CN205809732U - 一种蛋白分析仪的温控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种蛋白分析仪的温控装置,所述温控装置包括加热器、温度采集电路、加热控制电路和MCU控制电路组成，具体的：所述加热控制电路的控制端连接所述MCU控制电路，所述加热控制电路的输出端连接所述加热器；所述温度采集电路中的温度传感器固定在反应杯内壁，所述温度采集电路连接所述MCU控制电路。本实用新型实施例所提出的蛋白分析仪的温控装置，是在考虑到随着环境温度的改变，反应液温度会偏离预设的温度，影响了特定蛋白分析仪的测试结果精度的前提下，加入了随环境温度变化的温度补偿，在不同的环境温度下，通过在某个设定的温度上加上对应的温度补偿，使得反应液稳定在其特定的温度。

Description

一种蛋白分析仪的温控装置

技术领域

本实用新型涉及一种蛋白分析仪的温控装置，用于控制蛋白分析仪工作的温度环境。

背景技术

当前可以采用的温控***有4种方式：空气浴、水浴、恒温液浴和固体浴法，全自动分析仪***大多采用空气浴或水浴恒温***。

空气浴是通过加热空气间接加热反应杯杯液体的温度，该方法实现简单，但是容易受环境温度的影响；水浴是通过加热水间接加热反应杯内的液体，该方法容易形成稳定的恒温环境，但水质污染问题很难解决；恒温液是加热一种蛋白分析仪的温控装置分析仪的温控方法、装置和***比热容较高的液体来间接加热反应杯内液体，该方法恒温效果好，但技术要求高；固体浴则是通过加热固体间接加热反应杯内的液体，该方法加热速度快，但由于加热块与反应杯附着在一起，所以在运动场景实现的技术难度较大。

因此有必要设计一种蛋白分析仪的温控装置，以克服上述问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种蛋白分析仪的温控装置。

本实用新型是这样实现的：

本实用新型实施例提供了一种蛋白分析仪的温控装置，所述温控装置包括加热器、温度采集电路、加热控制电路和MCU控制电路组成，具体的：

所述加热控制电路的控制端连接所述MCU控制电路，所述加热控制电路的输出端连接所述加热器；所述温度采集电路中的温度传感器固定在反应杯内壁，所述温度采集电路连接所述MCU控制电路。

优选的，所述MCU控制电路中的MCU芯片具体为ST意法半导体STM32F103CB芯片，则所述温度采集电路连接所述MCU控制电路，具体为：

所述温度采集电路的输出端口连接所述STM32F103CB芯片的ADC端口；

所述加热控制电路的控制端连接所述MCU控制电路，具体为：

所述加热控制电路的控制端连接所述STM32F103CB芯片的I/O端口。

优选的，所述加热器包括低温金属电热片和PET绝缘材料，具体为：

所述低温金属电热片封装在PET绝缘材料中，并连接着加热控制电路的输出端。

优选的，所述温度采集电路包括温度传感器、偏置电阻、恒流源和差分运算放大器，具体的：

所述温度传感器采用电阻式温度传感器，所述温度传感器两端分别连接所述差分运算放大器的正向输入端口和接地端口；

所述偏置电阻两端分别连接所述差分运算放大器的反向输入端口和接地端口；

所述恒流源的输出口分别串接所述电阻式温度传感器和所述偏置电阻后接地。

优选的，所述恒流源为REF200。

优选的，所述差分运算放大器具体为INA118。

优选的，所述加热控制电路包括增强型CMOS管，具体为：

所述增强型CMOS管的S极接地、D极接加热器工作电压、G极在连接偏置工作电路后，连接所述MCU控制电路的I/O端口；

其中，所述偏置工作电路由一偏置电压串联电阻R1和电阻R2后接地构成，所述R1和R2之间提供连接所述G极的接口。

优选的，所述CMOS管为IRF3710。

优选的，所述反应杯固定在反应盘上，所述加热器固定在反应盘底槽上，所述反应杯底槽套接在所述反应杯外侧。

优选的，所述温控装置还包括温度补偿电路，所述温度补偿电路由一固定在所述温控装置的外壳上的室温传感器构成，所述室温传感器连接这所述MCU控制电路。

本实用新型具有以下有益效果：本实用新型实施例所提出的蛋白分析仪的温控装置，是在考虑到随着环境温度的改变，反应液温度会偏离预设的温度，影响了特定蛋白分析仪的测试结果精度的前提下，加入了随环境温度变化的温度补偿，在不同的环境温度下，通过在某个设定的温度上加上对应的温度补偿，使得反应液稳定在其特定的温度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种蛋白分析仪的温控装置结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种蛋白分析仪的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种蛋白分析仪的温控装置结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种加热器的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种蛋白分析仪的温控装置的结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的一种温度传感器的温度-阻值变化曲线图；

图7为本实用新型实施例提供的一种加热控制电路的结构示意图；

图8为本实用新型实施例提供的一种PID控制算法示意图；

图9为本实用新型实施例提供的一种PID控制算法流程示意图；

图10为本实用新型实施例提供的一种温度补偿关系图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1：

如图1和图2所示，本实用新型实施例提供一种蛋白分析仪的温控装置，所述温控装置包括加热器、温度采集电路、加热控制电路和MCU控制电路组成，具体的：

所述加热控制电路的控制端连接所述MCU控制电路，所述加热控制电路的输出端连接所述加热器；

所述温度采集电路中的温度传感器固定在反应杯1内壁(图2中未示出)，所述温度采集电路连接所述MCU控制电路。

本实用新型实施例所提出的蛋白分析仪的温控装置，是在考虑到随着环境温度的改变，反应液温度会偏离预设的温度，影响了特定蛋白分析仪的测试结果精度的前提下，加入了随环境温度变化的温度补偿，在不同的环境温度下，通过在某个设定的温度上加上对应的温度补偿，使得反应液稳定在其特定的温度。

在图2所示图中，所述反应杯1固定在反应盘3上，所述加热器固定在反应盘底槽2上，所述反应杯底槽套接在所述反应杯外侧。除此以外，所述蛋白分析仪还包括保温层4。

本实施例所给出的装置，在发生第一次温度变化时会产生一次温度补偿延时，但是后续的过程可以通过预测机制完成预先的温度补偿。因此，结合本实用新型实施例，还存在一种优选的实现方案，如图3所示，所述温控装置还包括温度补偿电路，所述温度补偿电路由一固定在所述温控装置的外壳上的室温传感器构成，所述室温传感器连接这所述MCU控制电路。即通过主动测量室温的方式，来实时完成所述温度补偿过程。

结合本实用新型实施例，存在一种优选的实现方案，如图4所示，所述加热器包括低温金属电热片和PET绝缘材料，具体为：所述低温金属电热片封装在PET绝缘材料中，并连接着加热控制电路的输出端。其中，所述低温金属电热片被蚀刻成预设的形状。

结合本实用新型实施例，存在一种优选的实现方案，如图5所示，所述MCU控制电路中的MCU芯片具体为ST意法半导体STM32F103CB芯片，则所述温度采集电路连接所述MCU控制电路，具体为：

所述温度采集电路的输出端口连接所述STM32F103CB芯片的ADC端口；

所述加热控制电路的控制端连接所述MCU控制电路，具体为：

所述加热控制电路的控制端连接所述STM32F103CB芯片的I/O端口。

结合本实用新型实施例，存在一种优选的实现方案，如图5所示，所述温度采集电路包括温度传感器、偏置电阻、恒流源和差分运算放大器，具体的：

所述温度传感器采用电阻式温度传感器，所述温度传感器两端分别连接所述差分运算放大器的正向输入端口和接地端口；

所述偏置电阻两端分别连接所述差分运算放大器的反向输入端口和接地端口；

所述恒流源的输出口分别串接所述电阻式温度传感器和所述偏置电阻后接地。

在本实用新型实施例中，温度传感器优选的采用Honeywell薄膜铂制RTD电阻式温度传感器，它的电阻变化与温度成较好的线性关系(如图6所示)、且温度范围宽、准确度高，能够直接作为探头使用。

其中，优选的，所述恒流源为REF200；所述差分运算放大器具体为INA118。

图6为温度传感器温度与阻值关系图。由图可知当温度为零度时电阻为1K，(图5)可知温度信号采用差分放大输入R4为1K、此电路设计正好是以零度为零点设计可很好的提高电路的线性度与精确，因为温度信号采用0.1mA恒流源REF200驱动输出电压信号非常弱小，需经过INA118差分运放放大再经ADC。由于此电路采用零度零点设计很好的减小了电路的误差又因温度传感器为线性传感器再加上合理的PID算法此蛋白分析仪的温控装置的控温能精确到±0.1度。

结合本实用新型实施例，存在一种优选的实现方案，如图7所示，所述加热控制电路包括增强型CMOS管，具体为：

所述增强型CMOS管的S极接地、D极接加热器工作电压、G极在连接偏置工作电路后，连接所述MCU控制电路的I/O端口；

其中，所述偏置工作电路由一偏置电压串联电阻R1和电阻R2后接地构成，所述R1和R2之间提供连接所述G极的接口。

其中，优选的，所述CMOS管为IRF3710。加热控制电路采用CMOS管IRF3710作为功率开关管，最大Id电流能达到57A能大大的满足加热器的额定电流。又因CMOS管的响应速度快能很好的满足PID控制算法。

实施例2：

在实施例1中多处阐述了本实用新型实施例所提出的蛋白分析仪的温控装置，配合PID控制算法来实现，因此，在本实施例2中将重点阐述如何基于实施例1所述蛋白分析仪的温控装置来完成PID控制算法。

如图8所示，为PID控制器原理图，蛋白分析仪的温控装置中MCU控制电路中的软件部分是通过PID算法来控制的，使用PID控制可以使温度很好的稳定在预设值，适应性强，鲁棒性强。

由图8可知，预设温度输入给PID控制器，PID控制器结合后端反馈温度经过一定的运算控制PWM输出从而控制温度，使温度恒定在一个很小的范围(正负0.02度)。

PID控制器传递函数的一般表达形式：

$G\left(s\right)=k_p+\frac{k_i}{s}+k_d\×s$

其中k_p为比例增益；k_i为积分增益；k_d为微分增益。

调整PID参数，以满足***要求，从而使被控对象有更优良的动态响应和静态响应。

k_p比例环节：即时成比例地反应控制***的偏差信号，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。

k_i积分环节：主要用于消除静差，提高***的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，积分时间常数越大，积分作用越弱，反之则越强。

k_d微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在***中引入一个有效的早期修正信号，从而加快***的动作速度，减小调节时间。

所述蛋白分析仪的温控装置用到的是增量型PID控制，其算法的算式如下：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}u\left(n\right)=u\left(n\right)-u(n-1)\\ =K_P\[e\left(n\right)-e(n-1)\]+K_P\frac{T}{T_I}e\left(n\right)+K_P\frac{T_D}{T}\[e\left(n\right)-2e(n-1)+e(n-2)\]\end{array}$

式中，

式中△u(n)为PID本次输出量和上次输出量的差值，K_p为比例系数，T_I为积分时间，T_D为微分时间，e(n)为本次PID运算的偏差值，T为采样周期。

增量型PID算法的程序流程如图9所示：

增量型PID算法的程序流程如上，PID控制器首先计算出偏差值e(n),通过差值e(n)计算比例系数KP,然后通过比例系数Kp计算出U_p、U_I、U_D最后再通过U_p、U_I、U_D计算输出量△u(n)，之后更新e(n)，e(n-1)返回。

分析仪的正常工作环境温度为10℃～30℃，实验证明，相同的设定温度——36℃，10℃和30℃的环境温度对比，采用空气浴恒温方式，会造成反应液温度偏差大于3℃，不能满足特定蛋白试剂的反应要求，因此，反应盘的平衡温度需要加入随环境变化的温度补偿，最终使得反应液无论处于何种环境温度下都能稳定在特定温度上。

环境温度采用实验恒温箱模拟环境温度实现，恒温箱温度按照2℃步长从10℃递增到30℃，在不同环境温度下，调节反应盘设定温度，使得反应液温度恒定在36℃，从而得出环境温度与反应盘设定温度的关系，以30℃环境温度时设定的反应盘温度为参考温度，随环境温度变化设定的反应盘温度与参考温度的差为温度补偿，从而得到温度补偿与环境温度的关系，如图10所示。

本温控装置是针对特定蛋白分析仪反应盘的，采用空气浴恒温***，采用PID恒温算法直接加热反应盘底槽，继而加热反应盘周围的空气，空气间接加热反应杯内液体的温度，反应杯两侧有固体依附，起到保温作用，当底槽温度平衡在某个特定温度后，反应液的温度也随之平衡在某个温度。但是，随着环境温度的改变，反应液温度会偏离预设的温度，影响了特定蛋白分析仪的测试结果精度。因此该温控***加入了随环境温度变化的温度补偿，在不同的环境温度下，通过在某个设定的温度上加上对应的温度补偿，使得反应液稳定在其特定的温度。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种蛋白分析仪的温控装置，其特征在于，所述温控装置包括加热器、温度采集电路、加热控制电路和MCU控制电路组成，具体的：

所述加热控制电路的控制端连接所述MCU控制电路，所述加热控制电路的输出端连接所述加热器；

所述温度采集电路中的温度传感器固定在反应杯内壁，所述温度采集电路连接所述MCU控制电路。

2.根据权利要求1所述的温控装置，其特征在于，所述MCU控制电路中的MCU芯片具体为ST意法半导体STM32F103CB芯片，则所述温度采集电路连接所述MCU控制电路，具体为：

所述温度采集电路的输出端口连接所述STM32F103CB芯片的ADC端口；

所述加热控制电路的控制端连接所述MCU控制电路，具体为：

所述加热控制电路的控制端连接所述STM32F103CB芯片的I/O端口。

3.根据权利要求1所述的温控装置，其特征在于，所述加热器包括低温金属电热片和PET绝缘材料，具体为：

所述低温金属电热片封装在PET绝缘材料中，并连接着加热控制电路的输出端。

4.根据权利要求1所述的温控装置，其特征在于，所述温度采集电路包括温度传感器、偏置电阻、恒流源和差分运算放大器，具体的：

所述温度传感器采用电阻式温度传感器，所述温度传感器两端分别连接所述差分运算放大器的正向输入端口和接地端口；

所述偏置电阻两端分别连接所述差分运算放大器的反向输入端口和接地端口；

所述恒流源的输出口分别串接所述电阻式温度传感器和所述偏置电阻后接地。

5.根据权利要求4所述的温控装置，其特征在于，所述恒流源为REF200。

6.根据权利要求4所述的温控装置，其特征在于，所述差分运算放大器具体为INA118。

7.根据权利要求1所述的温控装置，其特征在于，所述加热控制电路包括增强型CMOS管，具体为：

所述增强型CMOS管的S极接地、D极接加热器工作电压、G极在连接偏置工作电路后，连接所述MCU控制电路的I/O端口；

其中，所述偏置工作电路由一偏置电压串联电阻R1和电阻R2后接地构成，所述R1和R2之间提供连接所述G极的接口。

8.根据权利要求7所述的温控装置，其特征在于，所述CMOS管为IRF3710。

9.根据权利要求1-8任一所述的温控装置，其特征在于，所述反应杯固定在反应盘上，所述加热器固定在反应盘底槽上，所述反应杯底槽套接在所述反应杯外侧。

10.根据权利要求9任一所述的温控装置，其特征在于，所述温控装置还包括温度补偿电路，所述温度补偿电路由一固定在所述温控装置的外壳上的室温传感器构成，所述室温传感器连接这所述MCU控制电路。