一種基于記憶合金的無源低成本多溫度階梯自控裝置設計

鄒月江，曾潮旭，徐會凱

（1.山東港口青島港供電有限公司，山東 青島 266012；2.成都理工大學 核技術與自動化工程學院，成都 610059）

0 引言

近年來，溫控系統在工業生產、日常生活以及科學實驗等多個領域應用越來越廣泛，各行各業對溫控裝置的需求也越來越多[1,2]。溫控技術分為高精度溫度控制系統和溫控開關系統。傳統的溫控開關系統工作原理一般由溫度傳感器對環境溫度或設備溫度進行檢測，當所測溫度高于或低于所設定的溫度時，溫度控制系統電路控制加熱器或制冷器或散熱風扇工作，直到達到設備所需正常溫度，再由溫控系統電路控制加熱器或制冷器停止工作。目前，電子式溫控開關模塊大多采用“模數轉換芯片+單片機”的方式實現溫度開關的邏輯控制，需要進行嵌入式軟件的設計開發，存在開發周期長的缺點[3,4]。形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，簡稱SMA）具有能夠記住其原始形狀的功能[5]，即形狀記憶合金具有形狀記憶效應[6]，可以在高于奧氏體化溫度As 的環境下將形狀記憶合金體制成第一形狀、目標形狀或初始狀態。接著，在溫度低于奧氏體溫度As 的環境下，將形狀記憶合金體塑性形變而形成第二形狀（或稱為塑性形狀）[7]。如果再將形狀記憶合金加熱到奧氏體化溫度As 以上的溫度，形狀記憶合金將形變恢復成預設形狀。本文針對現有溫控開關裝置的不足，利用記憶合金在不同溫度下改變形狀時產生的驅動力，設計了一種無源低成本多溫度階梯自控裝置。

1 現有溫控裝置介紹

侯盼衛等采用鉑電阻型溫度傳感器PT100 采集環境溫度，可通過調整比較器輸入端的閾值電壓設置溫度的上下限閾值，比較器和D 觸發器實現溫控開關的邏輯控制[8]。

溫控開關電路系統框圖如圖1 所示。其中，電壓基準源產生持續穩定的電壓基準，而溫度傳感器中的電阻變化通過電橋電路轉化為電壓信號后輸出。該信號再由放大電路放大，然后經由比較電路使之與設定完成的上下閾值作比較，比較結果以數字信號的形式輸出再由邏輯判斷電路判斷，最后由執行電路根據邏輯判斷電路的輸出控制加熱器工作。

圖1 溫控開關電路系統框圖Fig.1 Temperature control switch circuit system block diagram

李文華等采用STC89C52 單片機作為控制器，采用精度較高，偏差小于1k 的數字式溫度傳感器DS18B20 作為溫度測量芯片，直接向單片機傳輸數字信號，通過控制三極管對繼電器進行控制進而控制加熱裝置開啟與關閉。電源電路先通過變壓器、整流橋將交流220V 電壓轉換為直流12V，再通過7805 芯片將直流12V 轉換為直流5V，供系統電路使用。現有溫控系統采用溫度傳感器與繼電器必然需要低壓控制電源，使得溫度控制系統在某些環境下的構建太過繁瑣，大大提高了溫度控制的成本并降低了可靠性。

2 基于記憶合金的溫度自控裝置設計

2.1 鎳鈦記憶合金

Ni-Ti 合金具有形狀記憶特性好、金屬耐疲勞特性強、金屬強度高、生物相容性優異等優點，Ni-Ti 合金的形變溫度、形變范圍和形變應力都可以根據需要訓練調節，形變溫度精度可以控制在±1℃以內，形變力可以設計達到幾N牛到幾千N 牛，已在工業、醫學、航天、建筑等許多領域獲得廣泛應用。一般的金屬在作用力使其形變超過屈服點后無法恢復，而鎳鈦合金在高溫下成型，冷卻至低溫并使其形變后再恢復高溫，則金屬會形變到原本高溫下的形態，具有形狀記憶效應。鎳鈦記憶合金有3 種：單程記憶合金、雙程記憶合金、全程記憶合金。其中，單程記憶合金的記憶效應只存在于加熱過程，即在較低溫度下變形后可以在加熱過程中恢復原有形狀。雙程記憶合金是在加熱時恢復高溫時的形狀，在冷卻時恢復低溫時的形狀。全程記憶合金在加熱時恢復高溫時的形狀，在冷卻時得到形狀相同取向相反的低溫相形狀[9]。形狀記憶效應種類見表1。

表1 形狀記憶效應種類Table 1 Types of shape memory effect

本設計欲達到的效果為開關柜內溫度升高到預定值時，形狀記憶合金長度縮短使動觸頭與靜觸頭接觸，啟動散熱風扇運行，而在溫度降低到閾值之下時，形狀記憶合金彈簧長度復原使動靜觸頭分離，即SMA 彈簧在溫度上升時要求膨脹伸長變成馬氏體相，降溫后恢復形變回到奧氏體相。因此，選用雙程記憶合金制作測量和控制記憶合金彈簧。

2.2 機械結構設計

本文設計了一種由記憶合金彈簧、傳動機構、開關機構、絕緣外殼組成的自控裝置。記憶合金彈簧沿軸向與傳動機構連接，傳動機構的動作由記憶合金彈簧的伸縮控制，開關機構的分合狀態由傳動機構控制。傳動機構包括傳動桿、復位彈簧、蓄力彈簧。傳動桿為傳動裝置與記憶合金彈簧物理接觸，復位彈簧的作用在于在記憶合金彈簧帶動傳動機構動作后，將傳動機構復位至起始狀態，蓄力彈簧的作用在于為傳動機構提供一定的動作應力。開關機構包括動觸頭與靜觸點，其中動觸頭為簧片的形式，至少控制一個常閉觸點和一個常開觸點的動作。絕緣外殼為所有機構的支撐體，且帶有卡扣聯組結構，可通過該結構進行多裝置聯組使用。

溫度自控裝置初始狀態結構如圖2 所示。其中，1 為記憶合金彈簧，2 為傳動桿，3 為復位彈簧，4 為簧片，51、52 為蓄力彈簧，61、62、63、64 為靜觸頭，7 為絕緣外殼。

圖2 初始狀態結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of initial state structure

2.3 工作原理

形狀記憶合金彈簧可以通過合適的可調節結構與傳動機構連接，如圖2 中通過將一端固定于絕緣外殼，另一端與傳動桿上的螺帽凸起結構相連接，通過調節螺帽凸起的溫度，可以改變裝置的動作溫度。例如，螺帽若將記憶合金彈簧的初始長度壓縮至較短，則溫度限位較低；若將記憶合金彈簧的初始長度壓縮至較長，則溫度限位較高。

傳動桿與蓄力彈簧51、52 通過轉軸結構連接，當傳動桿發生軸向位移時，蓄力彈簧的力會隨之變化，實現傳動機構的動作。蓄力彈簧通過轉軸結構與簧片連接。當記憶合金彈簧隨著溫度升高發生長度伸長的變化時，會帶動傳動桿發生位移，進而使蓄力彈簧的軸方向及其軸力發生變化。當蓄力彈簧的軸方向與簧片長度方向在同一條直線上時，蓄力彈簧的蓄力達到最大。蓄力彈簧的最大蓄力以及簧片與觸點61、62、63、64 的接觸面積由所需控制電路的最大電流值設定。

若記憶合金彈簧繼續伸長，如圖3 所示，則在傳動桿位移作用下，蓄力彈簧將反方向釋放儲能，將簧片與靜觸頭61、63 分離并與靜觸頭62、64 接觸，實現常閉觸點斷開，常開觸點閉合，即開關機構的動作，裝置狀態由圖2變化至圖3。

圖3 動作狀態結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of action state structure

當溫度下降時，在記憶合金彈簧與復位彈簧的共同作用下，傳動桿將逐漸恢復至初始位置，過程中蓄力彈簧將再次重復蓄力到釋放的動作，進而使得簧片再次與靜觸點61、63 接觸，如圖2 所示，實現傳動機構及開關機構的復位，裝置狀態由圖3 變化至圖2。

上述過程為單個溫度自控裝置的動作過程，若將多個單裝置通過外殼上的聯組結構聯組使用，即可實現多溫度階梯控制，3 個單裝置聯組使用如圖4 所示，可實現三階溫度階梯控制。

圖4 3個單裝置聯組使用示意圖Fig.4 Schematic diagram of three single device combinations

為確保溫度檢測準確，SMA 溫控裝置仍安裝于開關柜原溫度傳感器處，選用的SMA 彈簧在溫度70℃±1℃時形變，形狀記憶合金彈簧動作時提供的應力大于使復位彈簧收縮的彈力。經測量要使動觸點與靜觸點穩定接觸，SMA彈簧受熱形變伸長后長度大于25 mm，用拉力計測試SMA彈簧應力見表2。

表2 SMA彈簧應力測試結果Table 2 SMA Spring stress test results

根據表2 數據，要使動觸點與靜觸點穩定接觸，所需平均應力應為8.5N。為確保SMA 溫控系統穩定工作，則應力不應小于8.9N。據此定制了4 個檔位的SMA 彈簧。

根據本設計制作的簡易樣品，在安裝有3 個散熱風扇的10kV 大容量（4000A）開關柜上進行了試驗驗證。將聯組后的溫控系統串接于開關柜內3 個散熱風扇的開關與電源之間，對應3 個檔位，再將第四組溫控開關串接于安裝在高電壓實驗室開關柜主斷路器內部左側的分勵脫扣器控制線兩端。模擬測試時，在開關柜底部鋪設4 組電熱絲，由外部電源控制電熱絲逐級開啟來實現開關柜內4 個階段的溫升。由溫度自控裝置根據開關柜內溫度控制開關柜3個散熱風扇的投切。溫控裝置分為3 個檔位，當溫控系統安裝處溫度達到50℃時開啟一個風扇，當柜內溫度達到55℃時開啟2 個風扇，當溫度達到60℃時開啟3 個風扇。設計當柜內溫度超過65℃時，第四組溫控開關的記憶合金彈簧形變達到最大，動觸點與62、64 號靜觸點接觸后導通分勵脫扣器線圈，使得開關柜主斷路器分閘來保護設備及人員安全。安裝在開關柜內的簡易樣品如圖5 所示。

圖5 安裝在開關柜內的簡易樣品Fig.5 Simple sample installed in the switchgear

與現有溫控裝置相比，本設計具有以下優點：

1）采用記憶合金材料來控制傳動桿的位置，不同的記憶合金在不同溫度下的形變量不同，只要通過調節傳動桿與記憶合金彈簧的連接位置，就可以實現設定開關溫度動作的目的，達到使用環境適應性強的效果。

2）本設計記憶合金彈簧既是溫度傳感器，又是溫控執行器，不需要電源，不需要另設溫度傳感器、控制電源和繼電器，使用方法與普通開關一樣，可實現就地控制。SMA 彈簧不受開關柜內濕度和凝露等影響，溫控裝置的壽命和安全性大大提高。

3）本設計提供的溫控裝置單個結構設定單個溫度限位，在多個結構聯組使用時可通過設定各個獨立結構的記憶合金彈簧與傳動桿的連接位置，進而設定記憶合金彈簧的初始壓縮量使得各個結構處于不同的溫度限位。

3 結語

1）本文總結現有溫控裝置不足，利用記憶合金溫度形變特性，設計了一種基于記憶合金的無源低成本多溫度階梯自控裝置。記憶合金彈簧的預設長度與塑性長度可以按所需溫度限位、阻尼系數和開關應力范圍預設。

2）該裝置可以在溫度到達所設溫度限位時控制電路開斷或閉合，該溫度自控裝置可以在不需要外部控制電源的環境下，有效地開合規定電流的電路。

3）該溫度自控裝置具有溫度限位可調、結構簡單、無需控制電源，具有較大的開合能力，可聯組多溫度階梯控制，不受濕度凝露影響等優點，安全性高，可用于開關柜、變壓器等電力設備散熱溫度控制。