基于緩步升溫的高精度恒溫箱分段檢測(cè)控制研究

張俊杰 楊桂茹 徐雅琪

摘要：溫度控制是許多科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵參數(shù)，精確溫度控制對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要。文章旨在研究一種基于緩步升溫的溫度控制方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的高精確控制。該方案采用緩步升溫策略，通過(guò)分段檢測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度變化，并通過(guò)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和判斷。通過(guò)分段檢測(cè)技術(shù)，該設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)溫度變化，并在異常情況下及時(shí)報(bào)警。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠有效提高恒溫箱的溫度控制精度，降低能耗，并延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

關(guān)鍵詞：緩步升溫；恒溫箱；溫度控制；步進(jìn)策略；分段檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TP273? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在許多科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中，精確控制溫度是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。尤其是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，需要一個(gè)高精度、可重復(fù)性的恒溫環(huán)境以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。為了滿足這種需求，恒溫箱應(yīng)運(yùn)而生。然而，如何保證恒溫箱溫度控制的精度和穩(wěn)定性，一直是研究者關(guān)注的重點(diǎn)。恒溫箱在科研、生物、化工、醫(yī)療等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用［1-2］。溫度控制精度是衡量恒溫箱性能的關(guān)鍵指標(biāo)。然而，在常規(guī)的步進(jìn)升溫過(guò)程中，升溫速度的突變，往往導(dǎo)致溫度波動(dòng)，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性［3］。因此，如何實(shí)現(xiàn)緩步升溫過(guò)程中的高精度溫度控制，成了恒溫箱的研究重點(diǎn)。本文圍繞基于緩步升溫的步進(jìn)升溫高精度恒溫箱溫度分段檢測(cè)研究展開討論。

1 溫度控制系統(tǒng)組成

系統(tǒng)的控制電路設(shè)計(jì)主要關(guān)注以下幾個(gè)方面：一是需要能夠精確地控制加熱元件的溫度；二是需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度的變化；三是在溫度變化超出預(yù)期時(shí)能夠及時(shí)進(jìn)行調(diào)整；四是要有良好的可靠性和穩(wěn)定性。具體而言，可以采用PID（比例-積分-微分）控制器來(lái)控制加熱元件的溫度，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度傳感器反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)，調(diào)整加熱元件的電壓或電流，以達(dá)到精確控制溫度的目的。同時(shí)，為了確保電路的穩(wěn)定性和可靠性，本文還需要考慮到各種可能的干擾因素，如電源波動(dòng)、環(huán)境溫度變化等。系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)電路包括恒溫箱熱敏電阻橋式電路和溫度檢測(cè)系統(tǒng)控制及顯示電路。電路原理分別如圖1和2所示［4］。

系統(tǒng)主要功能模塊構(gòu)成部分如下：

（1）緩步升溫系統(tǒng)。

通過(guò)控制加熱元件的功率，實(shí)現(xiàn)恒溫箱的緩步升溫。通過(guò)調(diào)整加熱速度，可以避免溫度突變帶來(lái)的誤差，提高溫度控制的精度。

（2）步進(jìn)升溫系統(tǒng)。

在需要快速達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，通過(guò)改變加熱元件的功率，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)升溫。這種方式可以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到所需的溫度，適用于需要快速反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)或生產(chǎn)場(chǎng)景。

（3）溫度分段檢測(cè)。

根據(jù)需要，將恒溫箱的溫度區(qū)間劃分為多個(gè)分段，對(duì)每個(gè)分段進(jìn)行溫度檢測(cè)。這樣可以更精確地控制每個(gè)區(qū)間的溫度，提高整體溫度控制的精度。

（4）A/D轉(zhuǎn)換。

采用高精度A/D轉(zhuǎn)換器，將溫度傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理和分析。

（5）數(shù)字顯示。

通過(guò)液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度、設(shè)定溫度、溫度變化等信息，方便實(shí)驗(yàn)人員或操作人員觀察和控制。

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，該恒溫箱在溫度控制精度、響應(yīng)速度等方面表現(xiàn)優(yōu)異。在溫度分段檢測(cè)和A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的配合下，該恒溫箱能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的溫度控制，為各種實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)過(guò)程提供可靠的保障。

2 溫度控制策略設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的溫度控制過(guò)程主要分為緩步升溫、步進(jìn)升溫、穩(wěn)定控制3個(gè)階段，控制主流程如圖3所示。

2.1 緩步升溫階段

在恒溫箱開始升溫的階段，本文采用了緩步升溫策略。這一策略能夠使溫度在升高的過(guò)程中更加平穩(wěn)，避免了溫度突變帶來(lái)的誤差。在此階段，本文主要使用熱電偶進(jìn)行溫度檢測(cè)。熱電偶具有高精度、快速響應(yīng)的特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確記錄溫度的變化。恒溫箱的溫度控制通常需要采取一種叫做緩步升溫或者步進(jìn)升溫的技術(shù)。這種方法主要是通過(guò)逐漸提高加熱元件的電壓或電流，使加熱元件的溫度逐步升高，然后再緩慢地傳遞給恒溫箱內(nèi)的物質(zhì)。這種方式的好處是能有效地減少溫度驟變對(duì)物質(zhì)的影響，同時(shí)也可以提高溫度控制的精度。在實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)的過(guò)程中，一個(gè)關(guān)鍵的部分就是控制電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。這個(gè)電路需要能夠精確地控制加熱元件的溫度，并能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度的變化，以便在必要時(shí)進(jìn)行調(diào)整［5］。

2.2 步進(jìn)升溫階段

在步進(jìn)升溫階段，本文采用了分段檢測(cè)的方法。本文將恒溫箱的溫度設(shè)定為多個(gè)分段，每個(gè)分段都有特定的溫度范圍。在這個(gè)階段，本文使用了紅外測(cè)溫儀進(jìn)行溫度檢測(cè)。紅外測(cè)溫儀具有非接觸式測(cè)溫的特點(diǎn)，能夠避免對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品的影響，同時(shí)能夠快速、準(zhǔn)確地記錄溫度變化。傳統(tǒng)的恒溫箱加熱方式往往是勻速升溫，這種方式在短時(shí)間內(nèi)可能會(huì)導(dǎo)致箱內(nèi)溫度的大幅度波動(dòng)，不利于溫度的穩(wěn)定控制。為了解決這一問(wèn)題，本文提出了基于緩步升溫的步進(jìn)升溫技術(shù)。緩步升溫是指加熱過(guò)程中，加熱速度逐漸增加，使得溫度的變化更加平緩，降低了溫度波動(dòng)的影響。而步進(jìn)升溫則是通過(guò)控制加熱元件的開關(guān)時(shí)間，使得溫度在各個(gè)時(shí)間段內(nèi)以不同的速度上升，進(jìn)一步減小了溫度波動(dòng)。對(duì)于高精度恒溫箱的溫度控制，分段檢測(cè)溫度變化是必要的。溫度的變化并不是均勻的，尤其是在緩步升溫的過(guò)程中，因此，本文需要對(duì)溫度進(jìn)行分段檢測(cè)，以便更準(zhǔn)確地了解溫度的變化情況。本文將溫度分為多個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間都有相應(yīng)的檢測(cè)點(diǎn)，這樣可以更精確地掌握溫度的變化趨勢(shì)［6］。

2.3 穩(wěn)定階段

恒溫箱的溫度達(dá)到設(shè)定值后，進(jìn)入了穩(wěn)定階段。在這個(gè)階段，本文使用了高精度數(shù)字溫度計(jì)進(jìn)行溫度檢測(cè)。數(shù)字溫度計(jì)具有高精度、高分辨率的特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確記錄溫度的微小變化。同時(shí)，本文還會(huì)通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)樣品的狀態(tài)，來(lái)判斷溫度是否穩(wěn)定。為了實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，本文采用了分段檢測(cè)的方法。這種方法將恒溫箱的溫度區(qū)間劃分為多個(gè)小段，對(duì)每個(gè)小段的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)溫度超出預(yù)設(shè)范圍，立即進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)溫度變化，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，從而保證了溫度的穩(wěn)定。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本研究設(shè)計(jì)一系列實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證分段檢測(cè)方案的可行性。具體包括：（1）設(shè)計(jì)不同升溫速度下的實(shí)驗(yàn)，觀察溫度波動(dòng)情況；（2）對(duì)比傳統(tǒng)檢測(cè)方法和分段檢測(cè)方法的效果；（3）通過(guò)調(diào)整分段檢測(cè)方案中的參數(shù)，優(yōu)化溫度控制精度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，本文得到了以下結(jié)果：在緩步升溫過(guò)程中，采用分段檢測(cè)方案可以有效降低溫度波動(dòng)，提高溫度控制精度［6］。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）分段檢測(cè)方案能夠有效減少溫度波動(dòng)幅度；（2）分段檢測(cè)方案能夠提高溫度控制精度，減小實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差；（3）分段檢測(cè)方案的實(shí)施成本較低，具有較高的實(shí)用價(jià)值。恒溫箱不同區(qū)域內(nèi)模擬物溫度變化率的數(shù)值結(jié)果如圖4所示。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)分段檢測(cè)方案的關(guān)鍵在于如何合理劃分溫度區(qū)間以及如何選擇合適的檢測(cè)點(diǎn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文提出以下優(yōu)化建議：在每個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)設(shè)置多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，采用高精度的傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以確保每個(gè)區(qū)間的溫度波動(dòng)都在可接受范圍內(nèi)。此外，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整升溫速度，確保每個(gè)區(qū)間內(nèi)的溫度變化符合預(yù)期。分段檢測(cè)的方法可以有效地提高溫度控制的精度。在初始階段，通過(guò)緩步升溫策略，可以避免因溫度突變對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品的影響；在步進(jìn)升溫階段，通過(guò)紅外測(cè)溫儀的檢測(cè)，可以實(shí)時(shí)了解溫度的變化情況；在穩(wěn)定階段，通過(guò)數(shù)字溫度計(jì)的檢測(cè)，可以準(zhǔn)確記錄溫度的微小變化。此外，實(shí)驗(yàn)樣品的性質(zhì)和狀態(tài)也會(huì)影響溫度控制的精度。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)樣品的性質(zhì)和狀態(tài)，選擇合適的檢測(cè)方法和控制策略。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于緩步升溫的步進(jìn)升溫高精度恒溫箱溫度分段檢測(cè)研究，結(jié)合A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)字顯示技術(shù)，提供了一種精確、可靠的溫度控制解決方案。該方案不僅能夠提高溫度控制的精度，還具有響應(yīng)速度快、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種需要精確溫度控制的實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)場(chǎng)景。本研究還發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)樣品的性質(zhì)和狀態(tài)也會(huì)影響溫度控制的精度。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)樣品的性質(zhì)和狀態(tài)選擇合適的檢測(cè)方法和控制策略。本研究為提高恒溫箱的溫度控制精度提供了新的思路和方法。

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（編輯 王雪芬）

Research on high-precision segmented detection and control of constant temperature box based on slow heating

ZHANG? Junjie， YANG? Guiru， XU? Yaqi

（Xijing University， Shaanxi， Xian 710000， China）

Abstract：? Temperature control is a key parameter in many scientific experiments and industrial production. Accurate temperature control is crucial for the accuracy of experimental results and the quality of industrial products. This article aims to study a temperature control scheme based on slow heating， achieving high-precision temperature control. This plan adopts a slow heating strategy， which monitors temperature changes in real time through segmented detection technology， and processes and judges data through embedded systems. Through segmented detection technology， the device is able to monitor temperature changes in real time and provide timely alarms in case of abnormal situations. The experimental results show that this method can effectively improve the temperature control accuracy of the constant temperature box， reduce energy consumption， and extend the service life of the equipment.

Key words： slowly warming up; thermostatic box; temperature control; step by step strategy; segmented detection