支持宽温区变温实验的教仪装置研究*

谢翔宇， 刘渝龙， 欧阳昆， 尹浩然， 刘慧源

（新余学院新能源科学与工程学院，江西 新余 338004）

0 引言

在大学实验、理工科科研设计环节中，经常需要对实验温度进行调控，主要有稳态法测量不良导体导热系数[1]、气体导热系数测定[2]、热电偶分度表验证实验等。而常规的控温手段存在精密度不足、变温范围小、变温装置无法在多个不同实验通用等诸多问题。

故本项目组经过思考、调查、分析，设计了该支持宽温区变温实验的教仪装置。 该装置在室温25℃的工作状态下，安全变温范围的理论值约为-40℃～150℃，安全变温空间为100mm*100mm*200mm；在控温精度上，采用工业级PID 温度控制器和Pt100 热电阻。 在变温范围、变温空间、控制精度等方面均符合变温实验基本要求。 可以在一定程度下解决现有实验仪器设备变温范围小、 变温装置无法在多个不同实验通用等问题。

1 原理与方案

1.1 半导体制冷片工作原理

半导体制冷技术是一种基于热电效应的新型制冷技术，与常规制冷技术相比，半导体制冷技术具备很多优势[3]，如工作几乎无噪声、工作时不需制冷工质、理论使用寿命较长、温度调节较为便利、器件占用的空间较小等。但半导体制冷技术的缺点也较为明显，包括制冷功率不足、制冷面温差不宜过大等。

1834 年，J. C. A. Peltier 发现，当不同导体组成的回路有电流通过时，除不可逆的焦耳热被产生之外，随着电流方向不同，在不同导体的接头处会分别出现吸热、放热现象，这就是Peltier 效应。在绝热情况下，吸放热量相等。这时，可以看成冷端将热量传递给了热端，把传递的热量称为Peltier 热。在半导体物理学中，常用一个指标，即Peltier系数来衡量产生Peltier 效应的大小[4]（见式1）。 半导体制冷片的内部结构如图1 所示[5]。

其中： 与电流I 成正比的Qp为Peltier 热，πab则为Peltier系数，它可以由构成电偶臂的两种不同材料配合决定。

图1 半导体制冷片的内部结构[5]

因本装置变温空间体积较小，故在本装置设计中采用两枚TEC1-19906 半导体制冷片进行制冷，肋片及散热风扇将半导体制冷片产生的冷量在变温空间内均匀分布，制冷循环对半导体制冷片的发热端进行强制散热。TEC1-19906 半导体制冷片器件性能参数如表1 所示。

表1 TEC1-19906 半导体制冷片参数

TEC1-19906 半导体制冷片工作最大温差为67℃以上，就室温25℃的工况来说，在热端散热良好的情况下，理论可将变温空间降温到-42℃以下。且在制热模式下，半导体制冷片处于不工作状态，而TEC1-19906 半导体制冷片在不工作状态下最高耐温高达200℃。 本装置设计高温上限为150℃，故半导体制冷片在常规状态下不会损坏。

1.2 PTC 恒温陶瓷发热片工作原理

PTC 恒温陶瓷发热片由PTC 陶瓷发热元件与铝器件组成。PTC 恒温陶瓷主要成分为钛酸钡（或锶、铅），其作为一种半导体陶瓷，在居里温度以下具有小电阻，居里温度以上时产生阶跃性变化， 上升至居里温度以下时电阻的千倍～百万倍。 其外表面采用高效导热铝型器材，可承受重量≥100kg 不变形， 内部使用聚酰亚胺薄膜包裹芯片（耐温280℃）、耐高温导线（耐温200℃）和绝缘耐高温护套（耐温300℃），可保证PTC 发热体在高温下工作的稳定性，可在12V～380V 之间根据需要设计电压范围。另外，由于其铝片紧凑，通电后PTC 能迅速的将电能转化为热能，10s 内就能传导至铝壳表面， 因此其热效率更是高达99%，使用寿命长达6 000h。 散热故障时可自动降低表面温度，在任何情况下均不会导致表面“发红”现象，可大大降低烫伤事故和火灾发生概率。

本装置采用的PTC 恒温陶瓷发热片型号为B-77*62-6，具体参数如表2 所示。

表2 B-77*62-6 型PTC 恒温陶瓷发热片参数

在高温模式下，本装置采用的PTC 发热板最高工作温度约为200℃。经PID 温控器调控，在保证变温空间温度可以达到设计最高值150℃的同时，带来较高的升温速率。

1.3 PID 温度控制器工作原理

在实际工程应用中， 使用最为普遍的调节控制规律为“比例积分微分控制”，简称为PID 算法。 PID 控制器因结构简单、稳定性优良、工作稳定、调节便利等优势，成为目前工业控制领域的主要技术之一。 当使用者不能完全认识一个系统或被控对象，或不便使用其它测量手段来获取系统参数时，可以选择使用PID 算法。

传统温控器由于结构性问题， 在温控器发出停止加热信号后，被加热器件与温控器之间存在惯性温度误差。因此，传统温控器的开关控制温度需将正负误差标明。

要解决温控器这个问题， 可以利用PID 模糊控制技术。PID 模糊控制技术是针对上述情况而被制定的一种新型温度控制方案。 通过Pvar、Ivar、Dvar 三方面的配合调整，形成模糊控制，解决惯性温度误差问题，获取更加精确的系统参数。

故本装置的温度控制器选取了利用PID 模糊控制技术的OHR-A300C-55-K4/2/X-A 温度控制器，以保证装置变温区域读数温度的精确性和稳定性。

1.4 Pt100 热电阻工作原理

Pt100 属于铂热电阻，因其阻值跟温度变化成正比这一特性，Pt100 热电阻尤其适合用于制作高精度温度传感器。 特别是在医疗、 电机、 工业等领域的高精度设备上，Pt100 热电阻的应用尤为广泛。 Pt100 热电阻在工作温度0℃时，电阻为100Ω，随着温度变化，其温度计算电阻阻值的公式如下[6]：

其中：R0=100.00Ω （0℃时的标准电阻），A=3.908 02 × 10-3℃-1，B=-5.802 × 10-7℃-2，C=-4.273 50 × 10-12℃-4。

本装置温度传感器选用三线制Pt100 铂热电阻，将设备读数的误差降至最低，保证了变温区域温度测量值和真实值仅有极低的误差。

2 装置设计

2.1 硬件设计

本装置电路主要采用220V 交流市电供电， 温度控制、冷却循环、制冷制热各使用一套电路，保证三个系统的独立性和安全性。 当功率最大且最易损坏的制冷制热部分发生异常时， 冷却循环始终打开，PID 温度控制器及时中断，使得整个箱体不易发生燃烧、过载等安全事故。

温度控制部分， 采用PID 温度控制器OHR-A300C-55-K4/2/X-A，连接热电阻进行测温。 在热电阻的选择上，经过对比最终决定使用Pt100 热电阻，多种热电阻性能对比如表3 所示。

表3 多种热电阻性能对比

冷却循环部分， 采用12V 3A 电源模块进行供能，带动AD20P-1230A 循环泵和散热风扇 （12V 0.12A、12V 0.3A、12V 0.5A 各2 个， 合计共6 个）， 最大总功率约26.88W。

制冷制热部分，采用24V 25A 开关电源进行供能，为THC1-19906 半导体制冷片（24V 6A）、B-77*62-6 PTC 恒温陶瓷发热片功能，冷热之间设有制冷制热切换开关，保证恒温陶瓷发热片工作时， 制冷片不会由于两端温差过大而烧坏。

本装置模块连接图如图2 所示。

图2 本装置模块连接图

2.2 传热设计

本装置传热部分主要涉及冷却循环部分、 箱体内变温空间换热、箱体保温性能。

冷却循环部分如图3、 图4 所示， 本装置使用功率4.8W 标称扬程8m 的AD20P-1230A 循环泵推动工质进行强制循环，将冷却水推入四水道铝合金水冷头中，四水道铝合金水冷头对半导体制冷片的制热端进行强制散热，通过120 水排18 水道散热器对工质进行冷却，冷却工质又再次被循环泵吸入，达成冷却循环。其中，120 水排18水道散热器上有两枚12V 0.5A 散热风扇， 可对制冷工质进行强制对流换热。

图3 本装置冷却循环液冷原理图

图4 本装置冷却循环液冷实物图

箱体内变温空间主要使用12V 0.12A 散热风扇对内部空气进行循环， 以空气为工质保证冷/热量均匀散布在箱体内部。

本装置设计变温空间是一个100mm*100mm*200mm的密闭空间，其具备一定保温功能。 箱体保温性能问题主要通过箱体材料选用来解决，本团队对比了市面上常用的5 种绝热材料如表4 所示，确定高密度聚氨酯泡沫板（5cm厚）作为装置最佳的保温材料。

表4 绝热材料性能对比

3 结论

本项目组通过对半导体制冷技术、PID 自动控制技术、 温度测量技术等方向进行研究与对材料特点的分析，优化设计了该支持实验的宽温区变温教仪装置。 该装置在室温25℃的工作状态下， 安全变温范围的范围达到-40℃～150℃， 安全变温空间为100mm*100mm*200mm，温控精度±0.2℃。 该装置可以在一定程度下解决现有控温设备变温范围小、控制精度低、控温方法不通用等问题，符合大部分实验的要求，应用领域广泛。