可编程序控制仪

[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][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]