小型高精度恒溫箱設(shè)計(jì)

中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所 余麗霞 馬 社 崔 云俊

1.概述

高精度恒溫箱用于高精度傾角傳感器的環(huán)境溫度控制，由于傾角傳感器要求精度高，要求恒溫箱的控制精度達(dá)到±0.1℃。因此，需要對(duì)高精度恒溫箱進(jìn)行精確設(shè)計(jì)才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.技術(shù)要求

工作環(huán)境溫度-20℃～+60℃；

控制精度±0.1℃；

從開始工作到溫度穩(wěn)定所需時(shí)間小于0.5小時(shí)。

3.技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 溫度控制電路設(shè)計(jì)

1)控制電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用直流的半導(dǎo)體電熱制冷片作為核心加熱制冷元件。半導(dǎo)體電熱制冷片是利用物理現(xiàn)象中的帕爾貼效應(yīng)，靠電子-空穴在運(yùn)動(dòng)中直接傳遞能量來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)直流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí)，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，所以將半導(dǎo)體制冷片的一面貼合在要加熱或制冷的液體一側(cè)，通過控制半導(dǎo)體制冷片的電壓方向就可以達(dá)到加熱或制冷的目的。半導(dǎo)體制冷技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積??；無振動(dòng)、噪聲小、壽命長(zhǎng)、維修方便；啟動(dòng)快、控制靈活。

在系統(tǒng)中引入H橋驅(qū)動(dòng)電路對(duì)半導(dǎo)體電熱制冷片進(jìn)行控制。如圖1所示，當(dāng)控制信號(hào)PTC1為高電平，PTC2為低電平時(shí)，左側(cè)臂兩個(gè)8550三極管Q1和Q2導(dǎo)通，由于上、下兩個(gè)MOS管分別為P溝道和N溝道MOS管，所以任何時(shí)刻只能有1個(gè)導(dǎo)通，而此時(shí)上面的P管，即Q5導(dǎo)通；而另外一臂上，兩個(gè)三極管Q3和Q4都沒有導(dǎo)通，此時(shí)下面的N溝道MOS管Q8導(dǎo)通，于是在半導(dǎo)體制冷片兩端形成12V電壓差，制冷片開始加熱（或制冷）。同理，當(dāng)PTC1為低電平，PTC2為高電平時(shí)，此時(shí)半導(dǎo)體制冷片電壓翻轉(zhuǎn)，原來加熱（或制冷）的一面開始制冷（或加熱）。

2)溫控算法

高精度恒溫箱的溫控過程是典型的含滯后的慣性控制對(duì)象，可以采用傳遞函數(shù)其中T為慣性時(shí)間常數(shù)，τ為滯后時(shí)間常數(shù)）來描述。慣性為恒溫箱存儲(chǔ)能量的能力的體現(xiàn)，滯后是指恒溫箱的外溫度擾動(dòng)和溫控裝置的溫度變化需要經(jīng)過一段時(shí)間的延遲才會(huì)對(duì)傾角傳感器產(chǎn)生影響。

由于介質(zhì)溫度的變化實(shí)質(zhì)上是能量傳遞的結(jié)果，其溫度參數(shù)不可能發(fā)生很快的變化。所以一般情況下，溫度對(duì)象都是含有純滯后環(huán)節(jié)的。對(duì)于此類的系統(tǒng)，采用普通PID控制器很難達(dá)到所希望的控制效果。只有采用特殊的控制算法才能達(dá)到預(yù)期的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

過程的純滯后對(duì)控制系統(tǒng)品質(zhì)的影響不是取決于τ的絕對(duì)值的大小，而是與過程慣性時(shí)間常數(shù)T之比(/Tτ)的大小有關(guān)。通常當(dāng)/Tτ＞0.5時(shí)，就可以當(dāng)做是大純滯后過程來加以控制了。

圖1 H橋驅(qū)動(dòng)電路

施密斯（Smtih)預(yù)估補(bǔ)償控制的思路就是引入合適的反饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的分母項(xiàng)中不含有純滯后環(huán)節(jié)，如圖3所示。

由圖3可得引入補(bǔ)償環(huán)節(jié)后的傳遞函數(shù)為：

即為Smith預(yù)估補(bǔ)償控制，如圖4所示。

由于這一算法要求知道0()G s的確切參數(shù)，實(shí)際上只能得到近似參數(shù)，因此在實(shí)際使用過程中采用了多個(gè)溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量來進(jìn)行輔助控制。

圖2 數(shù)字PID算法結(jié)構(gòu)

圖3 引入補(bǔ)償環(huán)節(jié)的控制框圖

圖4 Smith預(yù)估補(bǔ)償控制

在實(shí)際研制過程中把恒溫箱的控制溫度設(shè)定成根據(jù)環(huán)境溫度可調(diào)節(jié)的，這樣根據(jù)環(huán)境溫度適當(dāng)?shù)倪x擇恒溫箱內(nèi)部的控制溫度，大大提高了恒溫箱的控制精度和可靠度。

表1 環(huán)境溫度與恒溫箱溫度對(duì)比標(biāo)定（單位°C）

圖5 高精度恒溫箱結(jié)構(gòu)圖

圖6 高精度恒溫箱腔體

圖7 高精度恒溫箱

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

只有性能良好、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的恒溫箱與控制電路緊密配合，才能獲得高的溫度穩(wěn)定度，從而保證頻率穩(wěn)定度。對(duì)恒溫箱的結(jié)構(gòu)主要要求是：密封性能好；保溫層導(dǎo)熱系數(shù)小，以保證保溫性能好；根據(jù)傾角傳感器的使用要求，選擇剛度大、保溫性能好的材料。

1）高精度恒溫箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高精度恒溫箱由腔體和控制箱兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，腔體內(nèi)包含傾角傳感器和恒溫控制所需的傳感器和執(zhí)行器，控制箱內(nèi)包括溫度探測(cè)信號(hào)放大電路、控制器及其外圍電路、電源電路、控制信號(hào)輸出放大電路、信號(hào)顯示電路等；且在控制箱內(nèi)完成恒溫控制算法。傾角傳感器信號(hào)和溫度傳感器信號(hào)均為模擬信號(hào)，為避免干擾分別從不同航空頭進(jìn)行導(dǎo)線的連接。

2）腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

腔體組成及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

恒溫箱腔體主要由2個(gè)傾角傳感器、5個(gè)溫度傳感器、半導(dǎo)體電熱制冷片、高強(qiáng)度隔熱層、航空頭等幾部分組成。溫度傳感器均布于腔體內(nèi)用于殼體內(nèi)溫度檢測(cè)，半導(dǎo)體電熱制冷片用于加熱或制冷，高強(qiáng)度隔熱殼一方面用于安裝及支撐，另一方面起隔熱作用，航空頭A用于傾角傳感器和溫度傳感器的內(nèi)外連接，航空頭B用于半導(dǎo)體電熱制冷片的內(nèi)外連接。

3.3 材料選型

恒溫箱體積要求小，可以減少起始加熱功率、減小溫度波動(dòng)。由于受隔熱層厚度和傾角傳感器體積的限制，需要減小電路板尺寸，縮小加熱部分的體積等方面綜合考慮。

在元器件的選擇上，在滿足性能指標(biāo)的前提下，盡量選用了體積小的電子化元件。半導(dǎo)體加熱制冷器件選用的是TEC1-12709T127，溫度傳感器選用的是ADT7310，單片機(jī)選用的是mega128。

恒溫箱箱體采用導(dǎo)熱系數(shù)為0.025W/(m2?K)、厚度為10mm的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料。硬質(zhì)聚氨酯泡沫的泡孔以閉孔為主，具有極低的導(dǎo)熱系數(shù)、較低的密度、一定的強(qiáng)度和硬度，電學(xué)性能、隔聲抗震效果優(yōu)良。

考慮到傾角傳感器的工作環(huán)境，其安裝面必須是剛度很大的材料。所以經(jīng)過調(diào)研選擇了剛度大且導(dǎo)熱系數(shù)低的15mm厚環(huán)氧板作為恒溫箱內(nèi)部?jī)A角傳感器的底板安裝材料。

4.試驗(yàn)

根據(jù)技術(shù)要求研制的高精度恒溫箱如圖7所示，箱體體積為：205mm×205 mm×130mm。

把恒溫箱放于計(jì)量中心標(biāo)準(zhǔn)溫濕度檢定箱中，得到的數(shù)據(jù)如表1所示。從表中可以看出，恒溫箱精度滿足使用要求。

[1]耿德根,宋建國,馬潮等.AVR高速嵌入式單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京航空航天出版社,2002.

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[3]李俊濤.基于H橋驅(qū)動(dòng)電路的半導(dǎo)體制冷片恒溫控制系統(tǒng)[J].北華大學(xué)學(xué)報(bào),2010,11卷5期.