一种便携式现场校验用热电偶冷端恒温装置及其控制方法与流程

本发明属于热电偶冷端恒温控制技术领域，涉及一种便携式现场校验用热电偶冷端恒温装置及其控制方法。

背景技术：

目前流行的半导体零度自动恒温，采用把热电偶的冷端直接插入0℃温场的结构。该装置存在下列不足：半导体制冷器的热端采用水冷方式，使用不方便；采用了模拟电路的常规PID控制方式控制可控硅整流器，以调节半导体致冷器的工作电流，由硬件实现的常规PID控制，其比例系数、微分时间和积分时间常数是固定的，难于获得最佳控制品质；测量桥路电阻元件的自然老化，其参数会产生时漂，长期使用后使被控温度产生一定的偏离影响检定的准确度。

技术实现要素：

本发明的目的是为了针对上述现有技术存在的缺陷和不足，提出一种便携式现场校验用热电偶冷端恒温装置和控制方法，能有效解决热电偶冷端现场校验问题，控制品质可得到较好的控制，可有效提升校验的准确度。

本发明的技术方案是：一种便携式现场校验用热电偶冷端恒温装置，其特征在于：所述热电偶冷端恒温装置由0℃恒温装置和控制系统组成；所述0℃恒温装置由均温器、半导体制冷器、热敏电阻、半导体制冷器散热散冷器和隔热材料连接构成；所述半导体制冷器由TEC1、TEC2、TEC3、TEC4四个制冷器构成，四个制冷器分别安装在所述均温器的前后左右四个面上，所述热敏电阻由T1、T2、T3、T4四只热敏电阻构成，所述四只热敏电阻均嵌入设置在所述均温器的上表面，所述半导体制冷器散热散冷器安装在所述每只半导体制冷器的外侧，所述隔热材料设置在恒温装置的不锈钢外壳内，在每两只所述热敏电阻的中间位置设有热电偶插入孔；所述控制系统由热敏电阻温度传感器、调理电路、微控制器、TEC驱动电路、键盘电路、LCD显示电路和ZigBee模块组成；所述温度传感器、半导体制冷器和均温器封装构成集成组件。

所述均温器是通过6101铝合金制作成形状为长方体，截面为正方型的均温器。

所述TEC1、TEC2、TEC3、TEC4四个制冷器的规格完全相同，均温器和四个制冷器接触面涂有导热硅脂层，增加其导热性能。

所述T1、T2、T3、T4四只热敏电阻规格相同，嵌入深度为3～10mm，以实现对温度的精确测量。

所述半导体制冷器选用TEC-12703，最大温差电流为3A，最大功率为28W，通过控制制冷器的电流方向实现制冷和制热变换。

所述隔热材料用隔热塑料泡沫包裹，厚度为3～5厘米，安装在恒温装置的不锈钢外壳内。

所述热敏电阻温度传感器为负温度系数的热敏电阻103AT，测温范围：-10～+60℃。

所述调理电路包括热敏电阻线性化电路、热敏电阻RT与R1、R2及R3+RP1组成电桥电路、运算放大器U1构成的电压跟随器、运算放大器U2构成的差动放大器。

所述TEC驱动电路包括有运算放大器A1和A2构成的D/A转换器DAC0832输出的信号的双极性模拟电压转换电路、功率管Q1和Q2构成的功率放大电路组成；双极性模拟电压转换电路采用LM224运算放大器及外围电路实现；功率放大电路选用FZT功率管构成互补放大电路，实现大电流输出。

所述一种便携式现场校验用热电偶冷端恒温装置的控制方法，其特征在于，控制方法如下：

(1)将半导体制冷器的工作设置为8种模式；

(2)当前温度T1高于设定的最高温度Tm时，单片机经过PID运算后，经过D/A转换输出模拟电压，半导体制冷器工作模式1，即制冷器TEC1和TEC2制冷功率模式；

(3)当前温度T2高于设定的最高温度Tm时，半导体制冷器工作模式2，即制冷器TEC2和TEC3制冷功率模式；

(4)当前温度T3高于设定的最高温度Tm时，半导体制冷器工作模式3，即制冷器TEC1和TEC4制冷功率模式；

(5)当前温度T4高于设定的最高温度Tm时，半导体制冷器工作模式4，即制冷器TEC3和TEC4制冷功率模式；

(6)当前温度Ti(i＝1,2,3,4)低于设定的最低温度Tn时，半导体制冷器工作模式5、6、7、8，即半导体制冷器工作模式1、2、3、4工作与制热功率模式。

本发明的有益效果为：本发明提出的一种便携式现场校验用热电偶冷端恒温装置及其控制方法，其装置结构新颖，控制方法原理清晰，热电偶冷端恒温装置包括0℃恒温装置和控制系统，0℃恒温装置包括均温器、半导体制冷器、热敏电阻和半导体制冷器散热散冷器，控制系统包括嵌入均温器的4只完全相同的热敏电阻温度传感器，调理电路，微控制器，4路完全相同的TEC驱动电路，键盘电路，LCD显示电路和ZigBee模块组成。其中，温度传感器、TEC制冷器、均温器封装构成集成组件。热电偶冷端恒温控制方法，包括TEC半导体制冷器的工作设置为8种模式。系统可以实现均温器温度在8min内由25℃降至0℃，此后基本保持在±0.06℃温度范围内波动，均温器温度的保持时间6h，温控效果良好，温控精度达到0.05℃。该控制系统的温度具有较高的温度均匀度和稳定度，完全能满足热电偶校准参考端恒温器的温场要求，同时由于采用均温器和模块化设计，具有体积小，携带方便，便于现场校准使用的特点。

附图说明

图1是本发明0℃恒温装置的结构示意图。

图2是本发明恒温控制系统的方框图。

图3是本发明中热敏电阻传感器调理电路原理图。

图4是本发明中TEC驱动电路原理图。

图5是本发明中控制方法软件流程框图。

图6是本发明中测试效果图。

图中：均温器1、半导体制冷器2、热敏电阻3、半导体制冷器散热散冷器4、隔热材料5、热电偶插入孔6、电阻温度传感器7、调理电路8、微控制器9、TEC驱动电路10、键盘电路11、LCD显示电路12、ZigBee模块13。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1-2所示，一种便携式现场校验用热电偶冷端恒温装置，热电偶冷端恒温装置由0℃恒温装置和控制系统组成；0℃恒温装置由均温器1、半导体制冷器2、热敏电阻3、半导体制冷器散热散冷器4和隔热材料5连接构成；半导体制冷器2由TEC1、TEC2、TEC3、TEC4四个制冷器构成，四个制冷器分别安装在均温器1的前后左右四个面上，热敏电阻3由T1、T2、T3、T4四只热敏电阻构成，四只热敏电阻3均嵌入设置在均温器1的上表面，半导体制冷器散热散冷器4安装在每个半导体制冷器2的外侧，隔热材料5设置在恒温装置的不锈钢外壳内，在每两只热敏电阻3的中间位置设有热电偶插入孔6；控制系统由热敏电阻温度传感器7、调理电路8、微控制器9、TEC驱动电路10、键盘电路11、LCD显示电路12和ZigBee模块13组成；温度传感器7、半导体制冷器2和均温器1封装构成集成组件。

如图1-6所示，一种便携式现场校验用热电偶冷端恒温装置，均温器1是通过6101铝合金制作成形状为长方体，截面为正方型的均温器。TEC1、TEC2、TEC3、TEC4四个规格相同的制冷器，均温器1和四个制冷器接触面涂有导热硅脂层，增加其导热性能。T1、T2、T3、T4四只热敏电阻3规格相同，嵌入深度为3～10mm，以实现对温度的精确测量。半导体制冷器2选用TEC-12703，最大温差电流为3A，最大功率为28W，通过控制制冷器的电流方向实现制冷和制热变换。隔热材料5用隔热塑料泡沫包裹，厚度为3～5厘米，安装在恒温装置的不锈钢外壳内。热敏电阻温度传感器7为负温度系数的热敏电阻103AT，测温范围：-10～+60℃。调理电路8包括热敏电阻线性化电路、热敏电阻RT与R1、R2及R3+RP1组成电桥电路、运算放大器U1构成的电压跟随器、运算放大器U2构成的差动放大器。TEC驱动电路10包括有运算放大器A1和A2构成的D/A转换器DAC0832输出的信号的双极性模拟电压转换电路、功率管Q1和Q2构成的功率放大电路组成；双极性模拟电压转换电路采用LM224运算放大器及外围电路实现；功率放大电路选用FZT功率管构成互补放大电路，实现大电流输出。

如图1-6所示，一种便携式现场校验用热电偶冷端恒温装置的控制方法，控制方法如下：

(1)将半导体制冷器的工作设置为8种模式；

(2)当前温度T1高于设定的最高温度Tm时，单片机经过PID运算后，经过D/A转换输出模拟电压，半导体制冷器工作模式1，即制冷器TEC1和TEC2制冷功率模式；

(3)当前温度T2高于设定的最高温度Tm时，半导体制冷器工作模式2，即制冷器TEC2和TEC3制冷功率模式；

(4)当前温度T3高于设定的最高温度Tm时，半导体制冷器工作模式3，即制冷器TEC1和TEC4制冷功率模式；

(5)当前温度T4高于设定的最高温度Tm时，半导体制冷器工作模式4，即制冷器TEC3和TEC4制冷功率模式；

(6)当前温度Ti(i＝1,2,3,4)低于设定的最低温度Tn时，半导体制冷器工作模式5、6、7、8，即半导体制冷器工作模式1、2、3、4工作与制热功率模式。

如图3所示，一种便携式现场校验用热电偶冷端恒温装置的控制方法，4只完全相同的热敏电阻温度传感器7，选择负温度系数的热敏电阻103AT。测温范围：-10～+60℃，灵敏度：41mV/℃，输出电压变化范围：0～2.89V；

热敏电阻温度传感器调理电路8，包括热敏电阻线性化电路、热敏电阻R_T与R₁、R₂及R₃+R_P1组成电桥电路、运算放大器U1构成的电压跟随器、运算放大器U2构成的差动放大器。

热敏电阻线性化电路采用电压方式进行线性化校正。输出电压V₀的线性化补偿电阻为R₁。根据公式：可得：R₁＝7.892kΩ。计算R_T和R₁串联后的电阻值V_OUT。

可以证明：T和V_OUT是近似线性关系。

电桥电路由热敏电阻R_T与R₁、R₂及R₃+R_P1组成电桥电路，实现热敏电阻到电压的转换，当电桥平衡时，电桥输出电压为零，当温度上升时，热敏电阻R_T阻值下降，Va上升，a、b两点电位差(Va－Vb)>0。运算放大器U2输出电压与a、b两点电位差成正比变化；

电压跟随器由运算放大器OP07构成，实现电压跟随和阻抗变换；

差动放大器由运算放大器OP07及其外围电路构成，根据设计要求，热敏电阻在-10℃时，R_Ta(-10℃)＝42.45kΩ，电桥输出电压为0，根据电桥平衡条件。可得：取：R₂＝10kΩ，则：R_P1+R₃＝53.788kΩ＝46.988kΩ+6.8kΩ。当电桥不平衡时，当温度为60℃时的电桥输出电压为：运算放大器A₂输出电压为：取R_F＝R_I1＝R_I2＝150kΩ。在-10～+60℃范围内，测温灵敏度S为：

微控制器9采用PIC16F778数字控制器包括外部的AD和DA转换器；所述的A/D转换器采用AD1674，所述的D/A转换器采用DAC0832。

如图4所示，一种便携式现场校验用热电偶冷端恒温装置的控制方法，4路完全相同的TEC驱动电路10包括有运算放大器A1和A2构成的D/A转换器DAC0832输出的信号的双极性模拟电压转换电路、功率管Q1和Q2构成的功率放大电路组成。所述的双极性模拟电压转换电路采用LM224运算放大器及外围电路实现；所述的功率放大电路选用FZT功率管构成互补放大电路，实现大电流输出。

如图5所示，一种便携式现场校验用热电偶冷端恒温装置的控制方法，包括在控制系统硬件平台上采用C语言软件编程实现热电偶冷端恒温控制算法。系统软件的所有程序采用模块化结构设计，由一个主程序和若干子程序组成。子程序包括A/D和D/A转换程序、PID控制程序、Zigbee通信程序、键盘设置程序和显示程序。主程序通过调用子程序实现系统温度测量、控制和显示功能。

系统开始工作时，首先启动单片机，对系统进行初始化，然后调用温度测量子程序，读取当前测量温度Ti，并进行显示；接着调用键盘子程序，读取设定的最高温度Tm和最低温度Tn，并送LCD显示，最后单片机根据设定温度与当前温度的大小关系经过PID运算后，输出到D/A转换器为模拟电压量，这个电压量在经过制冷驱动电路处理，对TEC的不同工作模式的驱动，实现温度控制。温度控制采用PID控制算法。在温度与设定温度相差较大时，不引入PID控制，进行全制冷或者制热，在现场测试时，实现最快响应；当温度相差较小时，引入PID控制算法。

如图6所示，一种便携式现场校验用热电偶冷端恒温装置的控制方法，系统软件算法在硬件平台上的实测结果。根据现行热电偶检定规程要求，参考端恒温器的温场指标一般规定为温度0℃，温差为±0.1℃，实验过程中环境温度保持在22～25℃。试验时，将均温器温度设定在0℃，记录均温器上四个温度传感器的温度随时间的变化，图6就是在以上条件下得到的其中一只温度传感器温度变化的测试结果，从测试记录可知，均温器温度在8m内由25℃降至0℃，此后基本保持在±0.06℃温度范围内波动，均温器温度的保持时间6h，温控效果良好，温控精度达到0.05℃。测试的数据表明，该控制系统的温度具有较高的温度均匀度和稳定度，完全能满足热电偶校准参考端恒温器的温场要求，同时由于采用均温器和模块化设计，具有体积小，携带方便，便于现场校准使用的特点。