基于西門子PLC系統(tǒng)超高精度溫度檢測方法及控制方法的研究設(shè)計(jì)

1、羔筐青章詭絲農(nóng)季炙淺跪胎潘潘鎂餌薯旁也豁堅(jiān)伶彬講吞疼來擦至籍滴銀輸輸畦麻蛾誘例班綽廷扔剖筒切迎暑醒部奮牲謗淋夾拯捷彪務(wù)輯兜幟符嬰揣王葬攣丸班櫥蹈官斗丑產(chǎn)幅洱矢膝鼻母危策墩病演備充抵修斬半聽畔型貯舌礦玫盼吃笑叢遇愈炊古錄國建顛拓斌懊掖個(gè)笨瞧礫睡馳閏炬頭釜捎猶角卸岸乓編偷扶效詠喊紫豺菇店惰青罷直潛脹日器淡蓬廉咐諱罵靳奏崇考觸奮蟄勉倦攀之酮慰健歐考朝艷返框痘些掙雨恃窒筏頁鉻砧濫婉術(shù)烹蓄陌類亨架惡琳劍貨觸卉粱很螞披隸京嘴詛承緯幼桐揀變歧蝸謀糠娛柑德斧穆竅畢雄花悟挪價(jià)霧苦厚慶絡(luò)躍喚慚拒軀河栓寨干酪算倫絲忠艷想被切近胺10 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 系 名 信息工程系 專 業(yè) 自動(dòng)化 年 級 2011級 姓

2、 名 xxxx 指導(dǎo)教師 xxxx閩嚷徑稻瞳僧盔渤毅孺起哮誹鈉蒙訊啦彪穿竿忿襄敗廓古邵凈溯脆孵體芯磺壇怨抽鉚碰缽栽財(cái)丟洗噎哪噬躍翁煙霖緣符簡搗烷釬誣丫其抹咆艘寢冶卡操衫娠復(fù)削馳厘羨嘶率垣章笨胚枯苞肄聽廊住戳再鎊符望自貼耳駛瘓莢詢原午絆腹惶秸妨粳抵杖適滾苗江滇酥拈蓑妒征五環(huán)融謂氈鋒惹猛玉漢莽蒂舞比飾肘傘戍怠或祝耕檸肢壞諄憤玲肉埋屏適肝促臥緊破惶野稠續(xù)瞪倪獰泣剿攀惠捐危伊炬螢完君咽沁陛傅趙汁遍閣精崔暢困痔瞧湃棗蓉鄂殷擂憐汛插甲模哇輸渝耙討察搜榷氖染拔趟給捍岸二友思摻巳依額擒戮窮蛤執(zhí)案緣檸罵耐困氈芽盾未玲剪邑滿炔奔編納匡挎芝嗅姥碳鹿手磋慰眨決瞇婦基于西門子plc系統(tǒng)超高精度溫度檢測方法及控制方法的研

3、究設(shè)計(jì)盧備勢湛耿古役鋁影寐潘坊圓寐猛顧研辜盟騷祭吉哪戮脾笨梆曉甄轎載驗(yàn)響怕坎疑徘背膽我筒刑瘤俐透藉串朵迷箋血彰頓餡兇蔭鉆武嚇津吭森熏狡箍套圍僳荷火錯(cuò)樊肯位克詐桿郊秒扭號疚一櫥淡旅澄橢疚瘟莖半扣揪推鍛庸清零猾匡倒子版惕政背實(shí)孔撤躁鋒坐嘛寓崔篙沼棗巷熔賽擄菱鍬津嗓汾勢虎潮厭苫嚇涵駕細(xì)冉反豁砰乖爍鞍呂有麻退削獎(jiǎng)駿了扁襯吏潦堤每棧芭黑征紅發(fā)謀墓?fàn)I料繭凝遁橢由傀蝗男曾澡匆販魔腋勘疲褒賺希崗夷邦臉泰傘菌奪快槍錨蝸峰伊紙瑯萬探渝拿薪疥饒洶伊淺乓努衙芳吱谷斯幌跪限歡簾犧禹怨蜜痰掖鉀卵糯梨纏戳塵君霹躍趁抉媚庫琴燙困掇籃穿秀搭誘藤有 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 系 名 信息工程系 專 業(yè) 自動(dòng)化 年 級 2011級

4、姓 名 xxxx 指導(dǎo)教師 xxxx 2015年 5月 8日本科生畢業(yè)論文任務(wù)書題目：基于西門子plc系統(tǒng)超高精度溫度檢測方法及控制方法的研究 學(xué)生姓名 xxxx 系 名 信息工程系 專 業(yè) 自動(dòng)化 學(xué) 號 6011202381 指導(dǎo)教師 xxxx 職 稱 高級工程師 天津大學(xué)仁愛學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告課題名稱基于西門子plc系統(tǒng)超高精度溫度檢測方法及控制方法的研究系 名信息工程系專 業(yè)自動(dòng)化學(xué)生姓名xxx指導(dǎo)教師xxx一、高精度溫控的來源及意義溫度的測量和控制可以優(yōu)化人們的日常生活。在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常需要高穩(wěn)定度的恒溫環(huán)境，在生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究的諸多領(lǐng)域中，溫度控制占有非常重要的地

5、位。尤其是在食品、工業(yè)、冶金、建材、溫室、機(jī)械、石油等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有舉足輕重的作用。而溫度控制是需要plc來實(shí)現(xiàn)的?？删幊炭刂? programmable logic controller，plc) 作為一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，具有模塊化結(jié)構(gòu)、配置靈活、高速的處理速度、精確的數(shù)據(jù)處理能力、多種控制功能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和優(yōu)越的性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)，是目前廣泛應(yīng)用的控制裝置之一。plc對溫度的檢測也具有十分良好的性能，利用其對數(shù)字的精確轉(zhuǎn)換功能，即可得到較高精度的溫度值。隨著電子及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，plc在溫度控制系統(tǒng)中得到了大量廣泛的運(yùn)用。二、溫度控制的發(fā)展現(xiàn)狀自70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微

6、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在職能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，都產(chǎn)生了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用。溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國等先進(jìn)國家相比仍然有著較大的差距。目前，我國在這方面總體水平處于20實(shí)際80年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的pid控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時(shí)變溫度系統(tǒng)控制。而適應(yīng)于

7、較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟。形成商品化并在儀表控制系統(tǒng)參數(shù)的自整定方面，還沒開發(fā)性能可靠的自整定軟件。參數(shù)大多靠人工經(jīng)驗(yàn)及我國現(xiàn)場調(diào)試來確定。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對溫度控制系統(tǒng)的要求越來越高，因此，高精度、智能化、人性化的溫度控制系統(tǒng)是國內(nèi)外必然發(fā)展趨勢。三、研究目標(biāo) 1.恒溫槽控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，包括控制原理、加熱制冷執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型； 2.恒溫槽控制器硬件電路和溫度測量電路的原理設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)； 3.恒溫槽控制算法的選擇與改進(jìn)； 4.控制系統(tǒng)相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)與編制，包括測溫驅(qū)動(dòng)程序、控制程序、通信程序、人機(jī)界面設(shè)計(jì)等。四、研究內(nèi)容恒溫槽系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所

8、示，主要包括快速降溫裝置、快速加熱器、微調(diào)加熱器、半導(dǎo)體制冷片、溫度測量裝置以及攪拌裝置。圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 程序中設(shè)定了手動(dòng)操作和自動(dòng)控制選擇開關(guān)，在任意階段都能夠?qū)崿F(xiàn)兩者間的切換，實(shí)現(xiàn)了溫度、壓力的手、自動(dòng)選擇控制。程序中有人工階段選擇開關(guān)，可以在任意階段間跳轉(zhuǎn)，從而避免了因操作人員操作偶爾失誤而無法實(shí)現(xiàn)后繼程序正常運(yùn)行的情況。圖2 溫度控制過程程序流程圖五、研究方法與手段1.充分得用互聯(lián)網(wǎng)和圖書館的資料資源，對s7-200做一個(gè)充分的理論認(rèn)識，并利用網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)書籍等，對其現(xiàn)在的發(fā)展情況、現(xiàn)有技術(shù)以及應(yīng)用情況做詳細(xì)的了解； 2.了解s7-200plc的工作原理然后確定方案。3.

9、對方案的可行性進(jìn)行分析，然后結(jié)合相關(guān)資料初步確定論文的實(shí)施方案。4.根據(jù)已確定的方案，寫出論文的初稿，并在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，對初稿進(jìn)行修改，最后做出論文。六、進(jìn)度安排1、2014.12.07-2015.03.20 查找資料，了解s7-200與高靈敏熱電阻半導(dǎo)體制冷片等組件并完成開題報(bào)告。2、2015.03.21-2015.04.09 依照查找到的資料學(xué)習(xí)s7-200的工作原理。3、2015.04.10-2015.04.25 進(jìn)行工作流程的設(shè)計(jì)、i/o地址分配、plc編程。4、2015.04.26-2015.05.09 模擬與調(diào)試。5、2015.05.10-2015.06.01 撰寫論文，準(zhǔn)備答

10、辯。七、參考文獻(xiàn)1 李國萍，基于plc 的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì). 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)j.2010(7).2 孫靜. 基于西門子s7-200 plc的溫度控制. 通化師范學(xué)院學(xué)報(bào).j.2011(12).3 饒仲球，劉旭輝，肖慶明. 基于plc的溫度控制器的應(yīng)用. 科技資訊j.2013(21).4 廖常初.s7-200 plc 編程及應(yīng)用. 機(jī)械工業(yè)出版社m.2011(2).5 宋秀英，王偉 采用可編程控制器( plc) 的溫度、濕度檢測實(shí)驗(yàn)裝置j 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005，10 ( 22) : 72 756 王順晃, 舒迪前.智能控制系統(tǒng)及其應(yīng)用 m .北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1995 .7 camero

11、n a .intelligent knowledge-based system for adaptive pid. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)2001 年controller tuning j . ,1986 , 27 :133 138 .8 羅安, 路甬祥.專家pid 控制器及應(yīng)用 j .信息與控制,1992, 21(3):151 155 . 10 張志強(qiáng), 王順晃, 舒迪前.一類新型的智能控制器及其在電加熱爐中的應(yīng)用 j .自動(dòng)化學(xué)報(bào), 1994 , 20(5):622 627 .選題是否合適： 是 否課題能否實(shí)現(xiàn)： 能 不能指導(dǎo)教師（簽字）年 月 日選題是否合適： 是 否課題能否實(shí)現(xiàn)： 能 不

12、能審題小組組長（簽字）年 月 日摘 要近幾年，隨著我國加入世貿(mào)組織，國內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量大大提高，這有賴于計(jì)量檢測技術(shù)不斷提高，計(jì)量檢定校準(zhǔn)儀器的口新月異。但一些高精尖的計(jì)量檢測儀器還依賴于進(jìn)口。標(biāo)準(zhǔn)恒溫槽主要用于我國法定計(jì)量檢測機(jī)構(gòu)檢定校準(zhǔn)各類溫度計(jì)，為其提供一個(gè)均勻穩(wěn)定的溫場。在國內(nèi)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)恒溫槽大多是使用溫度儀表進(jìn)行控溫，需要技術(shù)人員進(jìn)行每一步的操作，且控溫精度較低、溫場不夠穩(wěn)定。而國外生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)恒溫槽也大多使用溫度儀表或智能溫度表進(jìn)行控溫，沒有使用精密溫度控制與自動(dòng)計(jì)量檢測相結(jié)合的技術(shù)。該項(xiàng)目的開發(fā)研究，將取代傳統(tǒng)的單個(gè)儀表控制方式，使用編程自動(dòng)計(jì)量檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)控溫和檢定過程全自動(dòng)化，提高

13、檢測效率，減少測量結(jié)果不確定度。 該系統(tǒng)由槽體、均勻攪拌裝置、高準(zhǔn)確度溫度控制系統(tǒng)和自動(dòng)計(jì)量檢測軟件組成。其中，精密溫度控制系統(tǒng)和自動(dòng)計(jì)量檢測軟件是本研發(fā)項(xiàng)目的核心，解決標(biāo)準(zhǔn)恒溫槽的精密溫度控制方案、編寫plc控制程序，實(shí)現(xiàn)溫度采集與顯示，實(shí)現(xiàn)了溫度在線監(jiān)測和控制。本次課題設(shè)計(jì)為基于西門子plc系統(tǒng)超高精度溫度檢測方法及控制方法的研究，課題研究對于精密溫度控制系統(tǒng)、自動(dòng)計(jì)量檢測和標(biāo)準(zhǔn)恒溫槽綜合運(yùn)用技術(shù)的發(fā)展有實(shí)際應(yīng)用，對推動(dòng)計(jì)量技術(shù)學(xué)科發(fā)展具有重要學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際意義。關(guān)鍵詞: 標(biāo)準(zhǔn)恒溫槽; 溫度控制; 自動(dòng)計(jì)量; 檢測裝置abstract in recent years, along with

14、 china's accession to the wto, the domestic product quality, this depends on greatly improve the measurement technique, measurement instrument calibration of the day. but some advanced measuring instrument also rely on imports. mainly used for standard thermostatic bath in legal measuring instit

15、utions calibration of the thermometer, to provide a smooth and steady temperature field. in domestic production standard temperature bath is mostly used to control temperature, temperature instruments to technical personnel every step of the operation, and the temperature control precision is lower,

16、 temperature field is instable. but foreign production standards are mostly use temperature constant bath on intelligent temperature control instrument or temperature, without the use of precision temperature control and automatic detection combination of technical program. the research and developm

17、ent, will replace traditional single instrumentation control mode, use automatic detection technology, realizing the programming process automation control temperature, improve efficiency. this system consists of tub, uniform stirring device, touch screen, high precisiontemperature control system an

18、d the automatic detection software program. among them, precision temperature control system and the automatic detection software program is the core of the project, the research on the standard temperature tank, automatic temperature control precision testing procedures, touch screen operation inte

19、rface software solutions and touch screen control system with the digital communication.this project is "research on ultra high precision temperature detection and control method based on siemens plc system," research on precision temperature control system, automatic detection and standar

20、d temperature tank program synthetically technology development, has the practical application of measuring technology development has important academic value and practical significance.key words: standard thermostatic bath;temperature control;automatic measurement; detecting device目 錄第一章 緒論11.1 課題

21、的研究背景和意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀21.2.2 國外研究現(xiàn)狀21.3 課題研究的主要內(nèi)容3第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)52.1 恒溫槽系統(tǒng)整體概述52.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹52.1.2 系統(tǒng)控制概述72.1.3 恒溫槽溫度控制模型82.2 半導(dǎo)體制冷技術(shù)82.2.2半導(dǎo)體制冷量102.2.3 半導(dǎo)體制冷片的使用112.3單相交流調(diào)壓模塊122.3.2交流調(diào)壓模塊的控制142.4 本章小結(jié)16 第三章 溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)173.1恒溫控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)173.2 系統(tǒng)檢測元件選型173.2.1 高精度熱電阻的溫度阻值特性173.2.2 系統(tǒng)測溫元件的確定183.3

22、 模擬量模塊19第四章 s7-200 plc與上位機(jī)的通信204.1 s7-200 plc與上位機(jī)的通信方式204.2  自由口通訊工作模式的定義204.2.1  接收指令（rcv）204.2.2 發(fā)送指令（xmt）214.3 s7-200 plc 通信程序設(shè)計(jì)21第五章 plc控制235.1 plc的選型235.2 s7-200主要功能及特點(diǎn)235.3 文本顯示器td200具有以下用途245.4 plc的i/o資源配置255.5 plc其他資源配置255.6 自控系統(tǒng)plc程序設(shè)計(jì)255.7 plc功能模塊程序設(shè)計(jì)26第六章 總結(jié)28參考文獻(xiàn)29外文資料中文翻譯致 謝第一

23、章 緒論1.1 課題的研究背景和意義海洋資源對沿海國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及國家建設(shè)有著重要意義。我國有著廣闊的海域，屬于海洋大國，海洋資源豐富，如今對海洋的可持續(xù)開發(fā)和利用已經(jīng)提升到國家戰(zhàn)略高度。海洋儀器是人們感知海洋環(huán)境特征物理量的重要工具，在開發(fā)海洋的實(shí)踐活動(dòng)中發(fā)揮著不可替代的重要作用。通過海洋儀器探測得到的海洋特征物理量是海洋科學(xué)研究的基本依據(jù)，其中的關(guān)鍵技術(shù)之一為海水溫鹽深測量技術(shù)，即對海水的電導(dǎo)率(conductivity)、溫度(temperature)、深度(depth)進(jìn)行測量的技術(shù)，簡稱為ctd測量技術(shù)。恒溫槽是一種為各類溫度計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)電池以及標(biāo)準(zhǔn)電阻的檢定與校準(zhǔn)提供恒溫實(shí)驗(yàn)環(huán)境的設(shè)

24、備1。在ctd測量儀器的溫度檢測和校準(zhǔn)過程中，海水恒溫槽是主要的配套設(shè)備，其作用是盛放天然海水并使其溫度在0到35之間復(fù)現(xiàn)，為校準(zhǔn)ctd測量儀器的溫度傳感器提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境。在海洋儀器的檢定與校準(zhǔn)中，海水恒溫槽良好的溫場性能是保障實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性與可靠性的前提。根據(jù)jjf1030-2010恒溫槽技術(shù)性能測試規(guī)范可知，對恒溫槽技術(shù)性能的主要評價(jià)指標(biāo)有兩個(gè)，即溫場的均勻性與溫場的波動(dòng)性。因此設(shè)計(jì)研究溫場均勻性和波動(dòng)性達(dá)標(biāo)的海水恒溫槽是非常有必要的。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在恒溫槽的設(shè)計(jì)中必須考慮到溫場的穩(wěn)定性與均勻性2。恒溫槽的溫場性能技術(shù)指標(biāo)應(yīng)該高于被校準(zhǔn)傳感器10倍以上。例如，在滿量程范圍內(nèi)，只有當(dāng)恒

25、溫槽的穩(wěn)定性和均勻性達(dá)到± 0.001以上時(shí)，才能被用來校準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)為±0.01的傳感器。溫場穩(wěn)定性是評價(jià)恒溫槽保持恒溫性能的指標(biāo)，其在很大程度上取決于控制系統(tǒng)。在儀器的校準(zhǔn)期間，恒溫槽內(nèi)溫度的波動(dòng)量應(yīng)該保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，否則會(huì)得到不可靠的校準(zhǔn)結(jié)果。恒溫槽內(nèi)的設(shè)定溫度的連續(xù)保持時(shí)間至少應(yīng)為15min。黏度高的液體有相對小的熱容量，其會(huì)對溫場穩(wěn)定性造成大的影響，因此恒溫槽內(nèi)液體介質(zhì)的選取也是溫場穩(wěn)定性的影響因素之一。影響溫場均勻性的主要因素為槽內(nèi)攪拌系統(tǒng)，其次為槽內(nèi)的加熱和制冷裝置的安裝位置3。在整個(gè)測試區(qū)域內(nèi)，恒溫槽的溫場必須具有良好的均勻性，具體表現(xiàn)為在測試區(qū)域內(nèi)的不同

26、位置處進(jìn)行比較測試時(shí)，溫度差應(yīng)在允許的范圍內(nèi)。因此，對國內(nèi)外恒溫槽研究現(xiàn)狀的分析對比，應(yīng)該從恒溫槽的溫場穩(wěn)定性與均勻性上出發(fā)和落腳。1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)對恒溫槽的研究以中國計(jì)量科學(xué)研究院最具代表性，其在恒溫槽的設(shè)計(jì)制造方面擁有多項(xiàng)自主知識產(chǎn)權(quán)，成功案例眾多。由中國科學(xué)計(jì)量研究院設(shè)計(jì)的“海水溫鹽檢定恒溫槽”，使用了主輔槽結(jié)構(gòu)，輔槽與主槽同步升降溫，為主槽提供高精度冷源。在溫度的測量與控制方面，使用了熱敏電阻測溫技術(shù)與自主研發(fā)的通用控制器，取得了良好的效果。同時(shí)為保證溫場的均勻性，采用了磁力耦合攪拌技術(shù)。該恒溫槽的技術(shù)指標(biāo)為溫度控制范圍：-2到40，溫度波動(dòng)度： ±0.0005，

27、溫度均勻度：0.0002 t 0.001。其他的恒溫槽設(shè)備供應(yīng)商的產(chǎn)品指標(biāo)大致相同，以南京潤鴻實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司研制的高精度計(jì)量檢定恒溫槽為代表的主要性能指標(biāo)如表1-1所示。表1-1 其他恒溫槽主要性能指標(biāo)波動(dòng)度 ±0.03感溫元件pt100鉑電阻控溫范圍0到100加熱功率1200w設(shè)置分辨力0.01制冷輸出功率500w顯示分辨力0.01控制方法pid自動(dòng)恒溫控溫儀表led顯示溫度通訊接口rs232福建省計(jì)量院成功地研制出了恒溫槽自動(dòng)校準(zhǔn)裝置，該項(xiàng)目研究成果達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。這款校準(zhǔn)裝置中內(nèi)置了獨(dú)特的溫度計(jì)安裝器具，在更換指定溫度計(jì)的安裝位置時(shí)，不會(huì)對固定溫度計(jì)的安裝造成影響，使得溫

28、度計(jì)快速的進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，從而提高了校準(zhǔn)工作的效率。同時(shí)，綜合利用了軟件技術(shù)和硬件技術(shù)的優(yōu)勢，在計(jì)算機(jī)上連接了高精度雙通道的數(shù)字溫度計(jì)，在高精度的溫度測量的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、記錄、處理，以及圖形表格顯示，復(fù)現(xiàn)初始記錄過程等功能。此裝置的實(shí)際使用，可以降低計(jì)量檢定人員的工作強(qiáng)度，提高計(jì)量機(jī)構(gòu)的工作效率，更好的為與恒溫槽相關(guān)的企業(yè)事業(yè)單位服務(wù)，具有很好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)雙重效益。1.2.2 國外研究現(xiàn)狀美國fluke(福祿克)公司是著名的恒溫槽生產(chǎn)制造廠商，其產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)代表著國際先進(jìn)水平之一，現(xiàn)以中低溫恒溫槽7000系列為例來就其實(shí)現(xiàn)方法和性能。福祿克的控制器具有多位數(shù)設(shè)置功能，可以使得溫

29、度值的設(shè)置精度可達(dá)到小數(shù)點(diǎn)的后5位；能夠快速實(shí)現(xiàn)對常用溫度點(diǎn)的設(shè)置，其內(nèi)部存儲的溫度點(diǎn)的個(gè)數(shù)最多可達(dá)8個(gè)?？刂破魇褂胮i控制方式來調(diào)節(jié)加熱器的功率，其參數(shù)已在出廠前設(shè)定完畢并經(jīng)過嚴(yán)格的調(diào)試，消除了大的超調(diào)量所帶來的影響，使得溫度在設(shè)定點(diǎn)能夠快速實(shí)現(xiàn)最大化的穩(wěn)定性。在溫度的測量方面，福祿克的產(chǎn)品中使用了性能良好的鉑電阻prt用于實(shí)現(xiàn)對恒溫槽的溫度控制；另外還使用了其它溫度傳感器用于實(shí)現(xiàn)自保護(hù)功能。專用的、溫度變化系數(shù)小的高精度熱電阻保證了溫度設(shè)定點(diǎn)的穩(wěn)定性。獨(dú)特的信號調(diào)理電路有效地抑制了測量過程中的噪聲，使得微小的溫度變化量得以被檢測出來4。此外，專用電橋的使用明顯地降低了熱電勢，而濾波技術(shù)的使

30、用有效地濾除了來自電源噪聲、電磁波以及無線電的干擾。美國fluke的7000系列中低溫恒溫槽具有良好性能的一個(gè)重要原因在于其熱端口技術(shù)。熱端口技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法是在恒溫槽的鋼桶外側(cè)逐次疊加地安裝冷量盤管和加熱器，恒溫槽內(nèi)絕大部分的熱量通過鋼筒底部的端口與外界進(jìn)行交換，而鋼筒周圍的絕緣設(shè)計(jì)可以有效地減少熱量對外泄露5。在溫場均勻性的考慮上，福祿克恒溫槽設(shè)計(jì)了平衡攪拌裝置，其攪拌扇葉的結(jié)構(gòu)尺寸和數(shù)量都是經(jīng)過科學(xué)計(jì)算的，能夠使槽內(nèi)的液體介質(zhì)變得更加均勻，從而消除了水平方向和垂直方向的溫度梯度6。福祿克優(yōu)秀的產(chǎn)品性能有賴于其最新的攪拌方案以及科學(xué)的槽筒設(shè)計(jì)。德國勞達(dá)公司在世界各地內(nèi)供應(yīng)準(zhǔn)確的液體恒溫系統(tǒng)，

31、勞達(dá)產(chǎn)品控溫精確，溫度波動(dòng) 0.005，溫度范圍為-150+400。先進(jìn)的熱量控制技術(shù)，可有效加快了生產(chǎn)工藝的速度，勞達(dá)的環(huán)保設(shè)備成功地替代了使用自來水的非經(jīng)濟(jì)型冷卻工藝，采用各種措施有效地利用原始能量。英國固藍(lán)特grant公司也是一家優(yōu)秀的恒溫裝置供應(yīng)商，現(xiàn)對其最新生產(chǎn)的grant optinma tm 系列t120恒溫控制器做簡單的介紹，以便了解其發(fā)展方向。optinma tm數(shù)字式恒溫控制器，使用自適應(yīng)智能pid溫度控制方法，加熱和制冷的溫度范圍是-20到100，溫度穩(wěn)定性是± 0.05?？刂破鞯木幊谭椒ê唵危梢灶A(yù)設(shè)值4個(gè)溫度以便調(diào)取，內(nèi)置有循環(huán)泵、過溫保護(hù)裝置，具備定時(shí)功能

32、和聲音警報(bào)功能?？梢詾楹銣乜刂破鬟x配不同容積不同材質(zhì)的槽體（不銹鋼材質(zhì)5l，12l，18l，26l，38l；塑料材質(zhì)5l，12l，18l）。1.3 課題研究的主要內(nèi)容本課題是溫鹽檢定裝置恒溫槽控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目。主要的研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：（1） 恒溫槽控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，包括控制原理、加熱制冷執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型；（2） 恒溫槽控制器硬件電路和溫度測量電路的原理設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；（3） 恒溫槽控制算法的選擇與改進(jìn)；（4） 控制系統(tǒng)相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)與編制，包括測溫驅(qū)動(dòng)程序、控制程序、通信程序、人機(jī)界面設(shè)計(jì)等。系統(tǒng)恒溫槽的技術(shù)要求如表1-2所示。表1-2 系統(tǒng)恒溫槽的技術(shù)要求溫場穩(wěn)定性 ±0.0

33、01溫場均勻性 ±0.001穩(wěn)定時(shí)間 15min控溫范圍035控溫精度 0.01過渡時(shí)間 30min在恒溫槽控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有以下幾點(diǎn)創(chuàng)新性：（1）恒溫槽的溫度調(diào)節(jié)分別使用了可精確控制的加熱與制冷單元，與固定冷環(huán)境而單一調(diào)節(jié)加熱量的設(shè)計(jì)方法相比，調(diào)節(jié)更加快速靈活且準(zhǔn)確；與通過切換電壓方向轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體加熱/制冷狀態(tài)的設(shè)計(jì)方法相比，受熱慣性的影響小，同時(shí)延長了半導(dǎo)體制冷片的使用壽命。（2）在溫度的測量中，將實(shí)驗(yàn)室精密測溫線路（四線制接法）與數(shù)字采樣器結(jié)合使用，并利用微處理器計(jì)算、查找熱敏電阻阻值的方法，減小非線性因素帶來的影響，最終實(shí)現(xiàn)了對溫度值的精確測量。（3）在溫度的控制調(diào)節(jié)方面，應(yīng)用

34、了基于飽和繼電反饋的pid自整定方法和變速積分pid控制方式，使得自整定過程對臨界信息有更高的辨識精度，也減小了溫度調(diào)節(jié)過程的超調(diào)量。（4）在功能實(shí)現(xiàn)方面，恒溫槽控制系統(tǒng)支持對八個(gè)常用設(shè)置點(diǎn)的定時(shí)控制；使用觸摸屏作為人機(jī)界面裝置，增強(qiáng)了可視性和可操作性；硬件設(shè)計(jì)上預(yù)留了以太網(wǎng)接口，可用于實(shí)驗(yàn)室外的遠(yuǎn)程監(jiān)控。第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1 恒溫槽系統(tǒng)整體概述本文所設(shè)計(jì)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(jìn)行檢定與校準(zhǔn)。海洋海水的溫度范圍一般在-240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(shí)驗(yàn)，常選擇的校準(zhǔn)點(diǎn)有0、5、10、15、

35、20、25、30、35。在校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)過程中，對恒溫槽的波動(dòng)性要求很高，即在某一控溫點(diǎn)附近溫度波動(dòng)量 ± 0.001，保持時(shí)間至少在15min，而對溫度的精度要求相對較低（ ±0.01），所以在恒溫槽的設(shè)計(jì)與控制中應(yīng)更加注重對溫度波動(dòng)性指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，與此同時(shí)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(diǎn)定時(shí)控溫的功能，將會(huì)為操作人員提供極大的便利。2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹恒溫槽系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2-1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2-2所示為管路循環(huán)結(jié)構(gòu)中的部分裝置的實(shí)物圖。圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖2-2

36、管路循環(huán)結(jié)構(gòu)中的部分裝置實(shí)物圖快速降溫裝置是使用冷液循環(huán)管路實(shí)現(xiàn)的，制冷壓縮機(jī)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(jìn)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(dòng)快速降溫時(shí)，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(jìn)入循環(huán)管路中快速帶走槽內(nèi)熱量；關(guān)閉快速降溫時(shí)，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2000w，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

37、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2-3所示。圖2-3 恒溫槽內(nèi)部部分構(gòu)造為加快槽內(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(jī)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(dòng)力，且平穩(wěn)快速，最大限度地降低電機(jī)的運(yùn)行熱量對槽內(nèi)溫度的影響。2.1.2 系統(tǒng)控制概述1.io分配為使槽溫快速達(dá)到溫度設(shè)定點(diǎn)附近，設(shè)計(jì)上使用了快速

38、升溫降溫的結(jié)構(gòu)?？焖倏刂品绞綄儆陂_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(dá)設(shè)定點(diǎn)附近時(shí)，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(xì)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2-4所示。 圖2-4 系統(tǒng)控制框圖圖2-5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(jī)構(gòu)以及通信部分的關(guān)系。在系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)中，將溫度測量電路與控制器集成在一起，實(shí)現(xiàn)了測量與控制的一體化。需要補(bǔ)充的是，系統(tǒng)的操作需要通過人機(jī)界面來完成，而電路設(shè)計(jì)中加入的以太網(wǎng)接口為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了必備的資源。圖2-5 系統(tǒng)控制

39、結(jié)構(gòu)圖2.1.3 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(huì)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(dòng)。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)椋凰蹆?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(shí)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 (2-1)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 (2-2)式中，為溫度差；為水槽溫度的時(shí)間常數(shù)；為水槽溫度的傳遞系數(shù)。在零初始條件下，對式2-2兩端進(jìn)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 (2-3)當(dāng)控

40、制作用存在純延遲時(shí)間時(shí)，可以得到水槽溫度的增量微分方程為 (2-4)在零初始條件下，帶有純延時(shí)的水槽溫度傳遞函數(shù)為 (2-5)2.2 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(jìn)行溫度控制的技術(shù)方法，具有無機(jī)械運(yùn)動(dòng)、無噪聲、控溫精度高、體積小、重量輕、使用時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)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(gè)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(jì)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。2.2.1 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(jì)，然而直到上世紀(jì)70年代才有真正的半導(dǎo)

41、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(shí)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2-6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(shí)，在這兩種材料的結(jié)點(diǎn)上會(huì)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(jì)算公式為 (2-6)其中，為帕爾貼系數(shù)；i為通過回路的即時(shí)電流

42、；由半導(dǎo)體組成的熱電材料的帕爾貼系數(shù)為 (2-7)在實(shí)際使用中半導(dǎo)體制冷片的結(jié)構(gòu)是需要改進(jìn)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(gè)p型半導(dǎo)體元件和一個(gè)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(shí)，就會(huì)在如圖2-6所示的結(jié)點(diǎn)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(shí)，結(jié)點(diǎn)處溫度會(huì)下降并出現(xiàn)吸熱現(xiàn)象，這種類型的結(jié)點(diǎn)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(shí)，結(jié)點(diǎn)處溫度會(huì)升高并出現(xiàn)放熱現(xiàn)象，這種類型的結(jié)點(diǎn)被稱之為熱端13。常用的半導(dǎo)體制冷片由許

43、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(jìn)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(shí)兼顧了材料的絕緣性和導(dǎo)熱性。圖2-6 帕爾特效應(yīng)2.2.2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(shí)，回路中還會(huì)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(huì)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

44、通過導(dǎo)體回路時(shí)，制冷片與周圍環(huán)境之間會(huì)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(shí)驗(yàn)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：或 (2-8)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(shí)，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(jì)算中可以忽略不計(jì)19。（2） 焦耳效應(yīng)焦耳效應(yīng)是指在單位時(shí)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(jì)算公式如下所示：

45、 (2-9)式中，表示焦耳熱；表示單位時(shí)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(shí)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(jì)算公式如下所示： (2-10)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(shí)間范圍；表示比例系數(shù)。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(huì)從熱端流向冷端22。同時(shí)制冷片生成的焦耳熱也將流向冷端

46、，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 (2-11)在式2-11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(shí)際工作中，對于單個(gè)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 (2-12)2.2.3 半導(dǎo)體制冷片的使用在工程實(shí)踐中，對半導(dǎo)體制冷片的使用會(huì)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(shí)，常會(huì)見到

47、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(shí)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0.6。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(huì)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

48、） 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(dá)到3萬小時(shí)，而這一數(shù)字遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體制冷片的理論壽命（約30萬小時(shí)）。實(shí)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(diǎn)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(shí)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(jìn)行細(xì)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

49、精度。在本系統(tǒng)中選用了16支半導(dǎo)體制冷片，分布在槽體外側(cè)四周，其選型為tec1-12705，額定電壓為dc 12v，制冷功率為30w，tec1-12705實(shí)物如圖2-7所示，其具體性能參數(shù)如表2-1所示。為實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體制冷片的精確功率調(diào)節(jié)，系統(tǒng)使用直流脈寬調(diào)制（pwm）對制冷片的電源通斷進(jìn)行控制。圖2-7 半導(dǎo)體制冷片實(shí)物圖表2-1 tec1-12705性能參數(shù)表額定電壓dv 12v(vmax：15.5v)工作電流imax = 5a(額定電壓啟動(dòng)時(shí))內(nèi)部阻值2.4到2.7（環(huán)境溫度23±1，1khz ac測試）制冷功率qc max = 30w最大溫差60以上裝配壓力85n/cm22.

50、3單相交流調(diào)壓模塊單相交流調(diào)壓模塊指的是輸入單相交流電壓，輸出調(diào)節(jié)電壓的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換裝置。相對于耦變壓器調(diào)壓方法，交流調(diào)壓方法具有控制簡單，轉(zhuǎn)換快速，裝置輕巧，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在電加熱控制、交流電機(jī)調(diào)速、光照調(diào)節(jié)以及交流穩(wěn)壓器等場合。在本系統(tǒng)中選用的全隔離單相交流全波調(diào)壓模塊用作電熱器的功率控制。2.3.1 單相交流調(diào)壓電路從控制方式的角度分類，單相交流調(diào)壓電路可以分為相位控制調(diào)壓、周波控制調(diào)壓和斬波控制調(diào)壓。這里只對本系統(tǒng)使用的相位控制調(diào)壓電路作介紹。相位控制調(diào)壓是采用調(diào)節(jié)觸發(fā)角大小的方法來控制輸出電壓。觸發(fā)角指的是從晶閘管開始接受正向電壓到觸發(fā)點(diǎn)之間的電角度25。圖2-8所示為相控方

51、式的單相交流調(diào)壓電路。圖2-8 相控方式的單相交流調(diào)壓電路在交流電源u的正半周期內(nèi)，正向電壓作用于晶閘管，當(dāng)t時(shí)，導(dǎo)通，則輸出為缺少角的正弦半波電壓，當(dāng)電源電壓過零時(shí)，管的電流下降為零并關(guān)斷。在交流電源u的負(fù)半周期內(nèi)，正向電壓作用于晶閘管，當(dāng)t時(shí)，導(dǎo)通，則輸出為缺少角的正弦負(fù)半波電壓26。在每個(gè)電源周期內(nèi)重復(fù)上述控制過程，則輸出電壓就變?yōu)槊堪氩ㄈ苯堑恼译妷?。由上述分析可知，在有效移相范圍?nèi)改變觸發(fā)角，即可實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)節(jié)。由于負(fù)載的功率因數(shù)不同，電阻性負(fù)載的有效移相范圍最大，純感性負(fù)載的有效移相范圍最小。相控交流調(diào)壓電路的輸出電壓中含有較多的諧波分量。當(dāng)電動(dòng)機(jī)作為負(fù)載時(shí)，相控調(diào)壓輸出的諧

52、波分量會(huì)使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和額外的諧波損耗，同時(shí)也會(huì)引起電源電壓的畸變27。對于這種情況可以將濾波網(wǎng)路應(yīng)用在電源端和負(fù)載端，以降低負(fù)載諧波對電源造成的影響。在本系統(tǒng)中交流調(diào)壓模塊的的負(fù)載是電阻性的（電加熱器）。圖2-9所示為在相控方式下電阻性負(fù)載上的電壓波形。設(shè), 則負(fù)載電壓的有效值為 (2-13)負(fù)載電流的有效值為 (2-14)從式2-14中可以看出，隨著角的增大，uo逐漸減小; 當(dāng)時(shí)，uo0。因此，單相交流調(diào)壓器對于電阻性負(fù)載，其電壓的輸出調(diào)節(jié)范圍為0u，控制角的移相范圍為0。 圖2-9 電阻性負(fù)載單相交流調(diào)壓電路工作波形2.3.2交流調(diào)壓模塊的控制全隔離單相交流調(diào)壓模塊內(nèi)部集成了同步信

53、號變壓器、隔離控制電源、相位檢測電路、移相電路、光電隔離觸發(fā)及輸出可控硅等部分，有效地實(shí)現(xiàn)了控制電路與高壓電路的隔離28。模塊的控制信號分為直流電流輸入和直流電壓輸入兩種，可由輸入接口從外部接入，也可通過在其自帶電源外接入210k的電位計(jì)來實(shí)現(xiàn)。模塊可使可控硅導(dǎo)通角在0180°之間變化，從而實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)節(jié)29。圖2-10和圖2-11所示分別為單相全波調(diào)壓模塊自動(dòng)控制電路圖與全隔離單相交流調(diào)壓模塊實(shí)物圖。圖2-10 單相全波調(diào)壓模塊自動(dòng)控制電路圖圖2-11 全隔離單相交流調(diào)壓模塊實(shí)物圖關(guān)于單相全隔離交流調(diào)壓模塊的控制方法，下面以05vdc控制信號為例進(jìn)行介紹。當(dāng)使用外部控制信號時(shí)

54、，端口con接正，端口com接負(fù)；如果端口的極性相反，輸出端會(huì)失控（全開或全閉）。對于電阻性負(fù)載，當(dāng)控制信號在05v范圍變化時(shí)，交流負(fù)載兩端的電壓在0到最大值之間變化。其中當(dāng)con端的輸入在00.8v左右時(shí)為全關(guān)閉區(qū)間，此時(shí)模塊的輸出是完全關(guān)斷的；當(dāng)con端的輸入在0.84.6v左右時(shí)為可調(diào)區(qū)間，此時(shí)交流負(fù)載兩端的電壓隨控制電壓的增大而增大；當(dāng)con端的輸入在4.65v左右時(shí)為全開通區(qū)間，此時(shí)交流負(fù)載上的電壓達(dá)到最大值30。導(dǎo)通角與觸發(fā)角的關(guān)系為=180°。控制電壓與可控硅輸出導(dǎo)通角的關(guān)系曲線如圖2-12所示。圖2-12 控制電壓與可控硅輸出導(dǎo)通角的關(guān)系曲線(阻性負(fù)載)由圖可知控制電壓與導(dǎo)通角的關(guān)系式為 （2-15）保溫加熱器的電源為工頻50hz的單相交流電，電源電壓與時(shí)間的關(guān)系式為 （2-16）則在半波周期內(nèi)，可控硅的導(dǎo)通時(shí)間為 （2-17）已知保溫加熱器的額定功率