CN114647265A - 一种高精度温度控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度温度控制系统，包括结构外壳，所述结构外壳内部设置有参比气池，所述参比气池的前后两端分别设置有加热部件一和加热部件二，所述参比气池的左右两侧分别设置有冷却部件一和冷却部件二，所述结构外壳一侧设置有集成控制装置，所述集成控制装置外侧设置有控制屏，所述集成控制装置内部设置有加热控制器和冷却控制器；通过设置加热控制器和冷却控制器，采用加热控制器和冷却控制器集成的集成控制装置在对参比气池进行温度控制时实现控温精度0.01℃(温度稳定度)，温差5℃(2℃‑10℃可调节)，电热丝及TEC半导体制冷片都采用PID温度控制算法，增加了温度控制的精准度。

Description

一种高精度温度控制系统

技术领域

本发明属于参比气池温控技术领域，具体涉及一种高精度温度控制系统。

背景技术

参比气池用于频率和波长的参比,参比气池中含有特定原子或分子化合物的蒸汽，每种蒸汽具有特定的吸收谱。这些气池经常用于光谱学应用，例如可调谐二极管激光器校准、激光器的稳频、波长测试仪的校准等。由于每种填充材料都有独特的吸收光谱，可以用作指纹图谱，因此可以通过线性吸收测量确定参比气池的填充成分(如上面的简化示意图所示)。通过对调谐二极管激光器在波长范围内扫描以及用光探测器对光吸收(A)的检测，可以得到一系列的峰值记录，峰值可以表征气池的填充蒸汽。

参比气池的温度控制对激光雷达的定标具有重要意义，而现有的温度控制系统的控制精度较低，并且强度较低，不便于进行使用，进而降低了实用性，因此提出一种高精度温度控制系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种高精度温度控制系统，以解决上述背景技术中提出的现有的温度控制系统的控制精度较低，并且强度较低，不便于进行使用，进而降低了温度控制系统的实用性的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高精度温度控制系统，包括结构外壳，所述结构外壳内部设置有参比气池，所述参比气池的前后两端分别设置有加热部件一和加热部件二，所述参比气池的左右两侧分别设置有冷却部件一和冷却部件二，所述结构外壳一侧设置有集成控制装置，所述集成控制装置外侧设置有控制屏，所述集成控制装置内部设置有加热控制器和冷却控制器，所述结构外壳和集成控制装置外侧对应设置有航插，所述加热控制器通过航插分别与加热部件一和加热部件二电性连接，且所述冷却控制器通过航插分别与冷却部件一和冷却部件二电性连接，所述加热控制器和冷却控制器均与控制屏电性连接。

优选的，所述结构外壳的顶端转动连接有提手。

优选的，所述加热部件一和加热部件二均包括电木固定件、加热铜环、电热丝和热端温度传感器，所述电木固定件内侧固定连接有电木固定件，所述加热铜环内部设置有电热丝，所述热端温度传感器位于加热铜环的内部。

优选的，所述冷却部件一和冷却部件二均包括冷端固定件、风扇、 TEC半导体制冷片、石墨片和冷端温度传感器，所述冷端固定件内侧固定连接有TEC半导体制冷片，所述冷端固定件内部设置有冷端温度传感器，所述TEC半导体制冷片一侧设置有石墨片，所述石墨片位于参比气池的外侧，所述冷端固定件的内侧设置有风扇。

优选的，所述热端温度传感器与加热控制器电性连接，所述加热控制器的输出端通过导线电性连接有固态继电器，所述固态继电器与电热丝电性连接。

优选的，所述冷端温度传感器与冷却控制器电性连接，所述冷却控制器与冷端固定件电性连接。

优选的，所述结构外壳由硬铝材料制成，所述加热部件一和加热部件二与结构外壳之间设置有连接结构件，所述连接结构件为PPS塑料材质。

优选的，所述加热控制器采用日本岛电SR23-DD高精度温控器，所述加热控制器为0.01级控制精度，且所述加热控制器的双路输入和双路输出分别对应所述参比气池两端的加热部件一和加热部件二，所述加热控制器内部设置有温控算法模块，所述温控算法模块内部运行有PID程序。

优选的，所述冷却控制器采用TCM双通道高精度半导体制冷控温模块，所述冷却控制器支持热敏电阻和PT1000铂电阻，分辨率

<0.002℃，且提供RS232通讯接口。

优选的，所述热端温度传感器为K值热电隅，所述热端温度传感器的采样周期为100mS。

与现有技术相比，本发明提供了一种高精度温度控制系统，具备以下有益效果：

1、本发明通过设置加热控制器和冷却控制器，采用加热控制器和冷却控制器集成的集成控制装置在对参比气池进行温度控制时实现控温精度0.1℃，温差5℃(2℃-10℃可调节)，电热丝及TEC半导体制冷片都采用PID温度控制算法，增加了温度控制的精准度；

2、本发明通过设置结构外壳具有结构强度高、质量轻等优点，能够提高组件的机械强度，增加运输安装过程中对碘泡的保护，与结构外壳相互连接的加热部件一和加热部件二之间设置有连接结构件，连接结构件为PPS塑料材质，在满足结构强度的同时，起到保温隔热的效果，在结构外壳的顶端设置有提手，便于进行携带移动，增加了实用性；

3、本发明与现有的温度控制系统相比可实现高分辨率、高稳定性，并且易使用的自动整定功能，简化PID系数设置难度，自动整定完成后会生成优化的PID系数，获得速度快、过冲小、振荡少的温控性能；

4、本发明中加热及冷却采用导热系统高的铜材和石墨贴片，石墨贴片的作用是将热量和冷量更快更均匀地分布到参比气池外腔，提高传热效率；

5、本发明中加热丝和传感器埋入在加温环或冷却环中，保证采样温度的稳定性同时保证采用温度值更贴近于参比池内实际温度。

该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现，本发明结构科学合理，使用安全方便，为人们提供了很大的帮助。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：

图1为本发明提出的一种高精度温度控制系统的等轴测结构示意图；

图2为本发明提出的一种高精度温度控制系统的分解结构示意图；

图3为本发明提出的一种高精度温度控制系统中集成控制装置的结构示意图；

图4为本发明提出的一种高精度温度控制系统的主视的结构示意图；

图5为本发明提出的一种高精度温度控制系统中集成控制装置的内部结构示意图；

图6为本发明提出的一种高精度温度控制系统中加热部件的剖视结构示意图；

图7为本发明提出的一种高精度温度控制系统的侧视结构示意图；

图8为本发明提出的一种高精度温度控制系统中PID调节自整定点的示意图；

图9为本发明提出的一种高精度温度控制系统的控监测过程示意图；

图10为本发明提出的一种高精度温度控制系统的自动整定过程示意图；

图11为本发明提出的一种高精度温度控制系统中控制屏的显示界面。

图中：结构外壳1、参比气池2、加热部件一3、加热部件二4、冷却部件一5、冷却部件二6、集成控制装置7、控制屏8、加热控制器9、冷却控制器10、航插11、提手12、电木固定件13、加热铜环 14、电热丝15、热端温度传感器16、冷端固定件17、风扇18、TEC 半导体制冷片19、石墨片20。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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做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。

实施例一

请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种高精度温度控制系统，包括结构外壳1，结构外壳1内部设置有参比气池2，参比气池2的前后两端分别设置有加热部件一3和加热部件二4，参比气池2的左右两侧分别设置有冷却部件一5和冷却部件二6，结构外壳1 一侧设置有集成控制装置7，集成控制装置7外侧设置有控制屏8，集成控制装置7内部设置有加热控制器9和冷却控制器10，结构外壳1和集成控制装置7外侧对应设置有航插11，加热控制器9通过航插11分别与加热部件一3和加热部件二4电性连接，且冷却控制器10通过航插11分别与冷却部件一5和冷却部件二6电性连接，加热控制器9和冷却控制器10均与控制屏8电性连接。

本发明的工作原理及使用流程：使用时，通过控制屏8设定理想温度，加热部件一3和加热部件二4根据参比气池2的实际温度进行加热控温，同样位于参比气池2两侧的冷却部件一5和冷却部件二6 根据参比气池2的实际温度进行冷却控温，并且由加热控制器9控制加热部件一3和加热部件二4工作，冷却控制器10控制冷却部件一 5和冷却部件二6进行工作，进而对参比气池2的两端和中间温度进行控制，并且在加热控制器9和冷却控制器10的控制下可实现5-10℃的精确控制，以满足激光雷达定标使用。

实施例二

请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种高精度温度控制系统，包括结构外壳1，结构外壳1内部设置有参比气池2，参比气池2的前后两端分别设置有加热部件一3和加热部件二4，参比气池 2的左右两侧分别设置有冷却部件一5和冷却部件二6，结构外壳1 一侧设置有集成控制装置7，集成控制装置7外侧设置有控制屏8，集成控制装置7内部设置有加热控制器9和冷却控制器10，结构外壳1和集成控制装置7外侧对应设置有航插11，加热控制器9通过航插11分别与加热部件一3和加热部件二4电性连接，且冷却控制器10通过航插11分别与冷却部件一5和冷却部件二6电性连接，加热控制器9和冷却控制器10均与控制屏8电性连接。

本发明中，优选的，结构外壳1的顶端转动连接有提手12。

本发明中，优选的，加热部件一3和加热部件二4均包括电木固定件13、加热铜环14、电热丝15和热端温度传感器16，电木固定件13内侧固定连接有电木固定件13，加热铜环14内部设置有电热丝15，热端温度传感器16位于加热铜环14的内部。

本发明中，优选的，冷却部件一5和冷却部件二6均包括冷端固定件17、风扇18、TEC半导体制冷片19、石墨片20和冷端温度传感器，冷端固定件17内侧固定连接有TEC半导体制冷片19，冷端固定件17内部设置有冷端温度传感器，TEC半导体制冷片19一侧设置有石墨片20，石墨片20位于参比气池2的外侧，冷端固定件17的内侧设置有风扇18。

本发明中，优选的，热端温度传感器16与加热控制器9电性连接，加热控制器9的输出端通过导线电性连接有固态继电器，固态继电器与电热丝15电性连接。

本发明中，优选的，冷端温度传感器与冷却控制器10电性连接，冷却控制器10与冷端固定件17电性连接。

本发明中，优选的，结构外壳1由硬铝材料制成，加热部件一3 和加热部件二4与结构外壳1之间设置有连接结构件，连接结构件为PPS塑料材质。

本发明的工作原理及使用流程：使用时，通过控制屏8设定理想温度，加热部件一3和加热部件二4中的热端温度传感器16对参比气池2的实时温度进行测量获取，测量的温度数据传输到加热控制器 9，通过热端温度传感器16获取参比气池2的温度后，若低于设定的理想温度值，与设定的理想温度值对比计算出差值作为加热控制温度，将差值转换路SSR控制信号的脉冲宽度，形成脉冲宽度调制(PWM) 信号，PWM信号的高低电平控制固态继电器的开关状态，固态继电器通过开关时间长短的切换来控制电热丝15的加热功率，固态继电器调节周期短，加热分辨率高，电热丝15位于加热铜环14的内部，利用加热铜环14的导热性对温度进行传导，加热铜环14位于电木固定件13的内侧，电木固定件13对加热铜环14起到支撑作用，同时到绝热绝缘作用，进而补偿散失的热量，形成闭环控制，同样冷却部件一5和冷却部件二6中的冷端温度传感器对参比气池2的实时温度进行测量，若测量值高于设定的理想温度值，冷却控制器10将控制冷却部件一5和冷却部件二6中的TEC半导体制冷片19进行冷却工作， TEC半导体制冷片19的冷端通过石墨片20与参比气池2的外腔贴合，石墨片20的作用是将热量和冷量更快更均匀地分布到参比气池2的外腔，提高传热效率，进而对参比气池2进行降温，并且结构外壳1 由硬铝材料制成，具有结构强度高、质量轻等优点，能够提高组件的机械强度，增加运输安装过程中对碘泡的保护，与结构外壳1相互连接的加热部件一3和加热部件二4之间设置有连接结构件，连接结构件为PPS塑料材质，在满足结构强度的同时，起到保温隔热的效果，在结构外壳1的顶端设置有提手12，便于进行携带移动，增加了实用性。

实施例三

请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种高精度温度控制系统，包括结构外壳1，结构外壳1内部设置有参比气池2，参比气池2的前后两端分别设置有加热部件一3和加热部件二4，参比气池 2的左右两侧分别设置有冷却部件一5和冷却部件二6，结构外壳1 一侧设置有集成控制装置7，集成控制装置7外侧设置有控制屏8，集成控制装置7内部设置有加热控制器9和冷却控制器10，结构外壳1和集成控制装置7外侧对应设置有航插11，加热控制器9通过航插11分别与加热部件一3和加热部件二4电性连接，且冷却控制器10通过航插11分别与冷却部件一5和冷却部件二6电性连接，加热控制器9和冷却控制器10均与控制屏8电性连接。

本发明中，优选的，结构外壳1的顶端转动连接有提手12。

本发明中，优选的，加热部件一3和加热部件二4均包括电木固定件13、加热铜环14、电热丝15和热端温度传感器16，电木固定件13内侧固定连接有电木固定件13，加热铜环14内部设置有电热丝15，热端温度传感器16位于加热铜环14的内部。

本发明中，优选的，冷却部件一5和冷却部件二6均包括冷端固定件17、风扇18、TEC半导体制冷片19、石墨片20和冷端温度传感器，冷端固定件17内侧固定连接有TEC半导体制冷片19，冷端固定件17内部设置有冷端温度传感器，TEC半导体制冷片19一侧设置有石墨片20，石墨片20位于参比气池2的外侧，冷端固定件17的内侧设置有风扇18。

本发明中，优选的，热端温度传感器16与加热控制器9电性连接，加热控制器9的输出端通过导线电性连接有固态继电器，固态继电器与电热丝15电性连接。

本发明中，优选的，冷端温度传感器与冷却控制器10电性连接，冷却控制器10与冷端固定件17电性连接。

本发明中，优选的，结构外壳1由硬铝材料制成，加热部件一3 和加热部件二4与结构外壳1之间设置有连接结构件，连接结构件为 PPS塑料材质。

本发明中，优选的，加热控制器9采用日本岛电SR23-DD高精度温控器，加热控制器9为0.01级控制精度，且加热控制器9的双路输入和双路输出分别对应参比气池2两端的加热部件一3和加热部件二4，加热控制器9内部设置有温控算法模块，温控算法模块内部运行有PID程序。

本发明中，优选的，冷却控制器10采用TCM双通道高精度半导体制冷控温模块，冷却控制器10支持热敏电阻和PT1000铂电阻，分辨率<0.002℃，且提供RS232通讯接口。

本发明中，优选的，热端温度传感器16为K值热电隅，热端温度传感器16的采样周期为100mS。

本发明的工作原理及使用流程：使用时，通过控制屏8设定理想温度，加热部件一3和加热部件二4中的热端温度传感器16采用K 值热电隅，采样周期为100mS，通过热端温度传感器16对参比气池2 的实时温度进行测量获取，测量的温度数据传输到加热控制器9，加热控制器9采用日本岛电SR23-DD高精度温控器，为0.01级控制精度，并且通过温控算法模块可运行PID程序，通过热端温度传感器 16获取参比气池2的温度后，若低于设定的理想温度值，与设定的理想温度值对比计算出差值作为加热控制温度，则加热控制器9中的温控算法模块开始执行PID算法调节自整定点，将差值转换路SSR控制信号的脉冲宽度，形成脉冲宽度调制(PWM)信号，PWM信号的高低电平控制固态继电器的开关状态，固态继电器通过开关时间长短的切换来控制电热丝15的加热功率，固态继电器调节周期短，加热分辨率高，电热丝15位于加热铜环14的内部，利用加热铜环14的导热性对温度进行传导，加热铜环14位于电木固定件13的内侧，电木固定件13对加热铜环14起到支撑作用，同时起到绝热绝缘作用，进而补偿散失的热量，形成闭环控制，同样冷却部件一5和冷却部件二6 中的冷端温度传感器对参比气池2的实时温度进行测量，若测量值高于设定的理想温度值，同样采用PID温度控制算法，不同之处在于冷却时的温度设定按照与加热控制温度的温差(2-10℃)取值，满足冷却部分与加热部分的温差要求，冷却控制器10将控制冷却部件一5和冷却部件二6中的TEC半导体制冷片19进行冷却工作，冷却控制器 10采用TCM双通道高精度半导体制冷控温模块，且支持热敏电阻和 PT1000铂电阻，分辨率<0.002℃，同时提供RS232通讯接口，使PID 系统可调节，实现PID自动整定功能，并且整定结果在±0.002℃范围内，TEC半导体制冷片19的冷端通过石墨片20与参比气池2的外腔贴合，石墨片20的作用是将热量和冷量更快更均匀地分布到参比气池2的外腔，提高传热效率，进而对参比气池2进行降温，采用加热控制器9和冷却控制器10集成的集成控制装置7在对参比气池2 进行温度控制时实现控温精度0.1℃，温差5℃(2℃-10℃可调节)，电热丝15及TEC半导体制冷片19都采用PID温度控制算法，增加了温度控制的精准度，并且与现有的温度控制系统相比具有以下特点：

1、高性能：精心设计的测温和控制系统，实现高分辨率、高稳定性，温控监测过程如图9所示；

2、自动整定功能：易使用的自动整定功能，简化PID系数设置难度，自动整定完成后会生成优化的PID系数，获得速度快、过冲小、振荡少的温控性能，自动整定过程如图10所示；

并且结构外壳1由硬铝材料制成，具有结构强度高、质量轻等优点，能够提高组件的机械强度，增加运输安装过程中对碘泡的保护，与结构外壳1相互连接的加热部件一3和加热部件二4之间设置有连接结构件，连接结构件为PPS塑料材质，在满足结构强度的同时，起到保温隔热的效果，在结构外壳1的顶端设置有提手12，便于进行携带移动，增加了实用性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种高精度温度控制系统，包括结构外壳(1)，其特征在于：所述结构外壳(1)内部设置有参比气池(2)，所述参比气池(2)的前后两端分别设置有加热部件一(3)和加热部件二(4)，所述参比气池(2)的左右两侧分别设置有冷却部件一(5)和冷却部件二(6)，所述结构外壳(1)一侧设置有集成控制装置(7)，所述集成控制装置(7)外侧设置有控制屏(8)，所述集成控制装置(7)内部设置有加热控制器(9)和冷却控制器(10)，所述结构外壳(1)和集成控制装置(7)外侧对应设置有航插(11)，所述加热控制器(9)通过航插(11)分别与加热部件一(3)和加热部件二(4)电性连接，且所述冷却控制器(10)通过航插(11)分别与冷却部件一(5)和冷却部件二(6)电性连接，所述加热控制器(9)和冷却控制器(10)均与控制屏(8)电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种高精度温度控制系统，其特征在于：所述结构外壳(1)的顶端转动连接有提手(12)。

3.根据权利要求1所述的一种高精度温度控制系统，其特征在于：所述加热部件一(3)和加热部件二(4)均包括电木固定件(13)、加热铜环(14)、电热丝(15)和热端温度传感器(16)，所述电木固定件(13)内侧固定连接有电木固定件(13)，所述加热铜环(14)内部设置有电热丝(15)，所述热端温度传感器(16)位于加热铜环(14)的内部。

4.根据权利要求1所述的一种高精度温度控制系统，其特征在于：所述冷却部件一(5)和冷却部件二(6)均包括冷端固定件(17)、风扇(18)、TEC半导体制冷片(19)、石墨片(20)和冷端温度传感器，所述冷端固定件(17)内侧固定连接有TEC半导体制冷片(19)，所述冷端固定件(17)内部设置有冷端温度传感器，所述TEC半导体制冷片(19)一侧设置有石墨片(20)，所述石墨片(20)位于参比气池(2)的外侧，所述冷端固定件(17)的内侧设置有风扇(18)。

5.根据权利要求3所述的一种高精度温度控制系统，其特征在于：所述热端温度传感器(16)与加热控制器(9)电性连接，所述加热控制器(9)的输出端通过导线电性连接有固态继电器，所述固态继电器与电热丝(15)电性连接。

6.根据权利要求4所述的一种高精度温度控制系统，其特征在于：所述冷端温度传感器与冷却控制器(10)电性连接，所述冷却控制器(10)与冷端固定件(17)电性连接。

7.根据权利要求1所述的一种高精度温度控制系统，其特征在于：所述结构外壳(1)由硬铝材料制成，所述加热部件一(3)和加热部件二(4)与结构外壳(1)之间设置有连接结构件，所述连接结构件为PPS塑料材质。

8.根据权利要求1所述的一种高精度温度控制系统，其特征在于：所述加热控制器(9)采用日本岛电SR23-DD高精度温控器，所述加热控制器(9)为0.01级控制精度，且所述加热控制器(9)的双路输入和双路输出分别对应所述参比气池(2)两端的加热部件一(3)和加热部件二(4)，所述加热控制器(9)内部设置有温控算法模块，所述温控算法模块内部运行有PID程序。

9.根据权利要求1所述的一种高精度温度控制系统，其特征在于：所述冷却控制器(10)采用TCM双通道高精度半导体制冷控温模块，所述冷却控制器(10)支持热敏电阻和PT1000铂电阻，分辨率<0.002℃，且提供RS232通讯接口。

10.根据权利要求3所述的一种高精度温度控制系统，其特征在于：所述热端温度传感器(16)为K值热电隅，所述热端温度传感器(16)的采样周期为100mS。

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