【文章內(nèi)容簡介】 本文所設(shè)計的恒溫槽屬海洋儀器溫鹽檢定設(shè)備的一部分，用于對海洋儀器中的溫度傳感器進行檢定與校準(zhǔn)。海洋海水的溫度范圍一般在 2~40℃ 之間，因此恒溫槽的工作溫度應(yīng)該包含此區(qū)間。對于海洋溫度傳感器儀器系數(shù)的校準(zhǔn)實驗，常選擇的校準(zhǔn)點有 0℃ 、 5℃ 、 10℃ 、 15℃ 、 20℃ 、 25℃ 、 30℃ 、 35℃ 。在校準(zhǔn)實驗過程中，對恒溫槽的波動性要求很高，即在某一控溫點附近溫度波動量＜ 177。 ℃ ，保持時間至少在 15min，而對溫度的精度要求相對較低（＜ 177?！?），所以在恒溫槽的設(shè)計與控制中應(yīng)更加注重對溫度波動性指標(biāo)的實現(xiàn)，與此同時也必須滿足均勻性的指標(biāo)要求。另外，如果在系統(tǒng)中加入了多點定時控溫的功能，將會為操作人員提供極大的便利。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹 恒溫槽系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖 21 所示，主要包括有快速降溫裝置、快速加熱器、微調(diào)加熱器、半導(dǎo) 體制冷片、溫度測量裝置和攪拌裝置。圖 22 所示為管路循環(huán)結(jié)構(gòu)中的部分裝置的實物圖。 儲液罐壓縮機攪拌電機恒溫槽容器電熱器制冷片a bc磁力裝置測溫裝置電磁閥 圖 21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 圖 22 管路循環(huán)結(jié)構(gòu)中的部分裝置實物圖 快速降溫裝置是使用冷液循環(huán)管路實現(xiàn)的，制冷壓縮機可將儲液罐中的液體溫度降至 12℃ 到 14℃ 。恒溫槽內(nèi)部的金屬盤管浸沒在海水中，并通過低位進液口和高位出液口與外部管路對接以形成循環(huán)管路。啟動快速降溫時，電磁閥處于ab 端接通 ac 端阻斷的狀態(tài)，冷液 由于儲液罐內(nèi)的靜壓作用進入循環(huán)管路中快速帶走槽內(nèi)熱量；關(guān)閉快速降溫時，電磁閥處于 ac 端接通 ab 端阻斷的狀態(tài)，冷液循環(huán)管路斷開，停止快速降溫，盤管內(nèi)殘留冷液由于重力勢作用回流至容器中。 恒溫槽的上端裝有四支電熱器，其中有三支快速加熱器，每支功率為 2020W，一支微調(diào)加熱器，功率為 1000W。槽體內(nèi)膽為鈦金屬材料制成桶狀結(jié)構(gòu)，外殼使用鋁合金材料制成，內(nèi)外壁厚均約為 2mm。半導(dǎo)體制冷片均勻安裝在槽體內(nèi)膽的外表面，其冷端緊貼內(nèi)膽，熱端緊貼外殼，內(nèi)膽與外殼之間的其它空間由保溫絕熱材料 聚氨酯 填充。這樣以來就使得槽體內(nèi)膽 具備了一定的抗腐蝕能力，而槽體外殼可將制冷片熱端熱量快速散發(fā)出去。恒溫槽內(nèi)部部分構(gòu)造如圖 23所示。 圖 23 恒溫槽內(nèi)部部分構(gòu)造 天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 為加快槽內(nèi)熱量傳遞，提高溫場的均勻性，在槽體底部裝有磁力攪拌裝置，直流攪拌電機與攪拌螺旋槳之間通過磁力耦合裝置連接。磁力裝置的應(yīng)用可有效傳送攪拌動力，且平穩(wěn)快速，最大限度地降低電機的運行熱量對槽內(nèi)溫度的影響。 系統(tǒng)控制概述 \O 分配 為使槽溫快速達到溫度設(shè)定點附近，設(shè)計上使用了快速升溫降溫的結(jié)構(gòu)。快速控制方式屬于開環(huán)控制，能夠使得槽溫快速上升或下降 ，而無系統(tǒng)振蕩現(xiàn)象。當(dāng)溫度到達設(shè)定點附近時，槽溫控制方式由快速控制的粗略調(diào)節(jié)方式轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒄{(diào)控制。微調(diào)控制方式屬于閉環(huán)控制，使用精細微小的加熱量或制冷量來改變溫度，并使其趨于穩(wěn)定。關(guān)于系統(tǒng)的控制框圖如圖 24 所示。 微調(diào)控制快速控制制冷加熱恒溫槽溫度變送控溫點T 0 T 圖 24 系統(tǒng)控制框圖 圖 25 為系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)圖，圖中顯示了控制器與測量單元、各執(zhí)行機構(gòu)以及通信部分的關(guān)系。在系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計中，將溫度測量電路與控制器集成在一起，實現(xiàn)了測量與控制的一體化。需要補充 的是，系統(tǒng)的操作需要通過人機界面來完成，而電路設(shè)計中加入的以太網(wǎng)接口為實現(xiàn)遠程監(jiān)控提供了必備的資源。 交流調(diào)壓器微調(diào)加熱器快速加熱器固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器光電耦合器制冷片電磁閥遠程監(jiān)控人機界面測溫電路控制器攪拌裝置 圖 25 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖 天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 恒溫槽溫度控制模型 在水槽的溫度微調(diào)過程中，控制器會交替的產(chǎn)生加熱與制冷作用，使水槽溫度在設(shè)定值附近上下波動。假設(shè)在溫度微調(diào)之前，水槽內(nèi)溫度為；在微調(diào)過程中，水槽內(nèi)溫度變?yōu)?；水槽?nèi)的海水總質(zhì)量為 M，比熱為 C，水槽的傳熱系數(shù)為 H，傳熱面積為 A；單位時間內(nèi)加熱器產(chǎn)生的熱量為，半導(dǎo)體 制冷片產(chǎn)生的冷量為，根據(jù)熱力學(xué)知識 [7]，有 CH TTHAdt TTdMC ????? )()( 0101 (21) 設(shè)，與控制作用成比例關(guān)系，即； 于是可以得到水槽溫度的增量微分方程 uKTdtTdT ????? (22) 式中，為溫度差；為水槽溫度的時間常數(shù)；為水槽溫度的傳遞系數(shù)。 在零初始條件下，對式 22 兩端進行拉氏變換，可得水槽內(nèi)溫度變化量對控制量變化量之間的水槽溫度 傳遞函數(shù)為 1)( )()( ????? TsKsU sTsG (23) 當(dāng)控制作用存在純延遲時間 時 ，可以得到水槽溫度的增量微分方程為 )( ??????? tuKTdtTdT (24) 在零初始條件下，帶有純延時的水槽溫度傳遞函數(shù)為 τe1TsKΔ U (s)Δ T (s)G (s) ???? (25) 半 導(dǎo)體制冷技術(shù) 半導(dǎo)體制冷技術(shù)的一種基于帕爾貼效應(yīng)進行溫度控制的技術(shù)方法，具有無機械運動、無噪聲、控溫精度高、體積小、重量輕、使用時間長等優(yōu)點 [8]。目前，半導(dǎo)體制冷技術(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、軍事科技、航空航天、科學(xué)研究等各個領(lǐng)域 [9]。本節(jié)將就半導(dǎo)體制冷技術(shù)的原理，即帕爾貼效應(yīng)作簡單介紹，并綜合制冷過程中伴隨產(chǎn)生的其他效應(yīng)計算半導(dǎo)體制冷量，最后是本系統(tǒng)對半導(dǎo)體制冷片的使用。 半導(dǎo)體制冷原理 半導(dǎo)體制冷的理論基礎(chǔ)起源于 19 世紀，然而直到上世紀 70 年代才有真正的天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 半導(dǎo)體制冷器問世 [10]。在 1821 年 德國科學(xué)家 Thomas Seeback 首次發(fā)現(xiàn)了帕爾貼效應(yīng)所產(chǎn)生的現(xiàn)象，在 1834 年法國物理學(xué)家 Jean Peltier 研究發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體制冷的本質(zhì)，并將其集中為科學(xué)原理。隨著相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體制冷技術(shù)在實際中得到了廣泛的應(yīng)用。 半導(dǎo)體制冷裝置是指由半導(dǎo)體材料組成的冷卻裝置，如圖 26 所示。當(dāng)直流電通過由兩種不同的導(dǎo)電材料構(gòu)成的回路時，在這兩種材料的結(jié)點上會出現(xiàn)吸熱或放熱的現(xiàn)象，這就是著名的帕爾貼效應(yīng)（ Peltier Effect） [11]。帕爾貼效應(yīng)所產(chǎn)生的熱能變化稱作帕爾貼熱，使用符號表示，則熱量 計算公式為 IQ abP π? (26) 其中，為帕爾貼系數(shù)； I 為通過回路的即時電流；由半導(dǎo)體組成的熱電材料的帕爾貼系數(shù)為 baab πππ ?? (27) 在實際使用中半導(dǎo)體制冷片的結(jié)構(gòu)是需要改進的，在回路中加入第三種材料（金屬片或?qū)Ь€）對回路的特性是沒有影響的。因此，在保證將一個 P 型半導(dǎo)體元件 和一個 N 型半導(dǎo)體連接成閉合回路的前提下，我們能夠改變半導(dǎo)體制冷元件的連接方式來滿足不同場合的需要 [12]。當(dāng)閉合回路通入直流電時，就會在如圖 26 所示的結(jié)點處產(chǎn)生溫差并形成熱量轉(zhuǎn)移。在回路中電流從 N 型材料流向 P型半導(dǎo)體材料時，結(jié)點處溫度會下降并出現(xiàn)吸熱現(xiàn)象，這種類型的結(jié)點被稱之為冷端；同理，電流從 P 型材料流向 N 型半導(dǎo)體材料時，結(jié)點處溫度會升高并出現(xiàn)放熱現(xiàn)象，這種類型的結(jié)點被稱之為熱端 [13]。常用的半導(dǎo)體制冷片由許多組的 N 型半導(dǎo)體元件與 P 型半導(dǎo)體元件排列而成，使用金屬材料連接這兩種導(dǎo)體材料，最后使用陶瓷片對 中間的結(jié)構(gòu)進行封裝 [14]。這種結(jié)構(gòu)使得多組半導(dǎo)體材料串聯(lián)在一起工作，巧妙的把冷端與熱端分別置于兩側(cè)。在封裝材料的選擇方面，陶瓷片的使用同時兼顧了材料的絕緣性和導(dǎo)熱性。 N P N P N P N P直流電源冷端熱端金屬導(dǎo)體 絕緣陶瓷 圖 26 帕爾特效應(yīng) 天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 半導(dǎo)體制冷量 在半導(dǎo)體回路發(fā)生帕爾貼效應(yīng)的同時，回路中還會產(chǎn)生其他的效應(yīng)，比如湯姆遜效應(yīng)、焦耳效應(yīng)、傅里葉效應(yīng)，這些伴隨效應(yīng)的產(chǎn)生也會影響到半導(dǎo)體制冷片的制冷效率 [15]。以下對這些伴隨效應(yīng)及其影響分別予以介紹。 （ 1） 湯 姆遜效應(yīng) 半導(dǎo)體制冷片是由不同的半導(dǎo)體材料組成的，而不同的材料之間是存在一定的溫度梯度的，當(dāng)有電流通過導(dǎo)體回路時，制冷片與周圍環(huán)境之間會發(fā)生熱量交換，這種現(xiàn)象被稱為湯姆遜效應(yīng) [16]。大量的科學(xué)實驗表明，單位長度吸收和放出的熱量正比于電流和溫度梯度的乘積 [17]，其關(guān)系式如下所示： dxdTIQT ?? 或 TIQT ??? (28) 式中， ——表示 單位長度的導(dǎo)體吸熱（放熱）率； ——表示湯姆遜系數(shù)； ——表示溫度梯度和溫差。 湯姆遜系數(shù)描述的是一種導(dǎo)體材料的性質(zhì)，當(dāng)導(dǎo)體中電流流向與溫度梯度方向相同時， ＞ 0，導(dǎo)體出現(xiàn)吸熱現(xiàn)象；反之則＜ 0，導(dǎo)體出現(xiàn)放熱現(xiàn)象 [18]。湯姆遜效應(yīng)屬于二級效應(yīng)，在熱平衡的分析與計算中可以忽略不計 [19]。 （ 2） 焦耳效應(yīng) 焦耳效應(yīng)是指在單位時間內(nèi)導(dǎo)體中穩(wěn)定電流所產(chǎn)生的熱量，熱量值等于導(dǎo)體的電阻值與電流平均值二次方的乘積 [20]，其計算公式如下所示： SlIRIQJ ?22 ?? (29) 式中， ——表示焦耳熱； ——表示單位時間內(nèi)流過導(dǎo)體的穩(wěn)定電流； ——表示導(dǎo)體的有效電阻； ? ——表示導(dǎo)體的電阻率； ——表示導(dǎo)體的長度；——表示導(dǎo)體的有效橫截面積。 （ 3） 傅里葉效應(yīng) 傅里葉效應(yīng)是指在熱傳導(dǎo)現(xiàn)象中，單位時間內(nèi)通過已知截面的熱量，與垂直于該界面方向上的溫度變化率和截面面積成正比，熱量傳遞的方向與溫度降低的方向相同 [21]。其計算公式如下所示： TKTTtkSQ chK ???? )( (210) 式中， ——表示通過給定截面的熱量； ——表示截面的面積； ——表示高溫溫度； ——表示低溫溫度； ——表示時間范圍； ——表示比例系數(shù)。 天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 由半導(dǎo)體制冷片的工作原理可知，半導(dǎo)體制冷片的一端為冷端，另一端為熱端，兩端之間存在著溫差，因此熱量會從熱端流向冷端 [22]。同時制冷片生成的焦耳熱也將流向冷端，從而增大了流向冷端的總熱量。假設(shè)在半導(dǎo)體制冷片中平衡電流的穩(wěn)定值為，則流向冷端的熱量可以用一維傅里葉方程表示為 TKRIQ Kjhc ????? 22121 (211) 在式 211 中焦耳熱 1/2 的系數(shù)是在熱平衡方程中對重積分得到的，并非焦耳熱的一半流向冷端，而另一半流向熱端。綜上所述，流向冷端的總熱量是影響半導(dǎo)體制冷效果的最主要原因。實際工作中，對于單個半導(dǎo)體制冷片而言，其能夠產(chǎn)生的制冷量應(yīng)該冷端的理論制冷量減去傳導(dǎo)熱，即 TKRIIaTQ chcP ?????? 20 21 (212) 半導(dǎo)體制冷片的使用 在工程實踐中，對半導(dǎo)體制冷片的使用會綜合考慮制冷效率、輸入電流、散熱問題以及使用壽命等方面的因素，這樣才能取得最佳的使用效果。 （ 1） 制冷效率 :使用半導(dǎo)體制冷片時，常會見到銘牌上所標(biāo)注的額定電壓 與額定電流，可知制冷片的功耗為 P=UI，而半導(dǎo)體制冷片的功率指的是其在單位時間內(nèi)能夠產(chǎn)生的制冷量?，F(xiàn)在常用的半導(dǎo)體制冷片的制冷效率在 60％左右，即能量的轉(zhuǎn)化效率比大約為 。因此，半導(dǎo)體制片的制冷效率是較低的。 （ 2） 輸入電流：半導(dǎo)體制冷片上標(biāo)注的電流指的是，使用在額定電壓下 且熱端散 熱充分的情況下，通過半導(dǎo)體制冷片的電流大小。 （ 3） 散熱問題：如果熱端持續(xù)發(fā)熱，會使通過導(dǎo)體的電流減小，這樣就直 接降低了制冷片的功率。因此，半導(dǎo)體制冷片熱端散熱的好壞在很大程度上影響了冷端的制冷效果，有必要使用一定的散熱措施來加快熱端的散熱，比如增大熱端散熱片的面積或是使用冷水來散熱 [23]。 （ 4） 使用壽命：在保證正確安裝以及良好散熱的前提下，使用在額定電壓 下的半導(dǎo)體制冷片的壽命可達到 3 萬小時，而這一數(shù)字遠遠小于半導(dǎo)體制冷片的理論壽命（約 30 萬小時）。實際使用中應(yīng)盡量避免違規(guī)操作，如改變不合理的安裝方式，避免人為 損壞，保證熱端的散熱良好，避免突然轉(zhuǎn)變通電方向等。 總結(jié)以上幾點分析可以發(fā)現(xiàn)，熱端的發(fā)熱量及其散熱量直接影響了半導(dǎo)體制冷片的制冷效率 [24]，而熱端的發(fā)熱是必然的，如何做到限制熱端的發(fā)熱量并增大散熱量是很關(guān)鍵的，可見不宜將半導(dǎo)體制冷片長時間應(yīng)用于大功率的場合，其更加適用于小功率的微調(diào)場合。本系統(tǒng)中的半導(dǎo)體制冷片用于對水槽溫度進行細微調(diào)節(jié)，因此在使用中受熱端影響小，保證了對冷量的控制精度。 天津大學(xué)仁愛學(xué)院 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 在本系統(tǒng)中選用了 16 支半導(dǎo)體制冷片