[發(fā)明專利]一種閉環(huán)控制光纖加熱裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110432109.2
• 申請(qǐng)日: 2021-04-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113056042A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-06-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬勝利;楊勇;梅影;楊瀟君;李瑞艷;白雪菲;王宇;吳海濤;高騰宇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航天控制儀器研究所
• 主分類號(hào): H05B3/02
• 分類號(hào): H05B3/02;H05B3/14;H05B3/40
• 代理公司: 中國(guó)航天科技專利中心 11009
• 代理人: 胡健男

本發(fā)明一種閉環(huán)控制光纖加熱裝置，包括微控制器、三態(tài)驅(qū)動(dòng)器、功率級(jí)同步降壓轉(zhuǎn)換器、碳纖維發(fā)熱線、比例放大電路和串口通信電路，其中MCU通過(guò)三態(tài)驅(qū)動(dòng)器使能或者禁用功率級(jí)同步降壓轉(zhuǎn)換器，使能狀態(tài)下通過(guò)脈沖寬度調(diào)制調(diào)節(jié)功率級(jí)同步降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，禁止?fàn)顟B(tài)下功率級(jí)同步降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為零；功率級(jí)同步降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓連接至碳纖維發(fā)熱線兩端，傳感光纖與碳纖維發(fā)熱線并列布設(shè)，由碳纖維發(fā)熱線對(duì)傳感光纖進(jìn)行加熱；本發(fā)明驅(qū)動(dòng)高功率密度的功率級(jí)同步降壓轉(zhuǎn)換器通過(guò)碳纖維發(fā)熱線對(duì)傳感光纖進(jìn)行加熱，具有加熱電壓功率大，加熱過(guò)程響應(yīng)速度快、控制精度高，體積小易于集成等優(yōu)點(diǎn)，可用于分布式光纖液位測(cè)量中傳感光纖的加熱。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種閉環(huán)控制光纖加熱裝置，屬于光纖加熱技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

超低溫液體在航天、石油、化工、醫(yī)藥和制冷等技術(shù)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，例如液氫和液氧常被用作彈道導(dǎo)彈和運(yùn)載火箭推進(jìn)劑，液氮和液氦以其優(yōu)良的制冷特性被用于疫苗的超低溫冷藏等，相應(yīng)的針對(duì)超低溫液體的液位測(cè)量技術(shù)成為工程應(yīng)用中的重點(diǎn)研究方向。

目前針對(duì)密閉容器內(nèi)超低溫液體的液位測(cè)量技術(shù)大致包含三類：

(1)壓差式液位計(jì)因其自身結(jié)構(gòu)在超低溫液體流入液相引導(dǎo)管時(shí)容易因吸收熱量汽化導(dǎo)致氣液共存現(xiàn)象，引起液位的不穩(wěn)定和讀數(shù)誤差；

(2)超低溫二極管溫度計(jì)具有良好的測(cè)溫精度，溫度分辨率可達(dá)0.1℃，可以有效地鑒別液面附近的溫度差進(jìn)行液位測(cè)量，但是需要離散地布設(shè)在貯存容器內(nèi)，且每一個(gè)溫度計(jì)都需要引出若干導(dǎo)線，當(dāng)布設(shè)數(shù)量增加時(shí)系統(tǒng)的復(fù)雜度迅速提高，因此受限于溫度計(jì)數(shù)量，液位測(cè)量精度難以提高；

(3)基于光時(shí)域反射(OFDR)或布拉格光柵傳感器(FBG)的分布式光纖液位測(cè)量技術(shù)將傳感光纖浸沒(méi)于超低溫液體中，通過(guò)測(cè)量傳感光纖加熱過(guò)程中液面附近不同介質(zhì)的溫度變化特性來(lái)獲取液面位置，具有空間分辨率高、抗電磁干擾、布設(shè)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也對(duì)光纖加熱裝置提出了過(guò)程可控、大功率、小型化等要求。目前光纖加熱裝置大致分為兩類：

(1)利用線性穩(wěn)壓電源對(duì)發(fā)熱線進(jìn)行加熱，此方案輸出功率較大，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，且穩(wěn)壓電源體積較大難以集成；

(2)利用USB接口電壓對(duì)發(fā)熱線進(jìn)行加熱，上位機(jī)通過(guò)開(kāi)關(guān)USB供電來(lái)控制發(fā)熱線的加熱狀態(tài)，該方案可以實(shí)現(xiàn)“上位機(jī)-USB加熱裝置”的閉環(huán)控制，但是由于USB供電電壓固定為5V，無(wú)法通過(guò)改變電壓調(diào)整發(fā)熱線的發(fā)熱功率，且USB接口的輸出電流通常在500mA以內(nèi)，輸出功率偏低，無(wú)法用于大型容器內(nèi)的液位測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題為：本發(fā)明突破了現(xiàn)有技術(shù)中“高加熱功率”和“自動(dòng)控制”不可兼得的困境，同時(shí)具備了加熱功率大，體積小和加熱過(guò)程自動(dòng)閉環(huán)可控的特點(diǎn)，易于產(chǎn)品集成。

本發(fā)明解決的技術(shù)方案為：一種閉環(huán)控制光纖加熱裝置，包括：微控制器(MCU)(1)、三態(tài)驅(qū)動(dòng)器(2)、功率級(jí)同步降壓轉(zhuǎn)換器(3)、碳纖維發(fā)熱線(4)、比例放大電路(5)和串口通信電路(6)；

MCU(1)能夠通過(guò)串口通信電路(6)與外部調(diào)制解調(diào)儀通信，外部調(diào)制解調(diào)儀能夠設(shè)定功率級(jí)同步降壓轉(zhuǎn)換器(3)的目標(biāo)輸出電壓，通過(guò)串口通信電路(6)送至微控制器(MCU)(1)