支持寬溫區(qū)變溫實(shí)驗(yàn)的教儀裝置研究*

謝翔宇， 劉渝龍， 歐陽昆， 尹浩然， 劉慧源

（新余學(xué)院新能源科學(xué)與工程學(xué)院，江西 新余 338004）

0 引言

在大學(xué)實(shí)驗(yàn)、理工科科研設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，經(jīng)常需要對實(shí)驗(yàn)溫度進(jìn)行調(diào)控，主要有穩(wěn)態(tài)法測量不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)[1]、氣體導(dǎo)熱系數(shù)測定[2]、熱電偶分度表驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)等。而常規(guī)的控溫手段存在精密度不足、變溫范圍小、變溫裝置無法在多個(gè)不同實(shí)驗(yàn)通用等諸多問題。

故本項(xiàng)目組經(jīng)過思考、調(diào)查、分析，設(shè)計(jì)了該支持寬溫區(qū)變溫實(shí)驗(yàn)的教儀裝置。 該裝置在室溫25℃的工作狀態(tài)下，安全變溫范圍的理論值約為-40℃～150℃，安全變溫空間為100mm*100mm*200mm；在控溫精度上，采用工業(yè)級PID 溫度控制器和Pt100 熱電阻。 在變溫范圍、變溫空間、控制精度等方面均符合變溫實(shí)驗(yàn)基本要求。 可以在一定程度下解決現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備變溫范圍小、 變溫裝置無法在多個(gè)不同實(shí)驗(yàn)通用等問題。

1 原理與方案

1.1 半導(dǎo)體制冷片工作原理

半導(dǎo)體制冷技術(shù)是一種基于熱電效應(yīng)的新型制冷技術(shù)，與常規(guī)制冷技術(shù)相比，半導(dǎo)體制冷技術(shù)具備很多優(yōu)勢[3]，如工作幾乎無噪聲、工作時(shí)不需制冷工質(zhì)、理論使用壽命較長、溫度調(diào)節(jié)較為便利、器件占用的空間較小等。但半導(dǎo)體制冷技術(shù)的缺點(diǎn)也較為明顯，包括制冷功率不足、制冷面溫差不宜過大等。

1834 年，J. C. A. Peltier 發(fā)現(xiàn)，當(dāng)不同導(dǎo)體組成的回路有電流通過時(shí)，除不可逆的焦耳熱被產(chǎn)生之外，隨著電流方向不同，在不同導(dǎo)體的接頭處會分別出現(xiàn)吸熱、放熱現(xiàn)象，這就是Peltier 效應(yīng)。在絕熱情況下，吸放熱量相等。這時(shí)，可以看成冷端將熱量傳遞給了熱端，把傳遞的熱量稱為Peltier 熱。在半導(dǎo)體物理學(xué)中，常用一個(gè)指標(biāo)，即Peltier系數(shù)來衡量產(chǎn)生Peltier 效應(yīng)的大小[4]（見式1）。 半導(dǎo)體制冷片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示[5]。

其中： 與電流I 成正比的Qp為Peltier 熱，πab則為Peltier系數(shù)，它可以由構(gòu)成電偶臂的兩種不同材料配合決定。

圖1 半導(dǎo)體制冷片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[5]

因本裝置變溫空間體積較小，故在本裝置設(shè)計(jì)中采用兩枚TEC1-19906 半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行制冷，肋片及散熱風(fēng)扇將半導(dǎo)體制冷片產(chǎn)生的冷量在變溫空間內(nèi)均勻分布，制冷循環(huán)對半導(dǎo)體制冷片的發(fā)熱端進(jìn)行強(qiáng)制散熱。TEC1-19906 半導(dǎo)體制冷片器件性能參數(shù)如表1 所示。

表1 TEC1-19906 半導(dǎo)體制冷片參數(shù)

TEC1-19906 半導(dǎo)體制冷片工作最大溫差為67℃以上，就室溫25℃的工況來說，在熱端散熱良好的情況下，理論可將變溫空間降溫到-42℃以下。且在制熱模式下，半導(dǎo)體制冷片處于不工作狀態(tài)，而TEC1-19906 半導(dǎo)體制冷片在不工作狀態(tài)下最高耐溫高達(dá)200℃。 本裝置設(shè)計(jì)高溫上限為150℃，故半導(dǎo)體制冷片在常規(guī)狀態(tài)下不會損壞。

1.2 PTC 恒溫陶瓷發(fā)熱片工作原理

PTC 恒溫陶瓷發(fā)熱片由PTC 陶瓷發(fā)熱元件與鋁器件組成。PTC 恒溫陶瓷主要成分為鈦酸鋇（或鍶、鉛），其作為一種半導(dǎo)體陶瓷，在居里溫度以下具有小電阻，居里溫度以上時(shí)產(chǎn)生階躍性變化， 上升至居里溫度以下時(shí)電阻的千倍～百萬倍。 其外表面采用高效導(dǎo)熱鋁型器材，可承受重量≥100kg 不變形， 內(nèi)部使用聚酰亞胺薄膜包裹芯片（耐溫280℃）、耐高溫導(dǎo)線（耐溫200℃）和絕緣耐高溫護(hù)套（耐溫300℃），可保證PTC 發(fā)熱體在高溫下工作的穩(wěn)定性，可在12V～380V 之間根據(jù)需要設(shè)計(jì)電壓范圍。另外，由于其鋁片緊湊，通電后PTC 能迅速的將電能轉(zhuǎn)化為熱能，10s 內(nèi)就能傳導(dǎo)至鋁殼表面， 因此其熱效率更是高達(dá)99%，使用壽命長達(dá)6 000h。 散熱故障時(shí)可自動(dòng)降低表面溫度，在任何情況下均不會導(dǎo)致表面“發(fā)紅”現(xiàn)象，可大大降低燙傷事故和火災(zāi)發(fā)生概率。

本裝置采用的PTC 恒溫陶瓷發(fā)熱片型號為B-77*62-6，具體參數(shù)如表2 所示。

表2 B-77*62-6 型PTC 恒溫陶瓷發(fā)熱片參數(shù)

在高溫模式下，本裝置采用的PTC 發(fā)熱板最高工作溫度約為200℃。經(jīng)PID 溫控器調(diào)控，在保證變溫空間溫度可以達(dá)到設(shè)計(jì)最高值150℃的同時(shí)，帶來較高的升溫速率。

1.3 PID 溫度控制器工作原理

在實(shí)際工程應(yīng)用中， 使用最為普遍的調(diào)節(jié)控制規(guī)律為“比例積分微分控制”，簡稱為PID 算法。 PID 控制器因結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性優(yōu)良、工作穩(wěn)定、調(diào)節(jié)便利等優(yōu)勢，成為目前工業(yè)控制領(lǐng)域的主要技術(shù)之一。 當(dāng)使用者不能完全認(rèn)識一個(gè)系統(tǒng)或被控對象，或不便使用其它測量手段來獲取系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，可以選擇使用PID 算法。

傳統(tǒng)溫控器由于結(jié)構(gòu)性問題， 在溫控器發(fā)出停止加熱信號后，被加熱器件與溫控器之間存在慣性溫度誤差。因此，傳統(tǒng)溫控器的開關(guān)控制溫度需將正負(fù)誤差標(biāo)明。

要解決溫控器這個(gè)問題， 可以利用PID 模糊控制技術(shù)。PID 模糊控制技術(shù)是針對上述情況而被制定的一種新型溫度控制方案。 通過Pvar、Ivar、Dvar 三方面的配合調(diào)整，形成模糊控制，解決慣性溫度誤差問題，獲取更加精確的系統(tǒng)參數(shù)。

故本裝置的溫度控制器選取了利用PID 模糊控制技術(shù)的OHR-A300C-55-K4/2/X-A 溫度控制器，以保證裝置變溫區(qū)域讀數(shù)溫度的精確性和穩(wěn)定性。

1.4 Pt100 熱電阻工作原理

Pt100 屬于鉑熱電阻，因其阻值跟溫度變化成正比這一特性，Pt100 熱電阻尤其適合用于制作高精度溫度傳感器。 特別是在醫(yī)療、 電機(jī)、 工業(yè)等領(lǐng)域的高精度設(shè)備上，Pt100 熱電阻的應(yīng)用尤為廣泛。 Pt100 熱電阻在工作溫度0℃時(shí)，電阻為100Ω，隨著溫度變化，其溫度計(jì)算電阻阻值的公式如下[6]：

其中：R0=100.00Ω （0℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電阻），A=3.908 02 × 10-3℃-1，B=-5.802 × 10-7℃-2，C=-4.273 50 × 10-12℃-4。

本裝置溫度傳感器選用三線制Pt100 鉑熱電阻，將設(shè)備讀數(shù)的誤差降至最低，保證了變溫區(qū)域溫度測量值和真實(shí)值僅有極低的誤差。

2 裝置設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本裝置電路主要采用220V 交流市電供電， 溫度控制、冷卻循環(huán)、制冷制熱各使用一套電路，保證三個(gè)系統(tǒng)的獨(dú)立性和安全性。 當(dāng)功率最大且最易損壞的制冷制熱部分發(fā)生異常時(shí)， 冷卻循環(huán)始終打開，PID 溫度控制器及時(shí)中斷，使得整個(gè)箱體不易發(fā)生燃燒、過載等安全事故。

溫度控制部分， 采用PID 溫度控制器OHR-A300C-55-K4/2/X-A，連接熱電阻進(jìn)行測溫。 在熱電阻的選擇上，經(jīng)過對比最終決定使用Pt100 熱電阻，多種熱電阻性能對比如表3 所示。

表3 多種熱電阻性能對比

冷卻循環(huán)部分， 采用12V 3A 電源模塊進(jìn)行供能，帶動(dòng)AD20P-1230A 循環(huán)泵和散熱風(fēng)扇 （12V 0.12A、12V 0.3A、12V 0.5A 各2 個(gè)， 合計(jì)共6 個(gè)）， 最大總功率約26.88W。

制冷制熱部分，采用24V 25A 開關(guān)電源進(jìn)行供能，為THC1-19906 半導(dǎo)體制冷片（24V 6A）、B-77*62-6 PTC 恒溫陶瓷發(fā)熱片功能，冷熱之間設(shè)有制冷制熱切換開關(guān)，保證恒溫陶瓷發(fā)熱片工作時(shí)， 制冷片不會由于兩端溫差過大而燒壞。

本裝置模塊連接圖如圖2 所示。

圖2 本裝置模塊連接圖

2.2 傳熱設(shè)計(jì)

本裝置傳熱部分主要涉及冷卻循環(huán)部分、 箱體內(nèi)變溫空間換熱、箱體保溫性能。

冷卻循環(huán)部分如圖3、 圖4 所示， 本裝置使用功率4.8W 標(biāo)稱揚(yáng)程8m 的AD20P-1230A 循環(huán)泵推動(dòng)工質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)，將冷卻水推入四水道鋁合金水冷頭中，四水道鋁合金水冷頭對半導(dǎo)體制冷片的制熱端進(jìn)行強(qiáng)制散熱，通過120 水排18 水道散熱器對工質(zhì)進(jìn)行冷卻，冷卻工質(zhì)又再次被循環(huán)泵吸入，達(dá)成冷卻循環(huán)。其中，120 水排18水道散熱器上有兩枚12V 0.5A 散熱風(fēng)扇， 可對制冷工質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)制對流換熱。

圖3 本裝置冷卻循環(huán)液冷原理圖

圖4 本裝置冷卻循環(huán)液冷實(shí)物圖

箱體內(nèi)變溫空間主要使用12V 0.12A 散熱風(fēng)扇對內(nèi)部空氣進(jìn)行循環(huán)， 以空氣為工質(zhì)保證冷/熱量均勻散布在箱體內(nèi)部。

本裝置設(shè)計(jì)變溫空間是一個(gè)100mm*100mm*200mm的密閉空間，其具備一定保溫功能。 箱體保溫性能問題主要通過箱體材料選用來解決，本團(tuán)隊(duì)對比了市面上常用的5 種絕熱材料如表4 所示，確定高密度聚氨酯泡沫板（5cm厚）作為裝置最佳的保溫材料。

表4 絕熱材料性能對比

3 結(jié)論

本項(xiàng)目組通過對半導(dǎo)體制冷技術(shù)、PID 自動(dòng)控制技術(shù)、 溫度測量技術(shù)等方向進(jìn)行研究與對材料特點(diǎn)的分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)了該支持實(shí)驗(yàn)的寬溫區(qū)變溫教儀裝置。 該裝置在室溫25℃的工作狀態(tài)下， 安全變溫范圍的范圍達(dá)到-40℃～150℃， 安全變溫空間為100mm*100mm*200mm，溫控精度±0.2℃。 該裝置可以在一定程度下解決現(xiàn)有控溫設(shè)備變溫范圍小、控制精度低、控溫方法不通用等問題，符合大部分實(shí)驗(yàn)的要求，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。