基于缓步升温的高精度恒温箱分段检测控制研究

张俊杰 杨桂茹 徐雅琪

摘要：温度控制是许多科学实验和工业生产的关键参数，精确温度控制对于实验结果的准确性和工业产品的质量至关重要。文章旨在研究一种基于缓步升温的温度控制方案，实现对温度的高精确控制。该方案采用缓步升温策略，通过分段检测技术实时监测温度变化，并通过嵌入式系统进行数据处理和判断。通过分段检测技术，该设备能够实时监测温度变化，并在异常情况下及时报警。实验结果表明，该方法能够有效提高恒温箱的温度控制精度，降低能耗，并延长设备使用寿命。

关键词：缓步升温；恒温箱；温度控制；步进策略；分段检测

中图分类号：TP273  文献标志码：A

0 引言

在许多科学研究和工业生产中，精确控制温度是一个至关重要的环节。尤其是在实验室环境下，需要一个高精度、可重复性的恒温环境以保证实验结果的准确性和可靠性。为了满足这种需求，恒温箱应运而生。然而，如何保证恒温箱温度控制的精度和稳定性，一直是研究者关注的重点。恒温箱在科研、生物、化工、医疗等领域中发挥着重要作用［1-2］。温度控制精度是衡量恒温箱性能的关键指标。然而，在常规的步进升温过程中，升温速度的突变，往往导致温度波动，进而影响实验结果的准确性［3］。因此，如何实现缓步升温过程中的高精度温度控制，成了恒温箱的研究重点。本文围绕基于缓步升温的步进升温高精度恒温箱温度分段检测研究展开讨论。

1 温度控制系统组成

系统的控制电路设计主要关注以下几个方面：一是需要能够精确地控制加热元件的温度；二是需要实时监测温度的变化；三是在温度变化超出预期时能够及时进行调整；四是要有良好的可靠性和稳定性。具体而言，可以采用PID（比例-积分-微分）控制器来控制加热元件的温度，通过实时监测温度传感器反馈回来的数据，调整加热元件的电压或电流，以达到精确控制温度的目的。同时，为了确保电路的稳定性和可靠性，本文还需要考虑到各种可能的干扰因素，如电源波动、环境温度变化等。系统中的关键设计电路包括恒温箱热敏电阻桥式电路和温度检测系统控制及显示电路。电路原理分别如图1和2所示［4］。

系统主要功能模块构成部分如下：

（1）缓步升温系统。

通过控制加热元件的功率，实现恒温箱的缓步升温。通过调整加热速度，可以避免温度突变带来的误差，提高温度控制的精度。

（2）步进升温系统。

在需要快速达到设定温度时，通过改变加热元件的功率，实现步进升温。这种方式可以在短时间内达到所需的温度，适用于需要快速反应的实验或生产场景。

（3）温度分段检测。

根据需要，将恒温箱的温度区间划分为多个分段，对每个分段进行温度检测。这样可以更精确地控制每个区间的温度，提高整体温度控制的精度。

（4）A/D转换。

采用高精度A/D转换器，将温度传感器的模拟信号转换为数字信号，便于后续数据处理和分析。

（5）数字显示。

通过液晶显示屏实时显示当前温度、设定温度、温度变化等信息，方便实验人员或操作人员观察和控制。

经过实际测试，该恒温箱在温度控制精度、响应速度等方面表现优异。在温度分段检测和A/D转换技术的配合下，该恒温箱能够实现高精度的温度控制，为各种实验和生产过程提供可靠的保障。

2 温度控制策略设计

该系统的温度控制过程主要分为缓步升温、步进升温、稳定控制3个阶段，控制主流程如图3所示。

2.1 缓步升温阶段

在恒温箱开始升温的阶段，本文采用了缓步升温策略。这一策略能够使温度在升高的过程中更加平稳，避免了温度突变带来的误差。在此阶段，本文主要使用热电偶进行温度检测。热电偶具有高精度、快速响应的特点，能够准确记录温度的变化。恒温箱的温度控制通常需要采取一种叫做缓步升温或者步进升温的技术。这种方法主要是通过逐渐提高加热元件的电压或电流，使加热元件的温度逐步升高，然后再缓慢地传递给恒温箱内的物质。这种方式的好处是能有效地减少温度骤变对物质的影响，同时也可以提高温度控制的精度。在实现这种技术的过程中，一个关键的部分就是控制电路的设计和实现。这个电路需要能够精确地控制加热元件的温度，并能实时监测温度的变化，以便在必要时进行调整［5］。

2.2 步进升温阶段

在步进升温阶段，本文采用了分段检测的方法。本文将恒温箱的温度设定为多个分段，每个分段都有特定的温度范围。在这个阶段，本文使用了红外测温仪进行温度检测。红外测温仪具有非接触式测温的特点，能够避免对实验样品的影响，同时能够快速、准确地记录温度变化。传统的恒温箱加热方式往往是匀速升温，这种方式在短时间内可能会导致箱内温度的大幅度波动，不利于温度的稳定控制。为了解决这一问题，本文提出了基于缓步升温的步进升温技术。缓步升温是指加热过程中，加热速度逐渐增加，使得温度的变化更加平缓，降低了温度波动的影响。而步进升温则是通过控制加热元件的开关时间，使得温度在各个时间段内以不同的速度上升，进一步减小了温度波动。对于高精度恒温箱的温度控制，分段检测温度变化是必要的。温度的变化并不是均匀的，尤其是在缓步升温的过程中，因此，本文需要对温度进行分段检测，以便更准确地了解温度的变化情况。本文将温度分为多个区间，每个区间都有相应的检测点，这样可以更精确地掌握温度的变化趋势［6］。

2.3 稳定阶段

恒温箱的温度达到设定值后，进入了稳定阶段。在这个阶段，本文使用了高精度数字温度计进行温度检测。数字温度计具有高精度、高分辨率的特点，能够准确记录温度的微小变化。同时，本文还会通过观察实验样品的状态，来判断温度是否稳定。为了实现高精度的温度控制，本文采用了分段检测的方法。这种方法将恒温箱的温度区间划分为多个小段，对每个小段的温度进行实时检测，一旦发现温度超出预设范围，立即进行调节。这种方法的优点在于能够实时、准确地监测温度变化，并及时进行调整，从而保证了温度的稳定。

3 实验结果与分析

本研究设计一系列实验来验证分段检测方案的可行性。具体包括：（1）设计不同升温速度下的实验，观察温度波动情况；（2）对比传统检测方法和分段检测方法的效果；（3）通过调整分段检测方案中的参数，优化温度控制精度。通过实验，本文得到了以下结果：在缓步升温过程中，采用分段检测方案可以有效降低温度波动，提高温度控制精度［6］。具体表现在以下几个方面：（1）分段检测方案能够有效减少温度波动幅度；（2）分段检测方案能够提高温度控制精度，减小实验结果的误差；（3）分段检测方案的实施成本较低，具有较高的实用价值。恒温箱不同区域内模拟物温度变化率的数值结果如图4所示。

通过实验数据分析，发现分段检测方案的关键在于如何合理划分温度区间以及如何选择合适的检测点。根据实验结果，本文提出以下优化建议：在每个温度区间内设置多个检测点，采用高精度的传感器进行实时监测，以确保每个区间的温度波动都在可接受范围内。此外，还应根据实际情况调整升温速度，确保每个区间内的温度变化符合预期。分段检测的方法可以有效地提高温度控制的精度。在初始阶段，通过缓步升温策略，可以避免因温度突变对实验样品的影响；在步进升温阶段，通过红外测温仪的检测，可以实时了解温度的变化情况；在稳定阶段，通过数字温度计的检测，可以准确记录温度的微小变化。此外，实验样品的性质和状态也会影响温度控制的精度。因此，在实际应用中，需要根据实验样品的性质和状态，选择合适的检测方法和控制策略。

4 结语

本文基于缓步升温的步进升温高精度恒温箱温度分段检测研究，结合A/D转换与数字显示技术，提供了一种精确、可靠的温度控制解决方案。该方案不仅能够提高温度控制的精度，还具有响应速度快、操作简便等优点，适用于各种需要精确温度控制的实验和生产场景。本研究还发现实验样品的性质和状态也会影响温度控制的精度。因此，在实际应用中，需要根据实验样品的性质和状态选择合适的检测方法和控制策略。本研究为提高恒温箱的温度控制精度提供了新的思路和方法。

参考文献

［1］彭梦迪，郑晟.高精度恒温箱温度控制系统的实现［J］.现代电子技术，2021（2）：9-12.

［2］焦新泉，许超，贾兴中，等.标度变换技术在精密温度测量系统中的应用研究［J］.电子设计工程，2022（6）：91-94，99.

［3］胡程磊，王逍，王亮，等.基于单片机的无线温度控制系统设计［J］.电子制作，2023（18）：11-15.

［4］柴恒，武杰，伍航，等.一种低波动的可程控恒温箱控制系统设计［J］.电子技术应用，2023（4）：63-67.

［5］刘董，迟宗涛，鲁云峰，等.高精度标准电阻用空气恒温箱设计及优化［J］.中国测试，2019（9）：143-148.

［6］苏力，雷瑛.恒温箱温度测控系统设计及其BP网络控制预测［J］.电气自动化，2021（2）：35-37.

（编辑 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