用于低温控制系统的非接触低温执行器 本发明涉及低温控制系统，具体地说，涉及低温控制系统中重要组成部分的非接触低温执行器。
低温控制是室温以下的温度控制，它与室温以上的温度控制有本质上的区别。室温以上的温度控制用电能转换为热能的方法易于实现。而低温控制则要从被控对象中吸收热量。利用低温流体(液态或气态)输入到被控对象中使其降温是通常所用的方法。最适用的低温流体为液态气体，最常用的是液态氮气。因此低温控制实际上是对液氮质量流量的控制。
长期以来，低温控制一直是一件比较困难而麻烦地事情。1979年，Hamadi Abachi等人总结了在液氮温度范围内的低温控制方法：①沉入式。②热泄漏。③致冷压缩机。④混合技术。⑤低温流体循环。(J.Phys.E：Sci，Instrum.Vol 12，1979.Printed in Great Britain P706-711).他们也认为前四种方法都有缺点和局限性，而用液氮流体循环的方法是比较好的方法，并提出了一种低温控制装置，对液氮的控制方法是在输入被控对象的管路中串接一个电磁阀，通过控制电磁阀的开关来控制液氮的输送量。同时Baartz，G等人研制成微机控制的液氮喷射式降温议，用于低温生物医学。其控制液氮的方法也是用电磁阀控制其输送量(Baartz，G.and Brock，M.A.，Cryobiology，1979，16；497-505.)。后来的低温控制系统(液氮流体循环)沿用电磁阀作为低温控制系统的低温执行器，如在“低温生物医学技术”(华泽钊、任禾盛著，北京、科学出版社；1994)“实用低温医学”(章崧英等著，北京、科学出版社；1994)等书中介绍的国内外的低温控制仪器、设备。
然而用电磁阀控制液氮的输送量，电磁阀要与液氮直接接触，在室温至液氮温度这样大的温差下，电磁阀的制造难度很大，结构材料很难保证电磁阀的密封而不泄漏。另外电磁阀这种开关式控制，温度波动大，很难实现稳定地低温控制，往往还要用电热丝进行补充调节。
此外，美国General Eastern公司开发的“极低露点用镜面冷凝式露点计”(田村一“国外分析仪器技术与应用”1992.1.P27～30)其镜面致冷方式最复杂，是利用珀尔帖效应的致冷元件，采用了五级致冷元件和特制的功率放大器，其结构复杂，耗电大、效率低，而且操作麻烦。因为没有适用的低温执行器，不得已而采用的方法。
在液氮流体循环的低温控制系统中，由于低温介质——液氮处于低温状态，而与低温介质直接作用的低温执行器起着重要作用，决定了控制系统的性能和用途。
由于没有一种合适的低温执行器，因此到目前为止，实际上没有很好地解决低温控制的问题。
本发明的目的是提出一种全新的非接触低温执行器，由它组成的低温控制系统，对液氮流体实现非接触的间接控制，在性能上达到精确、连续、稳定地控制低温温度。
为达上述目的，本发明的非接触低温执行器包括一台小型的可调速的空压泵、一个单向阀、一个气容、一个单向阀、一个有弹性的气容、一个液氮瓶。
上述非接触低温执行器各部件连接方式如下；在液氮瓶口加上密封塞子，在塞子上插入两根管子，其中一根短管插在液氮瓶塞上与液氮瓶中液氮液面上部空间连通，并不与液氮接触。另一根长管则插入液氮瓶中液氮内部并尽量接近液氮瓶底。短管是输入空气的、而长管则是输出液氮的。小型可调速空压泵的空气输出口顺次连接一个单向阀、一个气容、一个单向阀、一个有弹性的气容、液氮瓶上的短管。
小型可调速空压泵接收来自调节器的控制信号(电信号)，输出压缩空气，实现电、气转换，再经过一套气路系统，控制液氮瓶中液氮的输出，非接触低温执行器不与液氮直接接触，而且对控制信号的反应灵敏而迅速。
由上述非接触低温执行器组成的低温控制系统。实现对液氮流体非接触间接控制，对低温温度的控制灵敏而精确，达到精确、稳定、连续地控制低温温度。
本发明将通过具体实施例和附图加以说明
图1、表示本发明所述非接触低温执行器电、气路原理图。
图2、表示本发明实施例高低温程序温度控制仪方框图。
图3、表示本发明实施例高低温程序温度控制仪电路原理图。
图4、表示高低温程序温度控制仪炉子结构图。
参照图1，本发明的非接触低温执行器工作原理详细说明如下：在一个液氮瓶10瓶口加上密封塞子，在塞子上插入两根管子，其中管1插在塞子上与液氮液面上部空间相通，而管2则插入液氮内部并尽量接近液氮瓶10底部。一台小型可调速的空压泵3用作气源。它向管1输送空气，并在液氮瓶上部空间建立起压力，当此压力超过液氮液面及输出管路的阻力0时，液氮就从管2输送到被控对象。由于空压泵5泵头存在内漏，在空压泵5慢速或停止时，这是被控温度达到设定值附近时的情况，液氮瓶10上部空间的压力就通过泵头漏掉，这样在被控对象温度上升，需要重新启动空压泵5时，又得在液氮瓶10上部空间重新建立起压力，这样液氮的输出为脉冲式的，达不到平稳控制温度的目的。为了克服泵头内漏的影响，本发明在空压泵5输出空气出口处串接一个单向阀6和一个气容7，保证空压泵5输出空气到液氮瓶10上部空间，而不允许液氮瓶10上部空间的压力向空压泵5泵头泄漏。又由于液氮的输出使得液氮瓶10上部空间的压力下降，输送液氮的管路的阻力0也随输出流量变化。而且在被控温度达到设定值附近时，空压泵5的转速很慢。液氮输出波动是明显的。为了使液氮的输出平稳而准确地满足被控对象的需要，本发明在单向阀6和气容7后面再串接一个单向阀8和一个有弹性的气容9。这样小型可调速空压泵3接收来自调节器的控制信号(电信号)，输出压缩空气，实现电、气转换，小型可调速空压泵3的空气输出口连接一套气路系统，其中单向阀6、气容7、单向阀8保证了液氮瓶上部空间的密封，气容7起到缓冲延迟作用，使单向阀6、单向阀8不是同时开通，而是滞后一个相位。气容7、有弹性的气容9与气阻0消除输出波动的影响。气阻0是液氮液面和输出液氮的管道产生的阻力，在气阻0不足时，可以在输出液氮的管道出口处适当收缩加以调节，有弹性的气容9是一个有自平衡能力的元件，它使液氮瓶10上部空间的压力与气阻0保持平衡，随时适应气阻0的变化，使控制系统及时反应控制信号的要求，提高了控制系统的品质，而且，由输入到液氮瓶10上部空间的压缩空气控制液氮的输出流量，将低温部分的液氮瓶10中的液氮和输送液氮的管2与控制系统隔开，不与液氮直接接触。
适合上述非接触低温执行器的小型可调速空压泵3中的空压泵5是JB-1型机械真空泵——一种偏心胶膜干式推动泵改装而成，将其驱动电机改用50～100W直流电机代替。用可控硅直流电机调速电路4来调节空压泵5的转速，该直流电机调速电路4接收调节器来的电信号，调节空压泵5的转速，实现电、气转换。因此、小型可调速空压泵3是由可控硅直流电机调速电路4和空压泵5组成。
对单向阀6、单向阀8的要求是开通阻力小，密封性能好，要求气容9有弹性，有自平衡能力、能与气阻0自动保持平衡。适合上述要求的气路元件是一种橡胶制成的产品双连球，它将单向阀6、气容7、单向阀8、有弹性的气容9结合在一起，满足小型可调速空压泵3在低压下运行的需要。也可用起相同作用的其他气路元件代替。
本发明非接触低温执行器通过电、气转换和周密设计的气路系统，使得它对控制信号的反应，像控制电流一样灵敏，迅速，由它组成的低温控制系统，实现连续、稳定、精确的低温控制。在低温控制系统中，其他部分已是成熟的技术，而执行器没有很好解决的情况下，本发明非接触低温执行器解决了低温控制的难题。典型的实施例如图2所示。
图2表示本发明实施例高低温程序温度控制仪的方框图。它是将精密温度控制器电路中控制电热丝电流的高温执行器14与本发明的非接触低温执行器15并联连接组成，并将输入电路加以改装为正负输入信号的电路，增加程序给定器11电路。程序给定器11的信号与被控对象中的热电偶17的信号比较，其差值经过μV放大器12和PID调节器13，当被控对象需要加热时，启动高温执行器14，而当被控对象需要降温吸收热量时，则启动非接触低温执行器15，实现从低温到高温或从高温到低温的连续控制。
图3表示本发明实施例高低温程序温度控制仪电路原理图。
在图3实施例电路中，除精密温度控制器电路外，其他电路说明如下：
程序给定器11为积分器式的电路，它是由一个高性能的运算放大器120和电容器118及电阻111～116构成的积分器，而在输入端增加一级场效应管117。利用场效应管的恒流特性，使运算放大器的输入电压保持恒定，同时提高了运算放大器的输入阻抗和放大倍数。程序给定器的输出信号是从电阻123上取出。初始状态为开关119接通，积分器关闭，调整电位器125使输出为零。工作时打开开关119，积分器开始工作，输出直线下降信号(对应于等速降温)。如要改为直线上升信号，只要将开关124打到反方向，即得到直线上升信号(对应于等速升温)。恒温信号是开关119接通(关闭积分器)时，调整电位器125实现。可以输出正的信号(高温)或负和信号(低温)。而升、降温速率是由电位器116和电阻111～115决定，由波段开关117选定。对应电位器116，可获得0～20℃/min升、降温速率。而电阻111～115对应的升、降温速率是0.5℃/min、1℃/min、2.5℃/min、5℃/min、10℃/min.
非接触低温执行器15中小型可调速空压泵3的直流电机调速电路4是主回路为单个可控硅154的单相全波可控整流电路，触发器是带放大级151的双基极二极管153的脉冲触发电路。从电阻155上输出的触发脉冲信号控制可控硅154的导通角，使得主回路输出的电压受输入信号的控制。该电压作为空压泵5的驱动直流电机的电枢电压。控制了空压泵的转速，实现了电、机转换，也即实现了电、气转换的目的。
图4表示实施例高低温程序温度控制仪的被控对象16-炉子的结构。为适应高低温控制的需要、炉子16有两套热交换系统，即低温通液氮流体的螺管162和通电流的电热丝161。炉子有内外两层，外层炉壳166与内层杜瓦结构炉壳163，在内炉壳163的中间固定一个炉管支架164，在炉管支架164上，内层绕上40W的电热丝161，电热丝161的外面再绕上紫铜螺管162，螺管162由炉盖上部引入，而出口在炉管支架164底部中心孔处。样品管165为不锈钢或石英玻璃管，它位于炉管支架164中央可以自由抽出。液氮流体由炉盖上入口处引入螺管162，在样品管165底部输出，并在样品管周围循环。样品管165尺寸为φ15×200，控温均匀区域大于φ14×100。
本发明实施例高低温程序温度控制仪，其控温范围为-150℃～+150℃。其控温精度在温度高于-80℃时，可达±0.5℃。在-80℃～-150℃，精度优于±2℃。而且，由于低温流体输送管路中没有其他元件便于保温。在低温控制时，不需用加热的方法补充调节。炉子本身的严格保温措施，使液氮的消耗量相对小得多，1立升的液氮，可连续工作8小时。另外，向液氮瓶10中充入液氮，也可以利用仪器中的空压泵自动充入。
高低温程序温度控制仪中，小型可调速空压泵3的驱动电机为50W直流电机，液氮瓶10为1立升容器YN-1型，而输液氮的紫铜管为φ4×0.5。
本发明的非接触低温执行器与现有技术相比、具有显著的优点：
(1)对液氮输送的控制，转化为对输入到液氮瓶中液氮液面上部空间的空气的控制，即对常温下输出空气的控制。在液氮输送管路中没有任何控制元件，避免了液氮低温带来的麻烦。
(2)本发明的非接触低温执行器，通过电、气转换和周密设计的气路系统，使得它对控制信号的反应灵敏而迅速，由它组成的低温控制系统，控制液氮流体在管路中的输送，像控制电流一样灵敏准确、连续、稳定。
(3)本发明的非接触低温执行器为液氮流体循环控制低温的方法，控制低温温度范围宽，不受被控对象体积的限制，能适应不同对象的低温控制要求，具有通用性。像在实施例中，与精密温度控制器电路联合组成高低温程序温度控制仪，可以在低温生物医学中用作降温复温程控仪。在极低露点测量用的镜面冷凝式露点仪中，镜面致冷方式最复杂，采用五级致冷元件的热泵机组。利用本发明的非接触低温执行器，则可简单方便的实现。在大型低温生物显微镜及一些热分析仪器的低温控制部分，利用本发明的非接触低温执行器，将会使仪器设备的结构、性能得到很大改善。而制造成本可大大降低。
(4)本发明的非接触低温执行器，所用的部件、元件、材料都是通用易得的。消耗的液氮量相对较少。因此组成的仪器、设备制造成本低廉。