半導體制冷的冷阱系統設計

馬繼堯,張嘉琪,徐春宇,張春蘭,喬旭東,張伯東

(天津理工大學 環境科學與安全工程學院，天津 300384)

?

半導體制冷的冷阱系統設計

馬繼堯,張嘉琪,徐春宇,張春蘭,喬旭東,張伯東

(天津理工大學 環境科學與安全工程學院，天津 300384)

針對有機揮發性氣體在空氣中含量較少不易被測量等特點，設計了一種半導體冷阱捕集熱解析裝置，該系統對樣品進行濃縮處理，可對樣品進行100 %測定，使測定的靈敏度提高，該方法與其它前處理法相比具有結構簡單，冷卻速度快，維修方便易于控制等優點。實驗結果表明:該系統穩定可靠。通過對冷阱溫度以及5種不同濃度的乙醇和甲醛進行檢測，乙醇的平均誤差為0.44×10-6，甲醛的平均誤差為0.36×10-6，測試結果滿足要求。

半導體冷阱； 氣體檢測； 比例積分微分技術

0 引 言

近年來，工業發展帶來經濟高速發展的同時，也給人體健康帶來了新的威脅。常溫下能以蒸氣的形式存在于空氣中的易揮發性有機化合物種類繁多，雖然空氣中含有的有機揮發性氣體量比較少，不易被測量，但仍然會對人體健康造成一定的影響[1]。尤其是化工企業，生產中用到的化學物質種類繁多，揮發在空氣中的有機氣體會嚴重威脅到其工作人員的身體健康[2]。

低溫濃縮捕集是一種常用的氣體樣品濃縮與分離技術，通過對半導體冷阱內部溫度的控制，將氣體樣品中待測組分冷凝并滯留濃縮在冷阱捕集室內，而樣品中沸點低于冷阱溫度的組分則會通過冷阱，從而達到分離和濃縮的目的。半導體冷阱的溫度利用計算機通過PID控制技術對溫度進行精確的控制[3]，通過半導體冷阱來捕集空氣中的有機揮發性氣體，采樣效率高，能有效提高氣體傳感器靈敏度。

1 總體設計

半導體冷阱系統由冷阱捕集部分、溫度測量控制部分和檢測部分組成，其結構圖如圖1所示。整個系統采用系統化的思想搭建，使系統的各部分獨立完成其功能的同時可以組成一個有機的整體[4]。系統的結構更加簡潔化，有良好性能，硬件設計標準化，便于故障的診斷維修。

圖1 系統結構圖Fig 1 Structure chart of system

系統工作時，電源正接實現制冷，制冷溫度可達-80 ℃，改變電流方向實現制熱，制熱溫度可達80 ℃。將冷阱溫度調至需要的低溫，冷阱對溫度范圍內的目標氣體進行捕集，其它氣體隨泵排出，之后，調節溫度使特定的氣體進行熱解析后進入氣體傳感器腔并由相應的傳感器對該氣體進行檢測。

2 系統設計

2.1 冷阱捕集部分

冷阱系統主要包括氣體捕集室、半導體制冷片、溫度傳感器、電源、水冷槽、水循環系統等部分，其結構如圖2圖所示。

圖2 半導體冷阱結構圖Fig 2 Structure chart of semiconductor cold trap

本裝置采用TECI—19906 24 V大功率半導體制冷片，由24 V的直流電源來對其供電，將一級半導體的冷面與二級半導體的熱面進行熱耦合，二級半導體的制冷端用鋁合金制成氣體捕集室，捕集室外面用發泡的聚氨酯硬泡沫塑料進行包裹，防止熱量的傳入。半導體采用水冷散熱，循環水由LX-20水循環系統提供，將半導體制冷片的熱端貼在水槽中間，通過水槽的冷水將熱端面的熱量充分帶走。半導體之間、半導體與捕集室之間、半導體與水冷槽之間均用導熱硅脂填充壓緊，冷阱內部設有一個溫度傳感器，對其內部的溫度進行實時測量。圖3為其實物圖，中間白色的部分為半導體制冷片，底部為循環水冷槽，上部為冷阱捕集室。

圖3 半導體冷阱實物圖Fig 3 Physical map of semiconductor cold trap

2.2 溫度測量與控制部分

溫度測量與控制部分利用單片機PID控制技術和USB串口通信技術在PC上設定實時顯示溫度。系統初始化結束后，單片機采集溫度傳感器的值，經串口送往PC實時顯示[5]。當需要對溫度進行控制時，可以在PC機上的軟件中將所需要的溫度值進行設定，再通過串口傳給單片機。單片機程序計算溫度的測量值與設定值之間的偏差，控制驅動電路的電流/電壓，亦即控制半導體制冷片的輸出功率，從而達到溫度控制的目的，控制原理如圖4所示。

圖4 溫度控制原理圖Fig 4 Principle diagram of temperature control

溫度控制電路采用 AT89C2051單片機芯片，MLD18200驅動芯片進行設計，圖5為驅動芯片工作原理圖。單片機將DS18B20檢測到的工作溫度與設定溫度相比較，根據比較結果來相應的控制單片機通信端口，從而驅動MLD18200芯片輸出電壓信號，控制繼電器電路的通斷，進而控制制冷片，達到溫度控制的目的[6]。

圖5 驅動芯片工作原理圖Fig 5 Working principle diagram of driver chips

2.3 檢測部分

檢測部分由傳感器、傳感器腔和質量流量計組成。傳感器腔由有機玻璃制成，器腔容積約為125 mL。將傳感器固定在器腔的頂部，方便對不同的氣體傳感器進行更換，質量流量計用來調節測量經過氣體的流量，可對氣體的濃度進行相應的換算。器腔內裝有個小型電風扇(其實物圖如圖6所示)，便于氣流均勻，交換迅速，從而在短時間內使測量值穩定。

圖6 傳感器實物圖Fig 6 Physical map of sensor

3 軟件部分

為了實時了解半導體制冷片的工作情況和冷阱內的溫度變化，溫度傳感器采集到的溫度數據采用USB串口通信的方式將數據實時上傳至上位PC，在上位PC運用LabVIEW 2012軟件對溫度信息進行分析、顯示與處理。

溫度傳感器的采集流程如圖7所示。軟件也采用模塊化的設計，以便于編寫、調試、修改。系統軟件主要由數據采集模塊、程序模塊、數據處理模塊、控制模塊組成[7]。它們之間通過軟件接口連接，遵循模塊內部數據關系緊湊，模塊之間數據關系松散的原則。

圖7 溫度傳感器采集流程圖Fig 7 Acquisition flow chart of temperature sensor

4 系統測試

冷阱系統在測試模式下對冷阱的溫度、以及5種不同濃度的乙醇和甲醛氣體組分進行測量。

表1為將冷阱調至低溫模式3 min內冷阱內溫度的變化情況，圖8為其曲線圖；表2為冷阱系統對氣體濃縮捕集后的結果和相對誤差，由表1可以得出半導體冷阱能在短時間內使冷阱內的溫度迅速降低的制冷效果良好。

表1 冷阱內部溫度變化表

圖8 冷阱內部溫度變化曲線圖Fig 8 Temperature change curve graph in cold trap

由表2得出乙醇捕集前與解析后的誤差分別為：0，0.6×10-6，0.4×10-6，0.8×10-6，0.4×10-6，平均誤差為 0.44×10-6，甲醛捕集前與解析后的誤差分別為：0，0.4×10-6，0.3×10-6，0.6×10-6，0.5×10-6平均誤差為 0.36×10-6，從而可以得出該冷阱系統誤差很小，在實際工作中具有很好的效果。

5 結束語

本設計基于半導體制冷原理，結合LabVIEW軟件平臺對有機揮發氣體進行濃縮捕集，通過對不同溫度的設定可以對不同的氣體進行濃縮捕集然后進行熱解析，為有機揮發性氣體檢測的一種很好的前處理方法，經過捕集熱解析到小的氣室中又能提高其監測的靈敏度。該系統不僅可應用于實驗研究和教學，也可用于工業場所中對有機揮發氣體的監測預警，但是該系統仍然存在一些問題，主要是由于半導體制冷片的制冷效率還不夠高，只能對溫度范圍內的一些氣體進行濃縮捕集，若要對大空間取得良好的制冷效果，制冷系統要有足夠大的散熱強度；其配氣系統的智能操作性不高，測試階段的配氣工作需要人為干預，仍有待改進。

表2 氣體捕集結果

[1] Molhave L.VOCs,indoor air quality and health[C]∥Proc of Indoor Air’90,1900:15-33.

[2] 耿世彬，周永紅.室內空氣中可揮發性有機化合物的研究[J].建筑熱能通風空調，2002(6):26-28.

[3] 邵 安，蔡純潔，武 濤.半導體制冷溫控系統的設計[J].儀表技術，2009(11):29.

[4] 張嘉琪，冀大選，李杰一，等.基于LabVIEW平臺的電子鼻系統設計[J].傳感器與微系統，2015,34(5):20.

[5] 肖偉平,黃邵平.基于模糊PID控制的半導體制冷片溫控系統的研制[J].工業儀表與自動化裝置，2008(6):54-56.

[6] 鄭成霞.基于單片機的軟件實現PID溫度控制系統[J].寧波職業技術學院學報，2010(5)：16-17.

[7] 王懷光,范紅波,任國全,等.基于增量式PID控制的半導體制冷溫控系統[J].現代制造工程，2013(11)：110-112.

張嘉琪，通訊作者，E—mail:zhangjqa@sina.com。

Design of cold trap system on semiconductor

MA Ji-yao,ZHANG Jia-qi,XU Chun-yu,ZHANG Chun-lan,QIAO Xu-dong,ZHANG Bo-dong

(School of Environment Science and Safety Engineering,Tianjin University of Technology,Tianjin 300384，Chain)

Aiming at features of organic volatile gas is less in the air and not easily be detected,design a kind of semiconductor cold trap system independently.Via being thickening treatment samples can be measured 100 %,which can increase sensitivity of measurement.Compared to other pre-treatment methods,it has advantages of simple structure,cooling quickly,easy to maintain and control.Experimental results show that the system is stable and reliable.By detecting 5 kinds of different volume fraction of ethanol and formaldehyde,when average error of ethanol detecting is 0.44×10-6,and to formaldehyde,it is 0.36×10-6,so the test results meet the needs.

semiconductor cold trap；gas detection；PID technology

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0084—03

2016—01—07

TP 23

A

1000—9787(2016)11—0084—03

馬繼堯(1990-)，女，天津人，碩士研究生，研究方向為安全檢驗檢測。