CN104571186A - 一种微波辐射计高精度恒温控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微波辐射计高精度恒温控制装置,包括一级恒温箱和二级恒温箱,将二级恒温箱通过一级恒温箱与外界环境隔离,一级恒温箱与二级恒温箱之间设置热交换装置,一级恒温箱和二级恒温内设置温度传感器,一级恒温箱与外界之间设置热交换装置,温度传感器和热交换装置都连接控制器,一级恒温箱与二级恒温箱之间设置独立风道,独立风道中设置风扇。辐射计高精度恒温控制方法基于热平衡原理,利用两级恒温***抑制辐射计接收机与环境热交换的方式,解决了辐射计温控装置控制精度低以及温度适应性差的问题,提高了辐射计工作的稳定度。
Description
技术领域
本发明涉及微波辐射测量技术领域,特别是涉及一种微波辐射计高精度恒温控制的方法及装置。
背景技术
微波辐射计通过实时测量大气微波辐射信号,监测大气积分水汽含量、路径液态水含量的连续变化,反演输出大气温、湿度廓线等,能够实现短时、临近天气预报,提高中小尺度天气的监测预警能力。通过对灾害性天气加密观测,对其变化趋势和影响区域进行预判,提高预报的精细化水平。同时也可以为人工影响天气作业方案的科学设计、作业条件的综合判别和作业实施提供依据,可减少人工影响天气作业的盲目性,增加作业的科学性。分发挥***的作战效能。
微波辐射计核心单元是一种用于测量目标热辐射的高灵敏度接收机,当工作温度发生改变时,微波辐射计接收机的稳定度随之变化,为保证微波辐射计测量精度,须对微波辐射计接收机采用恒温措施保证工作温度处于近似恒定。普通辐射计恒温装置通常为一级恒温***,恒温装置直接与外界环境进行热交换,温度控制精度较低;同时辐射计接收机工作时自身热量会影响恒温装置温度控制,特别当夏季环境温度较高时,恒温装置很难达到效果。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种克服辐射计恒温装置温控精度低、温度适应性差的缺点的辐射计高精度恒温控制装置。
为解决上述技术问题,本发明的微波辐射计高精度恒温控制装置,包括一级恒温箱和二级恒温箱,将二级恒温箱通过一级恒温箱与外界环境隔离,一级恒温箱与二级恒温箱之间设置热交换装置,一级恒温箱和二级恒温内设置温度传感器,一级恒温箱与外界之间设置热交换装置,温度传感器和热交换装置都连接控制器,一级恒温箱与二级恒温箱之间设置独立风道,独立风道中设置风扇。
所述热交换装置包括设置在恒温箱壁上的加热制冷器,加热制冷器两侧设置散热器。
所述一级恒温箱和二级恒温箱的箱壁用低热导率材料涂覆。
所述一级恒温箱外侧设置风扇。
本发明的微波辐射计高精度恒温控制方法,采用两级恒温***,将二级恒温箱通过一级恒温箱与外界环境隔离,通过设置在恒温箱内的传感器监测温度,将温度信号传送给控制器,控制器采用高精度反馈控制算法控制恒温***内的加热制冷器。
所述高精度反馈控制算法是PID算法,数字PID控制的差分方程为:
其中,Kp为PID回路增益,Ti为积分时间,Td为微分时间,T为采样周期,e(kT)为第k次采样的偏差值;
由于PID算法输出在计算过程中容易产生积分饱和作用,因此,采用增量式PID控制算法控制恒温***,其差分方程为:
Δu(kT)=Kp[e(kT)-e(kT-T)]+Kie(kT)+Kd[e(kT)-2e(kT-T)+e(kT-2T)] 公式2;
其中,Kp为PID回路增益,e(kT)为第k次采样的偏差值,为积分系数,微分系数,T为采样周期,e(kT)为第k次采样的偏差值;
依据实测数据实时修正控制算法参数,
PID控制器的比例系数Kp、积分时间Ti和微分时间Td的大小是辐射计高精度恒温控制技术的核心,在PID参数进行整定时可以对PID参数进行预设,两级温控***启动后,通过试验数据对PID的参数进行实时修正,当两级恒温***温度达到预设值后,PID参数达到收敛,在温控***工作时,针对比例系数Kp、积分时间Ti和微分时间Td对***控制过程的影响趋势,参数调整依据先调整比例系数Kp,再调整积分时间Ti,最后调整微分时间Td的顺序对参数因此依次调整。
辐射计高精度恒温控制方法基于热平衡原理,利用两级恒温***抑制辐射计接收机与环境热交换的方式,解决了辐射计温控装置控制精度低以及温度适应性差的问题,提高了辐射计工作的稳定度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是微波辐射计高精度恒温控制装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明的微波辐射计高精度恒温控制装置,包括一级恒温箱1和二级恒温箱2,将二级恒温箱2通过一级恒温箱1与外界环境隔离,一级恒温箱1与二级恒温箱2之间设置热交换装置5,一级恒温箱1和二级恒温2内设置温度传感器,一级恒温箱1与外界之间设置热交换装置5,温度传感器和热交换装置5都连接控制器,一级恒温箱1与二级恒温箱2之间设置独立风道3,独立风道3中设置风扇4。热交换装置5包括设置在恒温箱壁上的加热制冷器7,加热制冷器7两侧设置散热器8。一级恒温箱1和二级恒温箱2的箱壁用低热导率材料涂覆。一级恒温箱1外侧设置风扇。
本发明的微波辐射计高精度恒温控制方法,采用两级恒温***,将二级恒温箱通过一级恒温箱与外界环境隔离,通过设置在恒温箱内的传感器监测温度,将温度信号传送给控制器,控制器采用高精度反馈控制算法控制恒温***内的加热制冷器。
所述高精度反馈控制算法是PID算法,数字PID控制的差分方程为:
其中,Kp为PID回路增益,Ti为积分时间,Td为微分时间,T为采样周期,e(kT)为第k次采样的偏差值;
由于PID算法输出在计算过程中容易产生积分饱和作用,因此,采用增量式PID控制算法控制恒温***,其差分方程为:
Δu(kT)=Kp[e(kT)-e(kT-T)]+Kie(kT)+Kd[e(kT)-2e(kT-T)+e(kT-2T)] 公式2;
其中,Kp为PID回路增益,e(kT)为第k次采样的偏差值,为积分系数,微分系数,T为采样周期,e(kT)为第k次采样的偏差值;
依据实测数据实时修正控制算法参数,
PID控制器的比例系数Kp、积分时间Ti和微分时间Td的大小是辐射计高精度恒温控制技术的核心,在PID参数进行整定时可以对PID参数进行预设,两级温控***启动后,通过试验数据对PID的参数进行实时修正,当两级恒温***温度达到预设值后,PID参数达到收敛,在温控***工作时,针对比例系数Kp、积分时间Ti和微分时间Td对***控制过程的影响趋势,参数调整依据先调整比例系数Kp,再调整积分时间Ti,最后调整微分时间Td的顺序对参数因此依次调整。
将辐射计恒温装置从一级恒温***改变为两级恒温***。
依据热力学第一定律,一个热力学***的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它做功的和,热力学***内能增量根据公式1计算。
ΔE=-W+Q 公式1
其中,ΔE为热力学***内能增量,W为外界对热力学***所做的功,Q为外界向热力学***传递的热量;
普通辐射计恒温装置与辐射计接收机之间只存在热量传递(热交换),即辐射计内能增量与辐射计与恒温***之间热交换量成线性关系,热力学***内能增量可以用温度增量表征,辐射计恒温***通过抑制内能增量实现恒温***的温度恒定。
辐射计高精度恒温控制技术采用两级恒温控制***温度,其核心设计思路为通过热交换使两级恒温***温度趋于一致,从而两级恒温***互为热平衡,将所需达到高精度恒温控制的二级恒温***置于一级恒温***内部,当二级恒温***与一级恒温***的温度趋于一致,二级恒温***与一级恒温***互为热平衡,两级恒温***恒温控制温度为T,一级恒温***温度为T+ΔT1,二级恒温***温度为T+ΔT2,ΔT1为一级恒温***温度控制精度,ΔT2为二级恒温***温度控制精度,采用两级恒温***后ΔT2=ΔT1。
为保证一级恒温***与二级恒温***之间热交换充分,一级恒温***与二级恒温***之间采用独立风道设计,利用风扇使风道内部空气形成强制对流,保证恒温***内部温度均匀。
一级恒温***与二级恒温***应采用低热导率材料涂覆,抑制外界环境与恒温***之间通过热传导进行的热交换,降低外界环境温度变化对恒温装置温度控制的影响。
Claims (4)
1.一种微波辐射计高精度恒温控制装置,其特征在于:包括一级恒温箱和二级恒温箱,将二级恒温箱通过一级恒温箱与外界环境隔离,一级恒温箱与二级恒温箱之间设置热交换装置,一级恒温箱和二级恒温内设置温度传感器,一级恒温箱与外界之间设置热交换装置,温度传感器和热交换装置都连接控制器,一级恒温箱与二级恒温箱之间设置独立风道,独立风道中设置风扇。
2.按照权利要求1所述的微波辐射计高精度恒温控制装置,其特征在于:所述热交换装置包括设置在恒温箱壁上的加热制冷器,加热制冷器两侧设置散热器。
3.按照权利要求1所述的微波辐射计高精度恒温控制装置,其特征在于:所述一级恒温箱和二级恒温箱的箱壁用低热导率材料涂覆。
4.按照权利要求1至3中任意一项所述的微波辐射计高精度恒温控制装置,其特征在于:所述一级恒温箱外侧设置风扇。
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