一种小型高温恒温盒及控制方法与流程

1.本发明涉及微波频率源领域，特备涉及一种小型高温恒温盒及控制方法。


背景技术：

2.温度在工业、科技等各领域中均是一个重要参数，特别是在微波频率源领域，温度的变化直接影响微波频率源的精度、稳定度等各项指标，所以必须对微波频率源领域模块的工作环境加强温度控制。
3.常用的温度控制方法包括采用恒流源、ptc加热片、pwm波形控制、pid数字控制、晶体管、继电器、ted加热制冷芯片等以及互相结合的方法。这些控制方法有的在温度控制时通过信号打开或关闭功率器件的电源，有的通过复杂的模拟波形进行电流控制，或者通过改变电流方向实现加热或制冷，其中pid数字控制是通过结合外部继电器模拟电路构成。
4.以上常用温度控制方法均为模拟电路的控制方法，其控制信号均为模拟信号，在电源被打开或关闭时或者是电流方向改变时，或者模拟波形变换时均会带来极大的开关噪声或模拟噪声，从而严重影响高频微波信号的杂散、谐波等指标；同时以上常用温度控制方法常用与微型模块的小功率温度控制，当用于高精度高频微波频率源领域的大模块时，不但会严重影响信号高频性能指标，而且无法进行实现较大功率的高温恒温控制。
5.常用的微波频率源会工作在较大的温度范围，如-40℃～ 70℃，实际的温差范围还是很大，因此现有技术中，保证恒温时只能保证高温恒温。


技术实现要素：

6.本技术的目的在于提供小型高温恒温盒及控制方法，用于解决现有技术中无法实现高温恒温控制的问题。
7.本发明的技术解决方案是这样实现的：它是有恒温盒、加热模块、温度监测模块、温度控制模块组成的；它通过温度监测模块实时测量恒温盒内温度，经过闭环反馈，通过温度控制模块，控制加热模块实现恒温盒的高温恒定。
8.其中恒温盒采用导热性能低的环氧树脂材料代替金属材料制作，其体积尺寸为100*40*50mm，在接口位置留出开孔；恒温盒内壁采用保温隔热效果好的纳米气凝胶材料填充，并保证所用气凝胶材料包裹住恒盒体内被加热模块，以达到更好的保温恒温效果；加热模块、温度监测模块均放置在恒温盒内部，温度控制模块放在外部；
9.加热模块选用超小型比例控制加热器，通过导热树脂直接贴装在被恒温模块上，其加热输出的功率值是由温度控制模块所设置的电阻值所决定的；温度监测模块紧贴被恒温模块，选用高精度宽温工作范围的数字量脉冲计数温度传感器，数字信号的使用保证了对需恒温的模块带来的噪声和干扰更低；
10.温度控制模块通过读取温度监测模块输出的数据，经过解算得到被恒温模块的当前温度，根据当前温度进行解算，转换得到需要加热模块输出功率对应的电阻值，控制数字可调电位器为设置值，反馈给加热器，使加热器输出不同加热功率，达到高温恒温的效果；
11.温度控制模块主要包括可控数字电位器，mcu及其外围电路；其中mcu用来读取来自温度监测模块的数字脉冲量，换算得到当前温度，根据当前温度进行转换得到需要加热模块输出功率对应的电阻值，生成控制数字可调电位器的控制参数，并将设置参数通过spi接口发送给数字可调电位器，使电位器达到要设置电阻值；
12.本发明初始上电工作时设置加热器输出最大功率，工作过程中实时监测恒温盒被恒温模块的温度，实时控制加热器输出功率，以达到快速实时恒温的目的；
13.本技术具有工作温度范围宽(-40℃～ 70℃)，高温恒温速度快(低温小于1min，常温和高温小于30s)，温度控制精度高(小于
±
0.5℃)，组成和控制电路简单、数字电路干扰小、控制噪声低、隔热保温效果好等特点，特别适用于微波频率源领域的高温恒温控制。
附图说明
14.图1为本技术实施例的框图；
15.图2为本技术实施例中温度控制模块组成框图；
16.图3为本技术实施例中加热模块中加热芯片电阻设置值与设定温度对照图；
17.图4为本技术实施例中加热模块输出设定功率与温度曲线图；
18.图5为本技术实施例中加热功率控制流程图。
具体实施方式
19.为了更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。
20.参照图1至图2，图1是本发明实施例的电原理组成方框图，实施例按图1连接线路，图2为加热模块外部电阻对应设置温度表，图3为本发明中加热模块中加热芯片电阻设置值与设定温度对照表，图4为加热模块输出设定功率与温度曲线，图5为加热功率控制流程图。本技术体提供的高温恒温盒包括恒温盒以及温度控制模块；
21.其中，恒温盒包括加热模块、被恒温模块以及温度检测模块；
22.其中，温度检测模块用于实时监测被恒温模块的当前温度，经过闭环反馈，将当前温度传递给温度控制模块；
23.温度控制模块用于根据当前温度与预设恒温温度的差值，向加热模块发出加热指令，控制加热模块进行加热直至温度达到预设值；实现恒温盒的高温恒定；
24.恒温盒的材料为导热系数较低的环氧树脂材料代替现有技术中一般采用的金属材料制作，尺寸为100*40*50mm，在接口位置设置开孔。采用的环氧树脂e51的导热系数为0.2103w/mk，而常用的铝材料的导热系数为200w/mk左右，差别非常大。所以本技术抛弃了传统的金属材料，采用环氧树脂作为恒温盒体的材料，以达到本技术更有益的恒温效果。
25.恒温盒内壁粘贴导热系数极低的纳米气凝胶，纳米气凝胶包裹恒温盒体内所有模块。以得到更好的保温恒温效果。
26.具体的，因为恒温盒上存在对外接线的接口，同时被恒温模块和恒温盒内壁之间还有空隙，存在空气的热辐射，所以本发明为了更好的隔热恒温效果，在恒温盒内部采用保温隔热效果好的纳米气凝胶材料填充，填充是保证所用气凝胶材料包裹住盒体内部加热模块、被恒温模块、温度监测模块，以得到更好的保温恒温效果；本发明创新的选用的纳米气
凝胶是一种柔性耐高温抗压材料，其具有超低的热导热系数(0.018w/(m*k))，具备优异的保温隔热效果；
27.加热模块、温度监测模块均放置在恒温盒内部，温度控制模块放在外部。
28.加热模块采用芯片dn515，并通过导热树脂直接贴装在被恒温模块上。
29.具体的，加热模块选用超小型比例控制加热器，其型号为市售集成芯片dn515，工作电压dc28v，最大输出加热功率40w，其功率输出控制只需通过外部一个电阻就可以调节，图3为电阻设置值与设定温度对照表；将加热芯片通过导热树脂直接贴装在需要高温恒温的模块上。
30.温度监测模块采用数字量脉冲计数温度传感器lmt01-q1。因此温度检测模块对需恒温模块带来的噪声和干扰更低。温度监测模块选用高精度宽温工作范围的数字量脉冲计数温度传感器lmt01-q1，其温度监测精度为
±
0.5℃，工作温度范围为-40℃～ 125℃，数字量脉冲可以实现实时输出温度监测结果给温度控制模块；其中低速数字量的输出对需恒温微波模块带来的噪声和干扰比模拟量输出的更低。
31.温度控制模块包括数字可调电位器，mcu以及外围电路。
32.其中，mcu读取来自温度监测模块的模拟量，换算得到当前温度，根据当前温度与预设恒温温度的差值，生成数字可调电位器的控制参数，并将设置参数通过spi接口发送给数字可调电位器，使数字可调电位器达到预期电阻值。
33.具体的，温度控制模块通过读取温度监测模块给出的数据换算得到被恒温模块当前温度，根据当前温度与预设恒温温度的差值，通过控制加热器的外部电阻值(数字可调电位器)，反馈给加热模块，使加热模块输出不同加热功率，达到高温恒温的效果；加热模块输出功率值与当前温度值的曲线如图3所示。本技术实现了温度监测的实时性，具体的通过mcu和温度监测模块可达ms级，同时，本技术采用可调电位器串联固定电阻代替固定电阻，以达到根据当前工作温度实时快速实现恒温目的，通过实测，低温下恒温时间小于1min，常温下恒温时间小于30s，高温下恒温时间小于10s。
34.其mcu选用市售集成芯片stm32f103，其成本低，功耗低，并具备多路io及spi接口；数字电位器选用ad5270-10，1％精度，1024阶，10k欧姆，spi接口，对应选用可控高温范围为 50℃～ 70℃；串联的固定电阻值为1.8k，对应初始设置温度为100℃。
35.本技术还提供一种小型高温恒温盒控制方法，具体的，温度检测模块实时监测被恒温模块的当前温度，经过闭环反馈，将当前温度传递给温度控制模块；
36.温度控制模块根据当前温度与预设恒温温度的差值，调节外部电阻值(远端数字可调电位器)，使加热器输出不同加热功率。
37.初始状态下，设置加热器为最大输出功率。同时实时监测恒温盒内温度，根据监测的温度进行实时电阻值调整(调整加热芯片输出功率)以达到快速恒温加热的目的。
38.具体的，本技术加热功率控制流程图如图5所示：初始加电时通过设置电位器电阻为工作最低值(0欧姆，对应控制电阻为1.8k，)，使得加热器输出功率最大(对应输出功率为40w)，以达到快速恒温加热的目的；工作时实时监测恒温盒内温度，当达到要恒温的温度时，设置电位器电阻值为维持高温状态阻值(9.6k，对应控制电阻为11.4k，恒温温度70℃，加热模块输出功率28w)，减少加热芯片输出功率保持热平衡；工作过程中持续通过温度监测包括实时监测盒体内温度，与设计恒定的高温温度对比，根据温度高低，设置电位器电阻
值，以达到实时调节温度的目的。
39.本技术具有工作温度范围宽(-40℃～ 70℃)，高温恒温速度快(低温小于1min，常温和高温小于30s)，温度控制精度高(小于
±
0.5℃)，组成和控制电路简单、数字电路干扰小、控制噪声低、隔热保温效果好等特点，特别适用于微波频率源领域的高温恒温控制。
40.虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。