基于緩步升溫的高精度恒溫箱分段檢測控制研究

張俊杰 楊桂茹 徐雅琪

摘要：溫度控制是許多科學實驗和工業生產的關鍵參數，精確溫度控制對于實驗結果的準確性和工業產品的質量至關重要。文章旨在研究一種基于緩步升溫的溫度控制方案，實現對溫度的高精確控制。該方案采用緩步升溫策略，通過分段檢測技術實時監測溫度變化，并通過嵌入式系統進行數據處理和判斷。通過分段檢測技術，該設備能夠實時監測溫度變化，并在異常情況下及時報警。實驗結果表明，該方法能夠有效提高恒溫箱的溫度控制精度，降低能耗，并延長設備使用壽命。

關鍵詞：緩步升溫；恒溫箱；溫度控制；步進策略；分段檢測

中圖分類號：TP273? 文獻標志碼：A

0 引言

在許多科學研究和工業生產中，精確控制溫度是一個至關重要的環節。尤其是在實驗室環境下，需要一個高精度、可重復性的恒溫環境以保證實驗結果的準確性和可靠性。為了滿足這種需求，恒溫箱應運而生。然而，如何保證恒溫箱溫度控制的精度和穩定性，一直是研究者關注的重點。恒溫箱在科研、生物、化工、醫療等領域中發揮著重要作用［1-2］。溫度控制精度是衡量恒溫箱性能的關鍵指標。然而，在常規的步進升溫過程中，升溫速度的突變，往往導致溫度波動，進而影響實驗結果的準確性［3］。因此，如何實現緩步升溫過程中的高精度溫度控制，成了恒溫箱的研究重點。本文圍繞基于緩步升溫的步進升溫高精度恒溫箱溫度分段檢測研究展開討論。

1 溫度控制系統組成

系統的控制電路設計主要關注以下幾個方面：一是需要能夠精確地控制加熱元件的溫度；二是需要實時監測溫度的變化；三是在溫度變化超出預期時能夠及時進行調整；四是要有良好的可靠性和穩定性。具體而言，可以采用PID（比例-積分-微分）控制器來控制加熱元件的溫度，通過實時監測溫度傳感器反饋回來的數據，調整加熱元件的電壓或電流，以達到精確控制溫度的目的。同時，為了確保電路的穩定性和可靠性，本文還需要考慮到各種可能的干擾因素，如電源波動、環境溫度變化等。系統中的關鍵設計電路包括恒溫箱熱敏電阻橋式電路和溫度檢測系統控制及顯示電路。電路原理分別如圖1和2所示［4］。

系統主要功能模塊構成部分如下：

（1）緩步升溫系統。

通過控制加熱元件的功率，實現恒溫箱的緩步升溫。通過調整加熱速度，可以避免溫度突變帶來的誤差，提高溫度控制的精度。

（2）步進升溫系統。

在需要快速達到設定溫度時，通過改變加熱元件的功率，實現步進升溫。這種方式可以在短時間內達到所需的溫度，適用于需要快速反應的實驗或生產場景。

（3）溫度分段檢測。

根據需要，將恒溫箱的溫度區間劃分為多個分段，對每個分段進行溫度檢測。這樣可以更精確地控制每個區間的溫度，提高整體溫度控制的精度。

（4）A/D轉換。

采用高精度A/D轉換器，將溫度傳感器的模擬信號轉換為數字信號，便于后續數據處理和分析。

（5）數字顯示。

通過液晶顯示屏實時顯示當前溫度、設定溫度、溫度變化等信息，方便實驗人員或操作人員觀察和控制。

經過實際測試，該恒溫箱在溫度控制精度、響應速度等方面表現優異。在溫度分段檢測和A/D轉換技術的配合下，該恒溫箱能夠實現高精度的溫度控制，為各種實驗和生產過程提供可靠的保障。

2 溫度控制策略設計

該系統的溫度控制過程主要分為緩步升溫、步進升溫、穩定控制3個階段，控制主流程如圖3所示。

2.1 緩步升溫階段

在恒溫箱開始升溫的階段，本文采用了緩步升溫策略。這一策略能夠使溫度在升高的過程中更加平穩，避免了溫度突變帶來的誤差。在此階段，本文主要使用熱電偶進行溫度檢測。熱電偶具有高精度、快速響應的特點，能夠準確記錄溫度的變化。恒溫箱的溫度控制通常需要采取一種叫做緩步升溫或者步進升溫的技術。這種方法主要是通過逐漸提高加熱元件的電壓或電流，使加熱元件的溫度逐步升高，然后再緩慢地傳遞給恒溫箱內的物質。這種方式的好處是能有效地減少溫度驟變對物質的影響，同時也可以提高溫度控制的精度。在實現這種技術的過程中，一個關鍵的部分就是控制電路的設計和實現。這個電路需要能夠精確地控制加熱元件的溫度，并能實時監測溫度的變化，以便在必要時進行調整［5］。

2.2 步進升溫階段

在步進升溫階段，本文采用了分段檢測的方法。本文將恒溫箱的溫度設定為多個分段，每個分段都有特定的溫度范圍。在這個階段，本文使用了紅外測溫儀進行溫度檢測。紅外測溫儀具有非接觸式測溫的特點，能夠避免對實驗樣品的影響，同時能夠快速、準確地記錄溫度變化。傳統的恒溫箱加熱方式往往是勻速升溫，這種方式在短時間內可能會導致箱內溫度的大幅度波動，不利于溫度的穩定控制。為了解決這一問題，本文提出了基于緩步升溫的步進升溫技術。緩步升溫是指加熱過程中，加熱速度逐漸增加，使得溫度的變化更加平緩，降低了溫度波動的影響。而步進升溫則是通過控制加熱元件的開關時間，使得溫度在各個時間段內以不同的速度上升，進一步減小了溫度波動。對于高精度恒溫箱的溫度控制，分段檢測溫度變化是必要的。溫度的變化并不是均勻的，尤其是在緩步升溫的過程中，因此，本文需要對溫度進行分段檢測，以便更準確地了解溫度的變化情況。本文將溫度分為多個區間，每個區間都有相應的檢測點，這樣可以更精確地掌握溫度的變化趨勢［6］。

2.3 穩定階段

恒溫箱的溫度達到設定值后，進入了穩定階段。在這個階段，本文使用了高精度數字溫度計進行溫度檢測。數字溫度計具有高精度、高分辨率的特點，能夠準確記錄溫度的微小變化。同時，本文還會通過觀察實驗樣品的狀態，來判斷溫度是否穩定。為了實現高精度的溫度控制，本文采用了分段檢測的方法。這種方法將恒溫箱的溫度區間劃分為多個小段，對每個小段的溫度進行實時檢測，一旦發現溫度超出預設范圍，立即進行調節。這種方法的優點在于能夠實時、準確地監測溫度變化，并及時進行調整，從而保證了溫度的穩定。

3 實驗結果與分析

本研究設計一系列實驗來驗證分段檢測方案的可行性。具體包括：（1）設計不同升溫速度下的實驗，觀察溫度波動情況；（2）對比傳統檢測方法和分段檢測方法的效果；（3）通過調整分段檢測方案中的參數，優化溫度控制精度。通過實驗，本文得到了以下結果：在緩步升溫過程中，采用分段檢測方案可以有效降低溫度波動，提高溫度控制精度［6］。具體表現在以下幾個方面：（1）分段檢測方案能夠有效減少溫度波動幅度；（2）分段檢測方案能夠提高溫度控制精度，減小實驗結果的誤差；（3）分段檢測方案的實施成本較低，具有較高的實用價值。恒溫箱不同區域內模擬物溫度變化率的數值結果如圖4所示。

通過實驗數據分析，發現分段檢測方案的關鍵在于如何合理劃分溫度區間以及如何選擇合適的檢測點。根據實驗結果，本文提出以下優化建議：在每個溫度區間內設置多個檢測點，采用高精度的傳感器進行實時監測，以確保每個區間的溫度波動都在可接受范圍內。此外，還應根據實際情況調整升溫速度，確保每個區間內的溫度變化符合預期。分段檢測的方法可以有效地提高溫度控制的精度。在初始階段，通過緩步升溫策略，可以避免因溫度突變對實驗樣品的影響；在步進升溫階段，通過紅外測溫儀的檢測，可以實時了解溫度的變化情況；在穩定階段，通過數字溫度計的檢測，可以準確記錄溫度的微小變化。此外，實驗樣品的性質和狀態也會影響溫度控制的精度。因此，在實際應用中，需要根據實驗樣品的性質和狀態，選擇合適的檢測方法和控制策略。

4 結語

本文基于緩步升溫的步進升溫高精度恒溫箱溫度分段檢測研究，結合A/D轉換與數字顯示技術，提供了一種精確、可靠的溫度控制解決方案。該方案不僅能夠提高溫度控制的精度，還具有響應速度快、操作簡便等優點，適用于各種需要精確溫度控制的實驗和生產場景。本研究還發現實驗樣品的性質和狀態也會影響溫度控制的精度。因此，在實際應用中，需要根據實驗樣品的性質和狀態選擇合適的檢測方法和控制策略。本研究為提高恒溫箱的溫度控制精度提供了新的思路和方法。

參考文獻

［1］彭夢迪，鄭晟.高精度恒溫箱溫度控制系統的實現［J］.現代電子技術，2021（2）：9-12.

［2］焦新泉，許超，賈興中，等.標度變換技術在精密溫度測量系統中的應用研究［J］.電子設計工程，2022（6）：91-94，99.

［3］胡程磊，王逍，王亮，等.基于單片機的無線溫度控制系統設計［J］.電子制作，2023（18）：11-15.

［4］柴恒，武杰，伍航，等.一種低波動的可程控恒溫箱控制系統設計［J］.電子技術應用，2023（4）：63-67.

［5］劉董，遲宗濤，魯云峰，等.高精度標準電阻用空氣恒溫箱設計及優化［J］.中國測試，2019（9）：143-148.

［6］蘇力，雷瑛.恒溫箱溫度測控系統設計及其BP網絡控制預測［J］.電氣自動化，2021（2）：35-37.

（編輯 王雪芬）

Research on high-precision segmented detection and control of constant temperature box based on slow heating

ZHANG? Junjie， YANG? Guiru， XU? Yaqi

（Xijing University， Shaanxi， Xian 710000， China）

Abstract：? Temperature control is a key parameter in many scientific experiments and industrial production. Accurate temperature control is crucial for the accuracy of experimental results and the quality of industrial products. This article aims to study a temperature control scheme based on slow heating， achieving high-precision temperature control. This plan adopts a slow heating strategy， which monitors temperature changes in real time through segmented detection technology， and processes and judges data through embedded systems. Through segmented detection technology， the device is able to monitor temperature changes in real time and provide timely alarms in case of abnormal situations. The experimental results show that this method can effectively improve the temperature control accuracy of the constant temperature box， reduce energy consumption， and extend the service life of the equipment.

Key words： slowly warming up; thermostatic box; temperature control; step by step strategy; segmented detection