CN201590181U - 自适应可控恒温热源 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种自适应可控恒温热源，属于教学仪器领域。装置由加热体、自适应加热及恒温控制系统、温度设定测量及显示系统组成，自适应加热及恒温控制系统由加热及恒温控制电路、调整管、激励源电路、开关电源及铜线圈组成，利用电流通过铜导线的焦耳热效应和铜线的电阻温度特性，将用铜导线制作的铜线圈既是加热体，又为控制信号的采样元件，集加热和采样于一体进行自适应精确控制，实现室温至100℃温度范围的干燥、高精度、可控的恒温热源，避免了水浴恒温槽装置等现有技术获得恒温温度场时水蒸气对实验环境的影响和解决装置成本高的问题。本实用新型可用于晶体管、集成电路元件等需要干燥环境的温度性能测试，满足教学实验要求。
Description
技术领域
本实用新型属于教学仪器领域，特别涉及一种自适应可控恒温热源。
背景技术
热源在有关热学特性的实验教学和科学研究中是一种必不可少的装置，如PN结温度特性的研究、集成电路在不同温度下的工作性能测试、材料传热系数测量、液体粘度测量、光纤温度传感特性研究等。
实验室常用的室温至100℃之间的温度场，其热源一般采用电热丝加热水并采取搅拌措施的简单装置，通过人工手动调节加热电压来获得；或者采用水浴恒温槽(锅)装置获得恒温场。前者装置简陋，可控性较差，且存在使用安全隐患。后者的可控性好，控温精度也比较高，但售价较高。更为严重的是这两种方式通过加热水来得到恒温场，这在实验中产生的水蒸气对实验环境及它仪器产生严重影响。另外，大功率加热过程不仅造成能耗，还会引起环境温度的上升，直接影响其它仪器的工作稳定性，对于光纤传感等对温度十分敏感的实验产生很大的影响。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服现有技术中以水为加热介质的热源在实验中产生的水蒸气对实验环境及它仪器的产生严重影响以及大功率加热过程不仅造成能耗，还会引起环境温度的上升，直接影响其它仪器的工作稳定性等问题，提供一种自适应可控恒温热源，其特征在于，装置由加热体1、自适应加热及恒温控制系统、温度设定测量及显示系统组成，自适应加热及恒温控制系统由加热及恒温控制电路2、调整管3、激励源电路7、开关电源8及铜线圈9组成，温度设定电路4由恒压源14、温度设定电位器W1、桥臂电阻电位器W2和桥臂电阻R2组成，温度测量电路6由不同输出电流的第一恒流源15、第二恒流源16、温度测量探头17和差分放大器21构成，温度显示器5通过温度显示转换开关10与温度设定电路4或温度测量电路6连接；加热体的铜线圈9两端通过电流引线26的两条引线分别与自适应加热及恒温控制系统的调整管3的发射极和桥臂电阻R1连接；温度设定测量及显示系统中温度设定电路4的温度设定电位器W1移动端通过温度显示转换开关10与加热及恒温控制电路2的第一运算放大器11输出端连接，温度设定测量及显示系统中温度测量电路6的温度测量探头17置于加热体1的金属管22的中心区，为温度测量电路提供温度信号。
所述自适应加热及恒温控制系统，开关电源8的高电位输出端连接至调整管3的集电极，调整管3的发射极与铜线圈9加热电流引线26的上端引线连接，铜线圈9加热电流引线26的下端引线连接到桥臂电阻R1上端和第一运算放大器11的正向输入端，桥臂电阻R1的下端与桥臂电阻R2下端相连并连接至电路的接地端，桥臂电阻R2的上端接桥臂电阻电位器W2下端和第一运算放大器11的反向输入端，桥臂电阻电位器W2的上端连接自己的移动端和温度设定电位器13下端，温度设定电位器W1的上端与温度显示转换开关10的E接线端相连，温度设定电位器W1的移动端与温度显示转换开关10的C和F接线端相连接，第一运算放大器11的输出端与第二运算放大器12的正向输入端相连并连接到温度显示转换开关10的B接线端，第二运算放大器12的反向输入端与调整管3的发射极相连接，第二运算放大器12的输出端连接到调整管3的基极，铜线圈9与恒温控制系统的桥臂电阻R1、桥臂电阻R2、桥臂电阻电位器W2、温度设定电位器W1、第一运算放大器11、第二运算放大器12及调整管3构成桥路比较反馈电路，实现自适应控制过程，铜线圈9上与温度相关的电压信号经桥路比较反馈电路处理后由第二运算放大器12输出至调整管3的基极，自动调整输入铜线圈9的加热电流。激励源电路7的输出端与二极管13正极连接，二极管13负极连接调整管3的基极，防止控制电路在桥路达到完全平衡时而停机。
所述温度设定电路4的恒压源14的高电位输出端与温度显示转换开关10的D接线端连接，温度显示转换开关10的A接线端接地，温度显示转换开关10的G接线端连接温度设定电位器W1的移动端，温度显示转换开关10的J接线端与温度设定电位器W1和桥臂电阻电位器W2的公共端相连，温度显示转换开关10的H接线端和K接线端分别与温度显示器5的两个输入端连接。
所述温度测量电路5，温度测量探头17由第一测温三极管19和第二测温三极管20组成，两测温三极管各自的基极与集电极相连接构成二极管形式，第一测温三极管19和第二测温三极管20的发射极相连由测温探头引线18中的接地线连接到电路公共地线，第一恒流源15和第二恒流源16的输出端分别通过从加热体1中引出的温度测量探头17的测温探头引线18中的两条测温工作电流引线接到第一测温三极管19的集电极和第二测温三极管20的集电极，为测温三极管提供恒定工作电流，第一测温三极管19的集电极及基极与第一恒流源15的输出端和差分放大器21的正向输入端连接，第二测温三极管20的集电极及基极与第二恒流源16的输出端和差分放大器21的反向输入端连接，差分放大器21的输出端连接至温度显示转换开关10的L接线端，温度显示转换开关10的I接线端接地。
所述加热体1由铜线圈9、金属管22和箱体23构成，铜线圈9缠绕在金属管22外，金属管22安装在箱体23中央位置，金属管22两端分别用隔热挡板封闭，在铜线圈9外侧和箱体23内侧衬垫反射铝箔24，在箱体1内部的空隙填充保温材料25，以达到隔热保温的目的。
所述铜线圈9采用双绕线方式，以消除加热电流产生的磁场，并在两端为2层或2层以上导线绕制，以补偿金属管22端部因散热较大而造成的影响，扩大内部恒温区范围。
所述温度显示器5为市售的通用数字电压表。
温度设定与自适应加热及恒温控制过程如下：设定温度的显示和测量温度的显示通过温度显示转换开关10进行切换，温度设定和测量共用同一温度显示器5。当进行温度设定时，温度显示转换开关10指向“温度设定”，温度显示转换开关10的B接线端与A接线端连接，E接线端与D接线端连接，H接线端与G接线端连接，K接线端与J接线端连接。恒压源14的输出电压加载在温度设定电位器W1、桥臂电阻电位器W2、桥臂电阻R2构成的串联电路上，通过温度设定电位器W1进行温度设定，并由数字电压表构成的温度显示器5测量温度设定电位器W1移动端与下端的电压显示所设定的温度。此时第二运算放大器12的正向输入端接地，其输出为零，调整管3关断，铜线圈9不进行加热。当进行加热及恒温控制和温度测量时，温度显示转换开关10指向“温度测量”，温度显示转换开关10的B接线端与C接线端连接，E接线端与F接线端连接，H接线端与I接线端连接，K接线端与L接线端连接。铜线圈9与恒温控制系统的桥臂电阻R1、桥臂电阻R2、桥臂电阻电位器W2、温度设定电位器W1、第一运算放大器11、第二运算放大器12及调整管3构成的桥路比较反馈电路工作，实现自适应加热和温度控制过程。铜线圈9上与温度相关的电压信号经桥路比较反馈电路处理后由第二运算放大器12输出至调整管3的基极，自动调整输入铜线圈9的加热电流，加热体1升温，温度显示器5显示置于加热体1金属管22内的温度测量探头17所测得的实际温度。随加热体1温度升高，铜线圈9的电阻变大，桥路趋向平衡，直到铜线圈9的温度达到设定温度，桥路处于动态平衡状态，实现自适应恒温控制。激励源电路7输出的激励脉冲输入调整管3的基极，防止控制电路在桥路达到完全平衡时而停机。
本实用新型利用电流通过铜导线的焦耳热效应和铜线的电阻温度特性，将用铜导线制作的铜线圈既作为加热体，又作为控制信号的采样元件，集加热和控制采样于一体，实现自适应性精确控制，提供室温至100℃温度范围的实验用干燥、高精度、可控的恒温热源，热源的温度可任意设定，同时能够测量显示热源的实际温度。
本实用新型的有益效果为，自适应可控恒温热源集加热和控温信号采样于一体，实现了自适应控制过程，使得控制过程非常简单；本实用新型为一种干燥、高精度自适应可控恒温热源，无水蒸气影响实验环境及其它测量仪器的问题，可用于晶体管、集成电路元件等需要干燥环境的温度性能测试研究。本实用新型为低能耗热源，在室温～100℃的控温范围内，恒温过程温度波动不超过0.1℃，为高精度的恒温热源，满足教学实验要求。
附图说明
图1为本实用新型原理结构方框图；
图2为本实用新型电路原理示意图；
图3为热源加热体结构示意图。
图中，1--加热体，2--加热及恒温控制电路，3--调整管，4--温度设定电路，5--温度显示器(数字电压表)，6--温度测量电路，7--激励源电路，8--开关电源，9--铜线圈，10--温度显示转换开关，11-第一运算放大器，12-第二运算放大器，13--二极管，14--恒压源，15--第一恒流源，16--第二恒流源，17--温度测量探头，18--测温探头引线，19--第一测温三极管，20--第二测温三极管，21--差分放大器，22--金属管，23--箱体，24--反射铝箔，25--保温材料，26--加热电流引线。
具体实施方式
以下以实施例说明本实用新型的工作原理和实用性。图1为本实用新型原理结构方框图，图2为实施例的电路原理示意图。整个控制电路、温度设置和测量电路的电源采用±12V直流稳压电源供电，加热电流由DC12V的开关电源8提供，最大输出电流大于3A，并与直流稳压电源共地。自适应加热及恒温控制电路中第一运算放大器11和第二运算放大器12采用低失调电压、低偏置集成电流运算放大器，如OPA2277等。桥臂电阻R1、桥臂电阻R2选用阻值分别为0.2Ω和20Ω的金属膜电阻，桥臂电阻电位器W2选用500Ω可调电位器并接成限流形式，按照铜线圈9在0℃时的电阻值，桥臂电阻电位器W2在电路中的实际阻值调至496.5Ω，温度设定电位器W1采用最大阻值为220Ω的高精密度多圈电位器，安装在仪器箱的面板上。调整管3要求耐压大于25V，电流大于3A，并安装散热片，选用TIP41C。激励源电路7由集成电路555及其外围元件构成，其输出方波脉冲信号幅度为5V，频率为1kHz，占空比在0.05～0.15之间可调。第一测温三极管19和第二测温三极管20为同型号的普通三极管，如9013，并挑选性能参数尽可能相近的普通三极管。差分放大器21选用通用器件LM324。恒压源14、第一恒流源15和第二恒流源16由基准电压器件TL431及外围元件构成，恒压源14输出电压为1.10V，第一恒流源15和第二恒流源16输出电流分别为300μA和30μA。温度显示器5选用量程为2V的数字电压表。温度显示转换开关10采用微型四路控制继电器。
图3为实施例热源的加热体结构示意图。铜线圈9选用标称直径为0.44mm的绝缘漆铜导线，总长度为47m，0℃时的电阻值为4.965Ω，缠绕在金属管22外侧。金属管22为外径50mm、长度130mm、壁厚5.5mm的铜管，两端分别用隔热挡板封闭，构成类似管式电炉的结构，并安装在胶木板等低导热材料制作的箱体23中央位置。金属管22内部为恒温区，用于放置被测样品和温度测量探头17。铜线圈9采用双绕线方式，以消除加热电流产生的磁场，并在两端加绕1层铜导线，以补偿端部因散热较大而造成的影响，扩大内部恒温区范围。在铜线圈9外侧和箱体23内侧分别垫衬反射铝箔24，并填充保温材料25，填充的保温材料25为石棉布，以达到隔热保温的目的。
本实施例能耗低，总功率小于25W，在室温至100℃的控温范围内，恒温过程温度波动不超过0.1℃，为高精度的恒温热源。
本实用新型采用铜线圈电流加热和温控采样，在加热体的金属管内实现恒温区，用自适应技术获得干燥、高精度自适应可控恒温热源，避免了水浴恒温槽装置等现有技术获得恒温温度场中水蒸气对实验环境的影响和解决装置成本高的问题。本实用新型可用于晶体管、集成电路元件等需要干燥环境的温度性能测试研究，满足教学实验要求。
Claims (7)
1.一种自适应可控恒温热源，其特征在于，装置由加热体(1)、自适应加热及恒温控制系统、温度设定测量及显示系统组成，自适应加热及恒温控制系统由加热及恒温控制电路(2)、调整管(3)、激励源电路(7)、开关电源(8)及铜线圈(9)组成，温度设定电路(4)由恒压源(14)、温度设定电位器W1、桥臂电阻电位器W2和桥臂电阻R2组成，温度测量电路(6)由不同输出电流的第一恒流源(15)、第二恒流源(16)、温度测量探头(17)和差分放大器(21)构成，温度显示器(5)通过温度显示转换开关(10)与温度设定电路(4)或温度测量电路(6)连接；加热体的铜线圈(9)两端通过电流引线(26)的两条引线分别与自适应加热及恒温控制系统的调整管(3)的发射极和桥臂电阻R1连接；温度设定测量及显示系统中温度设定电路(4)的温度设定电位器W1移动端通过温度显示转换开关(10)与加热及恒温控制电路(2)的第一运算放大器(11)输出端连接，温度设定测量及显示系统中温度测量电路(6)的温度测量探头(21)置于加热体(1)的金属管(22)的中心区。
2.根据权利要求1所述的一种自适应可控恒温热源，其特征在于，所述自适应加热及恒温控制系统，开关电源(8)的高电位输出端连接至调整管(3)的集电极，调整管(3)的发射极与铜线圈(9)加热电流引线(26)的上端引线连接，铜线圈(9)加热电流引线(26)的下端引线连接到桥臂电阻R1上端和第一运算放大器(11)的正向输入端，桥臂电阻R1的下端与桥臂电阻R2下端相连并连接至电路的地端，桥臂电阻R2的上端接桥臂电阻电位器W2下端和第一运算放大器(11)的反向输入端，桥臂电阻电位器W2的上端连接自己的移动端和温度设定电位器(13)下端，温度设定电位器W1的上端与温度显示转换开关(10)的E接线端相连，温度设定电位器W1的移动端与温度显示转换开关(10)的C和F接线端相连接，第一运算放大器(11)的输出端与第二运算放大器(12)的正向输入端相连并连接到温度显示转换开关(10)的B接线端，第二运算放大器(12)的反向输入端与调整管(3)的发射极相连接，第二运算放大器(12)的输出端连接到调整管(3)的基极，铜线圈(9)与恒温控制系统的桥臂电阻R1、桥臂电阻R2、桥臂电阻电位器W2、温度设定电位器W1、第一运算放大器(11)、第二运算放大器(12)及调整管(3)构成桥路比较反馈电路，激励源电路(7)的输出端与二极管(13)正极连接，二极管(13)负极连接调整管(3)的基极。
3.根据权利要求1所述的一种自适应可控恒温热源，其特征在于，所述温度设定电路(4)，恒压源(14)的高电位输出端与温度显示转换开关(10)的D接线端连接，温度显示转换开关(10)的A接线端接地，温度显示转换开关(10)的G接线端连接温度设定电位器W1的移动端，温度显示转换开关(10)的J接线端与温度设定电位器W1和桥臂电阻电位器W2的公共端相连，温度显示转换开关(10)的H接线端和K接线端分别与温度显示器(5)的两个输入端连接。
4.根据权利要求1所述的一种自适应可控恒温热源，其特征在于，所述温度测量电路(5)，温度测量探头(17)由第一测温三极管(19)和第二测温三极管(20)组成，两测温三极管各自的基极与集电极相连接构成二极管形式，第一恒流源(15)和第二恒流源(16)的输出端分别通过从加热体(1)中引出的温度测量探头(17)的测温探头引线(18)中的两条测温工作电流引线接到第一测温三极管(19)的集电极和第二测温三极管(20)的集电极，第一测温三极管(19)的集电极及基极与第一恒流源(15)的输出端和差分放大器(21)的正向输入端连接，第二测温三极管(20)的集电极及基极与第二恒流源(16)的输出端和差分放大器(21)的反向输入端连接，差分放大器(21)的输出端连接至温度显示转换开关(10)的L接线端，温度显示转换开关(10)的I接线端接地。
5.根据权利要求1所述的一种自适应可控恒温热源，其特征在于，所述加热体(1)由铜线圈(9)、金属管(22)和箱体(23)构成，铜线圈(9)缠绕在金属管(22)外，金属管(22)安装在箱体(23)中央位置，金属管(22)两端分别用隔热挡板封闭，在铜线圈(9)外侧和箱体(23)内侧衬垫反射铝箔(24)，在箱体(1)内部的空隙填充保温材料(25)。
6.根据权利要求1或5所述的一种自适应可控恒温热源，其特征在于，所述铜线圈(9)采用双绕线方式，并在两端为2层或2层以上导线绕制。
7.根据权利要求1所述的一种自适应可控恒温热源，其特征在于，所述温度显示器(5)为2V量程的数字电压表。
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2009
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