小型高精度恒温箱设计

中国工程物理研究院应用电子学研究所 余丽霞 马 社 崔 云俊

1.概述

高精度恒温箱用于高精度倾角传感器的环境温度控制，由于倾角传感器要求精度高，要求恒温箱的控制精度达到±0.1℃。因此，需要对高精度恒温箱进行精确设计才能达到设计要求。

2.技术要求

工作环境温度-20℃～+60℃；

控制精度±0.1℃；

从开始工作到温度稳定所需时间小于0.5小时。

3.技术实现

3.1 温度控制电路设计

1)控制电路设计

本系统采用直流的半导体电热制冷片作为核心加热制冷元件。半导体电热制冷片是利用物理现象中的帕尔贴效应，靠电子-空穴在运动中直接传递能量来实现的。当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，所以将半导体制冷片的一面贴合在要加热或制冷的液体一侧，通过控制半导体制冷片的电压方向就可以达到加热或制冷的目的。半导体制冷技术的优点是结构简单、体积小；无振动、噪声小、寿命长、维修方便；启动快、控制灵活。

在系统中引入H桥驱动电路对半导体电热制冷片进行控制。如图1所示，当控制信号PTC1为高电平，PTC2为低电平时，左侧臂两个8550三极管Q1和Q2导通，由于上、下两个MOS管分别为P沟道和N沟道MOS管，所以任何时刻只能有1个导通，而此时上面的P管，即Q5导通；而另外一臂上，两个三极管Q3和Q4都没有导通，此时下面的N沟道MOS管Q8导通，于是在半导体制冷片两端形成12V电压差，制冷片开始加热（或制冷）。同理，当PTC1为低电平，PTC2为高电平时，此时半导体制冷片电压翻转，原来加热（或制冷）的一面开始制冷（或加热）。

2)温控算法

高精度恒温箱的温控过程是典型的含滞后的惯性控制对象，可以采用传递函数其中T为惯性时间常数，τ为滞后时间常数）来描述。惯性为恒温箱存储能量的能力的体现，滞后是指恒温箱的外温度扰动和温控装置的温度变化需要经过一段时间的延迟才会对倾角传感器产生影响。

由于介质温度的变化实质上是能量传递的结果，其温度参数不可能发生很快的变化。所以一般情况下，温度对象都是含有纯滞后环节的。对于此类的系统，采用普通PID控制器很难达到所希望的控制效果。只有采用特殊的控制算法才能达到预期的动态响应。

过程的纯滞后对控制系统品质的影响不是取决于τ的绝对值的大小，而是与过程惯性时间常数T之比(/Tτ)的大小有关。通常当/Tτ＞0.5时，就可以当做是大纯滞后过程来加以控制了。

图1 H桥驱动电路

施密斯（Smtih)预估补偿控制的思路就是引入合适的反馈补偿环节，使系统闭环传递函数的分母项中不含有纯滞后环节，如图3所示。

由图3可得引入补偿环节后的传递函数为：

即为Smith预估补偿控制，如图4所示。

由于这一算法要求知道0()G s的确切参数，实际上只能得到近似参数，因此在实际使用过程中采用了多个温度传感器进行温度测量来进行辅助控制。

图2 数字PID算法结构

图3 引入补偿环节的控制框图

图4 Smith预估补偿控制

在实际研制过程中把恒温箱的控制温度设定成根据环境温度可调节的，这样根据环境温度适当的选择恒温箱内部的控制温度，大大提高了恒温箱的控制精度和可靠度。

表1 环境温度与恒温箱温度对比标定（单位°C）

图5 高精度恒温箱结构图

图6 高精度恒温箱腔体

图7 高精度恒温箱

3.2 结构设计

只有性能良好、结构设计合理的恒温箱与控制电路紧密配合，才能获得高的温度稳定度，从而保证频率稳定度。对恒温箱的结构主要要求是：密封性能好；保温层导热系数小，以保证保温性能好；根据倾角传感器的使用要求，选择刚度大、保温性能好的材料。

1）高精度恒温箱结构设计

高精度恒温箱由腔体和控制箱两部分组成，其结构如图5所示，腔体内包含倾角传感器和恒温控制所需的传感器和执行器，控制箱内包括温度探测信号放大电路、控制器及其外围电路、电源电路、控制信号输出放大电路、信号显示电路等；且在控制箱内完成恒温控制算法。倾角传感器信号和温度传感器信号均为模拟信号，为避免干扰分别从不同航空头进行导线的连接。

2）腔体结构设计

腔体组成及内部结构如图6所示。

恒温箱腔体主要由2个倾角传感器、5个温度传感器、半导体电热制冷片、高强度隔热层、航空头等几部分组成。温度传感器均布于腔体内用于壳体内温度检测，半导体电热制冷片用于加热或制冷，高强度隔热壳一方面用于安装及支撑，另一方面起隔热作用，航空头A用于倾角传感器和温度传感器的内外连接，航空头B用于半导体电热制冷片的内外连接。

3.3 材料选型

恒温箱体积要求小，可以减少起始加热功率、减小温度波动。由于受隔热层厚度和倾角传感器体积的限制，需要减小电路板尺寸，缩小加热部分的体积等方面综合考虑。

在元器件的选择上，在满足性能指标的前提下，尽量选用了体积小的电子化元件。半导体加热制冷器件选用的是TEC1-12709T127，温度传感器选用的是ADT7310，单片机选用的是mega128。

恒温箱箱体采用导热系数为0.025W/(m2・K)、厚度为10mm的硬质聚氨酯泡沫塑料。硬质聚氨酯泡沫的泡孔以闭孔为主，具有极低的导热系数、较低的密度、一定的强度和硬度，电学性能、隔声抗震效果优良。

考虑到倾角传感器的工作环境，其安装面必须是刚度很大的材料。所以经过调研选择了刚度大且导热系数低的15mm厚环氧板作为恒温箱内部倾角传感器的底板安装材料。

4.试验

根据技术要求研制的高精度恒温箱如图7所示，箱体体积为：205mm×205 mm×130mm。

把恒温箱放于计量中心标准温湿度检定箱中，得到的数据如表1所示。从表中可以看出，恒温箱精度满足使用要求。

[1]耿德根,宋建国,马潮等.AVR高速嵌入式单片机原理与应用[M].北京航空航天出版社,2002.

[2]杭州澳凌制冷设备有限公司.TEC1-12709T127加热制冷片技术文件[S],2007.

[3]李俊涛.基于H桥驱动电路的半导体制冷片恒温控制系统[J].北华大学学报,2010,11卷5期.