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制冰机是一种将水通过蒸发器由制冷系统冷却后生成冰的制冷机仪器。雪花制冰机的温度传感器有三个,分别设置在搅冰机构上、冷凝器上、冰桶上。 搅冰机构上的温度传感器是用来感受温度是否比较低,甚至是传动机构阻力太大,也就是说当温度比较低时,水流受阻,搅冰机构需要的扭矩变大,电机输入电流猛增,这时候需要冲冰,打开电磁阀,让压缩机的冷媒直接进入搅冰机构,而不是经过冷凝器后再进入搅冰机构,这样的一些列工作的完成是由温度传感器来检测和控制系统进行的。 在冷凝器上的温度传感器是这样工作的,当冷凝器上的温度过高时,风扇电机产生的冷却效果来不及冷却,这时候温度传感器感受到的温度过高,通过A/D转换,把模拟信号转换成数字信号,通过程序进行判断,发出指令,控制压缩机电机的继电器是否做出相应,最终控制着压缩机的工作状态。 冰桶上的温度传感器的作用是控制着冰块是否达到一定的高度,当冰块达到一定的高度后,感温传感器感受到,温度比较低时,一般设置的温度为7度,也是通过A/D模块进行模数转换,通过程序判断,作出相应的指令,指令发出,控制着整个系统的通断判断,最终控制着系统的运行与否。
[size=16px][color=#339999]摘要:为解决石英晶体微量天平这类压电传感器频率温度特性全自动测量中存在的温度控制精度差和测试效率低的问题,本文在TEC半导体制冷技术基础上,提出了小尺寸、高精度和全自动程序温控的解决方案,给出了温控装置的详细结构和实现高精度温度程序控制的具体手段。解决方案在为压电传感器频率温度特性测量提供精密温控能力的同时,关键是可快速进行全过程的自动温度程序运行,由此既保证精度又提高效率。[/color][/size][size=16px][color=#339999][/color][/size][align=center][size=16px][img=TEC半导体制冷加热式微型高精度温度环境试验箱在压电传感器频率温度特性测试中的应用,550,309]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302141513442750_3958_3221506_3.jpg!w690x388.jpg[/img][/size][/align][b][size=18px][color=#339999]1. 问题的提出[/color][/size][/b][size=16px] 石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance,QCM)作为一种超高灵敏的质量检测装置,其测量精度可达纳克级,并广泛应用于化学、物理、生物、医学和表面科学等领域中,用以进行气体、液体的成分分析以及微质量的测量、薄膜厚度及粘弹性结构检测等。石英晶体微天平实际上是一种压电传感器,它利用了石英晶体的压电效应,将石英晶体电极表面质量变化转化为石英晶体振荡电路输出电信号的频率变化,进而通过计算机等其他辅助设备获得高精度的测量结果。石英晶体微天平除了具有高灵敏度高和高精度之外,最大特点是结构简单和成本低,它由一薄的石英片组成,两侧金属化,提供电接触。QCM的工作原理类似于用于时间和频率控制的晶体振荡器,但QCM表面常暴露在周围环境中,且对环境温度变化非常敏感,QCM的一个重要技术指标就是频率温度特性。在QCM的具体应用中,温度变化会严重影响QCM测量结果,因此准确测量频率温度特性是表征评价QCM的一项重要内容。但在目前的各种频率温度特性测试装置中,特别是高精度温度控制装置,还存在以下问题:[/size][size=16px] (1)在常用的-10~+70℃的温度范围内需要对QCM进行多个设定点的高精度温度控制和频率测量,而目前常用温控技术往往控制精度偏低,若提高控制精度又带来测试时间过长的问题。[/size][size=16px] (2)专门用于压电晶体频率温度特性测试的恒温装置往往体积普遍偏大,内部温度均匀性较差,同样会带来温控精度差的问题,仅能用于批量压电晶体较低精度的频率温度特性测试。[/size][size=16px] (3)尽管采用了TEC半导体制冷技术可实现QCM的高精度温度控制,实现了小型化和快速温控和频率测量,但存在的问题是多个温度点的自动化程序控制能力差,无法实现全温度区间内多个温度点的自动控制和频率测量。[/size][size=16px] 为了解决QCM这类压电传感器频率温度特性全自动测量中存在的上述问题,本文在TEC半导体制冷技术基础上,提出了高精度和全自动程序温控的解决方案,给出了温控装置的详细结构和实现高精度温度程序控制的具体手段。解决方案在为压电传感器频率温度特性测量提供精密温控能力的同时,关键是可快速进行全过程的自动温度程序运行,由此既保证精度又提高效率。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 为了进行石英精度微天平(QCM)的频率温度特性测量,需要将QCM放置在一个受控的热环境中。为了提高热环境的温度控制精度,热环境的尺寸空间较小,并采用TEC模组进行加热和制冷,整个热控装置的结构如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=压电传感器频率温度测量温控系统示意图,690,209]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/02/202302141516237559_7391_3221506_3.jpg!w690x209.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 石英精度微天平频率温度特性温控装置结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图1所示,TEC被放置在铝制均热套和散热器之间,铝制均热套作为热稳定工作的密闭腔体,为整个腔体提供均匀的温度环境。散热器直接浸泡在水浴中使得TEC的工作表面达到较低的负温度,散热器也可以直接采用水冷板,水冷板内通循环冷却水。[/size][size=16px] 另外,在频率温度特性测试过程中,TEC要提供高低温范围内温度控制,那么在高低温运行时,TEC工作表面和散热器之间存在较大差异,因此,在TEC周围布置隔热材料以减少其两侧之间的热流,从而增加TEC工作面的温度均匀性。[/size][size=16px] 铝制均热套放置在TEC工作表面的顶部,在均热套与TEC之间采用银胶以减小均热套与TEC工作表面之间的接触热阻,铝制均热套被隔热材料包裹以减少与环境的热交换。[/size][size=16px] 在铝制均热套内布置了两只电阻型温度传感器,其中一只安装在铝制均热套的侧壁上作为控温传感器,此温度信号提供给超高精度的PID控制器进行温度自动控制。另一只用来测量固定在铝制支架上的QCM组件温度。[/size][size=16px] 在图1所示的温控装置中,为满足不同尺寸和结构的TEC温控装置,采用了独立的TEC换向电源以满足不同加热功率的需要。在温控器方面,则采用了超高精度的PID控制器,可直接对TEC进行加热制冷双向控制,其中AD为24位,DA为16位,最小输出百分比为0.01%,PID参数自整定,可编程程序控制,由此可实现高精度的温度控制。[/size][size=16px] 对于图1所示结构的温控装置,在全温区范围内设定点从-10变化到+70℃,步进5℃,其温度控制可实现±12mK的温度稳定性和±15mK的设定值精度。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 上述压电传感器频率温度特性测试的温控解决方案,主要具备以下几个特点:[/size][size=16px] (1)采用了TEC半导体制冷组件,可低成本的实现压电传感器频率温度特性测试过程中的精密温度控制,并使得整个频率温度特性测试装置的体积非常小巧。[/size][size=16px] (2)整个温控结构的设计简便,但可以实现0.02℃以内的控制精度和重复性,完全能满足各种压电传感器的频率温度特性测试需要。[/size][size=16px] (3)由于采用了目前最高精度的工业级可编程PID控制器,具有24位AD、16位DA和0.01%的最小输出百分比,这是实现高精度TEC温度控制的必要条件。[/size][size=16px] (4)高精度的可编程PID控制器可按照设定程序进行全测试过程的温度自动控制,设定程序可通过随机的计算机软件进行编辑和修改,控制过程参数可自动进行显示和存储。[/size][size=16px] 总之,本文为实现高精度、简便小巧和低价格的压电传感器频率温度特性测试中的温度控制提供了切实可行的解决方案,为单个或少量压电传感器稳频特性评价提供了有效的技术途径。[/size][size=16px][/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]
一、温度测量的基本概念(温度传感器有双金属温度计、热电偶、热电阻等)1、温度定义:温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量,而用来量度物体温度 :数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点(零点)和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。摄氏温标(℃)规定:在标准大气压下,冰的熔点为0度,水的沸点为100度,中间划分100等份,每等分为摄氏1度,符号为℃。华氏温标(℉)规定:在标准大气压下,冰的熔点为32度,水的沸点为212度,中间划分180等份每等份为华氏1度符号为℉。热力学温标(符号T)又称开尔文温标(符号K),或绝对温标,它规定分子运动停止时的温度为绝对零度。国际温标:国际实用温标是一个国际协议性温标,它与热力学温标相接近,而且复现精度高,使用方便。目前国际通用的温标是1975年第15届国际权度大会通过的《1968年国际实用温标-1975年修订版》,记为:IPTS-68(REV-75)。但由于IPTS-68温度存在一定的不捉,国际计量委员会在18届国际计量大会第七号决议授权予1989年会议通过1990年国际ITS-90,ITS-90温标替代IPS-68。我国自1994年1月1日起全面实施ITS-90国际温标。1990年国际温标:a、温度单位:热力学温度是基本功手物理量,它的单位开尔文,定义为水三相点的热力学温度的1/273.16,使用了与273.15K(冰点)的差值来表示温度,因此现在仍保留这个方法。根据定义,摄氏度的大小等于开尔文,温差亦可用摄氏度或开尔文来表示。国际温标ITS-90同时定义国际开尔文温度(符号T90)和国际摄氏温度(符号t90)。b、国际温标ITS-90的通则:ITS-90由0.65K向上到普朗克辐射定律使用单色辐射实际可测量的最高温度。ITS-90是这样制订的即在全量程,任何于温度采纳时T的最佳估计值,与直接测量热力学温度相比T90的测量要方便的多,而且更为精密,并且有很高的复现性。c、ITS-90的定义:第一温区为0.65K到5.00K之间,T90由3He和4He的蒸汽压与温度的关系式来定义。第二温区为3.0K到氖三相点(24.5661K)之间T90是氦气体温度计来定义。第三温区为平蘅氢三相点(13.8033K)到银的凝固点(961.78℃)之间,T90是由铂电阻温度计来定义,它使用一组规定的定义内插法来分度。银凝固点(961.78℃)以上的温区,T90是按普朗克辐射定律来定义的,复现仪器为光学高温计。二、温度测量仪表的分类温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。通常来说接触式测温仪表比较简单、可靠、测量精度较高;但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交金刚,需要一定的时间才能达到热平衡,所以存在测温的延迟现象,同时受耐高温材料的限制,不能应用于很高的温度测量。非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的,测量元件不需要与被测介质接触,测温范围广,不受测温上限的限制,也不会破坏被测物体的温度场,反应速度一般也比较快;但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响,其测量误差较大。三、传感器的选用国家标准GB7665-87对传感器下的定义是:“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。(一)、现代传感器在原理与结构上千差万别,如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理选用传感器,是在进行某个量时首先要解决的问题。当传感器确定之后,与之相配套的测量方法和测量设备也可以确定了。测量结果的成败,在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型:要进行一个具体的测量工作,首先要考虑采用何种原理的传感器,这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为,即使测量同一物理量,也有多种原理的传感器可供选用,那一种原理的传感器更为合适,则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下具体问题:量程的大小;被测位置对传感器的体积要求;测量方式为接触式或非接触式;信号的引出方法,有线或是非接触测量;传感器的来源,是进口还是国产的,价格能否接受,还是自行研制。2、灵敏度的选择:通常,在传感器的线性范围内,希望传感器的灵敏度越高越好,因为只有灵敏度高时,与被测量变化对应的输出信号才比较大有利于信号处理。但要注意的是,传感器的灵敏度高,与被测量无关的外界噪声也容易混入,也会被放大系统放大,影响测量精度,因此要求传感器本身具有很高的信躁比,尽量减少从外界引入的厂忧信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量,而且对其方向性要求较高,则应选择其它方向灵敏度小的传感器,如果被测量是多维向量,则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。3、频率响应特性:传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围,必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件,实际上传感器的响应总有一定的延迟,希望延迟越短越好。传感器的频率响应高,可测的信号频率范围就宽,而由于受到结构特性的影响,机械系统的惯性较大,因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中,应根据信号的特点(稳态、随机等)响应特性,以免产生过火的误差。4、线性范围:传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围。从理论上讲,在此范围内,灵敏度保持定值,传感器的线性范围越宽,则其量程越大,并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时,当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上,任何传感器都不能保证绝对的线性,其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时,在一定的范围内可以将非线性误差较小的传感器近似看作线性,这会给测量带来极大的方便。5、稳定性:传感器使用一段时间后,其性能保持不变化的能力称稳定性。影响传感器长期稳定的因素除传感器本身结构外,主要是传感器的使用环境。因此,要使传感器具有良好的稳定性,传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前,应对其使用环境进行调查,并根据具体的使用环境选择合适的传感器,或采取适当的措施,减少环境影响。在某些要求传感器能长期使用而又轻易更换或标定的场合,所选用的传感器稳定性要求更严格,要能够经受住长时间的考验。6、精度:精度是传感器的一个重要的性能指标,它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高,其价格越昂贵,因此,传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以,不必选得过高,这样就可以在满足同一测量的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的,选用重复精度高的传感器即可,不宜选用绝对量值精度高的;如果是为了定量分析,必须获得精确的测量值,就需选用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合,无法选到合适的传感器,则需自行设计制造传感器,自制传感器的性能应满足使用要求。(二) 测温器:1、热电阻:热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高,性能稳定。其中铂热电阻的测量精度是最高的,它不广泛应用于工业测温,而且被制成标准的基准仪。① 热电阻测温原理及材料:热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由金属材料制成,目前应用最多的是铂和铜,此外,现在已开始采用铑、镍、锰等材料制造热电阻。② 热电阻测温系统的组成:热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和数码温度控制显示表等组成。必须注意两点:“热电阻和数码温度控制显示表的分度号必须一致;为了消除连接导线电阻变化的影响,必须采取三线制接法。”2、热敏电阻:NTC热敏电阻器,具有体积小,测试精度高,反应速度快,稳定可靠,抗老化,互换性,一致性好等特点。广泛应用于空调、暖气设备、电子体温计、液位传感器、汽车电子、电子台历等领域。3、热电偶:热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是:① 测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触,不受中间介质影响。② 测量范围广。常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量,某些特殊热电偶最低-269℃(如金铁镍铬),最高可达+2800℃(如钨-铼)。③ 构造简单,使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成,而且不受大小和开头的限制,外有保护套管,用起来非常方便。(1).热电偶测温基本原理将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来,构成一个闭合回路。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时,两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。(2).热电偶的种类常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶,它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电