[发明专利]热分析仪高频PWM温度控制装置和控制方法

说明书

技术领域

本发明属于热分析技术领域，具体涉及一种温度控制装置和控制方法，尤其涉及一种适合于热分析仪的温度控制装置和控制方法。

背景技术

热分析仪是分析物质在加热或冷却过程中某些物理变化和化学变化与温度升降关系的仪器。常用的热分析仪器有热重分析仪（TGA）、差热分析仪（DTA）、差示扫描量热仪（DSC）以及热机械分析仪（TMA）等。上述仪器需要采用程序温度控制方式实现高精度温度控制，包括等速升温/降温、恒温，甚至调制温度等多种模式，温度控制的准确度直接影响分析结果。

目前热分析仪中常用的温度控制装置普遍采用过零触发方式和可控硅导通角控制方式。过零触发方式是在设定时间间隔内，改变晶闸管导通的周波数来实现功率的调节。其导通电流、关断电流为零，减少了对电网的干扰。但存在功率控制难以达到较高分辨率的弊端。如按我国50HZ市电计算，功率调整周期为10秒的话，功控分辨率仅能达到1/600。而现代热分析仪升温速率范围从0.1度/分到100度/分，粗糙的分辨率难以实现准确的温度控制。可控硅导通角控制方式通过改变导通角来调整功率，包含三角函数，要实现功率的线性调整，导通角的计算量非常大，并且可控硅控制方式带来的干扰难以消除。另外，上述两种控温方式，市电的波动对控温效果也存在较大的影响。

发明内容

鉴于上述情形，本发明的目的在于提出一种功率控制分辨率高、不受外电网电压波动影响的热分析仪温度控制装置和控制方法。

本发明提出的热分析仪温度控制装置，它包括：微控制器模块，分别与所述微控制器相连的功率控制模块、温度测量模块，分别与所述功率控制模块相连接的AC-DC稳压模块和干扰抑制模块，以及与所述干扰抑制模块相连接的加热丝；其中：

所述AC-DC稳压模块将交流电转换为恒定的直流电压，并将该直流电压输出至功率控制模块；

所述功率控制模块接收来自高频ＰＷＭ控制信号，控制AC-DC稳压模块输出的直流电压是否输出到干扰抑制模块，并进一步输出到加热丝；

 所述测温度测量模块包含热电偶电压测量部分和冷端温度测量部分，所述冷端温度测量部分用于热电偶冷端补偿。 

所述的热分析仪温度控制装置的具体部件包括：恒压电源组件、大功率开关器件及其驱动组件、滤波组件、微控制器控制组件、加热炉、温度传感器与信号调理放大组件、温度采样组件。所述恒压电源组件为大功率开关电源，是加热炉工作电源。恒压电源组件通过大功率开关器件、滤波组件后与加热炉相连。微控制器控制组件根据温度控制方法计算出PWM占空比，形成高频 PWM调制信号。高频 PWM调制信号经大功率开关器件驱动组件驱动，控制大功率开关器件的通断。达到调整输送到加热炉的有效功率的作用。

所述热分析仪高频PWM温度控制装置的控制方法，具体步骤包含目标对象温度计算、ＰＷＭ占空比计算、不同升温速率温控段过渡区拐点处理；其中：

所述目标对象温度计算，其过程包括：

采用高次函数拟合室温范围内热电偶电压与温度对应函数关系：ｆ_T2V(Ｔ)；

采用高次函数拟合热分析仪应用温度范围内热电偶温度与电压函数关系：ｆ_V2T(Ｖ)；

冷端补偿的过程为：

V_cold= f_T2V(T_cold)           公式1

V_0℃= V_cold+ V_m                        公式2

T = f_V2T(V_0℃)             公式3

T_cold为冷端温度；热电偶热端为T_cold,冷端温度为0℃时，对应输出电压为V_cold；相对于热电偶冷端在0℃条件下热电偶应该输出的电压V_0℃ ，T为目标对象实际温度； 

所述PWM占空比计算，其过程包括：

利用神经网络动态修改PID系数；

利用PID方法计算PWM占空比；

所述不同升温速率温控段过渡区拐点处理，其过程包括：

根据两相邻温控段不同升温速率，计算二次或高次函数的系数；采用二次或高次平滑连接相邻温控段，减小不同温控段拐点处过冲现象。