CN2783389Y - 恒温槽温度控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种恒温槽温度控制装置，该装置与恒温设备电连接，包括温度检测模块、毫伏放大器模块、A/D转换模块、微处理器模块、可控硅触发器模块、可控硅整流器模块、参考电压模块、稳压电源模块和电网电压检测模块。本实用新型在采用微处理器模块实现脉冲调宽温度自动控制的基础上引入电网电压的前馈，有效地补偿了由于电网电压波动造成的温度扰动，从而可实现高精密的恒温控制。可用作血凝仪血液试样精密恒温槽的温度自动控制装置或红外分析仪的温度自动控制装置。

Description

恒温槽温度控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种温度自动控制仪器，尤其涉及一种分析仪表用的恒温槽温度控制装置。

背景技术

温度自动控制装置在分析仪表中用得较广，它为分析工作提供恒定的温度环境，其恒温要求往往非常精密，因为它直接影响分析结果的重现性和系统基线的稳定性。为了达到精密恒温，采取的措施包括选择高稳定性的温度检测元件、合理地设计恒温槽、选择合适控制方案与最佳整定参数等等。另一方面，仪表用的温度自动控制装置往往采用脉冲调宽技术，还必须选择合适的脉冲周期。

在以上几方面设计都达到优化之后，电网电压的波动就成为影响进一步提高温度控制性能的主要因素。电网电压波动会引起温度扰动，需要经历一段时间的过渡过程，依靠调节器的作用，才能使温度回到原来的数值。

例如血凝仪，它要求血液样品恒温槽精密地恒温在37℃，但即使上面提到的几方面都作了精心设计，温度仍会有±0.05℃左右的波动。电网电压波动是扰动的主要来源。采用交流电源稳压器给温度控制系统提供稳定的供电电压固然可行，但技术上不够先进，同时体积庞大。因此有必要采用一种巧妙的办法解决上述问题，但目前国内未见有这方面的专利报导。

在理论上，常规PID脉冲调宽温度调节器的输出(脉冲占宽比)为：

$\mathrm{\δ}=(W/T)=K_C(e+\frac{1}{T_I}{\∫}_0^t\mathrm{edt}+T_D\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}})$

式中，δ为脉冲占宽比，W为脉冲宽度，T为脉冲周期，K_C为调节器增益，e为温度偏差，T_I为积分时间，T_D为微分时间。而平均加热功率为：

$P=\mathrm{\δ}\frac{U^2}{R}$

式中，U为电网电压有效值，R为电加热绕组电阻。由上式可见，加热功率P不仅随脉冲占宽比δ变化，还随电网电压U变化。电网电压的变化将造成温度扰动。

如果引入电网电压二次幂的前馈，则上述算法可修正为：

$\mathrm{\δ}=K_C{\left(\frac{U_0}{U}\right)}^2(e+\frac{1}{T_I}{\∫}_0^t\mathrm{edt}+T_D\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}})$

式中U₀为电网电压额定有效值(220V)。该算法使得调节器供给加热绕组的平均加热功率与电网电压无关。在实际使用中，如果考虑电网电压允许波动范围为±10％，可以把脉冲调宽调节的规律具体化为：

发明内容

本实用新型的目的，在于提供一种加热功率与电网电压无关的恒温槽温度控制装置，以消除电网电压变化可能造成的温度扰动。

本实用新型所采取的技术方案是，一种恒温槽温度控制装置，与恒温设备电连接，所述的恒温设备包括一热容金属块和安装在金属块内的测温热敏电阻和电加热绕组，所述的精密温度控制装置包括温度检测模块、毫伏放大器模块、A/D转换模块、微处理器模块、可控硅触发器模块、可控硅整流器模块、参考电压模块、稳压电源模块和电网电压检测模块；所述的温度检测模块包含一个安装在恒温槽体内的测温热敏电阻并连接到参考电压模块的输出端，向测温热敏电阻提供固定的工作电流，该模块的输出端连接毫伏放大器模块的输入端；所述的毫伏放大器模块的输出端连接A/D转换模块的输入端将放大后的电压输出到A/D转换模块；所述的A/D转换模块设有多个输入端，分别连接毫伏放大器模块的输出端、参考电压模块的输出端、电网电压检测模块的输出端或接地，其输出端连接微处理器模块的输入端；所述的微处理器模块的输出端连接可控硅触发器模块的输入端；所述的可控硅触发器模块的输出端连接可控硅整流器模块的输入端；所述的可控硅整流器模块与电加热绕组形成回路；所述的参考电压模块的输入端连接稳压电源模块的输出端；所述的稳压电源模块的输出端分别连接参考电压模块、毫伏放大器模块、A/D转换模块、微处理器模块和可控硅触发器模块；所述的电网电压检测模块的输入端外接交流电源。

所述的电网电压检测模块包括顺序电连接的小功率变压器TRN、桥式整流器D2和滤波电路。

所述的毫伏放大器模块包括一个同相放大电路、一个由电阻R5、R6、电位器W2组成的量程迁移电路和一个由电阻R7、电容C3组成的低通滤波器，放大后的电压经低通滤波器输出到A/D转换模块。

所述的A/D转换模块主要由A/D集成电路TLC1543组成，TLC1543有11个模拟输入端AN0∽AN10，其中AN0与毫伏放大器模块的低通滤波器输出相接，AN1与电网电压检测模块的输出相接，其余模拟输入端接地；TLC1543的逻辑控制引脚SCLK、ADDS、DOUT和CS分别与微处理器模块的相关引脚连接，其中SCLK为时钟输入端，ADDS为地址输入端，DOUT为A/D转化后的数码输出端，CS为片选输入端。

所述的微处理器模块包括微处理器89C2051、由石英振荡器X1、电容C8和C9组成的时钟振荡电路以及由电容C11、电阻R10组成的复位电路。

所述的可控硅触发模块主要包括光电偶合过零触发的可控硅触发器以及由三极管TR1和TR2组成的复合晶体管驱动电路。

所述的可控硅整流器模块主要包括双向可控硅整流器TLC336以及由电阻R16、电容C12组成的吸收电路，吸收电路的两端分别连接电加热绕组的两端。

所述的参考电压模块由基准电压基成电路LM336组成。

所述的稳压电源模块由2个分别为正、负电压的三端稳压器配以输出滤波电容组成。

本实用新型恒温槽温度控制装置由于在微处理器模块实现脉冲调宽温度自动控制的基础上引入电网电压的前馈，有效地补偿了由于电网电压波动造成的温度扰动，从而可实现高精密的恒温控制。

附图说明

图1是本实用新型恒温槽温度控制装置的原理方框图；

图2是本实用新型恒温槽温度控制装置的电路原理图。

具体实施方式

参见图1，本实用新型恒温槽温度控制装置，与恒温设备11电连接，该恒温设备11包括一热容金属块和安装在金属块内的属于温度检测模块9的测温热敏电阻12和电加热绕组10。其中测温热敏电阻12型号为MF51-TL型，为双枝配对型，在温度37℃时的阻值准确地等于1559Ω。精密温度控制装置包括毫伏放大器模块1、A/D转换模块2、微处理器模块3、可控硅触发器模块4、可控硅整流器模块5、参考电压模块6、稳压电源模块7、电网电压检测模块8和温度检测模块9。温度检测模块9连接到参考电压模块6的输出端，向测温热敏电阻12提供固定的工作电流，温度检测模块9的输出端连接毫伏放大器模块1的输入端。毫伏放大器模块1的输出端连接A/D转换模块2的输入端将放大后的电压输出到A/D转换模块。A/D转换模块2设有多个输入端，分别连接毫伏放大器模块1的输出端、参考电压模块6的输出端、电网电压检测模块8的输出端或接地，其输出端连接微处理器模块3的输入端。微处理器模块3的输出端连接可控硅触发器模块4的输入端。可控硅触发器模块4的输出端连接可控硅整流器模块5的输入端。可控硅整流器模块5与电加热绕组10形成回路。参考电压模块6的输入端连接稳压电源模块7的输出端。稳压电源模块7的输出端分别连接参考电压模块6、毫伏放大器模块1、A/D转换器模块2、微处理器模块3和可控硅触发器模块4。电网电压检测模块8的输入端外接交流电源。

本实用新型的电路原理如图2所示。由参考电压模块6产生的参考电压，通过电阻R1和电位器W1给热敏电阻12提供100μA的固定工作电流，在它两端产生155.9mV的电压。该电压经毫伏放大器模块1放大后的输出经由电阻R7、电容C3组成的低通滤波器送到A/D转换模块2。放大器模块1是一个由集成运算放大电路A(型号为TCL4502)组成的同相放大电路。其增益G＝(R3+R4)/R4，G设计为80。电阻R5、R6、电位器W2为量程迁移电路，决定温度稳定值，可通过电位器W2微调。

请继续参见图2，A/D转换模块2主要由串行控制集成A/D转换器TLC1543组成，由参考电压模块6提供其参考电压。TLC1543有11个模拟输入端AN0∽AN10。AN0与毫伏放大模块1的低通滤波器输出相接，AN1与电网电压检测模块8的输出相接，其余模拟输入端接地。A/D集成电路的逻辑控制引脚SCLK、ADDS、DOUT和CS分别与微处理器模块3的P1端口的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3相连接。其中SCLK为时钟输入端，ADDS为地址输入端，DOUT为A/D转化后的数码输出端，CS为片选输入端。放大后的温度偏差信号以及电网电压信号经A/D转换后送到微处理器模块3。

请继续参见图2，本实用新型中的微处理器模块3的微处理器选型为89C2051。该模块还包括由石英振荡器X1、电容C8和C9组成的时钟振荡电路以及由电容C11、电阻R10组成的复位电路。微处理器完成PID运算、脉冲宽度调制和电网电压前馈运算。调制脉冲从P1端口的P1.4输出，驱动可控硅触发模块4。

请继续参见图2，本实用新型中的可控硅触发模块4主要由光电偶合过零触发的可控硅触发器组成，来自微处理器模块3的调制脉冲经由三极管TR1和TR2组成的复合晶体管驱动电路驱动可控硅整流器模块5。

请继续参见图2，本实用新型中的可控硅整流器模块5中的SCR为双向可控硅整流器，型号为TLC336。电阻R16，电容C12组成吸收电路。吸收电路的两端分别连接电加热绕组10的两端。

请继续参见图2，本实用新型中的参考电压模块6由基准电压集成电路LM336组成。

请继续参见图2，本实用新型中的稳压电源模块7由2个分别为正、负电压的三端稳压器配以输出滤波电容组成，分别向参考电压模块6、毫伏放大器模块1、A/D转换器模块2、微处理器模块3和可控硅触发器模块4提供稳压电压。

请继续参见图2，本实用新型中的电网电压检测模块8通过一个小功率变压器TRN把220V交流电网电压转换成交流低压，经桥式整流器D2和滤波后得到和电网电压成正比的直流电压。为降低装置成本，采用平均值检测电路代替有效值(RMS)集成电路。

实际效果表明，本实用新型装置能有效克服电网电压波动时对被控温度产生的扰动。可用作血凝仪血液试样精密恒温槽的温度自动控制装置或红外分析仪的温度自动控制装置。

Claims (9)

1、一种恒温槽温度控制装置，与恒温设备电连接，所述的恒温设备包括一热容金属块和安装在金属块内的测温热敏电阻和电加热绕组，其特征在于：所述的精密温度控制装置包括温度检测模块、毫伏放大器模块、A/D转换模块、微处理器模块、可控硅触发器模块、可控硅整流器模块、参考电压模块、稳压电源模块和电网电压检测模块；所述的温度检测模块包含一个安装在恒温槽体内的测温热敏电阻并连接到参考电压模块的输出端，向测温热敏电阻提供固定的工作电流，该模块的输出端连接毫伏放大器模块的输入端；所述的毫伏放大器模块的输出端连接A/D转换模块的输入端将放大后的电压输出到A/D转换模块；所述的A/D转换模块设有多个输入端，分别连接毫伏放大器模块的输出端、参考电压模块的输出端、电网电压检测模块的输出端或接地，其输出端连接微处理器模块的输入端；所述的微处理器模块的输出端连接可控硅触发器模块的输入端；所述的可控硅触发器模块的输出端连接可控硅整流器模块的输入端；所述的可控硅整流器模块与电加热绕组形成回路；所述的参考电压模块的输入端连接稳压电源模块的输出端；所述的稳压电源模块的输出端分别连接参考电压模块、毫伏放大器模块、A/D转换模块、微处理器模块和可控硅触发器模块；所述的电网电压检测模块的输入端外接交流电源。

2、如权利要求1所述的恒温槽温度控制装置，其特征在于：所述的电网电压检测模块包括顺序电连接的小功率变压器TRN、桥式整流器D2和滤波电路。

3、如权利要求1所述的恒温槽温度控制装置，其特征在于：所述的毫伏放大器模块包括一个同相放大电路、一个由电阻R5、R6、电位器W2组成的量程迁移电路和一个由电阻R7、电容C3组成的低通滤波器，放大后的电压经低通滤波器输出到A/D转换模块。

4、如权利要求1所述的恒温槽温度控制装置，其特征在于：所述的A/D转换模块主要由A/D集成电路TLC1543组成，TLC1543有11个模拟输入端AN0∽AN10，其中ANO与毫伏放大器模块的低通滤波器输出相接，AN1与电网电压检测模块的输出相接，其余模拟输入端接地；TLC1543的逻辑控制引脚SCLK、ADDS、DOUT和CS分别与微处理器模块的相关引脚连接，其中SCLK为时钟输入端，ADDS为地址输入端，DOUT为A/D转化后的数码输出端，CS为片选输入端。

5、如权利要求1所述的恒温槽温度控制装置，其特征在于：所述的微处理器模块包括微处理器89C2051、由石英振荡器X1、电容C8和C9组成的时钟振荡电路以及由电容C11、电阻R10组成的复位电路。

6、如权利要求1所述的恒温槽温度控制装置，其特征在于：所述的可控硅触发模块主要包括光电偶合过零触发的可控硅触发器以及由三极管TR1和TR2组成的复合晶体管驱动电路。

7、如权利要求1所述的恒温槽温度控制装置，其特征在于：所述的可控硅整流器模块主要包括双向可控硅整流器TLC336以及由电阻R16、电容C12组成的吸收电路，吸收电路的两端分别连接电加热绕组的两端。

8、如权利要求1所述的恒温槽温度控制装置，其特征在于：所述的参考电压模块由基准电压基成电路LM336组成。

9、如权利要求1所述的恒温槽温度控制装置，其特征在于：所述的稳压电源模块由2个分别为正、负电压的三端稳压器配以输出滤波电容组成。