标签: 温度控制

前言 在实验室和工业生产中， 温度控制 对于确保实验结果的精确性和产品的高质量至关重要，尤其是针对温度敏感的样品和原材料，如蛋白酶等，微小的温度误差都会对实验结果可靠性和生产质量造成影响。而在控温性能中， 稳定性 和 均匀性 至关重要，本文将深入探讨这两个关键概念，以及如何通过精确的控制技术来实现它们。 一、热分布原理 在未搅拌的液体浴中，热量主要通过 对流和传导 进行分布。而在搅拌浴中，除了对流和传导，搅拌动作也参与了热分布，从而提高了热能的传递效率。然而，液体表面的热损失以及通过浴壁的热传递也会导致温度的变化，这对稳定性和均匀性构成了挑战。 二、稳定性与均匀性的定义 稳定性和均匀性是衡量温度控制性能的两个核心参数： 稳定性 ：指的是浴中任意一点的温度波动程度。根据DIN 58966标准，稳定性是指在排除了读数中最大的25%后，100个周期内最高和最低温度水平之间的温差。 均匀性 ：指的是浴中任意两个点之间的最大温差。它通过测量浴中心和角落的温度，取这些点平均温度的最大差异来确定。 三、稳定性与均匀性的实现 为了实现良好的稳定性和均匀性，浴的设计需要考虑以下因素： 热源选择 ：高效且稳定的热源对于维持温度控制至关重要。 热交换机制 ：对流和传导的效率直接影响热分布的均匀性，而搅拌机制在搅拌浴中尤为重要。 搅拌器设计 ：在搅拌浴中，搅拌器的设计和速度对热分布均匀性有显著影响。 绝热材料应用 ：使用高质量的绝热材料可以减少热损失，从而提高系统的稳定性。 四、应用案例——TX150系列加热循环水浴 现在，让我们通过 点成TX150系列加热循环水浴 来观察这些概念是如何在实践中得到应用的。TX150系列由Optima™ TX150加热循环仪和不同规格及材质的浴槽组成，提供了从-15°C至150℃的精确温度控制范围。该系列的加热循环水浴不仅满足了基本的温度控制需求，更通过其 Optimisation™（ICO）智能控制的自适应智能PID温度控制 ，实现了卓越的 温度稳定性（±0.01℃） ，这在行业中是一个相当高的水准。 TX150系列的设计考虑到了用户体验，通过一个简单的转盘式旋钮和两个功能键，用户可以迅速完成温度设置和菜单导航， 同时具备1个设定温度加3个可调预设温度 ，极大提升了操作的便捷性。此外，该系列还具备用户 自校准功能 ，确保在所需的操作温度下达到最佳精度。 安全也是TX150系列设计中的一个重点。它配备了 可视警报器和低液面保护、过温保护功能 ，确保在追求高精度温度控制的同时，用户的安全也得到了保障。 TX150系列加热循环水浴的应用领域广泛，从临床、微生物学和病理学实验室中的培养基加热、样本培养，到工业实验室中的温控探针校准、水质分析等，该系列水浴都能提供稳定和均匀的温度控制，满足不同应用的严格要求。 五、结论 通过 TX150系列加热循环水浴 的介绍，我们可以看到，通过精心设计和先进技术的应用，可以实现既稳定又均匀的温度控制，这对于实验室和工业生产中的各种精密应用至关重要。稳定性和均匀性不仅是理论概念，它们通过TX150系列水浴的卓越性能得到了实际的体现和验证。

摘要：温度敏感产品运输 对供应链全流程的温度质量要求较高，往往需要借助特殊的温湿度监测技术产品。 va-Q-tec 与虹科Comet合作，采用虹科Comet的U系列温度记录仪，为 集装箱运输 过程提供完整的温控包装解决方案。 一、客户背景 va-Q-tec是保温集装箱和隔热材料领域的领军企业。 自 2001 年以来一直在节能、节省空间和环保的真空绝热板 (VIP) 的基础上引领绝热行业创新解决方案的开发。 公司最知名产品为保温集装箱va-Q-tainers，致力于为温度敏感物品的运输提供完美解决方案。 同时，高性能隔热板材va-Q-panels广泛应用于建筑和工业领域，为能源效率提供可靠支持。医疗行业可依赖va-Q-med系列保温袋，确保医疗设备和药品的安全储存与运输。此外，va-Q-tec还提供个性化定制的保温箱体，满足客户独特的冷链需求。 二、项目需求 va-Q-tec公司的集装箱和保温箱为运输温度敏感产品和药品提供了广泛的应用，但在 实时监测温度准确性方面仍面临三大挑战。 1.运输环境条件苛刻 例如冷链运输要求将温度保持在2℃-8℃之间， 需要使用温度记录仪实时监测并警示异常状况。 2.能源和电源的限制 冷藏集装箱温度监测设备通常依赖电池或其他能源。然而，电池寿命和能源消耗限制了设备运行时间和监测功能，特别是 在长距离海运或航空运输，需要平衡监测准确性和电源消耗的关系 ，以确保设备的可持续运行。 3.不同点位的温度差异 由于集装箱内部空间有限且货物堆放方式不同，可能存在温度差异和温度梯度， 需要使用适当的监测设备和布局 。 三、虹科解决方案 针对上述三大挑战，推荐使用HK-COMET温度记录仪 U0121/U0141G 对集装箱运输过程进行监测，同时搭配Comet Vison& Comet database软件实现温度数据的管理，同时保有数量超过5000个。 硬件设备推荐：U0121，U0141G U0121 点击查看产品详情 U0141G 点击查看产品详情 1.满足测试温度需求 U0121提供2个Pt1000外置探头，U0141G提供4个Pt1000外置探头。测量范围 -200 至 +260℃，精度±0.2℃。 通过将探头安装在集装箱或运输容器的外部， 可以避免内部布局和堆放方式对温度分布的影响，从而提高监测的准确性。多探头 符合va-Q-tec对冷藏集装箱的温度监控 点位需求 。 2.低功耗的数据存储与完整的数据记录 非易失性电子存储器。支持用户自定义记录模式和记录间隔：非循环存储/循环存储。非循环记录模式下可存储500,000个值；循环记录模式下 350,000个值。记录间隔在1s-24h区间可自行调整。 非易失性存储器兼具 低功耗和数据完整性 特征。低功耗特性可以节省能源并延长电池寿命， 特别适合va-Q-tec长距离的海运过程。 且在断电或电源故障的情况下可以保持数据的完整性，适用于存储温度重要数据。 产品具有安全空运鉴定证书，也可以用于空运过程中的温度监测。 3.多种报警形式提示温度异常 设备自带显示屏，如果超出设定限值，可通过 LED、LCD 进行现场指示，并提供内置蜂鸣器进行声音指示。U0141G还能通过GSM数据连接发送 SMS 和 JSON 消息。测量和评估警报的时间间隔可按需调整：1秒、10秒、1分钟。 多种报警形式 有效提醒警示温度异常，帮助保持温度控制在安全范围内，防止物品受损或丧失效力。 4.IP67防护等级满足恶劣运输条件 防护等级高达 IP67，防水防尘耐用。 集装箱冷链运输中可能遭受到湿度和水分的影响，在运输过程中可能遇到震动和碰撞。IP67使得设备能够在潮湿、尘土飞扬的环境中稳定工作。 设备其他信息 电源电池：U0121为3.6 V锂电池，U0141G为可充电锂离子电池。 该设备包括可追溯的校准证书，并声明标准具的计量可追溯性基于EN ISO/IEC 17025 标准的要求。 质保三年，提供技术售后支持服务。 软件推荐：Comet Vison& Comet database 解决如何测量以获取准确温度数据后， 推荐Comet Vison& Comet database以实现处理和管理大量产生的温度监测数据。 点击查看产品详情 Comet database 用于收集、报警和分析所有 COMET 设备测量数据的 数据库系统 。包含许多有用的数据分析工具：图形、表格、统计等。还提供高级功能：数据安全访问、帐户管理、远程监控、错误诊断、数据库备份等。 允许集中管理和存储所有 COMET 设备测量数据的数据 ，有助于数据的统一管理，提高数据的一致性和完整性。此外， 可以为多个用户提供共享数据。 不同的部门、团队可以通过访问中央数据库来获取和共享所需的数据，无需重复存储和维护多个副本。 C omet Vison 免费分析软件，支持用户配置、数据记录、数据展示， 不限制最大连接设备数量。

干浴器概述 干浴器，又名恒温金属浴或金属浴。与水浴设备不同，水浴设备以液体物质（如水、油等）作为传热介质进行温度控制，而干浴器则是以金属模块为传热介质进行热量传导。与水浴相比，干浴器具备容量小、控温范围广、加热速度快、体积紧凑等特点。目前，干浴器已经在包括生命科学、工业化学等多个领域中取得了广泛的应用。 点成生物干浴器应用及案例 由于干浴器控温特点和性能，它最常被应用在各种样品处理中 应用—— 1 、生命科学领域 干浴器的身影常出现在样品孵育、DNA/RNA提取、蛋白质样品处理、体外反应、核酸和蛋白质样品变性、PCR、ELISA、Western Blot、酶切消化、酶促/动力学反应、定量分析、裂解反应、免疫沉淀等实验中。 2 、化工领域 干浴器可应用于如温度控制、样品测试、有机合成、土壤溶解等领域 3 、生物制药领域 干浴器可用于熔点测试等 案例—— 1、材料 2022 年，葡萄牙米尼奥大学聚合物和复合材料研究所的研究员通过掺入不同量的绿茶提取物创造了一种基于低密度聚乙烯的活性包装膜，为了测试新材料的抗氧化活性性能，将所需的试剂和样品在Grant QB系列干浴器中以50℃的温度孵育了120分钟 。 2、食品 津巴布韦农业部研究员在测定三种热带草本饲用豆科植物的单宁含量时，将提取的单宁溶液与丁醇-HCl试剂混合后的试管放入Grant干浴器预热并保持在100℃ 1h以进行后续的吸光度测量 。 3、农业 在不同红肉葡萄品种花青素比较研究中，来自匈牙利佩奇大学葡萄栽培和酿酒研究所的研究员在进行葡萄果皮提取的步骤中选择了Grant QBD4干浴器进行溶剂蒸发以获取干燥的残留沉淀物 。 4、制药 2017 年，在孟加拉国农业大学兽医学院的一项促性腺激素释放激素的质粒DNA疫苗研发研究中，研究人员利用Grant干浴器制备了非离子表面活性剂囊泡，具体制备方法是将单棕榈酰甘油、胆固醇、烷基磷酸酯混合在试管中并在130℃的干浴器加热直至熔化以进行后续的操作 。 5、环境 在一项评估在受重金属污染的土壤上生长的蔬菜对重金属的吸收及其在人体胃肠道中的生物利用度研究中，研究员土壤消化阶段将土壤与浓硝酸混合物样品在Grant干浴器上加热，通过不断冷却加样加热等步骤实现土壤消化 。 参考文献： Dalila M. Vieira, Mariana A. Andrade, Fernanda Vilarinho, Ana Sanches Silva, Pedro V. Rodrigues, M. Cidalia R. Castro, Ana V. Machado, Mono and multilayer active films containing green tea to extend food shelf life, Food Packaging and Shelf Life, https://doi.org/10.1016/j.fpsl.2022.100918 . Mupangwa, J. ., Acamovic, T., Topps, J. ., Ngongoni, N. ., & Hamudikuwanda, H. (2000). Content of soluble and bound condensed tannins of three tropical herbaceous forage legumes. Animal Feed Science and Technology, 83(2), 139 – 144. doi:10.1016/s0377-8401(99)00117-0 K ő r ö si, L.; Moln á r, S.; Teszl á k, P.; D ö rnyei, Á .; Maul, E.; T ö pfer, R.; Marosv ö lgyi, T.; Szab ó , É .; R ö ckel, F. Comparative Study on Grape Berry Anthocyanins of Various Teinturier Varieties. Foods 2022, 11, 3668. https://doi.org/10.3390/foods11223668 Rima UK, Bari ASM, Hossain MZ, Khan MAH. Plasmid DNA vaccine coding eight repeats of gonadotrophin-releasing hormone induced atrophy of prostate in male mice. Prostate Int. 2018 Dec;6(4):151-156. doi: 10.1016/j.prnil.2018.01.001. Epub 2018 Jan 12. PMID: 30505818; PMCID: PMC6251954. Intawongse M, Dean J R. Uptake of heavy metals by vegetable plants grown on contaminated soil and their bioavailability in the human gastrointestinal tract . Food additives and contaminants, 2006, 23(1): 36-48. 点成生物温度控制解决方案 点成 Grant 为用户提供了优质的多系列干浴设备，仪器控温精确，快速安全加热样品，坚固耐用，尺寸紧凑，帮助用户精准操控实验过程，节省时间和占地空间。 数字干浴器 高温干浴器 加热/制冷干浴器 4模块恒温干浴器

温控仪是调控一体化智能温度控制仪表，它采用了全数字化集成设计，具有温度曲线可编程或定点恒温控制、多重 PID 调节、输出功率限幅曲线编程、手动 / 自动切换、软启动、报警开关量输出、实时数据查询、与计算机通讯等功能，将数显温度仪表和 ZK 晶闸管电压调整器合二为一，集温度测量、调节、驱动于一体，仪表直接输出晶闸管触发信号，可驱动各类晶闸管负载。 通过温度传感器对环境温度自动进行采样、即时监控，当环境温度高于控制设定值时控制电路启动，可以设置控制回差。如温度还在升，当升到设定的超限报警温度点时，启动超限报警功能。当被控制的温度不能得到有效的控制时，为了防止设备的毁坏还可以通过跳闸的功能来停止设备继续运行。

       记得在做测温仪校准台的时候，在做到用 PID 算法控制温度的时候，对于 PID 算法的理解的过程很难受也很纠结，尽管有凤舞天和 tomsu 两位大师在旁边指导还是费了不少时间和精力去理解、领悟和调试。后来另外一个同事需要做高频加热设备的温度控制，也需要用到 PID 算法对温度的控制，因为这位同事是今年刚毕业的大学生，在学校主要是学软件，基本上没有什么硬件基础，所以她对整个温度控制很难理解和领悟，对 PWM 的理解刚开始总是很难精确，所以在她做温控的过程更加的纠结和痛苦，同事耗费的时间、精力和人力（需要在旁边指导的同事）也更大。并且她的经历跟我的经历是重复的，在我经历过一遍之后她又按照我走过的经历再经历一遍，这种重复的工作对公司来说是一种很严重的人力资源的浪费。对于一个公司来说，人力资源是最宝贵的一种资源。        而在工控行业， PID 算法是软件控制所常用的一种算法，所以对于我们嵌入式组来说，基本上是需要每个人都会用的。那么我们就必须要找到一种方法既能降低学习成本，又能统一软件，降低维护成本，而且还简单、易学、易用。所以，凤舞天建议我先在 msOS 的基础上添加一个 PID 算法库的试用实例，面向对象的，把算法都封装在底层，用户只需要调节相对应的门限值和系数就行。        那么我们来介绍一下 PID 算法库的分层。        msOS 是采用分层的，整个系统分为 App 和 System 两个目录： 而 System 是系统库。我们把 PID 库添加在 System 目录下，以实现真正的库封装。 在 PID 目录下，包含 Pid.c 和 Pid.h 两个文件。 首先我们从 PID 库的应用开始入手。我们把用户根据实际情况需要调整的参数做成界面菜单放在 event.c 文件中。用户可以根据特定需求来更改目标值 TargetPointer 和获取当前值 CurrentPointer ；也可以根据控制过程所需要的控制曲线来定 P 、 I 、 D 引入的门限值；还可以设置运算过程中 P 、 I 、 D 的系数和积分处理的模式，用户只需要对此进行注册即可。同时需要对在底层运算后传上来的结果进行怎样的处理在 static void Mycallback( int data) 中进行控制。 那么该怎样去调节这些参数就得需要我们了解 PID 的原理和物理意义了。 其实关于 PID 算法的文章网上很多，可基本上都是基于数学模型讲解的，很难理解也很难运用，后来凤舞天也写了一篇《 PID 算法》，深入浅出，比较通俗易懂。而作者结合具体项目的实践，和对 PID 算法理论的理解，简单总结了一下： P 是根据测量值和目标值的误差来决定的负反馈的大小。 P 的取得公式： P= 系数 * （目标值 - 当前值）。但是如果一开始就引入负反馈，很有可能达不到目标值，所以需要设定引入负反馈的门限值。而在引入负反馈门限值之前，如果（目标值 - 当前值）大于负反馈引入门限值应当全速加热；如果（目标值 - 当前值）小于负反馈引入门限值应当全速减。 I 就是积分，也就是极限误差。当目标值和当前值很接近的时候，如果继续只根据负反馈来调节，那么有可能与目标值产生误差值，而达不到目标值，所以这时候需要引入一个趋势与负反馈相同的期望值来消除这个误差。把这些误差累加起来正向反馈给结果来抑制负反馈，在正负反馈的共同作用下当前值逐渐逼近目标值。 D 是为了防止在当前值在 P 和 I 的正负反馈作用下出现过冲或者还没达到目标值的情况下更快速的稳定下来而引入的。所以 D 的门限值不宜太高，应该取比较接近目标值的门限，这样可以减小当前值的振荡，使其更快速的稳定。 接下来我们来分析分析 PID 算法库的底层。 首先是定义一个 PID 的结构体： 然后通过注册方式来获取应用层给不同参数的赋值。 在获取了参数之后，就开始 PID 运算。 PID 的运算原理就是前面我们所提到的。在这里我们使用 systemtick 每个 10ms 调用一次，来确保实时、稳定的控温。   在这个 PID 运算中，我们为了让计算结果更能符合控制逻辑的曲线分布，提供了三种积分模式： LineMode （线性模式）、 TwoRootMode （开二次方根号模式）、 ThreeRootMode （开三次方根号模式）。 关于这三种积分模式，作者以测温仪校准台为基础（校准台的发热体是氮化硅）做了三组测试并获取了数据绘制成曲线图来做分析。 在这三组测试中，我们设目标温度都为 800 度，负反馈门限、负反馈系数、积分门限、微分门限都相同，取积分模式和积分系数不相同。在积分线性模式下积分系数为 0.02 ，二次根号和三次根号积分模式下，积分系数为 1 。 在线性积分系数远小于开根号的积分系数的情况下，其稳定的波形还是没有开根号的平滑，稳定。 此图为线性积分模式在引入积分和微分后的温度趋于稳定过程的 PWM 输出。可以看到，在 PWM 输出稳定之前还会有一个小的波峰。这个波峰的幅度大小就取决于积分系数的大小。                                   而这两个图是积分模式取开二次方和三次方根号在引入积分和微分后的温度趋于稳定过程 PWM 的输出。可以看出即使积分系数为 1 ，开根号的次方数越多，在 PWM 输出稳定之前，它的曲线越平滑。