冷凍木材電阻測(cè)量自動(dòng)控溫裝置設(shè)計(jì)及控溫能力研究*

艾夢(mèng)瑤 崔育銘 高 珊 趙志偉 張凌濤

（東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

東北林區(qū)冬季漫長(zhǎng)寒冷，該地區(qū)的樹木長(zhǎng)時(shí)間生 活在寒冷環(huán)境中極易受到越冬傷害[1-2]。此外，寒冷的氣候條件對(duì)活立木質(zhì)量無損檢測(cè)的準(zhǔn)確度也產(chǎn)生影響[3-6]。因此，探究零攝氏度以下低溫條件中活立木的理化特性，對(duì)實(shí)現(xiàn)樹木的凍害預(yù)防和低溫條件下的快速準(zhǔn)確無損檢測(cè)具有重要意義[7-10]。李堅(jiān)院士[11]從溫度影響水分蒸汽壓的角度，揭示了冰點(diǎn)以下木材因其內(nèi)部水分發(fā)生相變而形成冷凍木材（frozen wood）的過程。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)冷凍木材的聲、力、電學(xué)等物理性質(zhì)進(jìn)行探索[12-16]。徐華東等[17]測(cè)量了溫度降至-60 ℃ 左右時(shí)，紅松及大青楊濕材中水分的存在狀態(tài)，確定了此時(shí)凍結(jié)水含量占總含水量的60%以上。Gao等[18]基于聲速、含水率與溫度的理論關(guān)系，建立了三者適用于冷凍木材的關(guān)系模型。Zhao等[19]在-150～20 ℃溫度范圍內(nèi)分析了溫度對(duì)樺木強(qiáng)度的影響。Gao等[20]模擬了溫度對(duì)紅松彈性模量的影響，并建立了溫度修正模型。江京輝 等[21]總結(jié)了-190～0 ℃低溫處理木材的力學(xué)性能和比熱性質(zhì)受溫度的影響。在木材溫度與其電阻特性的關(guān)系研究中，岳小泉[22]在-20～20 ℃溫度范圍內(nèi)對(duì)健康和腐朽木材的電阻進(jìn)行對(duì)比研究，確定了低溫對(duì)木材電阻的顯著影響。Luo[23]也報(bào)道了溫度對(duì)基于電阻法的木材無損檢測(cè)技術(shù)的影響。

在木材電阻測(cè)量過程中，試樣溫度的準(zhǔn)確控制和穩(wěn)定維持成為冷凍木材電學(xué)性質(zhì)研究中的一個(gè)技術(shù)問題?，F(xiàn)有的低溫冷凍冰箱在冷凍木材電阻研究的應(yīng)用中，不能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)冰點(diǎn)至-80 ℃溫度范圍內(nèi)的連續(xù)控制。此外，試樣在冰箱內(nèi)達(dá)到所需溫度點(diǎn)后，需要取出在室溫下測(cè)量電阻，而此時(shí)木材溫度通常偏離所需溫度點(diǎn)。因此，冷凍木材電阻測(cè)量急需一種能控制木材溫度，且在測(cè)量過程中依舊可以保持溫度穩(wěn)定的裝置。Gao等[24-25]介紹了一種兩層箱體結(jié)構(gòu)的溫控箱，可以實(shí)現(xiàn)木材溫度的控制，但仍需進(jìn)行手動(dòng)控制。

綜上，為實(shí)現(xiàn)木材電阻測(cè)量過程中較寬溫度范圍內(nèi)連續(xù)性測(cè)量溫度的設(shè)置和溫變速率的自動(dòng)控制，解決試驗(yàn)過程中木材溫度變化過快和難以維持穩(wěn)定的技術(shù)問題，本研究設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的三層結(jié)構(gòu)的木材電阻測(cè)量自動(dòng)控溫裝置，并對(duì)該裝置的控溫能力進(jìn)行研究，以達(dá)到消除溫度波動(dòng)帶來的木材電阻特性研究偏差的目的，為木材電阻的測(cè)量創(chuàng)造有利條件。

1 裝置的構(gòu)成及功能

1.1 硬件構(gòu)成

本裝置的主體是60 cm×18.5 cm×44 cm的溫控箱，箱體由保溫隔熱性能良好的聚苯板材料制成，板厚為3 cm。裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。溫控箱分為上、中、下三層結(jié)構(gòu)，上、下兩層內(nèi)置致冷劑槽，其內(nèi)壁嵌入紅外對(duì)管；中層為試樣層，含試樣支撐架和穿透兩側(cè)箱壁的鋼釘，鋼釘?shù)牧硪欢伺c數(shù)字電橋相連。試樣層設(shè)4條熱電偶絲，其中1個(gè)懸空于中層，另外3個(gè)分別貼于木材表面和嵌入木材試樣內(nèi)部1/2、1/4深度處。熱電偶絲的另一端與箱體外的傳感數(shù)據(jù)采集器相連接。試樣層上、下隔板的正、副對(duì)角線的4個(gè)頂點(diǎn)處設(shè)通風(fēng)口，4個(gè)通風(fēng)口下方各水平懸置一個(gè)小風(fēng)扇。沿隔板的通風(fēng)口處設(shè)有可水平抽動(dòng)的面板，用于閉合通風(fēng)口。4個(gè)小風(fēng)扇位置又分別裝有電加熱管。風(fēng)扇、閉合面板與加熱管均與STM32F103ZET6單片機(jī)相連，其運(yùn)行功率、開合程度以及啟停等均受單片機(jī)控制。此外，單片機(jī)還與輸入按鍵、溫度傳感器、OLED顯示屏等連接，作為裝置智能控制系統(tǒng)的硬件部分集成于溫控箱箱體外部。

圖1 裝置主視圖Fig. 1 Main view of the device

1.2 功能模塊

1.2.1 溫度設(shè)置模塊

溫度設(shè)置模塊包括目標(biāo)溫度的輸入和顯示功能。目標(biāo)溫度將通過輸入按鍵傳遞至單片機(jī)，單片機(jī)將此參數(shù)用于溫度調(diào)控，并將該信息顯示在OLED顯示屏上。

1.2.2 溫度監(jiān)測(cè)模塊

溫度監(jiān)測(cè)模塊主要包括對(duì)木材試樣及其周圍環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和對(duì)致冷劑含量的監(jiān)測(cè)功能。溫度傳感器可監(jiān)測(cè)-70～70 ℃范圍內(nèi)的溫度變化，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的環(huán)境溫度和木材溫度（木材溫度為木材表面與其內(nèi)部不同深度的熱電偶所測(cè)溫度一致時(shí)的溫度）的信息反饋至單片機(jī)。當(dāng)環(huán)境溫度與試樣溫度相同，并與目標(biāo)溫度一致且維持10 min時(shí)，蜂鳴器發(fā)出連續(xù)蜂鳴聲示意，提示操作員進(jìn)行試樣電阻的測(cè)量。致冷劑含量由紅外對(duì)管監(jiān)測(cè)。紅外對(duì)管在致冷劑不足時(shí)會(huì)引發(fā)蜂鳴器發(fā)出短促蜂鳴聲報(bào)警，提示操作員補(bǔ)充致冷劑。

1.2.3 溫度控制模塊

溫度控制模塊功能包括木材試樣達(dá)到目標(biāo)溫度前對(duì)溫度變化速率的控制和達(dá)到目標(biāo)溫度后的穩(wěn)定維持。裝置的致冷功能由致冷劑干冰實(shí)現(xiàn)；致熱功能通過電熱管通電加熱實(shí)現(xiàn)。在控溫過程中，通過單片機(jī)調(diào)節(jié)小風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)功率和可動(dòng)面板的開合程度，以影響試樣層空氣流通速度，間接控制溫度變化速率。

1.2.4 電阻測(cè)量模塊

電阻測(cè)量功能由LCR數(shù)字電橋（TL2812D）實(shí)現(xiàn)。木材電阻測(cè)量智能調(diào)溫裝置的工作流程及其涉及的功能模塊如圖2 所示。

圖2 裝置工作流程圖Fig.2 Flow chart of the device

2 裝置控溫能力研究

2.1 降溫控制

2.1.1 裝置降溫調(diào)節(jié)能力試驗(yàn)

在室溫下，選用規(guī)格為50 cm×2.5 cm×2.5 cm的落葉松 （Larix gmelinii） 木材試樣，用塑料薄膜包裹后放置在試樣架上。以干冰作為致冷劑，分別記錄干冰單獨(dú)致冷、無風(fēng)扇作用時(shí)的環(huán)境溫度（Tue）和木材溫度（Tuw） 隨時(shí)間的變化情況，以及干冰致冷協(xié)同風(fēng)扇作用時(shí)環(huán)境溫度（Tre）和木材溫度（Trw）隨時(shí)間的變化情況，以驗(yàn)證裝置對(duì)目標(biāo)溫度的控制能力，結(jié)果如表1所示。

表1 降溫過程風(fēng)扇啟停對(duì)照試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Comparative experimental data of fan start-stop during cooling process

在裝置的溫度調(diào)節(jié)試驗(yàn)過程中，初始溫度為20 ℃，設(shè)置目標(biāo)溫度為5 ℃，每10 min記錄一次數(shù)值。由圖3（a） 可見，木材溫度的下降相比于環(huán)境溫度的下降存在明顯的滯后。當(dāng)無風(fēng)扇作用時(shí)，環(huán)境溫度 （Tue） 與木材溫度 （Tuw） 分別在t=130 min和150 min時(shí)達(dá)到預(yù)設(shè)溫度5 ℃。有風(fēng)扇作用時(shí)，環(huán)境溫度（Tre）與木材溫度（Trw）分別在t=50 min和70 min時(shí)達(dá)到預(yù)設(shè)溫度5 ℃，比無風(fēng)扇作用時(shí)降溫時(shí)間加快了約50%，驗(yàn)證了裝置的溫度調(diào)節(jié)能力。圖3（b）顯示了木材和環(huán)境降溫速率對(duì)照情況。其中，降溫速率采用如下公式計(jì)算：

式中:Vi為i時(shí)刻的溫度變化速率，℃/min；Ti為i時(shí)刻的溫度，℃；t為時(shí)間，min。

由圖3（b）可見，無風(fēng)扇作用時(shí)，環(huán)境降溫速率（Vue）和木材降溫速率（Vuw）為0～0.3 ℃/min，降溫速率隨干冰含量的減少而降低。有風(fēng)扇作用時(shí)，在t=10 min時(shí)環(huán)境降溫速率（Vre）為風(fēng)扇關(guān)閉狀態(tài)同時(shí)期的2倍。t=20 min時(shí)，環(huán)境溫度（Tre）已降為9 ℃，接近預(yù)設(shè)溫度（5 ℃），裝置控制系統(tǒng)開始增加可動(dòng)面板閉合程度并降低小風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)功率，環(huán)境降溫速率（Vre）變慢。t=50 min時(shí)，環(huán)境溫度（Tre）開始到達(dá)預(yù)設(shè)溫度5 ℃，而木材溫度仍未達(dá)到5 ℃。此時(shí)下層小風(fēng)扇停止運(yùn)行、可動(dòng)隔板完全閉合，上層小風(fēng)扇進(jìn)行低功率運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)木材試樣降溫速率（Vrw），保證木材溫度逐漸接近目標(biāo)溫度。由圖3（a）可知，t=70 min時(shí)，環(huán)境溫度（Tre）和木材溫度（Trw）開始一致在5 ℃（A點(diǎn)），不再持續(xù)降溫，但因?yàn)榻禍厮俾蕿榍?0 min內(nèi)平均降溫速率，所以同一時(shí)刻的木材降溫速率尚不為0[圖3（b）中B點(diǎn)]。有風(fēng)扇作用時(shí)，木材與環(huán)境溫度從t=90 min開始始終穩(wěn)定在5 ℃。在無風(fēng)扇作用時(shí)，木材與環(huán)境溫度在第150 min穩(wěn)定在目標(biāo)溫度，不再持續(xù)降溫。驗(yàn)證了裝置控制降溫速率和維持目標(biāo)溫度穩(wěn)定的能力。

圖3 裝置降溫能力試驗(yàn)溫度（a）和降溫速率（b）變化趨勢(shì)Fig.3 Temperature (a) and cooling rate (b) variation trend in the cooling capacity test of the device

2.1.2 全程降溫電阻測(cè)量試驗(yàn)

初始環(huán)境溫度為20 ℃，測(cè)量此時(shí)木材的電阻值（R0）。設(shè)置目標(biāo)溫度為-20 ℃，達(dá)到目標(biāo)溫度點(diǎn)時(shí)再次獲取此時(shí)木材電阻值（R1）。降溫過程中環(huán)境和木材溫度及對(duì)應(yīng)的降溫速率變化情況分別見圖4（a）、（b）。

將試樣放入試樣架并封閉溫控箱后，可動(dòng)面板完全打開，小風(fēng)扇以最大運(yùn)轉(zhuǎn)功率轉(zhuǎn)動(dòng)，環(huán)境與木材獲得了較大的初始降溫速率（Ve為0.6 ℃/min，Vw為0.4 ℃/min），隨著干冰的消耗，Ve和Vw隨之逐漸下降。t=100 min時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，提示致冷劑余量不足。經(jīng)手動(dòng)補(bǔ)充干冰后，環(huán)境降溫速率（Ve）升至0.3 ℃/min，木材降溫速率（Vw）滯后于環(huán)境。

由圖4（a）可知，t=260 min時(shí)，環(huán)境溫度（Te）和木材溫度（Tw）開始一致，且均達(dá)到預(yù)設(shè)溫度值-20 ℃，t= 270 min開始，二者降溫速率（Ve和Vw）均為0 ℃/min，在保持10 min時(shí)開啟冷凍木材電阻的測(cè)量，記錄電阻值R1。

圖4 全程降溫試驗(yàn)溫度（a）和降溫速率（b）變化趨勢(shì)Fig.4 Temperature (a) and cooling rate (b) variation trend in the whole cooling progress test

2.2 升溫控制

2.2.1 裝置升溫調(diào)節(jié)能力試驗(yàn)

在室溫條件（20 ℃）下，選用同種規(guī)格的落葉松木材試樣，設(shè)置目標(biāo)溫度為30 ℃，通過加熱管致熱，分別記錄有無風(fēng)扇作用時(shí)環(huán)境溫度和木材溫度隨時(shí)間的變化情況，以對(duì)比驗(yàn)證裝置對(duì)試樣升溫過程的調(diào)節(jié)能力。

實(shí)測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)升溫速率約為降溫速率的8 倍，升溫周期相比于降溫周期時(shí)間更短，因此在升溫試驗(yàn)過程中每隔1 min記錄一次溫度，具體數(shù)據(jù)如表2 所示。圖5（a）顯示了降溫過程中4 種溫度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。無風(fēng)扇作用時(shí)，環(huán)境溫度（Tue）與木材溫度（Tuw）分別在t=10 min和14min時(shí)達(dá)到預(yù)設(shè)溫度30 ℃；有風(fēng)扇作用時(shí)，環(huán)境溫度（Tre）與木材溫度（Trw）分別在t=4 min和7min時(shí)達(dá)到預(yù)設(shè)溫度30 ℃，比無風(fēng)扇作用時(shí)升溫加快了50%，驗(yàn)證了裝置的溫度調(diào)節(jié)能力。

圖5 裝置升溫能力試驗(yàn)溫度（a）和升溫速率（b）變化趨勢(shì)Fig.5 Temperature (a) and heating rate (b) variation trend in the heating capacity test of the device

表2 升溫過程風(fēng)扇啟停對(duì)照試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Comparative experimental data of fan start-stop during heating process

圖5（b）為環(huán)境與木材升溫速率（Vue，Vuw，Vre和Vrw）的變化趨勢(shì)。由圖可知，無風(fēng)扇作用時(shí)，環(huán)境與木材升溫速率（Vie與Vuw）均在3 ℃/min以下。有風(fēng)扇作用時(shí)，t=1 min時(shí)，環(huán)境升溫速率（Vre=7 ℃/min）相比于同時(shí)期無風(fēng)扇作用時(shí)環(huán)境升溫速率（Vue=3 ℃/min）約增速2.3 倍，木材升溫速率（Vrw）約增速4 倍。木材和環(huán)境溫度變化速率總體均呈下降趨勢(shì)，在4 min后降至1 ℃/min左右，并小幅度波動(dòng)。這是因?yàn)?，此時(shí)Tue、Tuw和Trw均已接近預(yù)設(shè)溫度30 ℃，熱量差較小，因而從t=4 min開始，升溫速率間隔出現(xiàn)速率為0 的時(shí)刻。

有風(fēng)扇作用時(shí)環(huán)境升溫速率（Vre）變緩。t=4 min時(shí)，環(huán)境溫度（Tre）到達(dá)預(yù)設(shè)溫度30 ℃，電加熱管自動(dòng)斷電，僅保留上層小風(fēng)扇進(jìn)行低功率運(yùn)轉(zhuǎn)，以調(diào)節(jié)木材試樣升溫速率，保證木材溫度逐漸接近且不超越目標(biāo)溫度。t=7 min時(shí)，環(huán)境溫度（Tre）和木材溫度（Trw）開始一致（表2），均保持在30 ℃。

2.2.2 全程升溫電阻測(cè)量試驗(yàn)

全程試驗(yàn)初始溫度為20 ℃，設(shè)置目標(biāo)溫度為35 ℃，達(dá)到目標(biāo)溫度點(diǎn)時(shí)再次測(cè)量木材電阻（R2）。升溫過程中木材和環(huán)境溫度及升溫速率變化情況見圖6。

圖6 全程升溫試驗(yàn)溫度（a）和升溫速率（b）變化趨勢(shì)Fig.6 Temperature (a) and heating rate (b) variation trend in the whole heating process

試樣放入試樣架并封閉溫控箱后，裝置控制溫控器件以最大運(yùn)轉(zhuǎn)功率運(yùn)行，環(huán)境與木材試樣獲得了較大的初始升溫速率（7 ℃/min和4 ℃/min）。t=3 min時(shí)，環(huán)境溫度（Te）升至30 ℃，接近預(yù)設(shè)溫度（35 ℃），控制系統(tǒng)開始減緩溫度上升速率。試驗(yàn)進(jìn)行至4～16 min內(nèi)，升溫速率為0 ℃/min不代表升溫過程停止，升溫速率為0 ℃/min且保持10 min時(shí)可視為升溫過程完成。如圖6（a）所示，t=15 min時(shí)，環(huán)境溫度（Te）和木材溫度（Tw）一致，且均達(dá)到預(yù)設(shè)溫度值35 ℃，并保持10 min，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)溫度的穩(wěn)定維持。此時(shí)小風(fēng)扇停止運(yùn)轉(zhuǎn)，開啟木材電阻的測(cè)量，記錄電阻值R2。

綜上所述，本裝置可實(shí)現(xiàn)木材試樣的溫度設(shè)置、溫度控制、溫度監(jiān)測(cè)和電阻測(cè)量等功能，可有效加速熱量傳遞、控制溫度變化速率，能在木材試樣達(dá)到預(yù)設(shè)溫度值時(shí)維持其溫度穩(wěn)定、消除溫度波動(dòng)，達(dá)到試驗(yàn)預(yù)期成果。

3 結(jié)論

針對(duì)冷凍木材電阻測(cè)量過程中試樣目標(biāo)溫度變化過快和維持穩(wěn)定困難等問題，本研究設(shè)計(jì)了一款可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫的木材電阻測(cè)量裝置，并對(duì)其控溫能力進(jìn)行了驗(yàn)證。主要結(jié)論如下：

1）通過應(yīng)用單片機(jī)和傳感器等完成了三層溫控箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作，通過嵌入式系統(tǒng)與溫控器件的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了溫度的控制和維持。

2）重復(fù)試驗(yàn)表明，本裝置可實(shí)現(xiàn)-70～70 °C，尤其是0 °C以下電阻測(cè)量的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)和維持的能力，實(shí)現(xiàn)了裝置的自動(dòng)控溫功能。

3）該裝置解決了冷凍木材電阻測(cè)量中木材溫度波動(dòng)過快、平衡難等問題，提高了在溫度連續(xù)變化條件下木材電阻測(cè)量的準(zhǔn)確度。