(3)在禁用状态下，功率级同步降压转换器(3)的输出电压为零；功率级同步降压转换器(3)输出电压的正负端分别连接碳纤维发热线(4)两端，传感光纤与碳纤维发热线(4)并列布设，由碳纤维发热线(4)对传感光纤进行加热；比例放大电路(5)采集功率级同步降压转换器(3)的输出电压，对功率级同步降压转换器(3)的输出电压进行幅度调整后输出至MCU(1)；MCU(1)根据幅度调整后的功率级同步降压转换器(3)的输出电压，通过PID闭环控制，控制功率级同步降压转换器(3)的输出电压，使功率级同步降压转换器(3)的输出电压稳定到设定的目标输出电压。
2.根据权利要求1所述的一种闭环控制光纤加热装置，其特征在于：MCU(1)，包括：内部定时器模块；MCU(1)通过内部定时器模块产生PWM波形；MCU(1)具有波形输出引脚和IO引脚，MCU(1)的波形输出引脚连接至三态驱动器(2)输入端，MCU(1)的IO引脚连接至三态驱动器(2)使能端，通过三态驱动器(2)使能端控制三态驱动器(2)的输出端输出PWM波形或者处于高阻状态。
3.根据权利要求1所述的一种闭环控制光纤加热装置，其特征在于：功率级同步降压转换器(3)具有PWM驱动端；三态驱动器(2)输出端连接至功率级同步降压转换器(3)的PWM驱动端，当PWM驱动端处于高阻状态时，功率级同步降压转换器(3)输出关闭，输出电压为0；当PWM驱动端输入PWM波形时，根据预先设定的输入PWM波形对应的直流电压值，由功率级同步降压转换器(3)输出与对应的直流电压。
4.根据权利要求1所述的一种闭环控制光纤加热装置，其特征在于：MCU(1)具有ADC引脚；比例放大电路(5)输入为功率级同步降压转换器(3)的输出电压，比例放大电路(5)输出连接至MCU(1)的ADC引脚进行采样，MCU(1)通过PID闭环控制调整MCU(1)输出PWM波形占空比，使得功率级同步降压转换器(3)输出电压稳定到设定的目标输出电压。
5.根据权利要求1所述的一种闭环控制光纤加热装置，其特征在于：传感光纤与碳纤维发热线(4)并列布设，传感光纤的两端能够连接外部调制解调仪，由碳纤维发热线(4)对传感光纤进行加热，MCU(1)通过三态驱动器(2)、功率级同步降压转换器(3)改变碳纤维发热线(4)两端的电压控制碳纤维发热线(4)的发热功率。
6.根据权利要求1所述的一种闭环控制光纤加热装置，其特征在于：
外部调制解调仪能够设定功率级同步降压转换器(3)的目标输出电压，通过串口通信电路(6)送至微控制器(MCU)(1)；
微控制器(MCU)(1)根据设定的功率级同步降压转换器(3)的目标输出电压，通过三态驱动器(2)控制功率级同步降压转换器(3)的输出电压，调整碳纤维发热线(4)发热功率，从而控制传感光纤加热状态。
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