一種基于記憶合金的無源低成本多溫度階梯自控裝置設(shè)計(jì)

鄒月江，曾潮旭，徐會(huì)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(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，成都 610059）

0 引言

近年來，溫控系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、日常生活以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，各行各業(yè)對(duì)溫控裝置的需求也越來越多[1,2]。溫控技術(shù)分為高精度溫度控制系統(tǒng)和溫控開關(guān)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的溫控開關(guān)系統(tǒng)工作原理一般由溫度傳感器對(duì)環(huán)境溫度或設(shè)備溫度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)所測(cè)溫度高于或低于所設(shè)定的溫度時(shí)，溫度控制系統(tǒng)電路控制加熱器或制冷器或散熱風(fēng)扇工作，直到達(dá)到設(shè)備所需正常溫度，再由溫控系統(tǒng)電路控制加熱器或制冷器停止工作。目前，電子式溫控開關(guān)模塊大多采用“模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片+單片機(jī)”的方式實(shí)現(xiàn)溫度開關(guān)的邏輯控制，需要進(jìn)行嵌入式軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)，存在開發(fā)周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)[3,4]。形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，簡(jiǎn)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(yīng)[6]，可以在高于奧氏體化溫度As 的環(huán)境下將形狀記憶合金體制成第一形狀、目標(biāo)形狀或初始狀態(tài)。接著，在溫度低于奧氏體溫度As 的環(huán)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(fù)成預(yù)設(shè)形狀。本文針對(duì)現(xiàn)有溫控開關(guān)裝置的不足，利用記憶合金在不同溫度下改變形狀時(shí)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力，設(shè)計(jì)了一種無源低成本多溫度階梯自控裝置。

1 現(xiàn)有溫控裝置介紹

侯盼衛(wèi)等采用鉑電阻型溫度傳感器PT100 采集環(huán)境溫度，可通過調(diào)整比較器輸入端的閾值電壓設(shè)置溫度的上下限閾值，比較器和D 觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)溫控開關(guān)的邏輯控制[8]。

溫控開關(guān)電路系統(tǒng)框圖如圖1 所示。其中，電壓基準(zhǔn)源產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)，而溫度傳感器中的電阻變化通過電橋電路轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后輸出。該信號(hào)再由放大電路放大，然后經(jīng)由比較電路使之與設(shè)定完成的上下閾值作比較，比較結(jié)果以數(shù)字信號(hào)的形式輸出再由邏輯判斷電路判斷，最后由執(zhí)行電路根據(jù)邏輯判斷電路的輸出控制加熱器工作。

圖1 溫控開關(guān)電路系統(tǒng)框圖Fig.1 Temperature control switch circuit system block diagram

李文華等采用STC89C52 單片機(jī)作為控制器，采用精度較高，偏差小于1k 的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20 作為溫度測(cè)量芯片，直接向單片機(jī)傳輸數(shù)字信號(hào)，通過控制三極管對(duì)繼電器進(jìn)行控制進(jìn)而控制加熱裝置開啟與關(guān)閉。電源電路先通過變壓器、整流橋?qū)⒔涣?20V 電壓轉(zhuǎn)換為直流12V，再通過7805 芯片將直流12V 轉(zhuǎn)換為直流5V，供系統(tǒng)電路使用?，F(xiàn)有溫控系統(tǒng)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(tǒng)在某些環(huán)境下的構(gòu)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(shè)計(jì)

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(qiáng)、金屬強(qiáng)度高、生物相容性優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，Ni-Ti 合金的形變溫度、形變范圍和形變應(yīng)力都可以根據(jù)需要訓(xùn)練調(diào)節(jié)，形變溫度精度可以控制在±1℃以內(nèi)，形變力可以設(shè)計(jì)達(dá)到幾N牛到幾千N 牛，已在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、航天、建筑等許多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。一般的金屬在作用力使其形變超過屈服點(diǎn)后無法恢復(fù)，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(fù)高溫，則金屬會(huì)形變到原本高溫下的形態(tài)，具有形狀記憶效應(yīng)。鎳鈦記憶合金有3 種：?jiǎn)纬逃洃浐辖?、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(yīng)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(fù)原有形狀。雙程記憶合金是在加熱時(shí)恢復(fù)高溫時(shí)的形狀，在冷卻時(shí)恢復(fù)低溫時(shí)的形狀。全程記憶合金在加熱時(shí)恢復(fù)高溫時(shí)的形狀，在冷卻時(shí)得到形狀相同取向相反的低溫相形狀[9]。形狀記憶效應(yīng)種類見表1。

表1 形狀記憶效應(yīng)種類Table 1 Types of shape memory effect

本設(shè)計(jì)欲達(dá)到的效果為開關(guān)柜內(nèi)溫度升高到預(yù)定值時(shí)，形狀記憶合金長(zhǎng)度縮短使動(dòng)觸頭與靜觸頭接觸，啟動(dòng)散熱風(fēng)扇運(yùn)行，而在溫度降低到閾值之下時(shí)，形狀記憶合金彈簧長(zhǎng)度復(fù)原使動(dòng)靜觸頭分離，即SMA 彈簧在溫度上升時(shí)要求膨脹伸長(zhǎng)變成馬氏體相，降溫后恢復(fù)形變回到奧氏體相。因此，選用雙程記憶合金制作測(cè)量和控制記憶合金彈簧。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種由記憶合金彈簧、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、開關(guān)機(jī)構(gòu)、絕緣外殼組成的自控裝置。記憶合金彈簧沿軸向與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作由記憶合金彈簧的伸縮控制，開關(guān)機(jī)構(gòu)的分合狀態(tài)由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括傳動(dòng)桿、復(fù)位彈簧、蓄力彈簧。傳動(dòng)桿為傳動(dòng)裝置與記憶合金彈簧物理接觸，復(fù)位彈簧的作用在于在記憶合金彈簧帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作后，將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)位至起始狀態(tài)，蓄力彈簧的作用在于為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供一定的動(dòng)作應(yīng)力。開關(guān)機(jī)構(gòu)包括動(dòng)觸頭與靜觸點(diǎn)，其中動(dòng)觸頭為簧片的形式，至少控制一個(gè)常閉觸點(diǎn)和一個(gè)常開觸點(diǎn)的動(dòng)作。絕緣外殼為所有機(jī)構(gòu)的支撐體，且?guī)в锌勐?lián)組結(jié)構(gòu)，可通過該結(jié)構(gòu)進(jìn)行多裝置聯(lián)組使用。

溫度自控裝置初始狀態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中，1 為記憶合金彈簧，2 為傳動(dòng)桿，3 為復(fù)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(tài)結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，如圖2 中通過將一端固定于絕緣外殼，另一端與傳動(dòng)桿上的螺帽凸起結(jié)構(gòu)相連接，通過調(diào)節(jié)螺帽凸起的溫度，可以改變裝置的動(dòng)作溫度。例如，螺帽若將記憶合金彈簧的初始長(zhǎng)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(zhǎng)度壓縮至較長(zhǎng)，則溫度限位較高。

傳動(dòng)桿與蓄力彈簧51、52 通過轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)連接，當(dāng)傳動(dòng)桿發(fā)生軸向位移時(shí)，蓄力彈簧的力會(huì)隨之變化，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。蓄力彈簧通過轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)與簧片連接。當(dāng)記憶合金彈簧隨著溫度升高發(fā)生長(zhǎng)度伸長(zhǎng)的變化時(shí)，會(huì)帶動(dòng)傳動(dòng)桿發(fā)生位移，進(jìn)而使蓄力彈簧的軸方向及其軸力發(fā)生變化。當(dāng)蓄力彈簧的軸方向與簧片長(zhǎng)度方向在同一條直線上時(shí)，蓄力彈簧的蓄力達(dá)到最大。蓄力彈簧的最大蓄力以及簧片與觸點(diǎn)61、62、63、64 的接觸面積由所需控制電路的最大電流值設(shè)定。

若記憶合金彈簧繼續(xù)伸長(zhǎng)，如圖3 所示，則在傳動(dòng)桿位移作用下，蓄力彈簧將反方向釋放儲(chǔ)能，將簧片與靜觸頭61、63 分離并與靜觸頭62、64 接觸，實(shí)現(xiàn)常閉觸點(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)閉合，即開關(guān)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，裝置狀態(tài)由圖2變化至圖3。

圖3 動(dòng)作狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of action state structure

當(dāng)溫度下降時(shí)，在記憶合金彈簧與復(fù)位彈簧的共同作用下，傳動(dòng)桿將逐漸恢復(fù)至初始位置，過程中蓄力彈簧將再次重復(fù)蓄力到釋放的動(dòng)作，進(jìn)而使得簧片再次與靜觸點(diǎn)61、63 接觸，如圖2 所示，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及開關(guān)機(jī)構(gòu)的復(fù)位，裝置狀態(tài)由圖3 變化至圖2。

上述過程為單個(gè)溫度自控裝置的動(dòng)作過程，若將多個(gè)單裝置通過外殼上的聯(lián)組結(jié)構(gòu)聯(lián)組使用，即可實(shí)現(xiàn)多溫度階梯控制，3 個(gè)單裝置聯(lián)組使用如圖4 所示，可實(shí)現(xiàn)三階溫度階梯控制。

圖4 3個(gè)單裝置聯(lián)組使用示意圖Fig.4 Schematic diagram of three single device combinations

為確保溫度檢測(cè)準(zhǔn)確，SMA 溫控裝置仍安裝于開關(guān)柜原溫度傳感器處，選用的SMA 彈簧在溫度70℃±1℃時(shí)形變，形狀記憶合金彈簧動(dòng)作時(shí)提供的應(yīng)力大于使復(fù)位彈簧收縮的彈力。經(jīng)測(cè)量要使動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)穩(wěn)定接觸，SMA彈簧受熱形變伸長(zhǎng)后長(zhǎng)度大于25 mm，用拉力計(jì)測(cè)試SMA彈簧應(yīng)力見表2。

表2 SMA彈簧應(yīng)力測(cè)試結(jié)果Table 2 SMA Spring stress test results

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)，要使動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)穩(wěn)定接觸，所需平均應(yīng)力應(yīng)為8.5N。為確保SMA 溫控系統(tǒng)穩(wěn)定工作，則應(yīng)力不應(yīng)小于8.9N。據(jù)此定制了4 個(gè)檔位的SMA 彈簧。

根據(jù)本設(shè)計(jì)制作的簡(jiǎn)易樣品，在安裝有3 個(gè)散熱風(fēng)扇的10kV 大容量（4000A）開關(guān)柜上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。將聯(lián)組后的溫控系統(tǒng)串接于開關(guān)柜內(nèi)3 個(gè)散熱風(fēng)扇的開關(guān)與電源之間，對(duì)應(yīng)3 個(gè)檔位，再將第四組溫控開關(guān)串接于安裝在高電壓實(shí)驗(yàn)室開關(guān)柜主斷路器內(nèi)部左側(cè)的分勵(lì)脫扣器控制線兩端。模擬測(cè)試時(shí)，在開關(guān)柜底部鋪設(shè)4 組電熱絲，由外部電源控制電熱絲逐級(jí)開啟來實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜內(nèi)4 個(gè)階段的溫升。由溫度自控裝置根據(jù)開關(guān)柜內(nèi)溫度控制開關(guān)柜3個(gè)散熱風(fēng)扇的投切。溫控裝置分為3 個(gè)檔位，當(dāng)溫控系統(tǒng)安裝處溫度達(dá)到50℃時(shí)開啟一個(gè)風(fēng)扇，當(dāng)柜內(nèi)溫度達(dá)到55℃時(shí)開啟2 個(gè)風(fēng)扇，當(dāng)溫度達(dá)到60℃時(shí)開啟3 個(gè)風(fēng)扇。設(shè)計(jì)當(dāng)柜內(nèi)溫度超過65℃時(shí)，第四組溫控開關(guān)的記憶合金彈簧形變達(dá)到最大，動(dòng)觸點(diǎn)與62、64 號(hào)靜觸點(diǎn)接觸后導(dǎo)通分勵(lì)脫扣器線圈，使得開關(guān)柜主斷路器分閘來保護(hù)設(shè)備及人員安全。安裝在開關(guān)柜內(nèi)的簡(jiǎn)易樣品如圖5 所示。

圖5 安裝在開關(guān)柜內(nèi)的簡(jiǎn)易樣品Fig.5 Simple sample installed in the switchgear

與現(xiàn)有溫控裝置相比，本設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）采用記憶合金材料來控制傳動(dòng)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(diào)節(jié)傳動(dòng)桿與記憶合金彈簧的連接位置，就可以實(shí)現(xiàn)設(shè)定開關(guān)溫度動(dòng)作的目的，達(dá)到使用環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的效果。

2）本設(shè)計(jì)記憶合金彈簧既是溫度傳感器，又是溫控執(zhí)行器，不需要電源，不需要另設(shè)溫度傳感器、控制電源和繼電器，使用方法與普通開關(guān)一樣，可實(shí)現(xiàn)就地控制。SMA 彈簧不受開關(guān)柜內(nèi)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(shè)計(jì)提供的溫控裝置單個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)定單個(gè)溫度限位，在多個(gè)結(jié)構(gòu)聯(lián)組使用時(shí)可通過設(shè)定各個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)的記憶合金彈簧與傳動(dòng)桿的連接位置，進(jìn)而設(shè)定記憶合金彈簧的初始?jí)嚎s量使得各個(gè)結(jié)構(gòu)處于不同的溫度限位。

3 結(jié)語

1）本文總結(jié)現(xiàn)有溫控裝置不足，利用記憶合金溫度形變特性，設(shè)計(jì)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(yù)設(shè)長(zhǎng)度與塑性長(zhǎng)度可以按所需溫度限位、阻尼系數(shù)和開關(guān)應(yīng)力范圍預(yù)設(shè)。

2）該裝置可以在溫度到達(dá)所設(shè)溫度限位時(shí)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(huán)境下，有效地開合規(guī)定電流的電路。

3）該溫度自控裝置具有溫度限位可調(diào)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無需控制電源，具有較大的開合能力，可聯(lián)組多溫度階梯控制，不受濕度凝露影響等優(yōu)點(diǎn)，安全性高，可用于開關(guān)柜、變壓器等電力設(shè)備散熱溫度控制。