CN201903478U - 水样前处理温控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水样前处理温控装置，包括加热系统、制冷系统和温度控制系统，所述加热系统的入水口接收待测水样，出水口连接制冷系统的入水口，制冷系统的出水口输出处理后的水样；在所述加热系统和制冷系统的出水口处均设置有一水温传感器，所述温度控制系统接收两个水温传感器输出的水温检测信号，分别生成加热控制信号和制冷控制信号输出，对加热系统中的加热单元和制冷系统中的散热单元进行控制。该水样前处理温控装置采用基于双闭环PID控制的温控系统软硬件的设计，使得在管路中流动的待测水样可以在尽可能短的时间内达到目标平衡温度，为海水总有机碳TOC现场分析仪在可靠性、测量速度、结果准确度等方面提供了有利的条件。

Description

水样前处理温控装置

技术领域

本实用新型属于水样分析仪器技术领域，具体地说，是涉及一种应用于水样分析仪器中的水样前处理温控装置。

背景技术

对于通过臭氧进行氧化海水发光的海水总有机碳(TOC)现场分析仪来说，在该分析仪器中，海水的前处理过程是必不可少的，主要包括海水的加热、制冷、过滤等环节。因此，需要在TOC现场分析仪中相应地设置加热系统、制冷系统和过滤系统等单元，以在海水进入反应室前，对其进行必要的前置处理。其中，加热系统的功能是在管路中破坏水样中大量的藻类等单细胞生物，从而避免大细胞生物在经过反应室时影响信号的平稳性。制冷系统的功能是保证在水样进入反应室时，不会因温度过高而影响检测装置测量结果的真实性。

在TOC现场分析仪的实际设计过程中，对于水样的前处理装置，比如加热系统和制冷系统的设计，目前存在以下技术难点：

(1)根据设计需要，整套分析仪的水路系统中没有腔体，而是采用全管路设计，这种情况对于流量较大的水样进行平稳地温度控制，具有一定的难度；

(2)工作过程的控制，加热控制与制冷控制是一对矛盾的控制，目前根据设计需要必须将这两套系统放在一起使用，所以，采用一般的温控器无法满足要求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种水样前处理温控装置，以实现对待测水样温度的平稳控制。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种水样前处理温控装置，包括加热系统、制冷系统和温度控制系统，所述加热系统的入水口接收待测水样，出水口连接制冷系统的入水口，制冷系统的出水口输出处理后的水样；在所述加热系统和制冷系统的出水口处均设置有一水温传感器，所述温度控制系统接收两个水温传感器输出的水温检测信号，分别生成加热控制信号和制冷控制信号输出，对加热系统中的加热单元和制冷系统中的散热单元进行控制。

作为所述加热系统的一种具体设计方式，在所述加热系统中包括迂回设置的通水管路和热传导模块，所述通水管路的两个端口分别与加热系统的入水口和出水口对应连接；所述加热单元为加热棒，所述加热棒与通水管路一同封装在所述的热传导模块中。

优选的，所述热传导模块优选采用铸铝模块。

作为所述加热系统的另外一种具体设计方式，在所述加热系统中包括迂回设置的通水管路，所述通水管路的两个端口分别与加热系统的入水口和出水口对应连接；所述加热单元为加热带，包覆在所述通水管路的外壁上。

作为所述制冷系统的一种具体设计方式，在所述制冷系统中包括迂回设置的通水管路和热传导模块，所述通水管路的两个端口分别与制冷系统的入水口和出水口对应连接，所述通水管路封装在所述的热传导模块中，所述散热单元对所述热传导模块进行散热。

进一步的，在所述散热单元中设置有半导体制冷片和散热器，所述半导体制冷片安装在热传导模块上，在所述半导体制冷片上安装所述的散热器。

优选的，所述半导体制冷片优选安装在热传导模块的顶面；所述散热器优选采用风冷散热器。

又进一步的，所述热传导模块为铸铝模块。

再进一步的，在所述温度控制系统中包含有一处理器，连接所述的两个水温传感器，根据水温传感器输出的水温检测信号，分别生成加热控制信号和制冷控制信号输出；其中，加热控制信号传输至第一开关电路的控制端，所述第一开关电路的开关通路连接在第一固态继电器的其中一路输入端与地之间，所述第一固态继电器的另外一路输入端连接直流电源，输出端串联在所述加热单元的供电回路中；制冷控制信号传输至第二开关电路的控制端，所述第二开关电路的开关通路连接在第二固态继电器的其中一路输入端与地之间，所述第二固态继电器的另外一路输入端连接直流电源，输出端串联在所述散热单元的供电回路中。

更进一步的，在所述第一开关电路和第二开关电路中均设置有一NPN型三极管，所述三极管的基极连接处理器，集电极连接第一或第二固态继电器的输入端，发射极接地。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：首先，本实用新型的水样前处理温控装置采用基于双闭环PID控制的温控系统软硬件的设计，使得在管路中流动的待测水样可以在尽可能短的时间内达到目标平衡温度，为TOC分析仪在可靠性、测量速度、结果准确度等方面提供了有利的条件。其次，考虑到整台仪器的便携性，本实用新型的制冷、制热两套系统的整体体积可以小于等于500*500*150mm，做到了尽可能最小化。

附图说明

图1是本实用新型所提出的水样前处理温控装置的结构示意图；

图2是图1所示温控装置的控制原理图；

图3是本实用新型所提出的水样前处理温控装置的控制电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细地说明。

实施例一，参见图1所示，本实施例的水样前处理温控装置将加热系统101和制冷系统102串行连接，其中，待测水样从加热系统101的入水口1引入，经由加热系统101中的加热单元进行加热升温后，从加热系统101的出水口6流入到制冷系统102的入水口7，再经由制冷系统102中的散热单元进行降温处理后，通过制冷系统102的出水口12流出。处理后的水样通过水泵和过滤膜传送至TOC分析仪的反应室14，以进行相关的化学反应。

为了使流出加热系统101和制冷系统102的水样能够达到所要求的设定温度，比如加热系统101的出水温度要求恒定在45℃，制冷系统102的出水温度要求恒定在20-25℃之间，本实施例在所述加热系统101和制冷系统102的出水口6、12处分别安装了一个水温传感器5、11，通过两个水温传感器5、11采集到的水温检测信号实时地反馈给温度控制系统13，温度控制系统13根据接收到的水温检测信号以及用户设定的出水温度计算生成加热控制信号和制冷控制信号，以用于控制加热单元和散热单元的工作状态。

在本实施例中，为了提高温度控制的准确性和稳定度，所述温度控制系统13采用双闭环PID控制方式来计算生成所述的加热控制信号和制冷控制信号。PID调节是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式，其本质就是依据输入信号与目标值的偏差E(k)，按照一定的函数关系进行比例积分微分的运算，进而控制输出的结果，使其更加平稳地向目标值靠拢。在本实施例的双闭环PID温度控制系统13中，选用两个水温传感器5、11(例如铂-100电阻温度传感器)检测的温度值作为反馈信号，一个负责检测加热系统101的出水温度，另一个负责检测制冷系统102的出水温度。将加热系统101的出水温度与设定的热水目标温度值进行比较，做内环PID运算；将制冷系统102的出水温度与设定的冷水目标温度值进行比较，做外环PID运算，进而生成用于控制加热单元和散热单元工作时序的控制信号，以控制相应的加热元件和散热元件工作，从而达到了水样温度的稳定控制，参见图2所示的控制原理图。

下面结合图1对加热系统101和制冷系统102的具体组建结构进行详细的描述。

本实施例的加热系统101由迂回设置的通水管路4、加热棒2和热传导模块3组成，参见图1所示。其中，通水管路4优选采用不锈钢材料制成，其两个端口分别与加热系统101的入水口1和出水口6对应连接。将所述通水管路4与加热棒2一同封装在热传导模块3中，这样加热棒4在工作时，整个热传导模块3也随之升温，进而通过不锈钢的通水管路4，对其中流动的水样进行稳定加热。

所述热传导模块3采用高导热材料制成，可以选用铸铝模块、铸铁模块或者铸铜模块等。出于成本及重量的考虑，本实施例优选采用铸铝模块来封装所述的通水管路4和加热棒2。

当然，所述加热系统101也可以采用迂回设置的通水管路4以及包覆在所述通水管路4外壁上的加热带进行设计，同样可以实现对待测水样的稳定加热，本实施例并不仅限于以上举例。

在制冷系统102中，本实施例采用迂回设置的通水管路15、热传导模块10、半导体制冷片9和散热器8进行构建，如图1所示。其中，通水管路15优选采用不锈钢材料制成，其两个端口分别与制冷系统102的入水口7和出水口12对应连接。将所述通水管路15全部封装在热传导模块10中，并在热传导模块10的顶层表面安装以半导体制冷片9为主的高效散热装置，通过散热器8以风冷的方式将通水管路15中水样的热量快速地传导出去。

半导体制冷器件的工作原理是基于帕尔帖原理，即利用当两种不同的导体A和B组成的电路且通有直流电时，在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量，而另一个接头处则吸收热量。在本装置中，采用半导体制冷片9贴附在铸铝模块10上，在半导体制冷片9工作期间，只要冷热端出现温差，热量便不断地通过晶格的传递，将热量移动到热端并通过安装在其上的风冷散热器8散发出去。由此可以提高散热效率，对流经通水管路15中的水样进行快速降温。

同样的，所述热传导模块10也可以选用铸铝模块、铸铁模块或者铸铜模块等，本实施例优选采用铸铝模块。

为了对加热系统101中的加热棒2以及制冷系统102中的散热器8的工作时序进行准确控制，本实施例采用了如图3所示的电路系统来构建所述的温度控制系统13。

图3中，通过水温传感器5和11反馈的水温检测信号传输至一MCU处理器中，在MCU中进行PID运算后，生成加热控制信号CTL1和制冷控制信号CTL2分别经由MCU的两个引脚输出。其中，加热控制信号CTL1通过电阻R1、R2分压后，传输至第一开关电路的控制端。将第一开关电路的开关通路连接在第一固态继电器SSR1的其中一路输入端与地之间，将第一固态继电器SSR1的另外一路输入端通过限流电阻R3连接直流电源，比如+5V直流电源，输出端串联在加热棒2的供电回路中。通过MCU输出不同占空比的PWM信号，控制第一开关电路的通断，进而改变第一固态继电器SSR1的通断时序，由此对加热棒2的通电时间进行控制，以实现加热温度的准确控制。同理，通过MCU输出的制冷控制信号CTL2通过电阻R4、R5传输至第二开关电路的控制端，所述第二开关电路的开关通路连接在第二固态继电器SSR2的其中一路输入端与地之间，第二固态继电器SSR2的另外一路输入端通过限流电阻R6连接+5V直流电源，输出端串联在散热器8的供电回路中。MCU通过调节其输出的PWM形式的制冷控制信号CTL2的占空比，来控制散热器8的通电时间，进而对铸铝模块10的散热速度进行控制，以稳定制冷系统102的出水温度。

所述第一、第二固态继电器SSR1、SSR2选择过零触发型的交流固态继电器，它采用双向可控硅作为开关，相比电磁继电器具有输入控制电流小、无触点吸合干扰、开关速度快、性能可靠等优点。过零型SSR只有在输出负载电压为0且输入信号为1时，输入端才导通；当输出负载电流为0且输入信号为0时输入端关断。依据过零型SSR的这一特性，且已知220V交流电工作频率为50Hz，即时钟周期T＝20(ms)。系统选择每隔10ms中断一次，可以通过MCU控制中断的次数n(n≤100)与100次的占空比，进而达到控制加热单元和散热单元通电时间的目的。

在本实施例中，所述第一、第二开关电路可以采用NPN型三极管V1、V2设计实现，如图3所示，只需将三极管V1、V2的基极连接MCU，集电极连接固态继电器SSR1或SSR2的输入端，发射极接地即可。当然，所述第一、第二开关电路也可以采用可控硅、继电器等开关元件组建实现，本实施例对此不进行具体限制。

下面将本实施例所提出的水样前处理温控装置应用于TOC分析仪中，对待反应的海水进行前处理，其处理过程如下：

首先，在加热系统101中，待测海水经加热系统101的入水口1流过封装在铸铝模块3中的不锈钢管路4，通过加热棒2的加热将流动的海水升温并稳定在预定温度45℃上。其中，温度控制是通过水温传感器5将水温检测信号实时反馈给温度控制系统13，进而控制加热棒2的工作效率，以达到稳定水温的目的。加热后的海水通过加热系统101的出水口6进入制冷系统102。

随后，在制冷系统102中，海水经过制冷系统102的入水口7流过封装在铸铝模块10中的不锈钢管路15，热量通过贴附在铸铝模块10顶面的半导体制冷片9传导到散热器8上，以将水温降至20℃-25℃。其中，温度控制是通过水温传感器11将水温检测信号实时反馈给温度控制系统13，进而控制散热器8的工作效率。最后，经过制冷的海水从制冷系统102的出水口12流出，通过水泵和过滤膜将处理好的海水送入反应室14进行相关化学反应。

其中，海水加热到指定温度的目的是破坏大部分藻类细胞等单细胞生物，将其分解为有机碳。而随后将海水迅速制冷的目的是避免与反应室接触的光电倍增管(PMT)因高温海水流过产生的热量生成过多暗电流漂移电压，而影响测量结果的真实性。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种水样前处理温控装置，包括加热系统、制冷系统和温度控制系统，其特征在于：所述加热系统的入水口接收待测水样，出水口连接制冷系统的入水口，制冷系统的出水口输出处理后的水样；在所述加热系统和制冷系统的出水口处均设置有一水温传感器，所述温度控制系统接收两个水温传感器输出的水温检测信号，分别生成加热控制信号和制冷控制信号输出，对加热系统中的加热单元和制冷系统中的散热单元进行控制。

2.根据权利要求1所述的水样前处理温控装置，其特征在于：在所述加热系统中包括迂回设置的通水管路和热传导模块，所述通水管路的两个端口分别与加热系统的入水口和出水口对应连接；所述加热单元为加热棒，所述加热棒与通水管路一同封装在所述的热传导模块中。

3.根据权利要求2所述的水样前处理温控装置，其特征在于：所述热传导模块为铸铝模块。

4.根据权利要求1所述的水样前处理温控装置，其特征在于：在所述加热系统中包括迂回设置的通水管路，所述通水管路的两个端口分别与加热系统的入水口和出水口对应连接；所述加热单元为加热带，包覆在所述通水管路的外壁。

5.根据权利要求1所述的水样前处理温控装置，其特征在于：在所述制冷系统中包括迂回设置的通水管路和热传导模块，所述通水管路的两个端口分别与制冷系统的入水口和出水口对应连接，所述通水管路封装在所述的热传导模块中，所述散热单元对所述热传导模块进行散热。

6.根据权利要求5所述的水样前处理温控装置，其特征在于：在所述散热单元中设置有半导体制冷片和散热器，所述半导体制冷片安装在热传导模块上，在所述半导体制冷片上安装所述的散热器。

7.根据权利要求6所述的水样前处理温控装置，其特征在于：所述半导体制冷片安装在热传导模块的顶面；所述散热器为风冷散热器。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的水样前处理温控装置，其特征在于：所述热传导模块为铸铝模块。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的水样前处理温控装置，其特征在于：在所述温度控制系统中包含有一处理器，连接所述的两个水温传感器，根据水温传感器输出的水温检测信号，分别生成加热控制信号和制冷控制信号输出；其中，加热控制信号传输至第一开关电路的控制端，所述第一开关电路的开关通路连接在第一固态继电器的其中一路输入端与地之间，所述第一固态继电器的另外一路输入端连接直流电源，输出端串联在所述加热单元的供电回路中；制冷控制信号传输至第二开关电路的控制端，所述第二开关电路的开关通路连接在第二固态继电器的其中一路输入端与地之间，所述第二固态继电器的另外一路输入端连接直流电源，输出端串联在所述散热单元的供电回路中。

10.根据权利要求9所述的水样前处理温控装置，其特征在于：在所述第一开关电路和第二开关电路中均设置有一NPN型三极管，所述三极管的基极连接处理器，集电极连接第一或第二固态继电器的输入端，发射极接地。

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