CN205210740U - 一种用于液氮低温装置的智能温度控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于液氮低温装置的智能温度控制系统，包括：热电阻模块，接收温度传感器的温度信号，并将温度信号转换成电信号传递至主控模块；主控模块，接收和处理热电阻模块发出的数据，输出信息至控制输出电路模块；控制输出电路模块，控制液氮气化器和输出温度调节模块内加热丝的输出功率，从而控制温度；气体流量控制模块接收主控模块的指令控制气体流量；触摸屏，与主控模块进行数据连接，实时显示液氮气化器和喷嘴处的温度及气体流量值。本实用新型能够准确和稳定地对低温氮气温度实现实时控制，具有可靠性高，抗干扰能力强，体积小重量轻，能耗低，维护方便，开发效率高等优点，不产生污染，保证了气体的纯净。

Description

一种用于液氮低温装置的智能温度控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种温度控制系统，具体地说是一种用于液氮低温装置的智能温度控制系统及其控制方法。

背景技术

X射线单晶衍射仪可对物质结构及组成进行分析，在不破坏样品的情况下，能够准确地测定分子的单晶结构。单晶衍射技术可以确定晶体内部原子(分子、离子)的空间排布及结构对称性，测定原子间的键长、键角、电荷分布，探讨物质的微观结构与宏观性能的关系。

大多数单晶样品的完整图像数据是单一样品包围在低温气体流中收集的。通常收集图像数据时的温度是在100K-200K范围内完成的。对于生物大分子，通过降低其温度可以显著降低X射线在晶体内部的辐射扩散，从而减少对晶体样品的损伤。

将液氮低温装置应用于X射线单晶衍射仪中，对被测样品实施低温冷却的设想是可行的。液氮是氮气在低温下形成的液体形态。氮的沸点为-196℃，在正常大气压下温度如果在这以下就会形成液氮。液氮广泛地应用在工业生产中，在使用液氮的时候，因为其处于液体，不能直接使用，只能气化后形成低温氮气再利用；由于液氮气化后体积为液态时的600多倍，体积的迅速变化，影响输出氮气的流量稳定精度，进而影响输出氮气的温度控制精度。

目前，应用于X射线单晶衍射仪中能够通过降低温度以减少对晶体样品的损伤的液氮低温温控系统尚未见报道。

实用新型内容

针对现有技术中由于液氮气化后体积的迅速变化影响输出氮气的流量稳定精度，进而影响输出氮气的温度控制精度这一不足，本实用新型要解决的技术问题是提供一种能够准确、稳定实现对低温氮气温度实时控制的用于液氮低温装置的智能温度控制系统及其控制方法。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型涉及一种用于液氮低温装置的智能温度控制系统，包括：主控模块、温度传感器、热电阻模块、控制输出电路模块、触摸屏、液氮气化器、输出温度调节模块以及气体流量控制模块，其中：

热电阻模块，接收温度传感器的温度信号，并将温度信号转换成电信号传递至主控模块；

主控模块，接收和处理热电阻模块发出的数据，输出信息至控制输出电路模块；

控制输出电路模块，控制液氮气化器和输出温度调节模块内加热丝的输出功率，从而控制温度；

气体流量控制模块接收主控模块的指令控制气体流量；

触摸屏，与主控模块进行数据连接，实时显示液氮气化器和喷嘴处的温度及气体流量值。

所述气体流量控制模块包括气体质量流量控制器和隔膜真空泵，位于液氮气化器和输出温度调节模块之间。

主控模块采用西门子公司出品的可编程序控制器S7-200系列中的CPU224XPCN。

本实用新型具有以下有益效果及优点：

1.本实用新型液氮低温装置能够准确和稳定地对低温氮气温度实现实时控制，使控制温度精度达到设计要求，并且输出响应快速准确；

2.本实用新型系统采用可编程序控制器作为控制核心，具有可靠性高，抗干扰能力强，体积小重量轻，能耗低，系统的设计、建造工作量小，维护方便，开发效率高等优点；

3.本实用新型中的控制输出电路模块由光电隔离器件和MOSFET器件组成，输出抗干扰、响应快速准确；

4.本实用新型中的气体流量控制模块采用气体质量流量控制器和隔膜真空泵，控制气体流量具有响应快速，控制准确的优点，最终保证实现控制温度的精度；隔膜真空泵可24小时连续运转，无需任何工作介质(无油)，不产生污染，保证了气体的纯净；

5.本实用新型系统采用了触摸屏进行数据的输入和实时显示，具有良好的人机交互界面。

附图说明

图1为本实用新型用于液氮低温装置的智能温度控制系统的结构框图。

图2为本实用新型中液氮低温装置的温度控制流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型作进一步阐述。

如图1所示，本实用新型一种用于液氮低温装置的智能温度控制系统包括：主控模块、温度传感器、热电阻模块、控制输出电路模块、触摸屏、液氮气化器、输出温度调节模块以及气体流量控制模块，其中：热电阻模块，接收温度传感器的温度信号，并将温度信号转换成电信号传递至主控模块；主控模块，接收和处理热电阻模块发出的数据，输出信息至控制输出电路模块；控制输出电路模块，控制液氮气化器和输出温度调节模块内加热丝的输出功率，从而控制温度；气体流量控制模块接收主控模块的指令控制气体流量；触摸屏，与主控模块进行数据连接，实时显示液氮气化器和喷嘴处的温度及气体流量值。

本实施例中，控制输出电路模块由光电隔离器件和MOSFET器件组成，用于控制液氮气化器和输出温度调节模块内加热丝的输出功率，从而控制温度；主控模块为西门子公司出品的可编程序控制器(PLC)S7-200系列中的CPU224XPCN；热电阻模块采用的是西门子公司出品的EM231CN扩展模块。

气体流量控制模块由气体质量流量控制器和隔膜真空泵组成，位于液氮气化器和输出温度调节模块之间，用于控制整个系统输出的氮气流量。

主控模块还外接有触摸屏，该触摸屏用于输入相关温度变量参数，并实时显示所述液氮气化器和输出温度调节模块的温度值以及气体流量控制模块的流量值。

如图2所示，本实用新型采用两级串联温度调节与气体流量调整相结合的控制方式，先将液氮气化为较低温度的低温氮气，再控制低温氮气的流量，最后通过调节低温氮气的温度，使其达到设定温度由喷嘴处输出，其中：

液氮气化，在液氮气化器内将液氮气化，产生低于设定输出温度的低温氮气；

流量调节，将气化后的低温氮气通过气体流量控制模块进行流量调整，使其达到预定流量；

输出温度调节，流量稳定的低温氮气在输出温度调节模块内进行最后的温度调整，使其达到预定的温度。

首先在液氮气化器内将液氮气化，期间需要控制气化加热功率，目的是产生低于设定输出温度的低温氮气。由于整个系统的温度控制精度还与气体流量相关，在这一级的温度控制过程中需要考虑流量对温度控制的影响。本系统采用PID算法控制液氮气化过程，在PID控制算法中加入了流量参数，使PID控制输出的加热信号除与设定温度相关外还与流量相关。在主控模块中进行液氮气化PID控制计算，在PID计算算法中针对流量对控制温度的影响因素进行了输出功率的修正补偿，将输出信号通过控制输出电路模块加载到液氮气化器上，对液氮气化进行温度控制。经实际测试，输出功率与流量符合二次多项式函数，与温度成线性关系，计算方法见公式(1)，到达了预期目的。

P＝A·F²+B·F+C·t+D(1)

其中，P为加热功率，F为流量，t为温度，A、B、C、D为公式系数。

在公式(1)所表达的二次多项式中，A、B、C、D数值与特定系统相关，经实际运行测量，通过数据采集，得到输出功率与流量、温度的多组对应数据，经过拟合计算后得到。在本系统中测得分别为5.3571，-10.643，1.6035，340。

其次，经气化的低温氮气通过气体流量控制模块109内的隔膜真空泵和气体质量流量控制器进行流量调整，使其达到预定流量。

最后，流量稳定的低温氮气在输出温度调节模块内进行最后的温度调整，使其达到预定的温度，由液氮低温装置的喷嘴向样品输出。在这个部分的温度PID计算算法中针对流量对控制温度的影响因素进行输出功率的修正补偿，对输出氮气进行温度控制经实际测试，输出功率与流量符合线性关系，计算方法见公式(2)。

P＝A·F+B(2)

其中，P为加热功率；F为流量；A、B为公式系数。在公式(2)所表达的线性公式中，系数A、B数值与特定系统相关，经实际运行测量，通过数据采集，得到输出功率与流量的多组对应数据，经过拟合计算后得到。在本系统中测得分别为4，146。

综上所述，本实用新型的一种用于液氮低温装置的智能温度控制系统，通过硬件的电路设计、绘制和软件的编程、调试，开发出了具有良好人机交互界面的模糊PID温度控制系统，并且能够准确和稳定地对低温氮气温度实现实时控制。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.一种用于液氮低温装置的智能温度控制系统，其特征在于包括：主控模块、温度传感器、热电阻模块、控制输出电路模块、触摸屏、液氮气化器、输出温度调节模块以及气体流量控制模块，其中：

热电阻模块，接收温度传感器的温度信号，并将温度信号转换成电信号传递至主控模块；

主控模块，接收和处理热电阻模块发出的数据，输出信息至控制输出电路模块；

控制输出电路模块，控制液氮气化器和输出温度调节模块内加热丝的输出功率，从而控制温度；

气体流量控制模块接收主控模块的指令控制气体流量；

触摸屏，与主控模块进行数据连接，实时显示液氮气化器和喷嘴处的温度及气体流量值。

2.按权利要求1所述的用于液氮低温装置的智能温度控制系统，其特征在于：所述气体流量控制模块包括气体质量流量控制器和隔膜真空泵，位于液氮气化器和输出温度调节模块之间。

3.按权利要求1所述的用于液氮低温装置的智能温度控制系统，其特征在于：主控模块采用西门子公司出品的可编程序控制器S7-200系列中的CPU224XPCN。