程序控制恒温干燥箱

针对一些老式电加热恒温设备需要修理、改造而缺乏配件的困难，找出了在仪器设备原有基础上，利用数显温度控制仪表、接触器以及各种功率模块组合，代替原有温度控制部件，实现了更加直观、方便、可靠，精准的温度控制方案。通过几年来改造过的数台电加热恒温设备运行表明，改造方案是成功的，本文以电热恒温干燥箱改造为例，介绍改造原理及过程，以期对大家有所启发。 在实验室有一些老式电热烘箱，这些烘箱控制温度的方式采用热膨胀调温式即在其工作室内安装测温杆，将两种膨胀系数不同的金属片，或膨胀灵敏的金属杆，借热胀冷缩在不同温度下有不同的伸长或缩短长度来控制断电或通电，来达到温度控制的目的，温度显示需借助顶端的玻璃温度计，这种控制方式控温精度低、读数不直观。由于机械磨损，调温装置损坏，造成温度失控，因这种控温器已没有备件出售，有些烘箱已处于停用状态。若能修复这些设备，不仅能延长其使用寿命，还能为单位节约大量采购经费。存在的问题 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/01/201501021139_530969_1173612_3.jpg 该电热恒温干燥箱1983年生产，它主要由金属箱体、保温材料、电阻性加热部件、控制电路及控制面板等构成。其中箱体、保温材料等的机械结构还是完好的，托架、隔板齐全、完好，而这些又是设备价值较高的部分，但由于使用多年，温度调节器机械磨损严重，无法正常调节温度，找到同型号配件更换，已处于停用状态。 从以上情况来看，只要修复或更新温度控制系统，该电热恒温干燥箱还是可以恢复使用的。改造方案及实施原有的控制线路及原理 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/01/201501021139_530970_1173612_3.jpg 其控制温度的原理是：操作者将电源开关拨至接通位置，待箱体上面的水银温度计显示的温度值接近工艺温度时，操作者须不断调节温度调节器旋钮，处于“通——断”状态，直至温度计的稳态值刚好等于工艺温度。通常情况下，要调节出工艺温度需要时间较长，而且误差较大。改进前烘箱的控制缺陷分析 原有机械式温度调节方式：由于在控制过程中，设备的加热只有“通——断”两种状态，所以称为二位式机械控温，这种控温方式具有结构简单、价格低廉、使用维修方便的特点。但是调节精度不高，被调温度始终不能定在给予定值上，总是在给予定值上、下周期性的波动，其特性曲线见图 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/01/201501021139_530971_1173612_3.jpg 由于加热系统的的热惯性，在某一段时间温度仍然在继续下降，直到t4时才回升。这样反映温度变化的是一条在给定温度上、下一定范围内波动的曲线，这表时存在着“动差”。这种调节方式精度较低，对象的热惯性越大，仪表不灵敏区越大，动差就越大。因此，位式调节不适于热惯性较大的系统，也满足有些实验工艺的要求。改造方案 随着电子技术的飞速发展，数显温度控制仪表技术日益成熟，价格低，通用性更好，使用更为简捷和方便，在各种控制领域中应用越来越广泛。因此，可以利用数显控温仪表作为主控部件，针对不同的控制对象、控制要求及控制成本，合理选用接触器、可控硅、固态继电器等各种功率模块作为执行部件与之相配合，替代老设备原有的控制电路，对其进行改造升级，实现更为直观、方便、精准、可靠的温度控制。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/01/201501021139_530972_1173612_3.jpg 温度控制仪表选择：在改造中我们采用了AI808自整定专家PID控制仪表。AI调节器是控温系统的核心部分，AI仪表首创性地采用了平台概念，将非常专业化的数字调节仪表转为平台化设计的产品，采用的是AI人工智能调节算法是采用模糊规则进行PID调节的一种新型算法，在误差大时，运用模糊算法调节，以消除PID饱和积分现象，当误差趋小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化。 控制元件：电热恒温干燥箱加热功率1000W，工作电流4.5A,工作电压220V。而我们选用的BTA41-600，双向可控硅，工作电流41A，耐压600V，完全能够满足要求，而且体积小，便于安装。 温度传感器：电热恒温干燥箱额度工作温度为200℃， Pt100铂热电阻，它用来测量(-200～850)℃范围内的温度，其物理、化学性能稳定，复现性好，铂热电阻与温度是近似线性关系。所以温度传感器选用Pt100。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/01/201501021151_530978_1173612_3.jpg控制电路的设计 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/01/201501021140_530975_1173612_3.jpg http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/01/201501021140_530976_1173612_3.jpg安装调试根据设计图纸，完成了安装、接线并进行调试。

[align=center][img=在昆虫学实验用自动气压室中如何实现正压和负压的高精度程序控制,500,387]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211090604445428_4508_3221506_3.jpg!w690x535.jpg[/img][/align][color=#990000]摘要：昆虫的行为模式会受气压变化的明显影响，为在可控气压条件下的气压室内模拟自然气压变化对昆虫行为进行准确和可重复的研究，需要气压室的气压变化可精确程序控制。本文针对客户提出的气压室压力精密程序控制要求，介绍了高精度真空压力控制仪解决方案。真空压力控制仪采用密闭容器进出气体动态平衡法工作原理，以高压气瓶作为高压气源，真空泵进行抽气，通过双通道真空压力程序控制器采集压力传感器并同时自动调节进气针阀和出气针阀的开度，实现任意设定压力变化程序的精密控制和长时间稳定运行。[/color][align=center][color=#990000]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/align][color=#990000][size=18px][b]一、问题的提出[/b][/size][/color]各种生物体所处的环境会影响和改变其生活方式，这些环境条件主要包括风、雨、土壤成分、辐射、温度和大气压力等因素。大量研究表明，不利的天气条件（通常与气压变化有关）会影响繁殖、摄食和栖息。昆虫行为，如飞行、产卵、寄生、交配和鸣叫等，会受到气压的影响。对于昆虫行为模式与气压之间的相关性研究，目前普遍采用的方式是在自然条件下进行观察和记录，存在效率低、周期长和不准确等问题。个别实验室使用了手动控制气压的气压室，但存在气压控制不准确、无法长时间的精密模仿自然压力的缓慢变化过程以及可控的气压变化范围很窄等问题。最近有客户希望能对昆虫研究用的气压室进行正负压自动控制，具体要求如下：（1）气压控制范围：以一个标准大气压为基准，能实现气压室的气压在内正负压力范围内的精密控制，即气压室内的绝对压力在90kPa~110kPa范围内精密可控。（2）气压控制形式：可自动模拟自然界大气压的缓慢变化过程，即气压变化可按照任意设定的变化方向和速度进行控制，气压可准确恒定在任意设定点处。总之，整个气压变化过程可按照任意设定的折线形式进行精密控制。（3）气压控制精度：在90kPa~110kPa范围内，任意压力下的控制精度小于±0.1%。为了满足客户提出的上述要求，本文将提出相应的高精度气压程序控制解决方案。解决方案将采用密闭容器进出气体动态平衡法，采用高压气瓶作为高压气源，真空泵进行抽气，通过双通道真空压力程序控制器采集压力传感器并同时控制进气针阀和出气针阀的开度，实现任意设定压力变化程序的精密控制和长时间稳定运行。[b][size=18px][color=#990000]二、解决方案[/color][/size][/b]从客户提出的上述要求可以看出，用于昆虫行为研究的气压室压力控制是个典型的正负压力自动控制问题。此正负压力自动控制需要解决以下几方面的问题：（1）正压（压力）和负压（真空）如何形成。（2）正负压自动控制方法和控制仪器。（3）压力传感器的选择。（4）控制阀门的选择。为解决上述几方面的问题，本文提出的具体解决方案如图1所示。[align=center][color=#990000][img=气压室压力控制方案结构示意图,550,227]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211090607045916_3943_3221506_3.jpg!w690x285.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1 昆虫研究用气压室正负压力程序控制方案示意图[/color][/align]首先，为在气压室内形成正压和负压，解决方案采用了动态平衡法。如图1所示，在气压室的左边进气端布置高压气源，在气压室的右边出气端布置真空泵，如果进气流量大于排气流量则形成正压，若排气流量大于进气流量则形成负压。进气和出气流量通过进气阀和排气阀调节。对气压室正压和负压的调节和控制，是一个典型的分程控制案例，即采用一个调节器的输出同时驱动几个工作范围不同的执行器。这里的调节器就是图1所示的压力控制器，工作范围不同的执行器是进气阀和排气阀。由此可见，压力控制器要求具有分程控制功能，即要求压力控制器针对不同工作范围（正压或负压区间）具备同时调节进气阀和排气阀开度大小的功能。另外，为了保证控制精度，所选择的压力控制器为超高精度PID调节器，具有24位AD和16位DA转换器，并具有双精度浮点运算功能，最小输出百分比可以达到0.01%。为了保证气压室内压力变化达到客户提出的控制精度，还需要选择高精度压力传感器。如果要达到±0.1%的控制精度，压力传感器的测量精度需要达到±0.05%。同样，压力控制精度还取决于进气阀和排气阀的调节精度和响应速度。对于体积较小的昆虫学实验用气压室，则要求阀门具有超高的响应速度。我们选择用步进电机驱动的快速电动针阀，电动针阀的全程开启速度为0.8秒，具有超低的真空漏率和7bar的耐正压能力。一系列不同通孔孔径的电动针阀可供选择以满足不同规格尺寸的自动气压室。最关键的是可以使用0~10V（或4~20mA）的模拟信号直接驱动电动针阀，且具有非常好的线性度和重复性。经过上述选择和配置，按照图1所示的解决方案，所配置的真空压力控制仪如图2所示。[align=center][color=#990000][img=用于气压室的真空压力控制仪结构示意图,550,447]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211090607364958_9108_3221506_3.jpg!w690x561.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 昆虫研究用气压室真空压力控制仪结构示意图[/color][/align]图2所示的真空压力控制仪是一个集成式仪器，将包括数控针阀、控制器、电源等所有部件都集成安装在控制仪内。控制仪两侧留有连接充气/抽气泵的快插接头。控制仪背面留有连接气压室进气/出气的快插接头，同时还留有连接压力传感器、计算机通讯和工作电源的专用接口。压力传感器以外置形式直接安装在气压室侧壁上，可更准确的检测气压室内的真空压力变化。压力传感器的信号和电源引线连接到真空压力控制仪背面相应的连接器上。这种外置式压力传感器形式更具有扩展性，可根据不同气压室或密闭容器的真空压力控制范围选择不同压力传感器，并便于更换和安装。计算机通讯采用了具有标准MODBUS协议的RS 485接口，由此可连接计算机。通过PID控制器随机所带的控制软件，计算机可直接遥控PID调节器，并采用软件界面操作进行控制程序设置和运行，对控制过程进行数据采集、存储和全过程结果曲线显示。[b][size=18px][color=#990000]三、总结[/color][/size][/b]上述的正负压精密控制解决方案作为一种标准的真空压力控制仪器，除了可以满足昆虫学实验用自动气压室的各项要求外，还具有很强的适用性和可扩展性，主要体现在以下几个方面：（1）可进行更大区间的真空压力控制，绝对压力控制范围可覆盖0.1Pa~0.5MPa，具有非常宽泛的正压和负压控制范围。（2）在正压和负压区间可实现各种形式的控制，如单独控制正压、单独控制负压（真空度），也可正负压连续控制，所有控制可进行定点控制，也可进行折线编程程序的自动控制。（3）可进行更多功能的扩展，如实现不同气体或不同气体含量混合气体下的气压控制，也可用来同时控制其他环境变量，如温度、湿度和光照等。总之，标准化的真空压力控制仪可满足各种实验室气压室的压强程序控制，并具有±0.1%以上的控制精度。同时，控制仪也适用于各种真空压力容器（如气候室、气候环境试验箱、真空气氛炉、真空干燥箱、旋转蒸发仪、精密低温容器、冷冻干燥箱和各种光谱仪等）的气压精密控制，大大提高了自动化程度和控制精度。[align=center][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]