CN206557555U - 一种温度控制设备 - Google Patents

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宋远佳
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Abstract

一种温度控制设备，包括液氮提供装置、变量调节装置、环境试验容器、测温装置以及变量控制装置。液氮提供装置通过变量调节装置与环境试验容器连接，变量控制装置与变量调节装置连接，设置在实验容器内的测温装置将测得的温度信号发送至变量控制装置。变量控制装置接收温度信号、目标温度信号、降温速率信号以及时间间隔信号，并输出变量控制信号对变量调节装置进行控制，从而控制液氮从液氮提供装置流入环境试验容器的流量，使得环境试验容器内温度以预设的降温速率降温至目标温度。

Description

一种温度控制设备
技术领域
本实用新型一般涉及温度控制技术领域，特别涉及一种可实现以与预设速率降温温度控制设备。
背景技术
近年来，设备在低温环境下的可靠性研究越来越受到人们的重视。例如随着航空航天等技术发展，由于航天设备及其组件长期暴露在极端恶劣的宇宙空间环境中，为了保证航天设备在空间环境中能够安全且可靠的运行，模拟和检测航天设备在极端温度环境中是否安全可靠是十分必要的。
现有的低温环境实验设备大致为一个环境试验容器，将需要测试的设备放入环境试验容器中，通过将低温制冷器导入环境试验容器中的换热设备使得实验容器内温度降至需要的实验温度，在此过程中，一般采用比例‐微分‐积分(PID) 算法实现温度控制。如图1所示，为输出值u随着时间t的变化曲线，当需要将输出值u控制在期望值R时，常见的PID控制方法根据预设使得输出值u控制在期望值R的范围内，在期望值R的附近可以有一定的波动，并最终大致稳定在期望值R。
然而，如图2所示，在一般的降温过程中，需要在0～t1的时间内将温度以某个预定的降温速率将实验容器内的温度从T1降至目标温度T2，然后再 t1～t2的时间内使温度大致保持在目标温度T2，由于PID控制方法实现的温度曲线和图1的输出值变化曲线相似，因此可以实现的是t1～t2的保持温度的温控过程，而0～t1时间段的以固定速率降温的温控过程并不能实现。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种温度控制设备，其中的变量控制装置将如上述所述的降温过程分割为多个子时间段，在每个子时间段内分别进行温度控制，从而在整个降温过程上可呈现出以固定降温速率实现温度控制。
为了实现上述目的，本实用新型提出一种温度控制设备，其包括液氮提供装置、变量调节装置、环境试验容器、测温装置以及变量控制装置。液氮提供装置通过变量调节装置与环境试验容器连接，变量控制装置与变量调节装置连接，设置在环境试验容器内的测温装置将测得的温度信号发送至变量控制装置。其中，变量控制装置包含：
输入单元，其包括当前温度输入接口、目标温度输入接口、降温速率输入接口和时间间隔输入接口；当前温度输入接口与测温装置连接，以获取温度信号，目标温度输入接口获取预定的目标温度信号，降温速率获取单元获取预定的降温速率信号，时间间隔输入接口获取预定的时间间隔信号；
与输入单元连接的主控单元，其从输入单元接收温度信号、目标温度信号、降温速率信号以及时间间隔信号，产生变量控制信号，同时主控单元还包括错误输出接口，用于输出错误信号；
输出单元，其一端与主控单元连接，另一端与变量调节装置连接，用于将从主控单元接收到的变量控制信号输出至变量调节装置。
与主控单元连接的显示单元。以及
电源单元，与所述输入单元、所述主控单元和所述输出单元连接。
上述温度控制设备，其中显示单元具有输入显示屏和输出显示屏；输入显示屏用于显示温度信号、目标温度信号、降温速率信号以及时间间隔信号的任意一种或其组合；输出显示屏用于显示变量控制信号和错误信号。
上述温度控制设备，其中变量调节装置包括截止阀和调节阀，所述变量控制信号为阀门开度信号。
上述温度控制设备，其中主控单元为PID控制器。
上述温度控制设备，其中输入单元还包含参数输入接口，用于向主控单元输入比例增益信号、积分时间信号和微分时间信号。
上述温度控制设备，所述输入显示屏还显示增益信号、积分时间信号和微分时间信号的任意一种或其组合。
上述温度控制设备，其中主控单元采用西门子公司制造的CPU1515‐2PN 处理芯片。
上述温度控制设备，其中输入单元还包括用于获取模式信号的模式切换接口和用于获取手动变量控制信号的手动输入接口。
上述温度控制设备，其中输入显示屏还显示模式信号和/或手动变量控制信号。
上述温度控制设备，其中主控单元还包括复位接口，用于接收复位信号。
综上所述，本实用新型的有益效果为：变量控制装置根据时间间隔信号将从当前温度到目标温度的整个降温过程分割为多个子控制过程，在每个子控制过程单独进行温度控制，从而实现了在整个降温过程上的温度变化曲线呈现以预设的降温速率下降。
附图说明
图1为现有PID控制方法的输出值曲线示意图；
图2为温度控制过程期望的温度变化曲线图；
图3为本实用新型的温度控制设备的结构示意图；
图4为本实用新型的第一实施方式的变量控制装置的结构示意图；
图5为本实用新型的第一实施方式的显示单元的显示界面示意图；
图6为本实用新型的第二实施方式的变量控制装置的结构示意图；
图7为本实用新型的第二实施方式的显示单元的显示界面示意图；
图8为本实用新型的第二实施方式的温度变化曲线的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
请参阅图3，图3为本实用新型的温度控制设备100的结构示意图，其中，温度控制设备100包括液氮提供装置110、变量调节装置120、环境试验容器130、测温装置140以及变量控制装置150构成。液氮提供装置110通过变量调节装置 120将低温液氮输送至环境试验容器130中，从而将环境试验容器130中的温度降低至低温试验所需的目标温度，变量控制装置150通过控制变量调节装置对液氮的通断以及流速进行控制，从而对环境试验容器130内的降温过程进行控制，另外，设置在环境试验容器130的测温装置140可对环境试验容器130内的实时温度进行检测，并将测得的温度信号反馈至变量控制装置150。
在具体的实施方式中，液氮提供装置110可为用于储存低温液氮的容器，例如压力罐或可自增压的杜瓦瓶，变量调节装置120可包括一个电动截止阀和一个气动调节阀，通过电动截止阀的开闭，可控制液氮的导通与阻断，从而控制环境试验容器130中降温过程的开始与中断，通过气动调节阀的开度变化，控制液氮流向环境试验容器130的流速，从而控制环境试验容器130中降温速度。环境试验容器130中可设置换热器131，用以接收来自液氮提供装置110液氮，液氮通过换热器131时，吸收环境试验容器130中气体的热量，从而达到降温的效果。
请参阅图4，图4为本实用新型的第一实施方式的变量控制装置150的结构示意图，其中，主控单元152分别连接输入单元151、输出单元153和显示单元 154，另外，电源155为主控单元152、输入单元151、输出单元153和显示单元 154提供电力。在输入单元151中，当前温度输入接口1511可从测温装置140处接收当前温度T0，目标温度输入接口1512可接收预定的目标温度Td、降温速率输入接口1513可接收预定的降温速率R，时间间隔输入接口1514可接收预定的时间间隔t，之后，输入单元151将接收到的当前温度T0、目标温度Td、降温速率R以及时间间隔t发送至主控单元151。另外，在主控单元151还具有错误输出接口1521，用以在系统产生错误时发出错信号。
为了实现温度控制设备以预定的降温速度进行降温，输入单元151在接受上述信号后，通过当前温度T0、目标温度Td、降温速率R以及时间间隔t得出具有k个阶段目标温度Di(i＝1～k)的阶段目标温度序列D，之后，通过执行降温控制后经过的时间tp，判断当前时间所处的降温阶段i，并根据对应的阶段目标温度Di和当前温度T0计算得出变量控制信号OP。具体而言，根据降温速率R和时间间隔t得出相邻时间间隔的温度差Tf，使得Tf、R和t满足公式(1)：
Tf＝R×t (1)
之后，根据当前温度T0、目标温度Td和温度差Tf得到降温过程包含的阶段的数量k，使得T0、Td、Tf和k满足公式(2)：
k＝(T0‐Td)÷Tf (2)
之后，生成阶段目标温度序列D，使D满足公式(3)和公式(4)：
D＝{D1＝T0‐Tf,D2,…,Di‐1,Di＝Td} (3)
Di–Di‐1＝Tf (4)
再根据经过的时间tp判断当前温度所处的阶段i，使i满足公式(5)：
(i‐1)×t＜tp≤I×t (5)
最后根据与当前阶段i对应的阶段温度Di和当前温度T0得出变量控制信号OP，对于变量控制信号OP的计算，变量控制信号OP可与阶段温度Di和当前温度T0 的差值成正比，及温差越大，则OP越大，温差越小，则OP越小，当然也可采用其它方法计算变量控制信号OP的大小。
仅举例而言，例如当前温度T0为200K，目标温度Td为195K，降温速率R为约0.028K/s，时间间隔t为36s，则根据公式(1)，相邻时间间隔的温度差Tf为 0.028K/s×36s＝1K，在根据公式(2)，得出200K至195K的降温过程的阶段数量i为(200K‐195K)÷1K＝5，从而阶段目标温度序列D为 {199K,198K,197K,196K,195K}，若当前从执行降温控制之后的经过时间tp为80s，则由于72s(2×36s)＜80s≤108s(3×36s)，所以当前所处的阶段序号为3，当前阶段目标温度D3为197K，从而根据当前温度和当前阶段目标温度计算变量控制信号OP，例如在某些实施例中，变量调节装置120为一个电动截止阀和一个气动调节阀，则变量控制信号OP为气动调节阀的阀门开度，若当前温度T0为 198K，与当前阶段目标温度的温差较大，则阀门开度OP可为100％，使得电动截止阀开启且气动调节阀开度最大，若当前温度T0为197.5K，与当前阶段目标温度的温差适中，则阀门开度OP可为50％，使得电动截止阀开启且气动调节阀半开，若当前温度T0为197.1K，与当前阶段目标温度的温差较小，则阀门开度OP可为10％，使得电动截止阀开启且气动调节阀略微开启，若当前温度T0为阶段目标温度的197K或低于阶段目标温度(诸如196.8K)，则阀门开度OP可为0％，使得电动截止阀关闭，停止向环境试验容器130提供低温液氮。
请参阅图5，图5为本实用新型的第一实施方式的显示单元154的显示界面示意图，显示界面可分为输入界面1541和输出界面1542，在输入界面中1541，可包含当前温度数据、目标温度数据、时间间隔数据和降温速率数据，在输出界面1542中，可包含变量控制信号和相关错误信息，例如在变量调节装置120 为电磁阀时面，变量控制信号为阀门开度。
请参阅图6，图6为本实用新型的第二实施方式的变量控制装置250的结构示意图。在本实用新型的较佳实施方式中，变量控制装置250中的主控单元 252采用了西门子公司制造的型号为CPU1515‐2PN的处理芯片,与图4中的变量控制装置150相比，其不同之处在于，输入单元251还具有PID控制参数接口2515，模式切换接口2516和手动设定接口2517，另外，主控单元252中还具有复位接口2522，其中，PID控制参数接口2515可接收PID算法中的所需的比例系数Vp、积分系数Vi和微分系数Vd，并将这些参数发送至主控单元 252中，模式切换接口2516可接收模式切换信号MA，手动设定接口2517可接收手动设定信号MP，由于通过当前温度T0、目标温度Td、降温速率R、时间间隔t以及温控开始后的经过时间tp得出当前所处阶段i和对应的阶段目标温度Di与图4中的变量控制装置150相似，因此不再赘述。在本实施方式中，当得到当前所处阶段i和对应的阶段目标温度Di以及当前温度T0后，使用PID算法计算变量控制信号OP，例如变量调节装置220为一个电动截止阀和一个气动调节阀时，则变量控制信号OP为阀门开度，其中，对于PID算法中所需的比例系数Vp、积分系数Vi和微分系数Vd，经过实际测量调试，在较佳实施方式中比例系数Vp优选为40，积分系数Vi优选为120，微分系数Vd优选为 60。另外，在本实施方式中，可通过从模式切换接口2516处接收的模式切换信号MA控制温度控制在手动模式和自动模式之间进行切换，当MA为自动控制模式时，则根据上述描述，通过PID算法自动计算变量控制信号OP，若MA 为手动模式时，则将手动设定接口2517处接收的手动设定信号MP作为变量控制信号OP，用以控制变量调节装置220，同时，当复位接口2522接收到复位信号时，则中断正在进行的温度控制操作，使温控设备恢复至初始模式。
请参阅图7，图7为本实用新型的第二实施方式的显示单元254的显示界面示意图。其与图5中的显示单元154相比，显示单元254的不同之处在于，在输入界面2541中，还包括当前模式指示灯，当为自动模式时，自动标识一侧的指示灯亮起，此时可显示当前预设的比例系数、积分系数和微分系数，当手动标识一侧的指示灯亮起，此时显示当前设定的手动设定信号。
请参阅图8，图8为本实用新型的第二实施方式的温度变化曲线的示意图，在使用本实用新型的分段PID温度控制过程中，在每个时间间隔为t的时间段内，温度的变化值均为Tf，虽然在每个时间段中的温度变化曲线Q与如图1 所示的PID特有的输出曲线相似，但是当整个降温过程分割的阶段数量足够多时，则在整个降温过程上则会呈现出以预定的降温速率进行降温的温度变化曲线，从而达到环境试验容器内温度以预设的降温速率降温至目标温度的效果。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式，并非用以限定本实用新型，任何熟悉本领域的技术人员可根据本实用新型的构思进行各种变化与修饰，但这些变化与修饰都应落入本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种温度控制设备，包括液氮提供装置、变量调节装置、环境试验容器、测温装置以及变量控制装置；所述液氮提供装置通过所述变量调节装置与所述环境试验容器连接，所述变量控制装置与所述变量调节装置连接，设置在所述环境试验容器内的所述测温装置将测得的温度信号发送至所述变量控制装置；
其特征在于，所述变量控制装置进一步包含：
输入单元，包括当前温度输入接口、目标温度输入接口、降温速率输入接口和时间间隔输入接口；所述当前温度输入接口与所述测温装置连接，用于获取所述温度信号，所述目标温度输入接口获取预定的目标温度信号，所述降温速率获取单元获取预定的降温速率信号，所述时间间隔输入接口获取预定的时间间隔信号；
主控单元，与所述输入单元连接，从所述输入单元接收所述温度信号、所述目标温度信号、所述降温速率信号以及所述时间间隔信号，产生变量控制信号，同时所述主控单元还包括错误输出接口，用于输出错误信号；
输出单元，一端与所述主控单元连接，另一端与所述变量调节装置连接，用于将从所述主控单元接收的变量控制信号输出至所述变量调节装置；
显示单元，与所述主控单元连接；以及
电源单元，与所述输入单元、所述主控单元和所述输出单元连接。
2.如权利要求1所述的温度控制设备，其特征在于，所述显示单元具有输入显示屏和输出显示屏；
所述输入显示屏用于显示所述温度信号、所述目标温度信号、所述降温速率信号以及所述时间间隔信号的任意一种或其组合；
所述输出显示屏用于显示所述变量控制信号和所述错误信号。
3.如权利要求1或2所述的温度控制设备，其特征在于，所述变量调节装置包括截止阀和调节阀，所述变量控制信号为阀门开度信号。
4.如权利要求2所述温度控制设备，其特征在于，所述主控单元为PID控制器。
5.如权利要求4所述温度控制设备，其特征在于，所述输入单元还包含参数输入接口，用于向所述主控单元输入比例增益信号、积分时间信号和微分时间信号。
6.如权利要求5所述温度控制设备，其特征在于，所述输入显示屏还显示所述比例增益信号、所述积分时间信号和所述微分时间信号的任意一种或其组合。
7.如权利要求4所述温度控制设备，其特征在于，所述主控单元采用西门子公司制造的CPU1515-2PN处理芯片。
8.如权利要求2所述温度控制设备，其特征在于，所述输入单元还包括用于获取模式信号的模式切换接口和用于获取手动变量控制信号的手动输入接口。
9.如权利要求8所述温度控制设备，其特征在于，所述输入显示屏还显示所述模式信号和/或所述手动变量控制信号。
10.如权利要求1所述温度控制设备，其特征在于，所述主控单元还包括复位接口，用于接收复位信号。
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