一种电压自适应二线式加热测温装置的制作方法

1.本发明属于电加热测温技术领域，具体涉及一种电压自适应二线式加热测温装置。


背景技术：

2.电加热技术普遍应用于各个领域，为保证电加热过程中对温度的控制，必须使用热敏元件实时感知加热温度。热敏元件一般紧靠被加热体，并通过独立的导线将温度参数传回到加热控制中心。
3.现有技术中，一般加热器供电线路为大功率强电流，而热敏元件和控制单元均为小功率小信号工作。二者供电参数相差较大，温度参数信号无法在供电线路上直接传输。所以加热器和热敏元件都设计有各自独立的线路进行连接，常见的是用2根导线加热的同时、另外再使用1或3根导线测温(视热敏元件型号而定)，共需3至5根导线才能保证加热和测温同时正常工作。
4.如果让加热和测温使用共同的线路，即加热和测温共线工作，可以减少连接线路，实现加热测温一体化组合，对于简化电加热系统成本，特别是对于长距离加热系统，有较大的实际意义。
5.已有技术中，专利zl202023218370.2，采用电压极性转换方式区别加热和测温两种状态，可以实现二线式加热测温工作，但其电压极性转换的控制方式比较复杂。


技术实现要素：

6.本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构简单，设计合理的电压自适应二线式加热测温装置。
7.本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
8.一种电压自适应二线式加热测温装置，包括电源模块、控制模块与负载模块，所述电源模块包括加热电源e1与测控电源e2，所述控制模块包括主控单元u1与控制单元，所述负载模块包括加热器rl、热敏元件rt、压敏元件rv、控制开关、导线a和导线b，所述加热电源e1、导线a均与控制单元的输出端连接，所述测控电源e2的正极连接主控模块u1与电阻r1，所述主控模块u1的u1-1引脚与控制单元的控制端连接，所述主控模块u1的u1-2引脚与控制单元的输出端连接，所述主控模块u1控制控制单元实现加热电源e1与导线a连通或测控电源e2与导线a连通；所述导线a连接压敏元件rv和加热器rl，所述压敏元件rv另一端连接控制开关的控制端，所述控制开关的1脚连接加热器rl和热敏元件rt，所述热敏元件rt的另一端连接控制开关的2脚和导线b，所述导线b连接供电回路的接地端，即加热电源e1和测控电源e2的负极。
9.作为本发明的进一步优化方案，所述加热电源e1的电压大于压敏元件rv的标称电压，所述测控电源e2的电压小于压敏元件rv的标称电压。
10.作为本发明的进一步优化方案，所述热敏元件rt为正温度系数或负温度系数热敏
电阻，所述热敏元件rt的阻值大于加热器rl阻值。
11.作为本发明的进一步优化方案，所述主控单元u1由u1-1脚输出时隙控制信号，通过控制单元控制加热电源e1与导线a连通或测控电源e2与导线a连通，所述测控电源e2与导线a连通时隙为毫秒级。
12.作为本发明的进一步优化方案，所述控制单元包括驱动单元u2与转换开关k1，所述加热电源e1的正极连接转换开关k1的2接点，所述转换开关k1的1接点连接导线a，所述转换开关k1的3接点连接电阻r1和主控模块u1的u1-2引脚，所述主控模块u1的u1-1引脚连接驱动单元u2输入端，所述驱动单元u2的输出端连接转换开关k1的控制端。
13.作为本发明的进一步优化方案，所述控制开关包括连接开关k2，所述连接开关k2有两个引脚，1脚连接加热器rl和热敏元件rt，2脚连接热敏元件rt和导线b。
14.作为本发明的进一步优化方案，所述控制单元内包括的开关件与控制开关内包括的开关件为场效应管或三极管或可控硅或继电器。
15.本发明的有益效果在于：
16.本发明加热、测温共用二根连接导线，使加热器负载的连接导线达到了最简化，在真正意义上实现了加热测温一体化，可显著降低加热控制线路的建设成本和维护成本，在远距离加热时其优点更为突出，对于多负载长距离的加热测温系统，有较好的经济价值。
17.本发明，在加热、测温共线条件下，即可实现加热器的大功率供电，又可实现测温参数的小信号传输，二者互不影响。测温数据的精度完全能够得到保证，实用效果良好。
18.本发明测温时隙仅为毫秒级,由于测温时隙短并具有较长的时间间隔，而加热器通常具有较大的的热惯量，测温瞬间加热器停止供电的短暂间隙，对于加热器的工作影响极小可以忽略。在实际使用中感觉不到测温时隙的存在。
19.本发明负载模块的结构简单，采用压敏元件感受电压变化，自动进行加热状态和测温状态的转换。既能保证大功率加热时高效无损耗运行，又能保证测温时测控部分的低压小信号的安全工作，测温信号精度得到满足。其具有的电压自适应的技术特征，保证了整机系统在简单结构下的自动化运行。
20.本发明加热器负载仅使用2根导线，其连接线路和接口方式可以和大多数传统加热器线路兼容，使设备线路使用连接具有极大的灵活性。在使用此方式测温时，加热系统原有的连接线路无需更换可直接延用。
21.本发明与采用电压极性转换技术的二线式加热测温装置相比较，采用电压自适应技术的二线式加热测温装置的电源电路和控制电路更加简单，系统可靠性更好。
22.本发明由压敏元件rv识别加热电压e1和测控电压e2，使开关动作后保证热敏元件rt在加热状态时被短接，在测温状态时接入回路，使得两种工作状态自动转换，实现了电压自适应。本发明实现了负载的加热测温一体化组合，对负载的连接只需要两根导线。此组合方式非常简单，使得大功率高电压加热器与小信号低电压测温元件共用两根导线实现共线工作，双方互不影响。此方法解决了传统加热器中测温元件必须独立引出导线的问题，将加热和测温导线由通常的四线或五线减少为二线，可降低加热测温系统成本，同时此方法可方便地兼容普通无测温元件的加热器，增加了设备使用的灵活性。
附图说明
23.图1是本发明的整体电路示意图；
24.图2是本发明的不同时段等效电路示意图；
25.图3是本发明的采用继电器控制时的电路示意图；
26.图4是本发明的采用场效应管控制时的电路示意图。
具体实施方式
27.下面结合附图对本技术作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本技术进行进一步的说明，不能理解为对本技术保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本技术作出一些非本质的改进和调整。
28.实施例1
29.如图1与图2所示，一种电压自适应二线式加热测温装置，包括电源模块、控制模块与负载模块，所述电源模块包括加热电源e1与测控电源e2，所述控制模块包括主控单元u1与控制单元，所述负载模块包括加热器rl、热敏元件rt、压敏元件rv、控制开关、导线a和导线b，所述加热电源e1、导线a均与控制单元的输出端连接，所述测控电源e2的正极连接主控模块u1与电阻r1，所述主控模块u1的u1-1引脚与控制单元的控制端连接，所述主控模块u1的u1-2引脚与控制单元的输出端连接，所述主控模块u1控制控制单元实现加热电源e1与导线a连通或测控电源e2与导线a连通；所述导线a连接压敏元件rv和加热器rl，所述压敏元件rv另一端连接控制开关的控制端，所述控制开关的1脚连接加热器rl和热敏元件rt，所述热敏元件rt的另一端连接控制开关的2脚和导线b，所述导线b连接供电回路的接地端，即加热电源e1和测控电源e2的负极。
30.对于电源模块来说，加热电源e1和测控电源e2均为直流电源，其中加热电源e1为高电压大功率电源，为负载模块的加热器rl供电；测控电源e2为低电压小功率电源，为主控单元u1和热敏元件rt供电，加热电源e1的电源高于测控电源e2的电源。
31.进一步的，所述加热电源e1的电压大于压敏元件rv的标称电压，所述测控电源e2的电压小于压敏元件rv的标称电压。
32.再进一步的，所述热敏元件rt为正温度系数或负温度系数热敏电阻，所述热敏元件rt的阻值大于加热器rl阻值。
33.在本实施例中，所述主控单元u1由u1-1脚输出时隙控制信号，通过控制单元控制加热电源e1与导线a连通或测控电源e2与导线a连通，所述测控电源e2与导线a连通时隙为毫秒级。
34.进一步进行说明，在本实施例中，主控单元u1由u1-1脚输出时隙控制信号，通过驱动单元u2控制转换开关k1的动作，时隙控制信号决定了转换开关k1的1-2脚接通时间远大于转换开关k1的1-3脚接通时间，即加热电源e1供电时间远大于测控电源e2供电时间。测控电源e2的供电是间断出现的狭小时隙，通常间隔数秒出现一个毫秒级的时隙。由于加热电源e1供电时间远大于测控电源e2供电时间，所以测控电源e2所占用的时间可以忽略，即加热电源e1的供电效果基本不受线路转换的影响。
35.具体的，所述控制单元包括驱动单元u2与转换开关k1，所述加热电源e1的正极连接转换开关k1的2接点，所述转换开关k1的1接点连接导线a，所述转换开关k1的3接点连接
电阻r1和主控模块u1的u1-2引脚，所述主控模块u1的u1-1引脚连接驱动单元u2输入端，所述驱动单元u2的输出端连接转换开关k1的控制端。
36.负载模块在线路a、b两端得到的电压是变化的，其特征有两点：一是持续时间较长的加热电压e1和间断出现的瞬时测控电压e2，二是加热电压e1的电压要远高于测控电压e2，即加热时为高电压，测温时为低电压。
37.具体的，所述控制开关包括连接开关k2，所述连接开关k2有两个引脚，1脚连接加热器rl和热敏元件rt，2脚连接热敏元件rt和导线b。
38.所述主控单元u1由u1-1脚输出时隙控制信号，通过驱动单元u2控制转换开关k1的动作。时隙控制信号决定了转换开关k1的1-2脚接通时间远大于转换开关k1的1-3脚接通时间，即加热电源e1供电时间远大于测控电源e2供电时间。测控电源e2的供电是间断出现的狭小时隙，通常间隔数秒出现一个毫秒级的时隙。由于加热电源e1供电时间远大于测控电源e2供电时间，所以测控电源e2所占用的时间可以忽略，即加热电源e1的供电效果基本不受线路转换的影响。
39.当传送到负载模块的是加热电压e1时，因e1的电压较高且高于压敏元件rv的标称电压，压敏元件rv产生击穿，有电流通过压敏元件rv，驱动开关k2动作，使得开关k2的1-2接点接通，开关k2的1-2接点接通使得热敏元件rt被短路，加热电流由开关k2的1-2接点通过，不流经热敏元件rt，即热敏元件rt不工作，此时加热工作状态的等效电路见图2。
40.当传送到负载模块的是测控电压e2时，因e2的电压较低且低于压敏元件rv的标称电圧，压敏元件rv处于截止状态，没有电流通过压敏元件rv，驱动开关k2不动作，开关k2的1-2接点断开，测控电流由加热器rl流经热敏元件rt，热敏元件rt参与工作。热敏元件产生的温度参数经过加热器rl反映在导线a上，因加热器rl是大功率器件，其自身电阻很小，对温度参数的影响很小可以忽略。如此，温度参数经过导线a，经过转换开关k1的1-3接点，到达控制模块u1的u1-2引脚，由控制模块u1对温度参数进行处理。此时测温工作状态的等效电路见图2。
41.基于图2，可以发现，其主控单元u1控制所述转换开关k1动作，切换所述加热电源e1和所述测控电源e2分时接通，其中加热电源e1接通使i1流过负载模块进行加热，测控电源e2接通使i2流过负载模块进行测温。
42.进一步说明的是，所述控制单元内包括的开关件与控制开关内包括的开关件为场效应管或三极管或可控硅或继电器，使用不同的电子元件时，其驱动电路要做相应的调整。
43.整个加热控温系统依据需要可以设置按键、显示器和打印机等人机交互电路或输出设备。
44.本实施例中的具体工作过程为:
45.由主控单元u1控制转换开关k1按一定规律动作，使加热电源e1供电出现短暂的停止，在短暂停止的间隙提供测控电源e2，即由转换开关k1提供测温时隙。加热时，加热电源e1与负载模块加热器rl连接。在测温时隙，测控电源e2与负载模块加热器rl和热敏元件rt串联电路连接。
46.加热时，加热电源e1通过转换开关k1与加热器rl接通，电流为i1。加热电源e1的高电压使压敏元件rv导通，控制开关k2动作接通，热敏元件rt被短路，加热电压几乎不受阻碍地传递到加热器rl两端，加热器rl能正常加热。
47.测温时，加热电源e1被切断，测控电源e2通过转换开关k1与负载模块接通，电流为i2。测控电源e2电压较低，压敏元件rv截止，控制开关k2的接点释放，热敏元件rt接入回路。因热敏元件rt的阻值远大于加热器rl的阻值，所以测控电压几乎全部加到热敏元件rt两端。此时在连接导线a上的电压数值，就是热敏元件rt反映出的温度数据信号。
48.测温回路中同时串联有加热器电阻rl，但因热敏元件rt的阻值远大于加热器rl电阻值，同时加热器rl电阻值随温度变化甚微，所以加热器rl电阻对测温精度的影响十分有限，在实际应用中可以忽略不计。在有特殊精度要求的情况下，可以由软件对测温数据进行修正以完全消除加热器rl电阻的影响。
49.实施例2
50.如图3所示，所述控制单元内包括的开关件与控制开关内包括的开关件采用继电器的形式，即图3中kv1、kv2分别对应图1中的k1、k2，其他部分与实施例1中的内容相同或相似，且可做相互补充或扩展说明。
51.具体的，加热电源e1的正极连接转换继电器kv1的2接点，转换开关kv1的1接点连接导线a，转换开关kv1的3接点连接连接电阻r1和r2，r2另一端连接主控模块u1的u1-2引脚，测控电源e2的正极连接主控模块u1、电阻r1、驱动单元u2的电源端和继电器kv1线包，主控模块u1的u1-1引脚连接驱动单元u2输入端的r3，驱动单元u2中r3的另一端连接驱动三极管q3的基极，驱动三极管q3的基极接地，集电极连接继电器kv1线包，续流二极管d1并联在继电器kv1线包两端,导线a连接压敏元件rv和加热器rl，压敏元件rv另一端连接继电器kv2的线包，继电器kv2的1接点连接加热器rl和热敏元件rt，热敏元件rt的另一端连接继电器kv2的2接点、继电器kv2线包的另一端和导线b，导线b连接供电回路的接地端即加热电源e1和测控电源e2的负极，续流二极管d2并联在继电器kv2线包的两端。压敏元件rv为压敏电阻或稳压二极管。
52.分时供电由转换继电器kv1完成，当转换继电器kv1的1-2接点接通时，为加热电源e1供电；当转换继电器kv1的1-3接点接通时，为测控电源e2通过降压电阻r1供电。
53.主控单元u1由u1-1脚输出时隙控制信号，通过驱动单元u2中r3，控制三极管q3导通或截止，三极管q3导通时继电器kv1通电其接点1、2接通，三极管q3截止时继电器kv1断电其接点1、3接通，续流二极管d1抑制继电器kv1线包两端的反向高压。
54.当传送到负载模块的是加热电压e1时，因加热电压e1的电压较高且高于压敏元件rv的标称电圧，压敏元件rv产生击穿，有电流通过压敏元件rv，继电器kv2的线包通电，继电器kv2的1-2接点接通，使得热敏元件rt被短路，加热电流i1由继电器kv2的1-2接点通过，不流经热敏元件rt，即热敏元件rt不工作。续流二极管d2抑制继电器kv2线包两端的反向高电压。此时加热工作状态的等效电路见图2。
55.当传送到负载模块的是测控电压e2时，因测控电压e2的电压较低且低于压敏元件rv的标称电圧，压敏元件rv处于截止状态，没有电流通过压敏元件rv，电击器kv2线包没有电流通过，继电器kv2不动作1-2接点断开，测控电流i2由加热器rl流经热敏元件rt，热敏元件rt参与工作。热敏元件产生的温度参数经过加热器rl反映在导线a上，因加热器rl是大功率器件，其自身电阻很小，对温度参数的影响很小可以忽略。如此，温度参数经过导线a，经过转换继电器kv1的1-3接点，再经过电阻r2到达主控单元u1的u1-2引脚，由控制模块u1对温度参数进行处理。此时测温工作状态的等效电路见图2。
56.实施例3
57.如图4所示，所述控制单元内包括的开关件与控制开关内包括的开关件采用场效应管的形式，即图4中场效应管q1、q2分别对应图1中的k1、k2，其他部分与实施例1或实施例2中的内容相同或相似，且可做相互补充或扩展说明。
58.加热电源e1的正极连接场效应管q1的源极，场效应管q1的漏极连接导线a、电阻r1和电阻r2，场效应管q1的栅极连接驱动单元u2的输出端，测控电源e2的正极连接主控模块u1和电阻r1，主控模块u1的u1-1引脚连接驱动单元u2输入端，主控模块u1的u1-2引脚连接电阻r2、电容c1和稳压二极管d3。导线a连接压敏元件rv和加热器rl，压敏元件rv另一端连接电阻r4，电阻r4另一端连接场效应管q2的栅极、电阻r5和电容c2，场效应管q2的漏极连接加热器rl和热敏元件rt，热敏元件rt的另一端连接场效应管q2的源极、电阻r5、电容c2和导线b，导线b连接供电回路的接地端即加热电源e1和测控电源e2的负极。图4中，驱动单元u2为采用光电耦合器或三极管组成的驱动电路，压敏元件rv为压敏电阻或稳压二极管。
59.分时供电由场效应管q1完成，当主控单元u1的u1-1脚输出控制信号时，通过驱动单元u2的输出端到达场效应管q1的栅极，使场效应管q1导通，q1源极和漏极之间呈现低电阻，导线a接通加热电源e1；场效应管q1导通时导线a与测控部分并未断开，导线a通过电阻r2与测控电源e2连接，通过电阻r1与主控单元u1连接，电阻r1、r2和稳压二极管d3保证了加热电源e1对测控部分的影响很小。当场效应管q1截止时，切断加热电源e1，测控电源e2自动通过降压电阻r1供电。
60.主控单元u1由u1-1脚输出时隙控制信号，通过驱动单元u2控制场效应管q1导通或截止，驱动单元u2为采用光电耦合器或三极管组成的驱动电路，其作用是接受驱动单元u2的控制信号并驱动场效应管q1导通。场效应管q1导通时加热电源e1供电，效应管q1截止时测控电源e2供电。
61.当传送到负载部分的是加热电压e1时，因加热电压e1的电压较高且高于压敏元件rv的标称电圧，压敏元件rv产生击穿，有电流通过压敏元件rv，电阻r4、r5通电，场效应管q2栅极获得电压，场效应管q2导通，场效应管q2的源极和漏极之间呈现低电阻，使得热敏元件rt被短路，加热电流i1经过加热器rl后，经过场效应管q2的漏极、源极到达导线b，不流经热敏元件rt，即热敏元件rt不工作。滤波电容c2保证场效应管q2的栅极信号平稳。此时加热工作状态的等效电路见图2。
62.当传送到负载模块的是测控电压e2时，因测控电压e2的电压较低且低于压敏元件rv的标称电圧，压敏元件rv处于截止状态，没有电流通过压敏元件rv，电阻r4、r5中无电流，场效应管q2栅极无电压，场效应管q2截止，场效应管q2的源极和漏极之间呈现高电阻，测控电流i2由加热器rl流经热敏元件rt，热敏元件rt参与工作。热敏元件产生的温度参数经过加热器rl反映在导线a上，因加热器rl是大功率器件，其自身电阻很小，对温度参数的影响很小可以忽略。如此，温度参数经过导线a，经过转换继电器kv1的1-3接点，再经过电阻r2到达控制模块u1的u1-2引脚，由控制模块u1对温度参数进行处理。此时测温工作状态的等效电路见图2。
63.需要说明的是，本发明由压敏元件rv识别加热电压e1和测控电压e2，使开关动作后保证热敏元件rt在加热状态时被短接，在测温状态时接入回路，使得两种工作状态自动转换，实现了电压自适应。本发明实现了负载的加热测温一体化组合，对负载的连接只需要
两根导线。此组合方式非常简单，使得大功率高电压加热器与小信号低电压测温元件共用两根导线实现共线工作，双方互不影响。此方法解决了传统加热器中测温元件必须独立引出导线的问题，将加热和测温导线由通常的四线或五线减少为二线，可降低加热测温系统成本，同时此方法可方便地兼容普通无测温元件的加热器，增加了设备使用的灵活性。
64.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。