一种光室混合加热制冷恒温系统
技术领域
本发明属于光谱仪领域，涉及一种恒温系统，特别是一种光室混合加热制冷恒温系统。
背景技术
目前市场上光谱仪通用的温室恒温方法是发热元件恒温，ICP仪器光室最佳恒温在28-35℃，这种方法的恒温速度慢、只能单一加热恒温，升温时间和温度稳定时间都很长，而且温度的稳定性也不高，仪器长期运行后容易导致靠近燃烧室一侧光室温度不断温升，温升高于恒温温度从而使恒温失效，对光谱仪的测量误差产生了较大的影响；为了进一步减少测量误差，保证整个光室温度的均匀性，特设计一种半导体光室加热制冷恒温系统。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在上述的问题，提出了一种光室混合加热制冷恒温系统。
为实现上述目的，可通过下列技术方案来实现，一种光室混合加热制冷恒温系统，应用在ICP光谱仪中，设置于燃烧室旁，包括有光室、若干加热元器件、与加热元器件对应设置的温度传感器以及设置在光室外侧的保温材料，所述加热元器件设置在光室外侧表面上，在所述加热元器件上设置铜管，在所述铜管的一侧设置一热交换控制模块，靠近燃烧室一侧的所述加热元器件为半导体制冷片；在所述的光室外侧设置一用于检测光室外侧环境温度的室温温度传感器，在所述的光室与燃烧室的连接处设置一用于检测该处温度的连接处温度传感器，根据温度传感器、室温温度传感器与连接处温度传感器检测到的信号判断后单独控制各个加热元器件的工作。
进一步具体的，所述热交换控制模块中含有转换芯片、控制单元，所述转换芯片用来接收信号并进行转换，所述控制单元输出PWM信号。
进一步具体的，每个所述温度传感器输出反馈信号，经总线将信号进行传输，最终由所述控制单元接收并进行加权优化计算，加权优化计算结果传输至加热元器件并控制调整加热状态。
进一步具体的，所述的加权优化计算公式为，
V1＝K11*T1+K12*T2+K13*T3+K14*T4...+K1n*Tn；
V2＝K21*T1+K22*T2+K23*T3+K24*T4...+K2n*Tn；
......
Vn＝Kn1*T1+Kn2*T2+Kn3*T3+Kn4*T4...+Knn*Tn；
其中,Vn为加权优化后第n个加热元器件所需施加的电压；
加权系数Knn通过建模由热学分析软件Flotherm计算出初值,然后在多次的试验测试中进行修正之后的值；
Tn＝Tk-Tx+Kt；
其中Tk为设定的目标恒温温度，Tx为温度传感器检测n位置的温度，Kt为热量散溢补偿系数。
进一步具体的，所述的热量散溢补偿系数Kt＝(Tk-Ta)/n，其中Tk为设定的目标恒温温度，Ta为室温温度传感器检测到的环境温度，n为加热元器件的个数。
进一步具体的，当Ta-Tk＞Tk且Tn≤0.5℃时，半导体制冷片切换为制冷模式，其切换后所需电压Vn’，
Vn’＝Kb*(Ta-Tk)+2.6-Vn，
其中，Kb为连接处温度传感器处的温度Tb对半导体制冷片的影响系数。
进一步具体的，所述光室有底面、顶面和侧面，所述底面部分内凹，形成支撑部，所述顶面为一平面，在所述底面和顶面之间的为侧面，所述加热元器件设置在所述光室的顶面和侧面。
进一步具体的，设置在所述光室顶面的加热元器件通过一铜管连接，设置在所述光室侧面的加热元器件通过一铜管连接，两所述铜管互不接触。
进一步具体的，若干所述加热元器件均由独立的PWM信号控制。
进一步具体的，所述的加热元器件设置有20个，其中所述的半导体制冷片为4个。
本发明一种光室混合加热制冷恒温系统，可以实现如下技术效果：
1.半导体加热制冷元器件安装在光室外部的多个位置，并在光室内部对应区域安装温度传感器；
2.每个加热元器件都是独立的PWM控制，每个半导体元器件都是独立的PWM控制H桥再通过调制电路转换成相应的直流电压驱动半导体模块从而能快速调节每个区域温度；
3.因为半导体发热制冷属于热交换元器件所以需要通过铜管和铜管中水流进行热交换，使光室内均匀恒温。
附图说明
图1是本发明的俯视结构示意图；
图2是本发明从上往下看的立体结构示意图；
图3是本发明从下往上看的立体机构示意图。
图中：1、光室；2、加热元器件；3、半导体制冷片；4、支撑部；5、铜管；6、热交换控制模块；7、保温材料。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。
图1、图2和图3所示为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明所述一种光室混合加热制冷恒温系统，其应用于ICP光谱仪，设置于燃烧室旁，如图1、图2和图3所示，包括有光室1、若干加热元器件2、与加热元器件2对应设置的温度传感器以及设置在光室1外侧的保温材料7，所述光室1有顶面、底面以及侧面，所述底面部分内凹，形成支撑部4，所述顶面为一平面，所述顶面和底面之间的为侧面，所述加热元器件2设置在所述光室1外侧表面上，进一步具体的，所述加热元器件2分别设置在所述光室1的顶面和侧面，设置在所述光室1的侧面的加热元器件2绕所述光室1一周设置，设置在所述光室1的顶面的加热元器件2按所述光室1顶面的形状摆放一周，所述加热元器件2上设置铜管5，所述铜管5内设置有水，用来进行热交换，进一步具体的，所述光室1的侧面的加热元器件2和顶面的加热元器件2处均设置铜管5，一所述铜管5连接本平面的所有加热元器件2，两所述铜管5互不接触；在所述铜管5的一侧设置一热交换控制模块6，所述热交换控制模块6设置在所述光室混合加热制冷恒温系统外侧，在本发明中，所述热交换控制模块6含有转换芯片和控制单元；靠近所述燃烧室一侧的所述加热元器件2为半导体制冷片3，进一步具体的，所述的加热元器件设置有20个，其中所述的半导体制冷片为4个，所述半导体制冷片3通电时加热，背面制冷，反向通电时制冷，背面加热；在所述的光室1外侧设置一用于检测光室1外侧环境温度的室温温度传感器，在所述的光室1与燃烧室的连接处设置一用于检测该处温度的连接处温度传感器，根据温度传感器、室温温度传感器与连接处温度传感器检测到的信号判断后单独控制各个加热元器件2的工作。
所述温度传感器的反馈信号经过放大器放大后进入ADC转换芯片，经过转换后的信号数字值传入控制单元-单片机，热交换控制模块6中控制单元通过CAN总线通讯传输信号，控制单元把采集回来的所有温度数据进行加权计算。
根据本发明的一些实施例,所述加热元器件2及所述温度传感器的数量均为n,所述加权优化计算公式为:
V1＝K11*T1+K12*T2+K13*T3+K14*T4...+K1n*Tn；
V2＝K21*T1+K22*T2+K23*T3+K24*T4...+K2n*Tn；
......
Vn＝Kn1*T1+Kn2*T2+Kn3*T3+Kn4*T4...+Knn*Tn；
其中,Vn为加权优化后第n个加热元器件2所需施加的电压；
加权系数Knn通过建模由热学分析软件Flotherm计算出初值,然后在多次的试验测试中进行修正之后的值；
Tn＝Tk-Tx+Kt，其中Tk为设定的目标恒温温度，Tx为温度传感器检测n位置的温度，Kt为热量散溢补偿系数；
在该系统内设置一室温温度传感器用于检测光室外侧的环境温度Ta，在光室靠近燃烧室的外侧设置一连接处温度传感器用于检测该位置的温度Tb，Kt＝(Tk-Ta)/n；例如若目标恒温温度Tk＝30℃，外部室温Ta＝20℃，加热元器件2n＝20，则Kt＝0.5，
在n个加热元器件2中，半导体制冷片3为4个，当Ta-Tk＞Tk且Tn≤0.5℃时，说明散热速率小于加热速率，此时4个半导体制冷片3切换为制冷模式，其切换后所需电压Vn’：
Vn’＝Kb*(Ta-Tk)+2.6-Vn，
其中，Kb为连接处温度传感器处的温度Tb对半导体制冷片3的影响系数，该影响系数为热传导过程传递系数，通过热学分析软件Flotherm计算而得，通过材料的比热系数、导热系数以及密度推导而出，在实际中使用0.2。
对于加热元器件2的电压处于0-2.5V(对于加热元器件2如果Vn计算值>2.5V，设置电压仍然为2.5V)对应占空比0-100％的加热功率，如当前温度传感器测量温度Tx为20℃，目标恒温温度Ta为30℃，则计算出Vn为2.5V，相当于设定满功率加热，如当前温度传感器测量温度Tx为29.9℃，目标恒温温度Ta为30℃，则计算出Vn为0.1V，相当于4％低功率加热维持恒温。
对于半导体制冷片3的单元处于0-2.5V对应占空比0-100％的加热功率，2.6V-4.6V对应0-40％的制冷功率(实际测量制冷功率最大20％左右即可满足恒温需求)，2.5V-2.6V是实际使用中为避免半导体制冷片3在临界点电压附近频繁切换加热制冷导致半导体制冷片3损坏是根据长期测量设定的中间缓冲。
每个加热元器件2都是独立的PWM控制，每个半导体制冷片3都是独立的PWM控制H桥再通过调制电路转换成相应的直流电压驱动半导体制冷片3，从而能快速调节每个区域温度。控制单元根据加权计算的结果，再结合PID控制原则，最终得出每个控制单元的PWM控制信号，实现恒温的最优控制。
因为半导体制冷片3是热交换模块，在加热时背面制冷，反向通电时制冷背面加热。在加热恒温初期，加热元器件2和半导体制冷片3通过经验PID值同时加热，通过背面铜管5和水流将热量传送至半导体制冷片3背面使得温室温升均匀，此阶段整个恒温系统中半导体制冷片3虽然正面加热但由于背面制冷所以在整个系统中实际作用是进行高效率的将整个系统中其他加热模块热量热传递维持系统温升均匀，整个系统中实际只有加热元器件2产生热量。加热至恒温阶段通过热交换控制模块6中控控制单元采集各部分温度数据进行加权计算对比经验值进行恒温PID控制调节。当长期运行，靠近燃烧室一侧光室1温升高于恒温温度时，控制半导体制冷片3反向供电进行小功率制冷，由于此时半导体制冷片3背面加热，需要将热量通过铜管5传导至光室1其他部分，所以整个系统中半导体制冷片3相当于将靠近燃烧室一侧的光室1多余热量通过高效率热传递供给光室1其他加热元器件2，此时需要热交换控制模块6控制其他加热元器件2根据经验值调节加热PID从而维持整个系统的恒温效果均匀。
如图2和图3所示，在所述光室1的外部还包裹有保温材料7，减少系统内热量的散失，保证光室1温度的稳定性。
本发明采用加热元器件2和半导体制冷片3安装在光室1的多个位置，使整个光室1的周围能同时加热，同时在靠近燃烧室的一侧，通过设置半导体制冷片3可以进行加热和制冷，光室1内部对应区域的温度传感器实时的把温度数值反馈给控制单元，控制单元收集到所有温度传感器的信息后，进行加权的优化计算，再根据PID控制原则给出每个加热元器件2的PWM控制PID参数信号，保证整个光室1能快速均匀的升温的同时又能保障光室1长期工作的温度稳定性。整个光室1外面包裹的保温材料7减少了热量的流失，提高了加热恒温的效率。光室1的温度稳定性能保持在±0.1℃以内，光室1长期工作后最热和最冷端温度均匀性能保持在±0.2℃以内，降低了因光室1整体温度不均匀变化导致的侧量误差。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
