阅读说明：本技术 一种用于标准时钟装置的温度柔性可调恒温槽 (Temperature flexible adjustable constant temperature tank for standard clock device ) 是由 徐晴 蔡奇新 纪峰 程含渺 高雨翔 宋瑞鹏 方凯杰 黄艺璇 田正其 李昕锐 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于标准时钟装置的温度柔性可调恒温槽,包括保温槽和电路单元,保温槽为双层密封结构,外层腔体用于盛装导热介质,内层腔体放置晶体振荡器电路,保温槽外壁上设置有加热片和制冷片,保温槽内设置有温度传感器,电路单元包括信号处理单元、加热片/制冷片驱动单元和控制核心单元,信号处理单元与温度传感器相连,加热片/制冷片驱动单元与加热片和制冷片相连,控制核心单元分别与信号处理单元和加热片/制冷片驱动单元相连。本发明提供的一种用于标准时钟装置的温度柔性可调恒温槽,可以用于标准时钟装置充当晶体振荡器的容器,也可用于需要恒温的小空间环境,提高试验效率。(The invention discloses a temperature flexible adjustable thermostatic bath for a standard clock device, which comprises a heat preservation bath and a circuit unit, wherein the heat preservation bath is of a double-layer sealing structure, an outer layer cavity is used for containing a heat-conducting medium, a crystal oscillator circuit is placed in an inner layer cavity, a heating plate and a refrigerating plate are arranged on the outer wall of the heat preservation bath, a temperature sensor is arranged in the heat preservation bath, the circuit unit comprises a signal processing unit, a heating plate/refrigerating plate driving unit and a control core unit, the signal processing unit is connected with the temperature sensor, the heating plate/refrigerating plate driving unit is connected with the heating plate and the refrigerating plate, and the control core unit is respectively connected with the signal processing unit and the heating plate/refrigerating plate driving unit. The temperature flexible adjustable constant temperature groove for the standard clock device, provided by the invention, can be used as a container of a crystal oscillator for the standard clock device, can also be used in a small space environment needing constant temperature, and improves the test efficiency.)

一种用于标准时钟装置的温度柔性可调恒温槽

技术领域

本发明涉及一种用于标准时钟装置的温度柔性可调恒温槽，属于测试仪器技术领域。

背景技术

标准时钟源是一种应用领域极为广泛的设备，在军事、航空航天、通信导航、测量、计算机、时钟等方面均有应用。恒温晶体振荡器是一种高稳定度、低漂移的有源标准时钟源，简称恒温晶振，英文缩写为OCXO(Oven Controlled Crystal Oscillator)，应用于对时钟准确度和稳定性要求较高的场合，例如电能表检定装置中的标准时钟源就需要用恒温晶振。恒温晶振的核心是石英晶体振荡器和恒温槽，前者是利用石英晶体谐振器作为滤波元件构成的振荡器，后者一般是用保温槽和加热温控系统提供的恒温封闭环境。

传统恒温槽一般是采用电阻丝加热，利用热敏电阻“电桥”构成差动串联放大器，来实现温度控制。因为只有加热功能，而且考虑工作环境的温度，这种恒温槽一般设置在远高于常温的温度。总之，传统恒温槽在使用前加热时间长，无法柔性调温，不能任意设置温度，使用非常不灵活。目前，市面上的温度可调恒温槽体积大，没有针对晶振设计的温度可调恒温槽，导致当需要对晶振开展温度性能试验时，没有合适的试验设备。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种用于标准时钟装置的温度柔性可调恒温槽，既可以用于标准时钟装置充当晶体振荡器的容器，也可用于需要恒温的小空间环境，提高试验效率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种用于标准时钟装置的温度柔性可调恒温槽，包括保温槽和电路单元，所述保温槽为双层密封结构，外层腔体用于盛装导热介质，内层腔体放置晶体振荡器电路，所述保温槽外壁上设置有加热片和制冷片，所述保温槽内设置有温度传感器，所述电路单元包括信号处理单元、加热片/制冷片驱动单元和控制核心单元，所述信号处理单元与温度传感器相连，所述加热片/制冷片驱动单元与所述加热片和制冷片相连，所述控制核心单元分别与所述信号处理单元和加热片/制冷片驱动单元相连。

所述温度传感器个数为3个，其中两个所述温度传感器位于所述保温槽内层腔体内，一个所述温度传感器位于所述保温槽外层腔体内。

所述保温槽材质包括不锈钢。

所述保温槽外层腔体内导热介质包括烷基苯型绝缘导热油。

所述加热片和制冷片的型号均为TEC1-12706。

所述温度传感器采用Pt100铂热敏电阻。

所述信号处理单元包括加法电路和差分电路，可调电阻R_S1、R_S2和R_S3分别与Pt100铂热敏电阻R_Pt1、R_Pt2和R_Pt3串联Vcc和接地，加法电路包括分别对应相连的运算放大器U₁、U₂、U₃和加法电路输入电阻R₁、R₂、R₃，运算放大器U₁、U₂、U₃的正极分别并联在R_S1和R_Pt1、R_S2和R_Pt2以及R_S3和R_Pt3之间，差分电路包括精密运算放大器U₄和反馈电阻R_f、R_s，U₄为精密运算放大器，反馈电阻R₁、R₂、R₃并联后接在运算放大器U₄的正极，运算放大器U₄的负极并联连有电阻R_f、R_s的一端，反馈电阻R₁的另一端接地、反馈电阻R_s的另一端接在运算放大器U₄的输出端。

可调电阻阻值为500Ω，Pt100铂热敏电阻R_Pt1、R_Pt2和R_Pt3常温下阻值为100Ω，加法电路输入电阻R₁、R₂、R₃的阻值为10kΩ，反馈电阻R_f、R_s的阻值分别选择10kΩ和20kΩ，测得的3个温度值与输出关系为：

式中，V_cc是分压电路高压端电压值，T₁、T₂和T₃分别为三个温度传感器检测到的温度值。

所述加热片/制冷片驱动单元个数为2个，分别驱动所述加热片和制冷片工作，所述加热片/制冷片驱动单元采用H全桥电路构成，Q₁、Q₂、Q₃、Q₄为三极管，工作于饱和区，用作电子开关；D₁、D₂、D₃、D₄为续流二极管，为三极管提供电流泄放通道；S₁、S₂、S₃、S₄为通断信号控制端，控制Q₁和Q₄、Q₂和Q₃成对导通或截止；V₁、V₂为驱动电流输出端子，分别与所述加热片或者制冷片的正负极接通，Q₁、Q₃的发射极与电源VCC连接，集电极分别与Q₂、Q₄的发射极连接，Q₂、Q₄的集电极与电源的地连接。

所述控制核心单元由微处理器及其***电路构成，微处理器型号选择MSP430F149。

本发明的有益效果：本发明提供的一种用于标准时钟装置的温度柔性可调恒温槽，可以实现低于环境温度的恒温控制，克服了传统采用电阻丝加热恒温槽只能设置高于环境温度的缺点。利用半导体加热片和制冷片的低热惯性，配合小比热容导热介质，可以实现快速调温。在调温过程中，通过控制加热片和制冷片的功率，还可以实现精细调温。本发明可以实现恒温槽的温度柔性可调，既可以用于标准时钟装置充当晶体振荡器的容器，也可用于需要恒温的小空间环境。

附图说明

图1为本发明的一种用于标准时钟装置的温度柔性可调恒温槽结构示意图；

图2为本发明的温度传感器信号处理单元的核心电路图；

图3为本发明的加热片/制冷片驱动单元的核心电路图；

图4为本发明的控制核心的基本工作流程图。

图中附图标记如下：1-保温槽；2-导热介质；31-温度传感器；32-加热片；33-制冷片；34-电路单元；41-信号处理单元；42-加热片/制冷片驱动单元；43-控制核心单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。如图1所示，本发明公开一种用于标准时钟装置的温度柔性可调恒温槽，包括保温槽1，保温槽1为双层密封结构，保温槽1材质包括不锈钢。外层腔体用于盛装导热介质2，内层腔体放置晶体振荡器电路，从而达到保温效果。其中，导热介质2根据需要可以选择不同比热容的液体或固定物质，满足恒温槽使用温度范围即可，本发明实施方案中的导热介质使用烷基苯型(苯环型)绝缘导热油，其沸点在170～180℃，凝点在-80℃以下，满足本发明中恒温槽使用温度范围。

本发明的温控系统包括温度传感器31、加热片32、制冷片33和电路单元34。加热片32和制冷片33设置在保温槽1外壁上，均为基于Peltier效应的半导体器件，型号均为TEC1-12706。根据实际情况可以布置多片，本发明中布置1片加热片和1片制冷片，驱动信号从电路单元34获取。

保温槽1内设置有温度传感器31，温度传感器31采用Pt100铂热敏电阻，用于测量恒温槽内部温度，可以根据实际情况布置多个，本发明中布置3个，1个布置在外层腔体的导热介质中，2个布置在内层密封空间，测温信号分别接入电路单元34的A、B、C端子。Pt100电阻变化率为0.385Ω/℃，在0℃时电阻值为100Ω。

电路单元34包括信号处理单元41、加热片/制冷片驱动单元42和控制核心单元43，信号处理单元41与温度传感器31相连，用于处理Pt100热敏电阻的模拟信号；加热片/制冷片驱动单元42与加热片32和制冷片33相连，用于输出控制信号；控制核心单元43分别与信号处理单元41和加热片/制冷片驱动单元42相连，用于设置恒温槽温度值和调整恒温槽温度至设定值。

如图2所示，信号处理单元41包括加法电路和差分电路，可调电阻R_S1、R_S2和R_S3分别与Pt100铂热敏电阻R_Pt1、R_Pt2和R_Pt3串联Vcc和接地，可调电阻R_S1、R_S2和R_S3阻值为500Ω。加法电路包括分别对应相连的运算放大器U₁、U₂、U₃和加法电路输入电阻R₁、R₂、R₃。U₁、U₂、U₃为运算放大器，用于变换电路阻抗，选用LM358。R₁、R₂、R₃为加法电路输入电阻，阻值选择10kΩ。运算放大器U₁、U₂、U₃的正极分别并联在R_S1和R_Pt1、R_S2和R_Pt2以及R_S3和R_Pt3之间。差分电路包括为精密运算放大器U₄和反馈电阻R_f、R_s，U₄为精密运算放大器，用于是加法电路核心，选用低漂移、高噪声抑制比的OP211。R_f、R_s为反馈电阻，分别选择10kΩ和20kΩ。反馈电阻R₁、R₂、R₃并联后接在运算放大器U₄的正极，运算放大器U₄的负极并联连有电阻R_f、R_s的一端，反馈电阻R₁的另一端接地、反馈电阻R_s的另一端接在运算放大器U₄的输出端。根据电路原理，当把R_S1、R_S2、R_S3阻值设置为100Ω时，测得的3个温度值与输出关系为：

式中，V_cc是分压电路高压端电压值，可以取5V。T₁、T₂和T₃分别为三个温度传感器检测到的温度值。

如图3所示，加热片/制冷片驱动单元42个数为2个，分别驱动加热片32和制冷片33工作。加热片/制冷片驱动单元42采用H全桥电路构成，Q₁、Q₂、Q₃、Q₄为三极管，工作于饱和区，用作电子开关；D₁、D₂、D₃、D₄为续流二极管，为三极管提供电流泄放通道；S₁、S₂、S₃、S₄为通断信号控制端，控制Q₁和Q₄、Q₂和Q₃成对导通或截止；V₁、V₂为驱动电流输出端子，分别与加热片32或者制冷片33的正负极接通，对应图1中的﹢、﹣端子。Q₁、Q₃的发射极与电源VCC连接，集电极分别与Q₂、Q₄的发射极连接，Q₂、Q₄的集电极与电源的地连接。

所述控制核心43主要由微处理器及其***电路构成，微处理器型号选择MSP430F149，支持两个内置16位计时器、快速12位ADC以及48个I/O引脚，满足本发明需求，软件程序基本工作流程图如图4所示。首先，温度传感器31采集保温槽1内的温度，将模拟信号输送给信号处理单元41，信号处理单元41将模拟信号转换为电压信号输送给控制核心单元43，控制核心单元43判断温度是不是在设置温度范围内，在的话通过加热片/制冷片驱动单元42停止加热片32和制冷片33工作；高于设置温度时，通过加热片/制冷片驱动单元42控制制冷片33制冷；低于设置温度时，通过加热片/制冷片驱动单元42控制加热片32制热。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。