一種基于光熱式的快速升溫控制方法、裝置及升溫爐與流程

本發明涉及溫度控制技術領域，尤其涉及一種基于光熱式的快速升溫控制方法、裝置及升溫爐。

背景技術：

快速升溫爐在目前的科學研究和生產制備中應用地越來越廣泛，目前主流的快速升溫爐主要分為特種電阻絲爐和碘鎢燈光熱爐兩類，前者需要特殊的加熱絲制備工藝復雜爐體要求嚴格，目前升溫速率在180℃-200℃/min，造價較高；后者為20世紀末由日本真空理工會社等率先在金屬制備中使用，目前國內碘鎢燈快速升溫爐升溫速率在600℃-800℃/min，雖然升溫速率達到了部分實際應用的要求，然而恒溫精度較低，升溫時溫度變化范圍較大。

目前也有很對機構和企業針對光熱式快速升溫爐進行了設計和優化，雖然光源和爐體等都有了很大的改進，然而在溫度控制方面依然采用熱電偶-PID溫控儀這樣的反饋式溫度控制方式，在一定程度上滿足了部分生產研究的要求，但依然在溫度控制及時性和精確性上存在著一些不足：

一是依靠反饋式調節機制升溫控制，在快速升溫這樣較高的升溫速率條件下，很可能導致溫度超過設定值進而造成生產制造的事故或者科研實驗的失敗；

二是在光熱快速升溫裝置中，被加熱物質的溫度很大程度上還與自身的性質有關，然而現有裝置實際測量的溫度為不與樣品接觸的熱電偶間接溫度，這也在一定程度上影響了光熱升溫爐溫度的精度；

三是溫度控制系統缺少一定的數據庫支撐，對于系統可能存在的例如升溫時間異常等缺少必要的數據分析和保護措施，而快速升溫系統中的過熱或者過快熱可能存在的安全隱患卻相較于傳統升溫裝置要大得多。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，提供一種基于光熱式的快速升溫控制方法、裝置及升溫爐。

本發明解決上述技術問題的技術方案如下：

依據本發明的一個方面，提供了一種基于光熱式的快速升溫控制方法，包括如下步驟：

步驟1：對放置樣品的接收器進行參數標定；

步驟2：設定目標加熱參數，并根據所述目標加熱參數和所述接收器的標定參數生成對應的加熱因子；

步驟3：根據所述加熱因子對位于所述接收器內的樣品進行光照加熱，實時檢測所述接收器內的實際加熱參數，將所述實際加熱參數與所述目標加熱參數比對，并在二者相同時進入步驟4；

步驟4：退出所述接收器內的樣品，結束加熱流程。

本發明的基于光熱式的快速升溫控制方法，根據目標加熱參數和接收器的標定參數生成對應的加熱因子，并根據對應的加熱因子對位于接收器內的樣品進行主動加熱，不直接對樣品進行加熱，不僅可以實現快速升溫，還可以確保加熱數據的準確性。

在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進：

進一步：所述步驟1中，通過調節光源的出射光能量密度、通入至所述接收器內的氣體流量和所述接收器的轉速來對所述接收器進行參數標定。

進一步：所述步驟2中，根據每個預設加熱階段設定對應的目標加熱參數，并查詢預設數據表，獲取所述目標加熱參數對應的加熱因子；其中，所述預設數據表根據所述接收器的標定參數預先建立。

上述進一步方案的有益效果是：根據預見建立的數據表，可以針對每一種目標參數設定目標加熱參數對應的加熱因子，這樣便于對整個加熱過程精準控制，便于實現各種工況的不同需求。

進一步：所述目標加熱參數和實際加熱參數均包括加熱溫度、加熱氣壓、加熱速率和加熱時間中的一種或多種，所述加熱因子包括照射所述接收器的光線能量密度、所述接收器的轉速、通入至所述接收器的氣體流量和所述接收器的氣體外排氣流量。

進一步：所述步驟3中，如果所述實際加熱參數與所述目標參數不同，則更新所述加熱因子，并根據更新的所述加熱因子對位于所述接收器內的樣品進行加熱，直至所述實際加熱參數與所述目標參數相同。

上述進一步方案的有益效果是：通過上述被動式的反饋補償控制可以使得所述接收器內的實際加熱參數盡可能的保持在目標加熱參數，避免出現加熱參數的波動影響對加熱效果，從而使得對整個加熱過程的控制更加精準。

進一步：所述步驟3中，如果所述實際加熱參數與所述目標參數的差值超過預設范圍內，則還包括安全判斷步驟：

步驟31a：判斷所述接收器內的實際溫度是否超過預設警戒溫度范圍，如果是，則判定出現安全故障，直接進入步驟4，否則，進入步驟32；

步驟32a：判斷光源的運行時間是否超過預設警戒時長，如果是，則判定出現安全故障，直接進入步驟4，否則，進入步驟33；

步驟33a：判斷進入所述接收器氣體的氣流量的變化幅度是否超過預設值，如果是，則判定出現安全故障，直接進入步驟4，否則，返回步驟31。

上述進一步方案的有益效果是：通過上述步驟可以判斷設備在加熱的過程中是否出現安全異常，并在安全異常時及時退出樣品，結束加熱過程，這樣可以起到安全保護作用，避免安全隱患，并及時發現安全故障，方便維修和保養，有利于延長設備的實用壽命。

依據本發明的另一個方面，提供了一種基于光熱式的快速升溫控制裝置，包括：

參數標定模塊，用于對放置樣品的接收器進行參數標定；

加熱因子生成模塊，用于設定目標加熱參數，并根據所述目標加熱參數和所述接收器的標定參數生成對應的加熱因子；

光源控制模塊，用于根據所述加熱因子控制光源對位于所述接收器內的樣品進行光照加熱；

加熱參數獲取模塊，用于實時檢測所述接收器內的實際加熱參數；

主控制模塊，用于將實際加熱參數與所述目標加熱參數比對，并在二者相同時控制所述光源停止加熱,退出所述接收器內的樣品。

本發明的基于光熱式的快速升溫控制裝置，根據目標加熱參數和接收器的標定參數生成對應的加熱因子，并根據對應的加熱因子對位于接收器內的樣品進行主動加熱，不直接對樣品進行加熱，不僅可以實現快速升溫，還可以確保加熱數據的準確性。

在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進：

進一步：所述加熱因子生成模塊根據每個預設加熱階段設定對應的目標加熱參數，并查詢預設數據表，獲取所述目標加熱參數對應的加熱因子；其中，所述預設數據表根據所述接收器的標定參數預先建立。

進一步：還包括調節模塊，所述調節模塊用于在所述實際加熱參數與所述目標參數不同時調節所述加熱因子，所述光源控制模塊根據更新的所述加熱因子控制光源對位于所述接收器內的樣品進行加熱，直至所述實際加熱參數與所述目標參數相同；其中，所述目標加熱參數和實際加熱參數均包括加熱溫度、加熱氣壓、加熱速率和加熱時間中的一種或多種，所述加熱因子包括照射所述接收器的光線能量密度、所述接收器的轉速、通入至所述接收器內的氣體流量和所述接收器的氣體外排氣流量。

上述進一步方案的有益效果是：通過所述調節模塊可以對所述接收器內的樣品進行被動式反饋控制，使得所述接收器內的實際加熱參數盡可能的保持在目標加熱參數，避免出現加熱參數的波動影響對加熱效果，從而使得對整個加熱過程的控制更加精準。

進一步：所述調節模塊包括混氣閥、插板閥、光源調節器和接收器調節器。所述混氣閥用于調節通入至所述接收器內的氣體流量；所述插板閥用于調節所述接收器內氣體外排氣流量；所述光源調節器用于調節所述光源的出射光能量密度；所述接收器調節器用于調節所述接收器轉速。

上述進一步方案的有益效果是：通過所述調節模塊可以調節所述接收器的加熱因子，從而使得所述接收器的實際加熱參數與所述目標加熱參數相同，這樣可以實現精準控制。

進一步：還包括安全判斷模塊，所述安全判斷模塊用于在所述實際加熱參數與所述目標參數的差值超過預設范圍時判斷是否出現安全故障，并在出現任一安全故障時觸發所述主控制模塊控制所述光源停止加熱。

上述進一步方案的有益效果是：通過所述安全判斷模塊可以在判斷設備在加熱的過程中是否出現安全異常，并在安全異常時及時退出樣品，結束加熱過程，這樣可以起到安全保護作用，避免安全隱患，并及時發現安全故障，方便維修和保養，有利于延長設備的實用壽命。

進一步：所述安全判斷模塊包括溫度判斷單元、光源判斷單元和氣流量判斷單元。溫度判斷單元，用于判斷所述接收器內的實際溫度是否超過預設警戒溫度范圍；光源判斷單元，用于在所述接收器內的實際溫度在預設警戒溫度范圍內時判斷光源的運行時間是否超過預設警戒時長范圍；氣流量判斷單元，用于在所述光源的運行時間在預設警戒時長范圍內時判斷進入所述接收器氣體的氣流量的變化幅度是否超過預設值。

上述進一步方案的有益效果是：通過所述溫度判斷單元、光源判斷單元和氣流量判斷單元可以分別對所述接收內的溫度、光源的運行時間和通入至所述接收器內的氣體流量是否出現大幅度變化進行判斷，確保加熱過程中均處于正常狀態，并在出現異常時由所述主控制模塊控制所述光源停止對所述接收器加熱，避免出現安全事故。

依據本發明的另一個方面，提供了一種基于光熱式的快速升溫控制裝置的升溫爐，包括光源、接收器和所述控制裝置；

所述控制裝置根據設定目標加熱參數和所述接收器的標定參數生成對應的加熱因子，并根據所述加熱因子控制所述光源對位于所述接收器內的樣品進行光照加熱；同時實時檢測所述接收器內的實際加熱參數，并在所述接收器內的實際加熱參數與目標加熱參數相同時控制所述光源停止加熱,退出所述接收器內的樣品。

本發明的基于光熱式的快速升溫控制裝置的升溫爐，根據目標加熱參數和接收器的標定參數生成對應的加熱因子，并根據對應的加熱因子對位于接收器內的樣品進行主動加熱，不直接對樣品進行加熱，不僅可以實現快速升溫，還可以確保加熱數據的準確性。

進一步：所述數據采集電路包括溫度傳感器、氣壓傳感器和氣體流量計中的一種或多種，所述溫度傳感器和氣壓傳感器均設置在所述接收器內，并分別檢測所述接收器內的實際溫度和實際氣壓，所述氣體流量計設置在與所述接收器連通的氣流管道上，并檢測通入至所述接收器內的氣體流量。

在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進：

上述進一步方案的有益效果是：通過所述溫度傳感器和氣壓傳感器可以實時分別采集所述接收器內的實際溫度和實際氣壓，通過所述氣體流量計可以實時采集通入至所述接收器內的氣體流量，這樣可以便于所述溫控組件調節實際加熱參數的依據，起到更好的調節效果。

附圖說明

圖1為本發明的一種基于光熱式的快速升溫控制方法流程示意圖；

圖2為本發明的一種基于光熱式的快速升溫控制裝置結構示意圖；

圖3為本發明的調節模塊結構示意圖；

圖4為本發明另一實施例的基于光熱式的快速升溫控制裝置結構示意圖；

圖5為本發明的安全判斷模塊結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。

實施例一、一種基于光熱式的快速升溫控制方法。下面將結合圖1對本發明的一種基于光熱式的快速升溫控制方法進行詳細介紹。

如圖1所示，一種基于光熱式的快速升溫控制方法，包括如下步驟：

步驟1：對放置樣品的接收器進行參數標定；

步驟2：設定目標加熱參數，并根據所述目標加熱參數和所述接收器的標定參數生成對應的加熱因子；

步驟3：根據所述加熱因子對位于所述接收器內的樣品進行光照加熱，實時檢測所述接收器內的實際加熱參數，將所述實際加熱參數與所述目標加熱參數比對，并在二者相同時進入步驟4；

步驟4：退出所述接收器內的樣品，結束加熱流程。

上述實施例的基于光熱式的快速升溫控制方法，根據目標加熱參數和接收器的標定參數生成對應的加熱因子，并根據對應的加熱因子對位于接收器內的樣品進行主動加熱，不直接對樣品進行加熱，不僅可以實現快速升溫，還可以確保加熱數據的準確性。

本實施例中，所述步驟1中，通過調節光源的出射光能量密度、通入至所述接收器內的氣體流量和所述接收器的轉速來對所述接收器進行參數標定。

具體地，所述步驟1中參數標定步驟包括：

步驟11：將光源的出射光能量密度調節至最大，將通入至所述接收器內的氣體流量調節為零，保持所述接收器的轉速不變，持續對所述接收器進行加熱，直至所述接收器內的溫度在預設時間內保持不變，并將此溫度標定為接收器靜態最高升溫值；

步驟12：保持所述光源的出射光能量密度最大，分檔位調節通入至所述接收器內的氣體流量，在每檔氣體流量工況下加熱所述接收器，直至在設定標定時間內所述接收器內的溫度保持不變，并依次標定每檔氣體流量對應的動態最高升溫值；

步驟13：強制散熱至初始狀態，保持通入至所述接收器內氣體流量和所述接收器的轉速不變，連續調節所述光源的出射光能量密度，并依次標定每檔出射光能量密度對應的所述接收器升溫速率；

步驟14：強制散熱至初始狀態，保持所述接收器的轉速不變，分檔位調節通入至所述接收器內氣體流量，調節所述光源的出射光能量密度，使得所述接收器內的溫度為對應檔位氣體流量的動態最高升溫值的一半，并依次標定每檔氣體流量下出射光能量密度中值。

優選地，作為本發明的一個優選實施例，所述步驟2中，根據每個預設加熱階段設定對應的目標加熱參數，并查詢預設數據表，獲取所述目標加熱參數對應的加熱因子；其中，所述預設數據表根據所述接收器的標定參數預先建立。根據預見建立的數據表，可以針對每一種目標參數設定目標加熱參數對應的加熱因子，這樣便于對整個加熱過程精準控制，便于實現各種工況的不同需求。

本發明實施例中，所述目標加熱參數和實際加熱參數均包括加熱溫度、加熱氣壓、加熱速率和加熱時間中的一種或多種，所述加熱因子包括照射所述接收器的光線能量密度、所述接收器的轉速、通入至所述接收器內的氣體流量和所述接收器的氣體外排氣流量。

比如，所述目標加熱參數可以設定為將所述接收器內的樣品加熱到1200℃，也可以設定為將所述接收器內的樣品、0.5個標準大氣壓下升溫至1000℃，然后在1000℃恒溫加熱30分鐘，最后升溫至1200℃加熱10分鐘。當然所述目標參數是根據不同的樣品對應的不同工況來設定的，這里不做任何限定。

優選地，作為本發明的一個優選實施例，所述步驟3中，根據所述加熱因子對位于所述接收器內的樣品進行均勻加熱并勻速升溫。通過對所述接收器內的樣品進行勻速升溫，一方面便于對加熱設備進行簡單而有效的控制，另一方面，方便控制所述接收器內的溫度變化，使得整個加熱過程更加均勻。

優選地，作為本發明的一個優選實施例，所述步驟3中，如果所述實際加熱參數與所述目標參數不同，則更新所述加熱因子，并根據更新的所述加熱因子對位于所述接收器內的樣品進行加熱，直至所述實際加熱參數與所述目標參數相同。通過上述被動式的反饋補償控制可以使得所述接收器內的實際加熱參數盡可能的保持在目標加熱參數，避免出現加熱參數的波動影響對加熱效果，從而使得對整個加熱過程的控制更加精準。

特別地，所述步驟3中，如果所述實際加熱參數與所述目標參數的差值超過預設范圍內，則還包括安全判斷步驟：

步驟31a：判斷所述接收器內的實際溫度是否超過預設警戒溫度范圍，如果是，則判定出現安全故障，直接進入步驟4，否則，進入步驟32；

步驟32a：判斷光源的運行時間是否超過預設警戒時長，如果是，則判定出現安全故障，直接進入步驟4，否則，進入步驟33；

步驟33a：判斷進入所述接收器氣體的氣流量的變化幅度是否超過預設值，如果是，則判定出現安全故障，直接進入步驟4，否則，返回步驟31。

通過上述安全判斷步驟可以判斷設備在加熱的過程中是否出現安全異常，并在安全異常時及時退出樣品，結束加熱過程，這樣可以起到安全保護作用，避免安全隱患，并及時發現安全故障，方便維修和保養，有利于延長設備的實用壽命。

實施例二、一種基于光熱式的快速升溫控制裝置。下面將結合圖2至5對本發明的一種基于光熱式的快速升溫控制裝置進行詳細介紹。

如圖2所示，一種基于光熱式的快速升溫控制裝置，包括：

參數標定模塊，用于對放置樣品的接收器進行參數標定；

加熱因子生成模塊，用于設定目標加熱參數，并根據所述目標加熱參數和所述接收器的標定參數生成對應的加熱因子；

光源控制模塊，用于根據所述加熱因子控制光源對位于所述接收器內的樣品進行光照加熱；

加熱參數獲取模塊，用于實時檢測所述接收器內的實際加熱參數；

主控制模塊，用于將實際加熱參數與所述目標加熱參數比對，并在二者相同時控制所述光源停止加熱,退出所述接收器內的樣品。

上述實施例的基于光熱式的快速升溫控制裝置，根據目標加熱參數和接收器的標定參數生成對應的加熱因子，并根據對應的加熱因子對位于接收器內的樣品進行主動加熱，不直接對樣品進行加熱，不僅可以實現快速升溫，還可以確保加熱數據的準確性。

本實施例中，所述加熱因子生成模塊根據每個預設加熱階段設定對應的目標加熱參數，并查詢預設數據表，獲取所述目標加熱參數對應的加熱因子；其中，所述預設數據表根據所述接收器的標定參數預先建立。

優選地，作為本發明的一個實施例，基于光熱式的快速升溫控制裝置還包括調節模塊，所述調節模塊用于在所述實際加熱參數與所述目標參數不同時調節所述加熱因子，所述光源控制模塊根據更新的所述加熱因子控制光源對位于所述接收器內的樣品進行加熱，直至所述實際加熱參數與所述目標參數相同；其中，所述目標加熱參數和實際加熱參數均包括加熱溫度、加熱氣壓、加熱速率和加熱時間中的一種或多種，所述加熱因子包括照射所述接收器的光線能量密度、所述接收器的轉速、通入至所述接收器內的氣體流量和所述接收器的氣體外排氣流量。通過所述調節模塊可以對所述接收器內的樣品進行被動式反饋控制，使得所述接收器內的實際加熱參數盡可能的保持在目標加熱參數，避免出現加熱參數的波動影響對加熱效果，從而使得對整個加熱過程的控制更加精準。

如圖3所示，本發明的實施例中，所述調節模塊包括混氣閥、插板閥、光源調節器和接收器調節器。所述混氣閥用于調節通入至所述接收器內的氣體流量；所述插板閥用于調節所述接收器內氣體外排氣流量；所述光源調節器用于調節所述光源的出射光能量密度；所述接收器調節器用于調節所述接收器轉速。通過所述調節模塊可以調節所述接收器的加熱因子，從而使得所述接收器的實際加熱參數與所述目標加熱參數相同，這樣可以實現精準控制。

如圖4所示，優選地，作為本發明的一個優選，基于光熱式的快速升溫控制裝置還包括安全判斷模塊，所述安全判斷模塊用于在所述實際加熱參數與所述目標參數的差值超過預設范圍時判斷是否出現安全故障，并在出現任一安全故障時觸發所述主控制模塊控制所述光源停止加熱。通過所述安全判斷模塊可以在判斷設備在加熱的過程中是否出現安全異常，并在安全異常時及時退出樣品，結束加熱過程，這樣可以起到安全保護作用，避免安全隱患，并及時發現安全故障，方便維修和保養，有利于延長設備的實用壽命。

如圖5所示，具體地，所述安全判斷模塊包括溫度判斷單元、光源判斷單元和氣流量判斷單元。溫度判斷單元，用于判斷所述接收器內的實際溫度是否超過預設警戒溫度范圍；光源判斷單元，用于在所述接收器內的實際溫度在預設警戒溫度范圍內時判斷光源的運行時間是否超過預設警戒時長范圍；氣流量判斷單元，用于在所述光源的運行時間在預設警戒時長范圍內時判斷進入所述接收器氣體的氣流量的變化幅度是否超過預設值。通過所述溫度判斷單元、光源判斷單元和氣流量判斷單元可以分別對所述接收內的溫度、光源的運行時間和通入至所述接收器內的氣體流量是否出現大幅度變化進行判斷，確保加熱過程中均處于正常狀態，并在出現異常時由所述主控制模塊控制所述光源停止對所述接收器加熱，避免出現安全事故。

實施例三、一種基于光熱式的快速升溫爐。下面將對本發明的一種基于光熱式的快速升溫爐進行詳細介紹。

一種基于光熱式的快速升溫爐，包括光源、接收器、數據采集電路和所述的控制裝置。

所述控制裝置根據設定目標加熱參數和所述接收器的標定參數生成對應的加熱因子，并根據所述加熱因子控制所述光源對位于所述接收器內的樣品進行光照加熱；所述數據采集電路實時檢測所述接收器內的實際加熱參數，所述控制裝置在所述接收器內的實際加熱參數與目標加熱參數相同時控制所述光源停止加熱,退出所述接收器內的樣品。

本實施例中，所述數據采集電路包括溫度傳感器、氣壓傳感器和氣體流量計中的一種或多種，所述溫度傳感器和氣壓傳感器均設置在所述接收器內，并分別檢測所述接收器內的實際溫度和實際氣壓，所述氣體流量計設置在與所述接收器連通的氣流管道上，并檢測通入至所述接收器內的氣體流量。通過所述溫度傳感器和氣壓傳感器可以實時分別采集所述接收器內的實際溫度和實際氣壓，通過所述氣體流量計可以實時采集通入至所述接收器內的氣體流量，這樣可以便于所述溫控組件調節實際加熱參數的依據，起到更好的調節效果。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。