CN108089616A - 一种线网反应器的温度调节*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种线网反应器的温度调节***，包括微控制器、人机交互***、功率调节器、线网反应器和与线网反应器的金属线网连接的热电偶；功率调节器输出功率对线网反应器进行加热，微控制器将热电偶测量的温度电压信号经隔离电路处理,A/D转换成温度数字量，再通过处理运算后，作为功率调节器的反馈信号，控制功率调节器的功率输出；人机交互***与微控制器通信，设定参数同时，实现数据的实时显示。本发明解决了现有温度采集需要特定电源、控制频率低、温度采样频率低、温度采集干扰等问题。
Description
技术领域
本发明涉及温度采集和控制领域，尤其涉及一种线网反应器的温度调节***。
背景技术
煤炭是当今世界的主要能源，更是很重要的一次能源。随着能源的消费而引发的环境问题越来越引起人们的重视，节能减排仍是能源科学研究的主题，因此深入了解煤的热利用和有害物质迁移的过程和机理，能够为实际工业中煤炭的清洁高效利用提供重要的理论基础。
为了研究煤炭的晶体性质变化和化学现象，常需要较慢的升温速率，然而工业生产中煤炭的反应是个快速加热反应过程。常见的水平炉、固定床、流化床和一维沉降炉等试验装置的开发，为实验室研究煤炭的热利用过程提供了良好的实验方法然而并不能提供一个宽泛的升温速率范围，仅有线网反应器可以提供一个宽泛的速率范围，并且能够有效的抑止二次反应，更加真实的了解煤热利用过程和机理。从上世界60年代开始着重发展线网反应器，如英国帝国理工大学等采用交流供电的方式，温度采样频率较低为50～60Hz，但可控性不高，美国犹他大学采用固态继电器实现了功率调节器的高频开断，提升了温度采集及控制精度，但是对固态继电器的频率要求较高，中国在本世纪也加快了线网的研究工作，清华大学采用直流功率调节器供电的方式研制了升温速率可以到1000℃/s的实验平台，上海交通大学基于LabVIEW开发的实验平台极限升温速率可以达到700℃/s，专利CN106094931公开了一种面向线网反应器的快速温度控制***，提供了具体工作方式，能够实现快速加热反应器，并且极限升温速率可以达到1700℃/s，但在控制精度上都有所提升，但是能够达到的极限升温速率不高。目前线网反应器温度的采集及控制还存在一些有待解决的问题，主要为控制频率低、温度采样频率低、温度采集干扰、极限升温速率过低等。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种线网反应器的温度调节***，以解决现有温度采集需要特定电源、控制频率低、温度采样频率低、温度采集干扰等问题。
本发明提供的一种线网反应器的温度调节***，其改进之处在于，所述温度调节***包括微控制器1、人机交互***2、功率调节器3、线网反应器4和与所述线网反应器4的金属线网连接的热电偶5；
所述功率调节器3输出功率对所述线网反应器4进行加热，所述微控制器1将所述热电偶5的电压信号补偿调制隔离转换成温度信号，再通过处理运算后，作为所述功率调节器3的反馈信号，控制所述功率调节器3的功率输出；
所述人机交互***2与所述微控制器1通信，设定参数同时，实现数据的实时显示。
优选的，所述微控制器1包括供电单元6、温度采集单元7、主控运算单元8；所述主控运算单元8包括A/D转换器9和D/A转换器10；
所述供电单元6通过USB接口与所述人机交互***2通信，且所述供电单元6为所述温度采集单元7和所述主控运算单元8供电；
所述温度采集单元7将所述热电偶5加热后产生温度电势差信号经温度补偿，信号放大，DC-DC隔离产生模拟电压温度信号后输入到所述主控运算单元8，再经过所述A/D转换器9和D/A转换器10转换后，所述主控运算单元8计算处理后形成时序TTL控制方波和控制量传给所述功率调节器3。
较优选的，所述功率调节器3为高频脉冲开关电源，其由所述TTL控制方波驱动，产生脉冲方波，脉冲方波处于高电平时为功率输出，脉冲方波处于低电平时为功率关断；
所述温度采集单元7在所述脉冲方波处于低电平时对所述热电偶5进行温度采集。
较优选的，所述热电偶5的线径小于等于50μm。
较优选的，所述供电单元6包括隔离及电压转换芯片，将所述人机交互***2的USB接口电压转换，为所述温度采集单元7和所述主控运算单元8供电。
较优选的，所述人机交互***2包括计算机；
需要设定参数包括频率、占空比、升温速率、终温、停留时间。
较优选的，所述微控制器1控制所述功率调节器3为产生的脉冲方波频率小于等于5kHz。
较优选的，所述主控运算单元8包括主控芯片晶振电路14和复位电路15；
所述温度采集单元7将热电偶5温度补偿调制转化后经DC-DC隔离后输入到所述主控运算单元8，再经过所述A/D转换器9得到数字温度量，经计算处理后控制D/A转换器10转换，形成0-5V的控制量和TTL控制方波，经隔离后输送给所述功率调节器3；
当出现所述温度调节***的设备初始化运行或死机时，通过所述复位电路15复位，程序重新开始运行。
较优选的，所述热电偶5有两路，分别与所述线网反应器4的中心和边缘连接。
本发明的技术方案中，可以实现精确的温度采集和稳定的功率调节控制，满足线网反应器不同终温及不同升温速率的温度采集及控制要求，该***的功率调节器采用全隔壁高频脉冲电源，保证了线网的升温速率，同时提高功率调节器的控制频率，使得温度控制更加精准，热电偶在脉冲方波的功率关断处进行温度采集，避免了功率调节器对热电偶电动势的干扰，同时微控制器内对热电偶采集信号进行隔离操作，避免了微控制器内部电动势的干扰，保证了温度采集的准确性，本发明可以实现的极限升温速率为5000℃/s。
附图说明
图1为本发明实施例的***组成示意图，图中1为微控制器，2为人机交互***，3为功率调节器，4为线网反应器，5为热电偶；
图2为本发明实施例的任务调度时间图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
本实施例提供的一种线网反应器的温度调节***，其组成示意图如图1所示，具体包括微控制器1、人机交互***2、功率调节器3、线网反应器4和与所述线网反应器4的金属线网连接的热电偶5；功率调节器3的正负两输出端与线网反应器4的正负电极相连，用于对线网反应器4进行加热，微控制器1将热电偶5的电压信号隔离转换成温度信号，再通过处理运算后，作为功率调节器3的反馈信号，控制功率调节器3的功率输出；人机交互***2与微控制器1通信，设定参数同时，实现数据的实时显示。
其中，微控制器1包括供电单元6、温度采集单元7、主控运算单元8；主控运算单元8包括A/D转换器9、D/A转换器10、主控芯片晶振电路14和复位电路15；供电单元6包括隔离及转换芯片16，作用是将人机交互***2的USB接口电压(5V)经AMS1117-3.3转换芯片转化3.3V，USB端口5V经DC-DC隔离芯片为±12V的电压供给温度采集单元7，通过转换芯片转化为3.3V的电压供给主控运算单元8。如此设计，对电源进行隔离处理，避免了电源的噪声对热电偶5信号调制过程产生的影响。温度采集单元7为阶段式采温，包括温度采集芯片11、运算放大器12和DC-DC隔离芯片13。温度采集芯片11在脉冲电源的低电平处进行温度采集，采集的温度经两组集成冷端补偿的AD8495温度采集芯片11调制后送入运算放大电路，采用OP2177运算放大器12将采温范围中最小温度和最大温度调至为0-3.3V的电信号送入DC-DC隔离芯片13，经隔离后的电信号进入主控运算单元8，如此设计，对低电平热电偶5的采温信号进一步隔离，有效避免了采集过程中热电偶5受到的外界干扰，同时避免了温度采集单元7对热电偶5信号的干扰，更加真实的反应线网反应器的温度进而对线网温度进行更加精确的调节；主控运算单元8的主控芯片晶振电路14接收来自温度采集单元7的信号后，经过12位的A/D转换器9和D/A转换器10转换后，形成0-5V的控制量和TTL控制方波，经隔离后实时输送给功率调节器3，如此设计避免了微控制器1的噪声对功率调节器3控制的干扰问题。
功率调节器3为全隔离可控高频脉冲开关电源，频率500-5000Hz，占空比0-100％连续可调，其由TTL控制方波驱动，产生频率小于5kHz的脉冲方波，脉冲方波处于高电平时为功率输出，脉冲方波处于低电平时为功率关断，如此选择能够使功率调节器满足线网的升温速率要求，同时低纹波输出减少加载到线网上的噪声，同时在低电平时处于关断状态最大可能较少功率电源输出在线网上产生电势差影响温度的测量，同时提供较高的频率可以尽可能增加热电偶的温度采集和微控制器的控制频率，为控制的精细调节提供基础。如图2所示，温度采集单元7在脉冲方波处于低电平时对热电偶5进行温度采集。因为功率输出波形相比控制波形存在延后性，所以温度采集时刻应该延后于功率调节器3的低电平开始时刻，同时由于频率高于5kHz后的方波输出噪音会淹没低电平波段，因此需控制电源的频率不高于5kHz，如此设计保证了温度采集的准确性；
本实施例的人机交互***2由LabVIEW开发平台编译生成，具体的，人机交互界面能够完成频率、占空比、升温速率、终温、停留时间的设定，经USB转CH340传输给微控制器1，同时微控制器1采集时间与温度数据经CH340转USB传输给人机交互***2，其实时读取微控制器1的信息并显示，如此设计，过程简单，LabVIEW不参与控制调节避免了由于LabVIEW软件运行速度的局限性对温控过程产生的影响；
本实施例的热电偶5有两路，分别与线网反应器4的中心和边缘连接，热电偶的线径小于等于50μm，如此设计能够更真实控制线网整体的温度有效避免局部温度变化对温度控制***产生影响，保证了温度的采集和控制的精准性。热电偶5的型号选择根据线网反应器的金属线网选用的材质及典型工作温度选择，如600～1000℃选择K型热电偶，1000～1600℃选择S型热电偶。
本实施例的线网反应器4的电极两端固定线网，用于完成实验的温度控制程序，具体的，选用金属线网的孔径要小于测试用样品的粒径，同时还要大于等于测温用热电偶的线径，金属线网的材质根据工作温度和实验要求选取，如1000℃以下选用不锈钢网，1600℃以下选用钼网或者镍网。
基于上述***，本实施例对应的提供一种线网反应器的温度调节方法，具体步骤包括：
1)微控制器1、人机交互***2和功率调节器3设备初始化；
2)所述微控制器1确定PID控制参数、线网反应器4的采温参数和允许误差参数；
3)用户通过所述人机交互***2输入设定参数，包括频率、占空比、升温速率、终温和停留时间。所述微控制器1根据所述设定参数控制所述功率调节器3输出功率大小，对所述线网反应器4进行加热；同时，所述微控制器1接收与所述线网反应器4金属线网连接的热电偶5的测量值，通过所述人机交互***2显示；其中，所述升温速率包括1阶段升温速率至n阶段升温速率；终温包括1阶段终温至n阶段终温；停留时间包括1阶段停留时间至n阶段停留时间。
4)为了尽可能的提高运算速度和控制精度，所述微控制器(1)采用离散化PID控制，根据用户设定的温度值与所述微控制器(1)得到的测量值得到的偏差值判断，在一个采温区间内，当所述偏差值小于用户设定的温度阈值时，进行下一个采温周期的采温，否则修改离散化PID中的影响温度变化精度参数误差值后进行下一个采温周期的采温，实现PID的闭环控制；具体的，修改离散化PID中的影响温度变化精度参数误差值的公式包括：
eej＝k1*tn+k2*mn+k3*em
式中，eej为影响温度变化精度参数误差；k1为升温系数；tn为升温速率影响参数；k2为线网温度响应系数；mn为线网温度响应时间参数；k3为误差系数；em为用户设定的温度值与所述微控制器1得到的测量值的误差影响参数；
确定离散化PID控制为：
式中，Uk为温度闭环控制量值；Kp为比例项的比例常数；Ki为积分项的比例常数；Kd为微分项的比例常数；K为增益系数；eK为在第n次采样时刻的偏差值；eK-1为在第n-1次采样时刻的偏差值；j为时间变量，代表不同时刻；其中第n次采样时刻的偏差值eK表达式为：
eK＝SV-PV
式中，SV为用户设定的温度值；PV为所述微控制器1接收热电偶5的测量值。
5)重复步骤4)，直至达到或小于设定的温度阀值，结束。
以5kHz的控制方案为例，具体的人机交互***2将升温速率，保持温度，多段参数，终温等参数下载入微控制器1中，开启温度控制，跟据用户下载参数计算出单位时间内温度升量的增量时间，最小温度时间可在0.2ms。微控制器1输出TTL控制方波驱动功率调节器3启动，TTL方波的占空比设置为60％，方法中，温度每次采样为50次数据转换后做滤波和求平均值处理，将采集点温度与用户设定温度比较，求出瞬时点偏差，结合上面所述的离散化PID控制将参数转为电流与电压控制量，用户可设置不同的PID参数，进行调节闭环温度响应和温度跟随波动状况，通过D/A模数转换器控制功率输了，实现全闭升温和保持温度控制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种线网反应器的温度调节***，其特征在于，所述温度调节***包括微控制器(1)、人机交互***(2)、功率调节器(3)、线网反应器(4)和与所述线网反应器(4)的金属线网连接的热电偶(5)；
所述功率调节器(3)输出功率对所述线网反应器(4)进行加热，所述微控制器(1)将所述热电偶(5)的电压信号隔离转换成温度信号，再通过处理运算后，作为所述功率调节器(3)的反馈信号，控制所述功率调节器(3)的功率输出；
所述人机交互***(2)与所述微控制器(1)通信，设定参数同时，实现数据的实时显示。
2.如权利要求1所述的温度调节***，其特征在于，所述微控制器(1)包括供电单元(6)、温度采集单元(7)、主控运算单元(8)；所述主控运算单元(8)包括A/D转换器(9)和D/A转换器(10)；
所述供电单元(6)通过USB接口与所述人机交互***(2)通信，且所述供电单元(6)为所述温度采集单元(7)和所述主控运算单元(8)供电；
所述温度采集单元(7)将所述热电偶(5)加热后产生温度电势差信号经温度补偿，信号放大，DC-DC隔离产生模拟电压温度信号后输入到所述主控运算单元(8)，再经过所述A/D转换器(9)和D/A转换器(10)转换后，所述主控运算单元(8)计算处理后形成时序TTL控制方波和控制量传给所述功率调节器(3)。
3.如权利要求1所述的温度调节***，其特征在于，所述功率调节器(3)为高频脉冲开关电源，其由所述TTL控制方波驱动，产生脉冲方波，脉冲方波处于电高平时为功率输出，脉冲方波处于低电平时为功率关断；
所述温度采集单元(7)在所述脉冲方波处于低电平时对所述热电偶(5)进行温度采集。
4.如权利要求3所述的温度调节***，其特征在于，所述热电偶(5)的线径小于等于50μm。
5.如权利要求2所述的温度调节***，其特征在于，所述供电单元(6)包括隔离及电压转换芯片，将所述人机交互***(2)的USB接口电压转换，为所述温度采集单元(7)和所述主控运算单元(8)供电。
6.如权利要求5所述的温度调节***，其特征在于，所述人机交互***(2)包括计算机；
需要设定参数包括频率、占空比、升温速率、终温、停留时间。
7.如权利要求2所述的温度调节***，其特征在于，所述微控制器(1)控制所述功率调节器(3)为产生的脉冲方波频率小于等于5kHz。
8.如权利要求5所述的温度调节***，其特征在于，所述主控运算单元(8)包括主控芯片晶振电路(14)和复位电路(15)；
所述温度采集单元(7)将热电偶(5)温度补偿调制转化后经DC-DC隔离后输入到所述主控运算单元(8)，再经过所述A/D转换器(9)得到数字温度量，经计算处理后控制D/A转换器(10)转换，形成0-5V的控制量和TTL控制方波，经隔离后输送给所述功率调节器(3)；
当出现所述温度调节***的设备初始化运行或死机时，通过所述复位电路(15)复位。
9.如权利要求1所述的温度调节***，其特征在于，所述热电偶(5)有两路，分别与所述线网反应器(4)的中心和边缘连接。
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