小型高精度恒溫箱設計

中國工程物理研究院應用電子學研究所 余麗霞 馬 社 崔 云俊

1.概述

高精度恒溫箱用于高精度傾角傳感器的環境溫度控制，由于傾角傳感器要求精度高，要求恒溫箱的控制精度達到±0.1℃。因此，需要對高精度恒溫箱進行精確設計才能達到設計要求。

2.技術要求

工作環境溫度-20℃～+60℃；

控制精度±0.1℃；

從開始工作到溫度穩定所需時間小于0.5小時。

3.技術實現

3.1 溫度控制電路設計

1)控制電路設計

本系統采用直流的半導體電熱制冷片作為核心加熱制冷元件。半導體電熱制冷片是利用物理現象中的帕爾貼效應，靠電子-空穴在運動中直接傳遞能量來實現的。當直流電通過兩種不同半導體材料串聯成的電偶時，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，所以將半導體制冷片的一面貼合在要加熱或制冷的液體一側，通過控制半導體制冷片的電壓方向就可以達到加熱或制冷的目的。半導體制冷技術的優點是結構簡單、體積?。粺o振動、噪聲小、壽命長、維修方便；啟動快、控制靈活。

在系統中引入H橋驅動電路對半導體電熱制冷片進行控制。如圖1所示，當控制信號PTC1為高電平，PTC2為低電平時，左側臂兩個8550三極管Q1和Q2導通，由于上、下兩個MOS管分別為P溝道和N溝道MOS管，所以任何時刻只能有1個導通，而此時上面的P管，即Q5導通；而另外一臂上，兩個三極管Q3和Q4都沒有導通，此時下面的N溝道MOS管Q8導通，于是在半導體制冷片兩端形成12V電壓差，制冷片開始加熱（或制冷）。同理，當PTC1為低電平，PTC2為高電平時，此時半導體制冷片電壓翻轉，原來加熱（或制冷）的一面開始制冷（或加熱）。

2)溫控算法

高精度恒溫箱的溫控過程是典型的含滯后的慣性控制對象，可以采用傳遞函數其中T為慣性時間常數，τ為滯后時間常數）來描述。慣性為恒溫箱存儲能量的能力的體現，滯后是指恒溫箱的外溫度擾動和溫控裝置的溫度變化需要經過一段時間的延遲才會對傾角傳感器產生影響。

由于介質溫度的變化實質上是能量傳遞的結果，其溫度參數不可能發生很快的變化。所以一般情況下，溫度對象都是含有純滯后環節的。對于此類的系統，采用普通PID控制器很難達到所希望的控制效果。只有采用特殊的控制算法才能達到預期的動態響應。

過程的純滯后對控制系統品質的影響不是取決于τ的絕對值的大小，而是與過程慣性時間常數T之比(/Tτ)的大小有關。通常當/Tτ＞0.5時，就可以當做是大純滯后過程來加以控制了。

圖1 H橋驅動電路

施密斯（Smtih)預估補償控制的思路就是引入合適的反饋補償環節，使系統閉環傳遞函數的分母項中不含有純滯后環節，如圖3所示。

由圖3可得引入補償環節后的傳遞函數為：

即為Smith預估補償控制，如圖4所示。

由于這一算法要求知道0()G s的確切參數，實際上只能得到近似參數，因此在實際使用過程中采用了多個溫度傳感器進行溫度測量來進行輔助控制。

圖2 數字PID算法結構

圖3 引入補償環節的控制框圖

圖4 Smith預估補償控制

在實際研制過程中把恒溫箱的控制溫度設定成根據環境溫度可調節的，這樣根據環境溫度適當的選擇恒溫箱內部的控制溫度，大大提高了恒溫箱的控制精度和可靠度。

表1 環境溫度與恒溫箱溫度對比標定（單位°C）

圖5 高精度恒溫箱結構圖

圖6 高精度恒溫箱腔體

圖7 高精度恒溫箱

3.2 結構設計

只有性能良好、結構設計合理的恒溫箱與控制電路緊密配合，才能獲得高的溫度穩定度，從而保證頻率穩定度。對恒溫箱的結構主要要求是：密封性能好；保溫層導熱系數小，以保證保溫性能好；根據傾角傳感器的使用要求，選擇剛度大、保溫性能好的材料。

1）高精度恒溫箱結構設計

高精度恒溫箱由腔體和控制箱兩部分組成，其結構如圖5所示，腔體內包含傾角傳感器和恒溫控制所需的傳感器和執行器，控制箱內包括溫度探測信號放大電路、控制器及其外圍電路、電源電路、控制信號輸出放大電路、信號顯示電路等；且在控制箱內完成恒溫控制算法。傾角傳感器信號和溫度傳感器信號均為模擬信號，為避免干擾分別從不同航空頭進行導線的連接。

2）腔體結構設計

腔體組成及內部結構如圖6所示。

恒溫箱腔體主要由2個傾角傳感器、5個溫度傳感器、半導體電熱制冷片、高強度隔熱層、航空頭等幾部分組成。溫度傳感器均布于腔體內用于殼體內溫度檢測，半導體電熱制冷片用于加熱或制冷，高強度隔熱殼一方面用于安裝及支撐，另一方面起隔熱作用，航空頭A用于傾角傳感器和溫度傳感器的內外連接，航空頭B用于半導體電熱制冷片的內外連接。

3.3 材料選型

恒溫箱體積要求小，可以減少起始加熱功率、減小溫度波動。由于受隔熱層厚度和傾角傳感器體積的限制，需要減小電路板尺寸，縮小加熱部分的體積等方面綜合考慮。

在元器件的選擇上，在滿足性能指標的前提下，盡量選用了體積小的電子化元件。半導體加熱制冷器件選用的是TEC1-12709T127，溫度傳感器選用的是ADT7310，單片機選用的是mega128。

恒溫箱箱體采用導熱系數為0.025W/(m2?K)、厚度為10mm的硬質聚氨酯泡沫塑料。硬質聚氨酯泡沫的泡孔以閉孔為主，具有極低的導熱系數、較低的密度、一定的強度和硬度，電學性能、隔聲抗震效果優良。

考慮到傾角傳感器的工作環境，其安裝面必須是剛度很大的材料。所以經過調研選擇了剛度大且導熱系數低的15mm厚環氧板作為恒溫箱內部傾角傳感器的底板安裝材料。

4.試驗

根據技術要求研制的高精度恒溫箱如圖7所示，箱體體積為：205mm×205 mm×130mm。

把恒溫箱放于計量中心標準溫濕度檢定箱中，得到的數據如表1所示。從表中可以看出，恒溫箱精度滿足使用要求。

[1]耿德根,宋建國,馬潮等.AVR高速嵌入式單片機原理與應用[M].北京航空航天出版社,2002.

[2]杭州澳凌制冷設備有限公司.TEC1-12709T127加熱制冷片技術文件[S],2007.

[3]李俊濤.基于H橋驅動電路的半導體制冷片恒溫控制系統[J].北華大學學報,2010,11卷5期.