程序温控器

[align=center][size=18px][color=#990000]TEC温控器：半导体制冷片新型超高精度温度程序PID控制器[/color][/size][/align][align=center][color=#666666]TEC Thermostat: A New Type of Ultra-high Precision Temperature Program PID Controller for Semiconductor Refrigerator[/color][/align][color=#990000]摘要：针对目前国内外市场上TEC温控器控温精度差、无法进行程序控温、电流换向模块体积大以及造价高的现状，本文介绍了低成本的超高精度PID控制器。24位模数采集保证了数据采集的超高精度，正反双向控制功能及其小体积大功率电流换向模块可用于半导体制冷、液体加热制冷循环器和真空压力的正反向控制，程序控制功能可实现按照设定曲线进行准确控制，可进行PID参数自整定并可存储多组PID参数。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align] [size=18px][color=#990000]一、TEC温控器国内外现状[/color][/size]半导体致冷片（Thermo Electric Cooler）是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的一种片状器件，可通过改变电流方向来实现加热和制冷，在室温附近的温度范围内可作为冷源和热源使用，是目前温度控制精度最高的一种温控器件。在采用半导体制冷片进行控温时，需配合温度传感器、控制器和驱动电源一起使用，它们的选择决定了控温效果和成本。温度传感器可根据精度要求选择热电偶和热电阻传感器，控制器也是如此，但在高精度控制和电源换向模块方面，国内外TEC温控器普遍存在以下问题：（1）目前市场上二千元人民币以下的国内外温控器，普遍特征是数据采集精度不高，大多是12位模数转换，无法充分发挥TEC的加热制冷优势，无法满足高精度温度控制要求。（2）绝大多数低价的TEC温控器基本都没有程序控制功能，只能用于定点控制，无法进行程序升温。（3）极个别厂家具有高精度24位采集精度的TEC温控器，但没有相应的配套软件，用户只能手动面板操作，复杂操作要求的计算机通讯需要用户自己编程，使用门槛较高，而且价格普遍很高。（4）目前国内外在TEC控温上的另一个严重问题是电源驱动模块。在具有加热制冷功能的高档温控器中，TEC控温是配套使用了4个固态继电器进行电流换向，如果再考虑用于固态继电器的散热组件，这使得仅一个电流换向模块往往就会占用较大体积，且同时增加成本。[size=18px][color=#990000]二、国产24位高精度可编程TEC温控器[/color][/size]为充分发挥TEC制冷片的强大功能，并解决上述TEC温控器中存在的问题，控制器的数据采集至少需要16位以上的模数转换器，而且具有编程功能。目前我们已经开发出VPC-2021系列24位高精度可编程通用性PID控制器，如图1所示。此系列PID控制器功能十分强大，配套小体积大功率的电流换向器，可以完全可以满足TEC制冷片的各种应用场合，且性价比非常高。[align=center][color=#990000][img=TEC温控器,650,338]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2021/12/202112232210356263_6759_3384_3.png!w650x338.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1 国产VPC-2021系列可编程PID温度控制器[/color][/align]VPC-2021系列控制器主要性能指标如下：（1）精度：24位A/D，16位D/A。（2）多通道：独立1通道或2通道。可实现双传感器同时测量及控制。（3）多种输出参数：47种（热电偶、热电阻、直流电压）输入信号，可实现不同参量的同时测试、显示和控制。（4）多功能：正向、反向、正反双向控制、加热/制冷控制。（5）PID程序控制：改进型PID算法，支持PV微分和微分先行控制。可存储20组分组PID，支持20条程序曲线（每条50段）。（6）通讯：两线制RS485，标准MODBUSRTU 通讯协议。（7）软件：通过软件计算机可实现对控制器的操作和数据采集存储。可选各种功率大小的集成式电流换向模块，只需一个模块就可以完成控制电流的自动换向，减小体积和降低成本。[align=center][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

最近实验室的一台旋转蒸发器又出现问题了，实际温度显示“---”，最开始怀疑是是温度传感器出了问题。可是换了新的温度传感器后问题依旧，打开温控部分的外壳，用万能表测量温控部分电流发现异常，果断判断是温控器出现问题。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/04/201404111907_495904_2204446_3.jpg去掉旧的的温控器，并标记好接线点。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/04/201404111912_495905_2204446_3.jpg新买来的温度控制器和原来的品牌和型号一致http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/04/201404111913_495908_2204446_3.jpg依旧说明书，连接线路。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2014/04/201404111912_495907_2204446_3.jpg用万能表测定后没用什么问题，就按原来的步骤组装，恢复原样。通电加热一切恢复正常，至此更换过程结束。多谢电工老吴的指点。

马弗炉（箱式炉）旧式指针式温控器改造为数显温控器 单位有许多使用多年的旧马弗炉，按常规应该进行更新换代了，可是由于数量较大，领导不愿意多花银子购买新的，所以一般都凑合着使用。其中有些马弗炉的炉体和炉膛都能正常使用，就是温控器（柜）太老了，绝大部分都是80年代的指针式温控仪表加接触器的控制系统，炉子控温精度和显示精度远不能满足实验室试验和生产工艺的要求。 为此本人对本单位大部分马弗炉进行了有效的技术改造，为了不增加过多的经济成本，针对不同级别的马弗炉进行了不同要求的技术改造。 本例介绍其中一种不太复杂，又经济实惠的技术改造实例，针对某马弗炉的具体情况，根据技术要求所进行的技术改造，一、马弗炉情况及相关技术参数1，马弗炉（箱式炉）外观图http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/09/201109302129_320493_1841897_3.jpg正面图，可以看出箱体维护不错，整体看上去还不算太陈旧。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/09/201109302130_320494_1841897_3.jpg侧面图（炉门打开状态），炉门活动自如，炉膛耐火砖也良好，无明显裂纹和破损。

更换电冰箱机械温控器，不是人们想象的那么高深困难。实验室一台新飞223L直冷式电冰箱发生冷藏室结霜不停机故障，采取应急措施后（见本人的：【仪器说】应急不花钱排除冰箱冷藏室结霜故障一例，https://bbs.instrument.com.cn/topic/7318834），正常工作。这不是长久之计。网购的温控器到货后，自己动手更换。下面是更换过程。电冰箱外观：[img=,690,920]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909132321129173_9335_1807987_3.jpg!w690x920.jpg[/img]上次应急处理后，冰箱温度拨盘只能设置在1附近位置，才能正常工作：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909132321155676_123_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img]首先拆下箭头所指位置两颗固定螺丝：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909132321203150_3659_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img]打开温控器（照明）盒，内部各部分名称：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909132321234683_2439_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img]这个温控器是三插脚的，分别接红线、黑线、棕线（双线）：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909132321258166_8512_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img]电路原理图如下，很简单：[img=,690,420]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909141325324397_8302_1807987_3.jpg!w690x420.jpg[/img]到这一步，断开电源后，再进行以下操作！将温感线从插孔中小心拔出：[img=,690,920]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909132324180728_518_1807987_3.jpg!w690x920.jpg[/img]温感线拔出后的情况，从其插入的长度看，温感探头位于冷藏室后壁的中间位置：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909132324195880_5870_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img]仔细观察，温感探头上有一裂纹，估计有轻微穿孔，这也解释了温控范围减小，在4档左右不能停机，只能在1档运行的原因。这个应该是制造缺陷造成的问题：[img=,690,514]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909132324232153_5078_1807987_3.jpg!w690x514.jpg[/img]松开两颗固定螺丝，从支架上卸下旧温控器：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909132324257246_2200_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img][img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909132324282858_8177_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img]从这个角度看，温控器上有4个插片：左边黄绿线是接地，右边是电触点的红、棕、黑接线，将它们一一拔下，记住位置：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909132324307801_1661_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img]下图是新的原装温控器WDF208U-101-332E（BCD-176CH），5(4)A/250V，网上价格要40元左右一只。其实，只要符合图中的两端安装孔距（约55mm）及转轴15mm高、三插脚的通用温控器，都可以使用，价格才10多元一只。[img=,690,482]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909132327356156_7763_1807987_3.jpg!w690x482.jpg[/img]把从旧温控器取下的伞齿安装到新温控器转轴上：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909132327392229_2122_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img]固定好新温控器，左右拨动扇形拨盘，应轻松自如，否则，需要适当调整拨盘与伞齿的配合：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909141320556797_6510_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img]将温控器（照明）盒恢复，在各个档位试运行，均正常：[img=,690,517]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909132327442794_3825_1807987_3.jpg!w690x517.jpg[/img][b]结束语：[/b]采用机械温控器的直冷式电冰箱，其电路结构都十分简单，便于维修。温控器故障失效的现象，不外乎两种，不制冷或不停地制冷。冷藏室后壁大面积结霜、不停机故障，一般来讲都是温控器故障，对应型号采购元件，予以更换就能解决。更换温控器，涉及市电，应具有相关电知识，注意安全。

公司中心实验室人员到外地分公司取样，途中采用车载半导体冷热箱保藏样品。该冷热箱是前几年买的，没有数字温控功能，在最热的夏季和最冷的冬季，使用效果不满意。采购一只小型数字温控器，简单改一下冷热箱的电路接线，实现了数显温控，效果不错。下面是加装过程。[b]一、车载半导体冷热箱情况[/b]内部容积11升，可用单手拎着走。[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513142174_4788_1807987_3.jpg[/img]打开前门，内部有三格，看见后壁上有两组螺丝，用于固定两组半导体制冷片，俗称“双核”，比常见的“单核”冷热箱冷却效果要好很多，可以比环境温度低20℃左右。[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513145211_845_1807987_3.jpg[/img]冷热箱后背，有两个风扇孔，这是安装有“双核”（制冷片）的识别标志（注意有个别的厂家双散热孔是假象，实际只是“单核”，要结合安装制冷片的个数察看及向商家询问清楚）：[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513145070_4225_1807987_3.jpg[/img]冷热箱的功率约75W，可以交直流供电，制冷制热手动切换：[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513149015_3904_1807987_3.jpg[/img][b]二、车载半导体冷热箱拆解及电路图[/b]用改刀卸下背盖四周的六颗固定螺丝：[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513152682_8708_1807987_3.jpg[/img]打开后背，内部的元件及功能见下图标示：[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513152384_1881_1807987_3.jpg[/img]绘出该冷热箱电路图如下：[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513156041_6974_1807987_3.jpg[/img][b]三、加装数字温控器方案[/b]1、元件采用小型12V直流数显温控器，型号XH-W3002，[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513155333_8203_1807987_3.jpg[/img]这款温控器，温控范围-50～110℃，最大电流10A，可以带动120W负荷，满足该冷热箱额定功率75W的要求：[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513156632_4508_1807987_3.jpg[/img]2、加装温控器后的电路图（机器处于制冷状态）将机器内部的12V直流电源输出端（CN3）直接接到温控器电源输入端，再将温控器输出端接到控制板CN1处（注意黄线是+极），温度传感器探头置于前门箱内。[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513160035_111_1807987_3.png[/img]3、改接线路在后背上打2个温控器安装固定孔、2个输入输出电线孔：[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513161227_7420_1807987_3.jpg[/img]将温控器装上：[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513160665_1390_1807987_3.jpg[/img]内部电路板改接线路步骤：[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513162091_1175_1807987_3.jpg[/img]考虑到不损伤内部结构和便于维修，温度传感器接线从外部走线：[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513163692_5204_1807987_3.jpg[/img]温度传感器探头从前门小缺口处引入内部：[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513166862_6086_1807987_3.jpg[/img]投入使用，效果良好：[img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513166446_2797_1807987_3.jpg[/img][img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/09/202209011513169547_3206_1807987_3.jpg[/img][b]结束语：[/b]车载半导体冷暖箱用于外出取样工作比较实用。要注意的是，单片半导体制冷片的功率很低，当气候最热或最冷时，其恒温效果差强人意。新选购时，应购买“双核”乃至“三核”有数显温控的产品。对于单核产品，就没有必要购买及加装数显温控器了。

SP-2308[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相色谱仪[/url]用F1301程序升温控制器检修三例SP-2308是北京分析仪器厂80年代的产品，由于电子元件全国产化，性能欠佳；仪器常常罢工，由于我们相距厂家较远，请厂方工程师不便，所以就近就便的请当地的维修人员进行维修，本人是仪器的使用者，全程参与检修过程，事后进行了记录；现在略加整理贴上来供大家分享，不足之处请专家斧正！首先请大家看看F1301的样子：[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/04/200904211008_145641_1615997_3.jpg[/img]它由两部分组成：温度给定、温度控制温度给定部分包括时钟、步进控制器、计数器、数-模转换器、步进显示器；温度控制部分包括温度控制器、初终温及门控制器、温限选择器、温度显示器；故障一故障现象：柱箱不升温，步进显示正常，换接定温控制器能正常升温。分析：程序升温不加热，而定温加热正常，说明色谱主机无故障； 而步进显示正常，说明故障出在温度控制部分；下面是温度控制器电原理图[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/04/200904211011_145642_1615997_3.jpg[/img][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/04/200904211114_145652_1615997_3.jpg[/img]检修过程：用万用表测正负15V电源电压正常，温控板V3电压-2V左右，测V1电压-3V左右，V2电压14V，再测3DG12基极也为14V，说明集成运算放大器F007C已坏，更换后，调整恢复正常。讨论：柱箱铂电阻在不同温度下阻值不同，经转换后V2阻值不同，V1在拨盘给定后值不变，V1 V2相比较后确定V3的值；现在V2值远大于V1，差值经A3反相输入V3，为负值，无触发脉冲，可控硅不导通，柱箱不加热。

反应釜温控系统在运行中压缩机作为其核心部分，性能是比较重要的，所以，对于压缩机的保护措施是很必要的，那么，反应釜温控系统压缩机怎么进行保护呢？　　正常工作情况下，反应釜温控系统压缩机应该吸入制冷工质的干蒸汽，若是制冷工质流量大、热负荷变化太快、操作不当都可能 吸入湿蒸汽，或者液体工质，更甚者还有润滑油进入气缸，如果进入的液体太多，来不及从排气阀排出，气缸内的压力将急剧升 高形成液击，是气缸，气阀，活塞，连杆等零件损坏。因此反应釜温控系统可采取各类保护措施，比如安装气液分离器，使夹带在低压蒸汽中的 液体分离出来，保证压缩机的干行程；安装油加热器，在压缩机起动前对润滑油加入，降低溶在润滑油中的制冷剂量；或将气阀 组件用一弹簧紧压在气缸端部，形成假盖。　　为确保反应釜温控系统电动机不过热，除了正确使用，注意维修外，还可安装反应釜温控系统过热继电器；还有缺相保护，常用的三相电动机缺相的话会导致反应釜温控系统电动机无法起动或过载，可采用反应釜温控系统过载继电器避免电动机因缺相损坏。　　反应釜温控系统排气温度保护方法主要是将温控器安放在靠近反应釜温控系统排气口处，感应到排气温 度过高时，温控器动作切断电路。反应釜温控系统机组的壳体温度过高会影响压缩机的寿命，主要因冷凝器的换热能力不足引起，故要检查冷凝 器的风量或水量、水温是否合适。并检查反应釜温控系统制冷系统内是否混入空气或其它不凝性气体，亦或吸气温度过高等原因，应注意观察并检测。　　反应釜温控系统操作人员平时也应该多多主要反应釜温控系统压缩机的维护保养，以免对压缩机造成损坏。[align=center][img=,400,400]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/08/201808131650584031_6226_3445897_3.jpg!w400x400.jpg[/img][/align]

[size=16px][color=#339999][b]摘要：针对定形相变复合材料热性能测试中ASTM C1784动态热流计法和ASTM C518稳态热流计法的高精度可编程快速温度控制问题，本文提出了采用单独两路TEC半导体热电加热制冷模组作为执行机构的解决方案。解决方案中还配备了不同加热功率的TEC控制电源模块、高精度热电阻温度传感器和超高精度PID程序控制器以构成闭环控制回路，模块式结构完全能满足两种热流计法的高精度温控需求，并便于快速搭建和开发相应的热流计法设备。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#339999][b]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align][b][size=18px][color=#339999]1. 问题的提出[/color][/size][/b][size=16px]在储能和建筑节能领域中，会使用各种新型的定形相变复合材料，这些PCM的储热性能测试通常使用ASTM C1784“采用热流计装置测量相变材料及其产品储热特性的标准测试方法”。[/size][size=16px]ASTM C1784方法是一种基于传统稳态热流计法隔热性能测试技术（HFM）的动态测试方法，称之为动态热流计法（DHFM），因此在稳态时可测量样品的导热系数，在动态时可测量样品的热焓和比热容。建立这种动态热流计法，主要是为了进行板状大尺寸相变材料多个热性能的测试，样品尺寸通常为边长100~300mm之间的正方形板材，这种尺寸易于从定形相变复合材料实际板材中取样测试，与DSC差热扫描量热仪测试中毫克量级样品形式相比更具有材料的代表性，也是DSC的一种补充拓展测试方法。[/size][size=16px]动态热流计法的测量原理如图1所示，其原理与低导热系数稳态热流计法基本相同，不同之处一是在样品的上下两面都安装有热流传感器，二是上下加热板的温度变化相同且同步，即被测样品上下两面始终处于等温边界条件。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=01.复合相变材料储热性能测试方法原理图,400,174]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306251820459091_947_3221506_3.jpg!w669x292.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 ASTM C1784测量原理示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px]动态热流计法可以测试不同温度下的热焓和比热容，同时也能测量相变材料的熔点温度区间，所以在测试过程中热板温度是以很小的间隔（如0.5~1℃）进行台阶式上升或下降，同时测量温度变化过程中的热流计输出信号，由此可确定不同温度下的测量结果。测试过程中样品上下两表面和样品中心处的温度和热流变化曲线如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=02.复合相变材料储热性能测试过程中的温度和热流变化曲线,550,322]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306251821181625_6673_3221506_3.jpg!w690x404.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 C1784法测试过程中的温度和热流变化曲线[/b][/color][/size][/align][size=16px]从上述动态热流计法的测试过程可以看出，整个测试过程对样品表面的温度变化及其控制有以下几方面的要求：[/size][size=16px]（1）台阶式温升控制过程要求产生尽可能小的温度超调，减少热流测量值的积分误差。[/size][size=16px]（2）0.5℃甚至更小的温升步长或台阶，这就要求具有温度控制具有足够高的控制精度，如至少要达到0.02℃的控温精度才能实现不超过4%的测量误差。[/size][size=16px]（3）测试过程中，需要通过多个台阶升温测试过程才能完成全温度范围的测试，整个测试试验过程非常漫长。为此需要每个台阶升温过程的时间尽可能短，特别是从一个温度上升恒定到下一个更高温度台阶时的用时越小越好，而且还需同时满足温度不超调要求。[/size][size=16px]（4）整个控温过程除了快速和无超调外要求之外，还需能进行可编程自动温度控制，可根据温度范围和温度变化步长设置温度变化程序控制曲线，由此可实现整个过程的自动测试。[/size][size=16px]为了实现动态热流计法温度控制过程中的上述几个方面要求，本文提出了以下的解决方案。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px]在储能和建筑节能领域，大量使用的是相变温度较低（几十摄氏度）的定形相变材料，因热流计的使用温度较低，因此动态热流计法也只能适合这类较低温度的复合相变材料。由此，上述动态热流法温度控制过程中所需解决的问题就是一个100℃以下的高精度快速温度控制问题。[/size][size=16px]为了在10~100℃范围内实现上述高精度可编程快速温度控制，解决方案采用的TEC半导体热电片作为热板的加热器件，在此温度范围内TEC所具备的加热和制冷功能，结合高精度热电阻温度传感器和超高精度可编程PID调节器，可实现温度快速和高精度的程序控制。整个TEC温控系统结构如图3所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=03.可编程TEC半导体热电温控系统结构示意图,690,328]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306251821401288_6099_3221506_3.jpg!w690x328.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图3 可编程TEC半导体热电温控系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px]在图3所示的TEC温控系统中，除充分利用TEC器件的加热制冷特殊功能之外，为了保证温度变化的高精度、快速和可编程控制的技术要求，本解决方案还对温度闭环控制回路的结构和其他相关器件进行了以下设计和配置：[/size][size=16px]（1）样品上下两面的温度采用各自独立的TEC模组进行温度控制，即两个TEC闭环温度控制回路。这种结构既可以用来执行ASTM C1784 动态热流计法测试，又可以执行ASTM C518热流计法测试，区别只是上下两个热板的温度控制程序不同。 [/size][size=16px]（2）特制的TEC控制电源可根据TEC热电片加热制冷功率来进行选择，适用于多个TEC片的串联或并联使用，以满足不同样品尺寸大小的温控需要。[/size][size=16px]（3）温度传感器采用了较高精度的热电阻温度传感器，如铂电阻或热敏电阻温度传感器，由此可至少达到优于0.02℃的测温精度。[/size][size=16px]（4）在高精度温度传感器基础上，为了保证控制精度，解决方案中特别配备了高精度的可编程PID控制器。此控制器的最大特点是采集和控制精度高，具有24位AD和16位DA，采用了双精度浮点运算，可使最小控制输出百分比达到0.01%，比普通的PID控制器提高了1~2个数量级。[/size][size=16px]（5）解决方案所配置的高精度控制器同时还具备程序控制功能，支持20条程序曲线的编辑。还具有PID参数自整定功能和标准MODBUS协议的RS 485通讯接口，控制器自带的计算机软件可在计算机上运行，通过通讯接口计算机可直接运行控制软件，可进行所有参数的设置，控制参数和过程参数的显示和存储。[/size][size=16px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px]综上所述，通过本文的解决方案可以高精度和快速的实现动态热流计法测试中的温度控制，同时也能满足稳态热流计法测试中的温度控制需要。特别是模块式结构非常便于搭建和开发相关的定形相变复合材料热性能测试仪器，自带的功能强大的控制软件避免了再进行繁琐和较大工作量的软件程序编写。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]~~~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align]

[color=#000099][size=14px]摘要：针对目前TEC半导体制冷器温控装置对高精度、模块化、可编程和远程控制等方面的技术需求，本文提出了一种高性价比的解决方案。解决方案的具体内容是采用模块式结构，以24位AD和16位DA超高精度PID控制器作为基础单元，采用分立模块式电源驱动器。此解决方案可根据不同应用场景选择不同功率的电源驱动器，配合带有通讯功能的PID控制器可实现灵活的组合和应用，并配合随机软件可以方便快捷的进行可编程温度控制。[/size][size=18px][b]一、问题的提出[/b][/size][/color][size=14px] TEC半导体致冷器（Thermo Electric Cooler）是一种利用半导体材料的珀尔帖效应制成的可在-60~100℃范围实现制冷和加热功能的器件。在TEC的具体控温应用中，目前普遍采用了两种形式的温度控制装置：[/size][size=14px] （1）采用专用TEC控制芯片加外围电路的定点温控模块或温控器。这种TEC温控器的功能非常有限，无论在控制精度和加热制冷功率都比较低，而且无法满足可编程的程序自动控制，很多不具备PID参数自整定功能，但优势是价格低廉。[/size][size=14px] （2）采用具有正反作用（加热和制冷）功能的通用型PID控制器，结合电源驱动器，构成的TEC温度控制仪器。尽管这些价格昂贵的TEC控制仪器具有可编程和PID参数自整定的强大功能，但这些通用型PID控制器的AD和DA位数普遍偏低，大多为12和14位，极少有16位和24位，而且基本没有配套的计算机控制软件，很多程序控制还需要软件编写才能实施。[/size][size=14px] 目前TEC温控系统的应用十分广泛，所以对TEC温控系统普遍有以下几方面的要求：[/size][size=14px] （1）具有较高的控制精度，AD位数最好是24位，DA位数为16位，并采用双精度浮点运算和最小输出百分比可以达到0.01%。[/size][size=14px] （2）可编程程序控制功能，除了任意设定点温度控制之外，还需具备可按照设定折线和冷热周期变化进行控制的功能。[/size][size=14px] （3）模块式结构，即PID控制器与电源驱动器是分立结构。这样即可用超高精度PID控制器作为基本配置，根据不同的制冷/加热对象选配不同功率的电源驱动器，由此使得TEC温控系统的搭建更合理、便捷和高性价比。[/size][size=14px] （4）具有功能强大的随机软件，通过随机软件在计算机上实现温度变化程序设定，并对温度变化过程进行采集、显示、记录和存储。[/size][size=14px] （5）具有与上位机通讯功能，通讯采用标准协议，上位机可与之通讯并对TEC温控仪进行访问和远程控制。[/size][size=14px] 针对上述对TEC温控装置的技术要求，本文提出了一种高性价比的解决方案。解决方案的具体内容是采用模块式结构，以24位AD和16位DA超高精度PID控制器作为基础单元，采用分立模块式电源驱动器。此解决方案可根据不同应用场景选择不同功率的电源驱动器，配合PID控制器可实现灵活的组合和应用，并配合随机软件可以方便快捷的进行可编程温度控制。[/size][b][size=18px][color=#000099]二、解决方案[/color][/size][/b][size=14px] 解决方案的技术路线是采用模块式结构，即将PID控制器与电源驱动器拆分为独立结构，以超高精度PID控制器作为基础单元，电源驱动器可根据实际应用场景的功率要求进行选择。解决方案的结构如图1所示。[/size][align=center][size=14px][color=#000099][b][img=分立式TEC半导体制冷器多功能控制装置解决方案结构示意图,600,442]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/11/202211231152472194_9272_3221506_3.jpg!w690x509.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][size=14px][/size][align=center][color=#000099][b]图1 分立式TEC半导体制冷器多功能控制装置解决方案结构示意图[/b][/color][/align][size=14px] 如图1所示，解决方案描述了一个典型TEC制冷器温度控制系统的整体结构。整体结构有三部分组成，分别是PID控制器、电源驱动器和TEC模组。此整体结构结合温度传感器和外置直流电源组成闭环控制回路，可实现TEC模组温度快速和高精度的程序控制。三部分具体描述如下：[/size][size=14px] （1）超高精度PID控制器：此PID控制器是一台具有分程控制功能的超高精度过程调节器，分程功能可实现不能区间的控制，自然可以实现TEC模组制冷/加热的分程控制。此控制器采用了24位AD和16位DA，是目前国际上精度最篙的工业用PID控制器，特别是采用了双精度浮点运算，使得最小输出百分比可以达到0.01%，这非常适用于超高精度的控制。另外此控制器具有无超调PID控制和PID参数自整定功能，并具有标准的MODBUS通讯协议。控制器自带控制软件，计算机可通过软件进行各种参数和控制程序设置，可显示和存储整个控制过程的设定、测量和输出三个参数的变化曲线。[/size][size=14px] （2）电源驱动器：电源驱动器作为TEC模组的驱动装置，可根据PID控制信号自动进行制冷和加热功能切换，具有一系列不同的功率可供选择，基本可满足任何TEC模组功率的需要。[/size][size=14px] （3）TEC模组：TEC模组是具体的制冷加热执行机构，可根据实际对象进行TEC片的串联或并联组合。TEC模组还包括风冷或水冷套件以及温度传感器，温度传感器可根据实际控制精度和响应速度要求选择热电偶、铂电阻或热敏电阻。[/size][size=14px] 总之，本文所述的解决方案极大便利了各种TEC半导体致冷器自动温度控制应用，既能保证温度控制的高精度，又能提供使用的灵活性和便捷性，关键是此解决方案具有很高的性价比。[/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=14px][/size][size=14px][/size]

[size=16px][color=#339999]摘要：为了解决室温至液氮温区温控系统中需要昂贵的低温电动阀门进行液氮介质流量调节的问题，本文提供了三种不同精度的液氮温区内的低温温度控制解决方案。解决方案的技术核心是通过采用电动针阀和电气比例阀在室温环境下来快速调节外部气源流量或压力大小以实现低温温度的精准控制，不再需要具备耐低温性能的低温阀门。同时，在上述两种技术方案的基础上增加了电加热形式的第三种解决方案，可实现更高精度的低温温度快速控制。[/color][/size][size=16px][/size][align=center][size=16px][img=电动针阀和电气比例阀在流动液氮气体低温温度控制中的应用,600,336]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302270648384200_9124_3221506_3.jpg!w690x387.jpg[/img][/size][/align][b][size=24px][color=#339999]1. 问题的提出[/color][/size][/b][size=16px] 对于液氮温度范围内的低温温度控制， 目前常用的方法为以下两种：[/size][size=16px] （1）直接浸泡式：即试验件完全浸泡在液氮内进行降温冷却和相应的温度控制，但采用这种方式时试验件的冷却温度无法在较宽泛的低温温区内进行控制和调节，只能在接近-196℃的温度附近通过控制液氮气压来进行小范围的调节和控制。另外，直接浸泡法往往未等试验件达到冷却保温时间，液氮已基本完全挥发。同时，这种操作方式较为简陋，对实际操作人员要求较高，稍有不慎将会有安全事故发生。[/size][size=16px] （2）液氮吹扫法：即直接采用流量可控的液氮或液氮气体进行吹扫来进行试验件低温温度调节和控制。在采用吹扫法进行低温温度控制时，液氮或液氮气体的流量大小直接关系到试验件温度的稳定性和可靠性。同时，低温介质的流量控制一直是行业的难点和痛点，这要求低温管路上的流量控制阀内的各个元器件均需要很好的耐低温特性，且价格十分昂贵。有些简陋的低温控制采用了低温开关阀进行通断式控制，尽管降低了阀门成本，但这种开关控制模式的控制精度极差。另外，低温介质的出口与试验件或热交换器内的空气直接接触，空气中的水蒸气遇冷急剧结冰，随着降温时间增长，低温介质的出口很容易被结冰堵塞。现亟需研发一种核心控制器件在常温状态下便可实现超低温控制的试验装置。[/size][size=16px] 为了解决上述液氮吹扫法中存在的问题，本文提供了三种不同精度的液氮温区宽量程温度控制解决方案。解决方案的技术核心是通过调节室温环境下的气源流量或压力大小来实现低温温度的精准控制，不再需要控制阀门具有耐低温性能。同时，在上述两种技术方案的基础上将增加电加热形式的第三种解决方案，由此可实现更高精度的低温温度控制。[/size][size=24px][color=#339999][b]2. 原理和分析[/b][/color][/size][size=16px] 在传统液氮低温温度控制的吹扫法中，普遍是直接调节液氮低温介质的吹扫流量，同时结合温度传感器和PID控制器形成闭环控制回路，通过对流量的控制最终实现低温温度控制。[/size][size=16px] 通过分析上述的传统液氮吹扫法可以发现，实现低温介质吹扫的基本原理是在液氮罐（杜瓦瓶）内形成较高的气压迫使液氮或液氮气体溢出到设定管路内形成低温介质流动，最终再通过调节流动速度来进行低温温控。因此，液氮罐中的高压气体是所有这些的关键，只要能调节气体压力，同样能在固定管路内形成不同流速的低温介质而达到控温目的。同时，这种调节液氮罐内气体压力的方式可在室温环境中实现，这样就可以避免在直接低温介质流量控制中需要使用特殊且昂贵的电动低温调节阀。[/size][size=16px] 基于上述分析，本文设计了以下三种低温温度控制方案，并可实现不同的控制精度。[/size][size=24px][color=#339999][b]3. 进气流量控制方案[/b][/color][/size][size=16px] 对于任何具有一定空间大小的容器而言，其内部压力都可以归结为进气和出气流量所达到的一种动态平衡状态。因此，如果要对液氮罐内的气体压力进行控制，有效的方法之一就是对液氮罐的进出气体流量分别进行调节使其达到动态平衡。[/size][size=16px] 需要注意的是，在实际低温温度控制系统中，液氮罐的出液口或出气口往往直接与试验件的冷却管路连接，若在液氮罐出口处对低温介质流量进行直接控制又会需要使用低温阀门，因此这时可以基出口孔径不变而不对流量进行调节，只调节液氮罐的进气流量。具体方案如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=采用电动针阀调节流量的低温冷却试验装置温控系统结构示意图,690,354]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302270650154160_155_3221506_3.jpg!w690x354.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 采用电动针阀调节流量的低温冷却试验装置温控系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 从图1可以看出，高压气体（一般为氮气）经过减压阀形成固定压力的气体，此室温高压气体流经电动针阀和进气管进入杜瓦瓶中的液氮中。室温高压气体进入液氮后使液氮形成蒸发而挥发为气体，挥发气体在使密闭杜瓦瓶中压力逐渐升高的同时，通过出气管流经试验装置中的热交换器后排出。由此可见，通过调节安装在进气管路上的电动针阀，针阀开度越大，进气口流速越快，液氮挥发越激烈，杜瓦瓶中的压力越高，最终使得流经热交换器的低温介质流速越快，相应的降温速度也越快。此方案的另一个主要特点是电动针阀可以在室温下工作。[/size][size=16px] 由此可见，这种在室温下通过调节进气流量的解决方案是通过电动针阀、温度传感器和PID程序控制器构成了一个低温闭环控制回路，从而可实现低温温度的定点控制或程序控制。但这种方案存在的问题是控温精度较差，一般会有2~5℃的温度波动，主要原因如下：[/size][size=16px] （1）由于一定流量的高压气体使得杜瓦瓶内的压力产生变化，压力的改变又使得冷却介质的流量发生改变，这个升华过程和压力变化过程比较复杂，这使得进气流量与压力以及压力与温度并不是一个简单的线性关系，这都是造成温度控制不准的主要因素。除非整个调节过程的速度非常快，但实际往往是个慢速过程。[/size][size=16px] （2）这种仅仅采用低温介质进行温度控制的技术手段存在降温快而升温慢的弊端，一旦实际温度超过设定点温度，往往需要试验件缓慢散冷才能实现回温，这也是造成低温温度控制很难实现较高精度的另一个主要原因。[/size][size=24px][color=#339999][b]4. 进气压力控制方案[/b][/color][/size][size=16px] 为了解决上述流量控制过程中存在的压力不稳定问题，本文提出的另一个解决方案就是直接对杜瓦瓶中的压力进行控制，即采用对高压气体进气口压力的调节和控制来实现杜瓦瓶内部压力的精确控制。具体方案如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=采用电气比例阀调节压力的低温冷却试验装置温控系统结构示意图,690,358]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302270651039090_5722_3221506_3.jpg!w690x358.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 采用电气比例阀调节压力的低温冷却试验装置温控系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 从图2可以看出，高压气体经电气比例阀在进气口处按照设定值进行压力控制，由此保证杜瓦瓶中的压力始终处于准确受控状态。通过电气比例阀、温度传感器和PID程序控制器构成的双闭环串级控制回路（其中电气比例阀为辅助控制回路，PID控制器与温度传感器和电气比例阀构成主控回路），通过调节比例阀的输出压力进而控制杜瓦瓶内的气体压力，杜瓦瓶中的压力越大，使得流经热交换器的低温介质流速越快，相应的降温速度也越快。由此，通过PID控制器自动根据设定点或设定程序来调节杜瓦瓶中的气体压力，从而可实现低温温度的更准确控制，规避了复杂得升华过程带来的控制不确定性。[/size][size=16px] 与前述流量控制方案相比，压力控制方案的结构同样十分简单，提高了温控系统的控温精度，同时还保留了可在室温下进行调节的优势。[/size][size=16px] 压力控制方案的另一个突出优势是可以进行大尺寸试验件的低温控制，这主要是由于大尺寸液氮杜瓦瓶内的压力控制要远比流量控制更为简便和准确，而流量控制方案会受到电动针阀口径大小对流量调节范围的限制，大口径针阀较慢的响应速度也会给温度控制带来误差。[/size][size=16px] 尽管压力控制方案是流量控制方案的升级，也提高了控温精度，但还是没有解决单一冷却方式存在的冷却快但回温慢的弊端，还存在控温精度比较有限和控温速度较慢的问题。[/size][size=24px][color=#339999][b]5. 电加热辅助进气压力控制方案[/b][/color][/size][size=16px] 为了彻底解决单一冷却方式存在的冷却块但回温慢造成控温精度不高和速度较慢的问题，本文提出了另一个优化方案，即在进气压力控制方案的基础上，在试验件上增加电热器以提供加热功能，由此提供一个主动加热装置配合冷却系统形成冷热双作用系统，在试验件温度低于设定值时自动主动加热形成微调，这样既可以实现温度快速回温达到设定值提高控制速度，同时还可以大幅度提高控温精度。具体方案如图3所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=采用电气比例阀调节压力以及辅助电热器的低温冷却试验装置温控系统结构示意图,690,387]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302270651428613_3754_3221506_3.jpg!w690x387.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图3 辅助电加热式电气比例阀调节压力的低温冷却试验装置温控系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图3所示，优化方案是在图2所示方案的基础上增加了电热器，即增加了一路纯加热功能的温度控制。同时，为了配套此加热功能的实现，除增加了一只温度传感器之外，另外还采用了VPC2021-2系列的双通道PID调节器。由此形成了两个独立控制回路，一个回路控制进气压力实现低温温度的粗调，另一回路控制加热实现低温温度的细调，由此同时保证控温速度和精度。[/size][size=24px][color=#339999][b]6. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 本文提出的解决方案，彻底解决了以往液氮温区低温控制中需要配备昂贵电动低温调节阀的问题，也解决了低温开关阀控温精度很差的问题。[/size][size=16px] 本文所述的三个解决方案，可适用和满足液氮温区内宽量程范围内不同要求的温度控制，在实际应用中可根据具体情况选择使用。其中控制流量和控制压力的方案可适用的温度控制范围为0℃~-150℃，而辅助加热器功能后控制压力方案的可控温度范围为150℃~-150℃，这里的上限温度主要受加热器耐低温特性决定。[/size][size=16px] 上述所有低温控温方案仅适用于液氮气体的吹扫形式，因此温度不是很低，但为更低温度的液氮介质直接流动冷却以及温度控制提供了技术上的借鉴。[/size][size=16px][/size][align=center][size=16px]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/size][/align]