不需要温度传感器的精密加热温度控制装置及方法

摘要

一种不需要温度传感器的精密加热温度控制装置及方法，属于温度测控技术领域，其特征在于：控制器通过四端法测量发热元件的电阻获得其实际温度，在实际温度低于目标温度时对发热元件进行脉冲加热，把发热元件的实际温度控制在精度许可范围内。本发明不需要额外的温度传感器和电桥匹配电阻，结构简单，成本低廉，控温精确，可以应用于任何一种通过电阻式加热器进行温度控制的场合。

说明书

技术领域

本发明涉及一种不需要温度传感器的精密加热温度控制装置及方法。

背景技术

在生物、化工、医药、家电等各个领域，温度控制是一个十分普遍而重要的应用。传统的温度控制装置，当需要达到一定的温度控制精度的时候，使用温度传感器测量被加热部分的温度，通过电路结构实现温度的闭环控制。传统的温度传感器(包括热敏电阻、热电耦、模拟硅温度传感器和镍/铂电阻式温度检测器等)需要专门的测量电路进行处理。并且当需要进行温度控制的部分由于某些限制(如尺寸、距离、电场等)不能使用温度传感器的时候，则不能实现闭环加热控制，系统控温的精度达不到要求。一种改进的装置在测温环节不使用温度传感器，而是用电桥法直接测量阻性发热元件的电阻变化，实现对现场温度的反馈控制。电桥法测电阻需要额外的三个匹配电阻，系统仍然比较复杂。另外控制器与发热元件所在的现场常常有一定的距离，为此控制器与发热元件之间需要接插件连接。匹配电阻一般选择放在控制器一侧，远离发热元件。在这样的结构中，连接导致的不确定的接触电阻和导线的分布电阻都会影响电桥法电阻测量的结果。因此这种装置的控温精度和重复性都不高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种简洁而精准的加热温度控制装置，该装置不使用常规的温度传感器，也不增加额外的电桥电阻，而是使用四端法直接精确测量发热元件的电阻，实现精密控温。

本发明装置的特征在于：该装置含有：阻性发热元件，其电阻随温度的变化是单调的；测温支路，由电子开关(2)和精密电流源串联构成，以测量该阻性加热器的温度；加热支路，由电子开关(1)和加热电源串联构成，以对该阻性加热器加热，所述测温支路与加热支路并联后再与所述阻性加热器串联；电压差动放大器，该放大器与所述阻性加热器的B、C点相连，对所述阻性加热器B、C点的电压差进行放大；A/D转换器，其输入端与所述放大器的输出端相连；控制器，其输入端与所述A/D转换器输出端相连，该控制器根据阻性加热器的电阻与温度的单调关系计算其当前温度；所述阻性发热元件上连接有四根导线，最远的两根导线通较大的加热电流，中间两根导线相距尽可能远，传递电压信号。所述电压差动放大器，其同相和反相输入端对发热元件的电流影响小到不破坏系统的控温精度。所述控制器，其形式是CPU、或MCU、或CPLD、或FPGA、或由分立元件构成的数字逻辑电路。所述电子开关，其工作频率能满足高速控温循环的需求，并且能有效的接通和切断加热电源和恒流检测电源。所述精密恒流电源，其精度能够满足温度测量的精度要求。根据权利要求1，所述加热电源，其功率能够加热发热元件。

本发明方法的特征在于：该方法通过测温周期不断检测发热元件的温度变化，在其温度低于目标温度时用切换电源的方法插入一个固定时间的加热周期提高发热元件的温度，然后回到测温周期，维持发热元件的温度在目标温度上下的许可精度范围内。该方法通过四端法测量发热元件的电阻，得到发热元件的实际温度。

本发明的一个具体应用对毛细玻璃管进行温控。所用毛细管内径0.5mm，外径1.0mm，长度15mm。在毛细管表面密绕一层漆包线构成约9Ω的加热电阻，由于体系较小不能放置温度传感元件，温度的测量正是基于漆包线的阻值变化。测温电流为5.00mA，加热电压为12VDC，加热周期为1.0ms，具体实验结果表明：系统升温速度高达15℃/s，控温精度高达±0.1℃。

附图说明

图1.系统结构示意。

图2.主要波形示意。

具体实施方式

图1是本发明的系统结构示意图。控制器(3)把检测到的实际温度与目标温度做比较，决定加热开关(1)和检测开关(2)的动作，从而把发热元件(6)的温度维持在目标温度上下一定精度的范围内。图中，恒压源(7)为发热元件(6)提供加热能量，精密恒流源(8)为发热元件(6)提供检测用的精密电流。A和D是发热元件(6)上有效距离最远的两点，这样可以充分利用发热元件。B是A、D之间尽可能接近A的位置，C是A、D之间尽可能接近D的位置，这样B、C之间能检测到的信号最大。B、C两处的电压信号经差动放大器(5)相减所得的结果由A/D转换器(4)转变成数字信号送入控制器(3)处理。

在控温过程中，控制器一般处于测温周期：断开加热开关(1)，闭合检测开关(2)，精密检测电流由A点进入发热元件(6)并由D点流出，回到控制侧的地端。精密电流流经阻性发热元件(6)产生电压降，表现为B、C之间的电位差，其数值为精密电流与B、C间电阻的乘积。由于发热元件的电阻随其实际温度单调变化，在差动放大器(5)的输出端得到的放大了的B、C电位差可以直接反应发热元件(6)的实际温度。如果实际温度大于或等于目标温度，控制器一直处于测温周期，等待发热元件降温。

如果控制器发现实际温度小于给定温度，则进入加热周期：断开检测开关(2)，闭合加热开关(1)，远大于检测电流的加热电流流过发热元件(6)使其迅速升温。经过一个固定时间的延时后，控制器重新进入测温周期。

根据检测结果，控制器不断地在测温周期与加热周期之间切换，把发热元件(6)的实际温度控制在精度许可范围内。

进一步说明本发明中精密温度检测的原理。

因为所述发热元件(6)的电阻随温度单调变化，所以其电阻值与温度有唯一的对应关系。又因为B、C间的电位差是B、C间的电阻与流过B、C的电流的乘积，其中检测电流是精确的、已知的。所以B、C间的电位差与温度有唯一的对应关系。控制器通过测量B、C间的电阻就能得到发热元件(6)的实际温度。因为恒流四端法测电阻的电路结构从B、C点取的电流非常小，所以差动放大器(5)的输出信号仅与B、C间电阻有确定的比例关系，不受别处分布电阻变化的影响，温度测量的准度和精度(重复性)得到保证。

图2是系统工作时的主要波形曲线。上侧曲线是发热元件上所通过电流的示意，下侧曲线是发热元件实际温度的示意。t1期间系统处于加热周期，发热元件上通过较大的电流，温度迅速升高，加热周期的时间是固定的；t2期间系统处于测温周期，发热元件上通过的测温电流非常小，对元件的温度影响很小，发热元件自然降温，一旦实际温度比目标温度低到超过精度许可范围，系统立即开始一个加热周期。