半导体制冷的冷阱系统设计

马继尧,张嘉琪,徐春宇,张春兰,乔旭东,张伯东

(天津理工大学 环境科学与安全工程学院，天津 300384)



半导体制冷的冷阱系统设计

马继尧,张嘉琪,徐春宇,张春兰,乔旭东,张伯东

(天津理工大学 环境科学与安全工程学院，天津 300384)

针对有机挥发性气体在空气中含量较少不易被测量等特点，设计了一种半导体冷阱捕集热解析装置，该系统对样品进行浓缩处理，可对样品进行100 %测定，使测定的灵敏度提高，该方法与其它前处理法相比具有结构简单，冷却速度快，维修方便易于控制等优点。实验结果表明:该系统稳定可靠。通过对冷阱温度以及5种不同浓度的乙醇和甲醛进行检测，乙醇的平均误差为0.44×10-6，甲醛的平均误差为0.36×10-6，测试结果满足要求。

半导体冷阱； 气体检测； 比例积分微分技术

0 引 言

近年来，工业发展带来经济高速发展的同时，也给人体健康带来了新的威胁。常温下能以蒸气的形式存在于空气中的易挥发性有机化合物种类繁多，虽然空气中含有的有机挥发性气体量比较少，不易被测量，但仍然会对人体健康造成一定的影响[1]。尤其是化工企业，生产中用到的化学物质种类繁多，挥发在空气中的有机气体会严重威胁到其工作人员的身体健康[2]。

低温浓缩捕集是一种常用的气体样品浓缩与分离技术，通过对半导体冷阱内部温度的控制，将气体样品中待测组分冷凝并滞留浓缩在冷阱捕集室内，而样品中沸点低于冷阱温度的组分则会通过冷阱，从而达到分离和浓缩的目的。半导体冷阱的温度利用计算机通过PID控制技术对温度进行精确的控制[3]，通过半导体冷阱来捕集空气中的有机挥发性气体，采样效率高，能有效提高气体传感器灵敏度。

1 总体设计

半导体冷阱系统由冷阱捕集部分、温度测量控制部分和检测部分组成，其结构图如图1所示。整个系统采用系统化的思想搭建，使系统的各部分独立完成其功能的同时可以组成一个有机的整体[4]。系统的结构更加简洁化，有良好性能，硬件设计标准化，便于故障的诊断维修。

图1 系统结构图Fig 1 Structure chart of system

系统工作时，电源正接实现制冷，制冷温度可达-80 ℃，改变电流方向实现制热，制热温度可达80 ℃。将冷阱温度调至需要的低温，冷阱对温度范围内的目标气体进行捕集，其它气体随泵排出，之后，调节温度使特定的气体进行热解析后进入气体传感器腔并由相应的传感器对该气体进行检测。

2 系统设计

2.1 冷阱捕集部分

冷阱系统主要包括气体捕集室、半导体制冷片、温度传感器、电源、水冷槽、水循环系统等部分，其结构如图2图所示。

图2 半导体冷阱结构图Fig 2 Structure chart of semiconductor cold trap

本装置采用TECI—19906 24 V大功率半导体制冷片，由24 V的直流电源来对其供电，将一级半导体的冷面与二级半导体的热面进行热耦合，二级半导体的制冷端用铝合金制成气体捕集室，捕集室外面用发泡的聚氨酯硬泡沫塑料进行包裹，防止热量的传入。半导体采用水冷散热，循环水由LX-20水循环系统提供，将半导体制冷片的热端贴在水槽中间，通过水槽的冷水将热端面的热量充分带走。半导体之间、半导体与捕集室之间、半导体与水冷槽之间均用导热硅脂填充压紧，冷阱内部设有一个温度传感器，对其内部的温度进行实时测量。图3为其实物图，中间白色的部分为半导体制冷片，底部为循环水冷槽，上部为冷阱捕集室。

图3 半导体冷阱实物图Fig 3 Physical map of semiconductor cold trap

2.2 温度测量与控制部分

温度测量与控制部分利用单片机PID控制技术和USB串口通信技术在PC上设定实时显示温度。系统初始化结束后，单片机采集温度传感器的值，经串口送往PC实时显示[5]。当需要对温度进行控制时，可以在PC机上的软件中将所需要的温度值进行设定，再通过串口传给单片机。单片机程序计算温度的测量值与设定值之间的偏差，控制驱动电路的电流/电压，亦即控制半导体制冷片的输出功率，从而达到温度控制的目的，控制原理如图4所示。

图4 温度控制原理图Fig 4 Principle diagram of temperature control

温度控制电路采用 AT89C2051单片机芯片，MLD18200驱动芯片进行设计，图5为驱动芯片工作原理图。单片机将DS18B20检测到的工作温度与设定温度相比较，根据比较结果来相应的控制单片机通信端口，从而驱动MLD18200芯片输出电压信号，控制继电器电路的通断，进而控制制冷片，达到温度控制的目的[6]。

图5 驱动芯片工作原理图Fig 5 Working principle diagram of driver chips

2.3 检测部分

检测部分由传感器、传感器腔和质量流量计组成。传感器腔由有机玻璃制成，器腔容积约为125 mL。将传感器固定在器腔的顶部，方便对不同的气体传感器进行更换，质量流量计用来调节测量经过气体的流量，可对气体的浓度进行相应的换算。器腔内装有个小型电风扇(其实物图如图6所示)，便于气流均匀，交换迅速，从而在短时间内使测量值稳定。

图6 传感器实物图Fig 6 Physical map of sensor

3 软件部分

为了实时了解半导体制冷片的工作情况和冷阱内的温度变化，温度传感器采集到的温度数据采用USB串口通信的方式将数据实时上传至上位PC，在上位PC运用LabVIEW 2012软件对温度信息进行分析、显示与处理。

温度传感器的采集流程如图7所示。软件也采用模块化的设计，以便于编写、调试、修改。系统软件主要由数据采集模块、程序模块、数据处理模块、控制模块组成[7]。它们之间通过软件接口连接，遵循模块内部数据关系紧凑，模块之间数据关系松散的原则。

图7 温度传感器采集流程图Fig 7 Acquisition flow chart of temperature sensor

4 系统测试

冷阱系统在测试模式下对冷阱的温度、以及5种不同浓度的乙醇和甲醛气体组分进行测量。

表1为将冷阱调至低温模式3 min内冷阱内温度的变化情况，图8为其曲线图；表2为冷阱系统对气体浓缩捕集后的结果和相对误差，由表1可以得出半导体冷阱能在短时间内使冷阱内的温度迅速降低的制冷效果良好。

表1 冷阱内部温度变化表

图8 冷阱内部温度变化曲线图Fig 8 Temperature change curve graph in cold trap

由表2得出乙醇捕集前与解析后的误差分别为：0，0.6×10-6，0.4×10-6，0.8×10-6，0.4×10-6，平均误差为 0.44×10-6，甲醛捕集前与解析后的误差分别为：0，0.4×10-6，0.3×10-6，0.6×10-6，0.5×10-6平均误差为 0.36×10-6，从而可以得出该冷阱系统误差很小，在实际工作中具有很好的效果。

5 结束语

本设计基于半导体制冷原理，结合LabVIEW软件平台对有机挥发气体进行浓缩捕集，通过对不同温度的设定可以对不同的气体进行浓缩捕集然后进行热解析，为有机挥发性气体检测的一种很好的前处理方法，经过捕集热解析到小的气室中又能提高其监测的灵敏度。该系统不仅可应用于实验研究和教学，也可用于工业场所中对有机挥发气体的监测预警，但是该系统仍然存在一些问题，主要是由于半导体制冷片的制冷效率还不够高，只能对温度范围内的一些气体进行浓缩捕集，若要对大空间取得良好的制冷效果，制冷系统要有足够大的散热强度；其配气系统的智能操作性不高，测试阶段的配气工作需要人为干预，仍有待改进。

表2 气体捕集结果

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

[2] 耿世彬，周永红.室内空气中可挥发性有机化合物的研究[J].建筑热能通风空调，2002(6):26-28.

[3] 邵 安，蔡纯洁，武 涛.半导体制冷温控系统的设计[J].仪表技术，2009(11):29.

[4] 张嘉琪，冀大选，李杰一，等.基于LabVIEW平台的电子鼻系统设计[J].传感器与微系统，2015,34(5):20.

[5] 肖伟平,黄邵平.基于模糊PID控制的半导体制冷片温控系统的研制[J].工业仪表与自动化装置，2008(6):54-56.

[6] 郑成霞.基于单片机的软件实现PID温度控制系统[J].宁波职业技术学院学报，2010(5)：16-17.

[7] 王怀光,范红波,任国全,等.基于增量式PID控制的半导体制冷温控系统[J].现代制造工程，2013(11)：110-112.

张嘉琪，通讯作者，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

马继尧(1990-)，女，天津人，硕士研究生，研究方向为安全检验检测。