2．恒温箱闭环温度控制系统的设计制作

以恒温箱的制作为例，进行闭环温度控制系统的设计、制作和调试。

（1）控制要求：电热箱温度可以自动控制，有一个显示电热箱温度的温度计、一个显示电热箱通电加热状态的小灯泡和一个电源指示灯。接通电源后，当温度低于设定值时自动增加电功率，高于设定值时自动减小电功率，使温度控制在设定值左右（图4.25）。设计要求该恒温箱温度波动较小。[通用技术网]

图4.25 可调节双金属开关

（2）控制方案设计：根据设计方案中控制系统所需的控制装置和参数要求选择合适的元器件，用以制作控制系统。

1）传感器选择：要确定采用什么传感器，测量范围是多少，输出信号是什么。比如，恒温箱需要测量温度，可选用热电偶、热电阻等作为传感器。

2）控制装置的选择：要确定采用什么类型的控制装置。输入信号要与传感器匹配，输出信号要与执行装置匹配。可以选用专用温度控制器。

3）执行装置的选择：根据控制对象和被控量确定采用什么执行装置。恒温箱可以选择电热器作为执行装置。

有一种器件既可以作为传感器，同时也是控制装置。这就是可调节双金属开关。当恒温箱内的温度超过设定值时，双金属片向下弯曲，触头分开，电路切断，指示灯熄灭，电阻线圈不发热，恒温箱内的温度随之下降；当温度降到低于所设定值时，双金属片复位，电路被接通，箱内温度随之升高。这样，使温度保持在一定范围内。

根据所选择的控制方案绘制控制系统框图。恒温箱控制系统的框图如图4.26所示。注意，其中的双金属开关既是控制装置，也是传感器。

图4.26 恒温箱控制系统框图

绘制电路图：电路图是根据控制系统框图，结合具体的控制元器件的工作原理，绘制电路连接图。制作恒温箱控制系统时，要根据恒温箱控制电路图进行电器连接。另外，还需要一个控制元器件的安装布置图。这些都是制作恒温箱控制系统时所需要的工作图。电路如图4.27，接通电源时，因为温度低于设定值，温度开关K₂处于接通，两个指示灯都亮，热功率为R₃、R₄两个电阻的功率之和，箱内温度升高，当温度高于设定值时，温度开关K₂断开，热功率减为R₃一个电阻的功率，加热指示灯熄灭。R₃电阻为可调电阻，电阻应调在只有R₃发热时，平衡温度稍低于设定值，这样使温度开关K₂断开后温度下降较慢，温度波动小，K₂通断频率低。

图4.27 恒温箱控制系统电路图

（3）元器件选择（电源为交流12V，最大电流2A）：

K₁：电源开关，24V，2A。

K₂：控制温度为双金属片温度开关。

L₁、L₂：指示灯，2.5V，0.3A。

R₃：线绕陶瓷大功率半可调电阻，20Ω，15W。

R₄：线绕陶瓷大功率固定电阻，10Ω，15W。

其他材料：R₁、R₂的固定螺钉，导线。

在恒温箱的温度控制系统设计中，要确定电热器的加热功率，加热功率过小，加热时间长，甚至达不到目标温度；加热功率过大，温度波动大，控制精度会降低。

电热器产生的热量可以用以下公式计算：

Q热=I²Rt

但是，散热和热容量的计算比较复杂，这里可以用试验的方法进行测算。

把一个已知功率的电热器（100W）放置在恒温箱内，在恒温箱中放置一个温度计，等箱内温度不再升高时，恒温箱在此温度下的散热量就等于电热器产生的热量，即到达了平衡温度。用同样的方法，选择功率不同的电热器（或者用调压器调整加热功率）就可以测出在几个不同功率下的平衡温度。将测量出的数据画在平衡温度-功率坐标系里，可得到恒温箱的平衡温度曲线。这样就可以根据需要计算出所需要的电加热的加热功率了。

（4）制作及调试：

1）准备工具：手电钻和钻头一套；锯子、尖嘴钳、螺丝刀、刻丝钳、电烙铁、镊子各一把，万用表一块。

用绝缘材料做一个40cm×20cm×20cm的恒温箱，底板上打两个固定R₃、R₄的圆孔，前板打一个电源开关固定圆孔，两个指示灯圆孔，温度计长孔。后板打一个电源线圆孔。

2）检查元器件：用万用表欧姆挡检查各开关、导线和小灯的通断情况；测量各电阻的阻值是否正确。

3）制作安装：先用绝缘材料做一个控制电路板，把控制元器件固定在电路板上，再按照电路图连接。按电路将各元器件接好，通电后万用表测量各电阻和指示灯的电压，计算其功率是否在额定功率以内。尤其是指示灯的功率，不符合要求需要换分流电阻。

断开电源，将连接K₂的导线断开，密封恒温箱后通电，10min后看温度计读数，温度应比设定值低十几度，此温度由调整R₃电阻值达到要求；温度偏低减小电阻，温度偏高增大电阻。需要调整数次，合格后固定R₃电阻。

安装完毕后，检查电路接线是否正确、连接是否牢固、绝缘是否可靠。注意，电热器不能靠近不耐热的材料。将电源插头接入安全电源，闭合手动开关，指示灯亮，从窗口观察温度计的示数。恒温箱内温度的高低可以通过可调节双金属开关来调整。恒温箱组装如图4.28所示。[通用技术网]

图4.28 恒温箱组装图