CN109460089A - 基于无源可变热阻的温度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于无源可变热阻的温度控制方法，在控温对象和控温对象所处环境间设置实现无源可变热阻的半导体温差模块，根据采集得到的温度信号，按照热阻控制协议，进而改变热流，实现控温。本发明无需耗能，无中间调节环节，提升响应速度，可通过变热阻提高控温精度，如配合半导体制冷的双向主动控温，可以迅速达到热平衡，实现高精度温度控制。本发明灵活方便、成本低，有效提升温控精度，可以广泛应用在不同温度区域的高精度温度控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于无源可变热阻的温度控制方法，特别是一种基于半导体温差模块无源可变热阻的温度控制方法。
背景技术
温度是最主要的被控参数，高精度的温度控制有了极其广泛的应用需求和前景。温度控制系统含有纯滞后环节，加热/制冷执行器有一定惰性，控温对象的不均匀性和热惯性，以及负荷变化和外界干扰，这都容易引起系统超调和振荡以及系统参数的变化，这种随机产生和不可准确预计的变化，无疑增加了高精度温度控制实现的难度。
热阻（Thermal Resistance）反映阻止热量传递的能力的综合参量。可以通过减小热阻以加强传热；通过增大热阻以抑制热量的传递。
现有专利（CN201711169864，控温装置及控温方法）提出一种涉及热阻的控温装置和方法。至少存在如下技术缺陷：调节热阻并不是用于实时控温，只是利用热阻实现设定温度的制冷器的初始温度状态，将热阻调节应用于制冷器的不同温度状态，而实时控温依靠加热器的微调完成；具体控温路线中仅考虑了制冷机自身的温度波动的绝对温度状态，未考虑影响控温精度的热惯性、惰性以及温度变化率和变化趋势的必然因素；中间热阻件采用机械和热流体两种方式，可控性和响应能力极差，不能满足实时温控的技术要求，没有也不可能被设计为用于实时温度控制；需要一定的电力供应，耗费能源，产生额外干扰源；应用并局限于低温领域。
现有专利（2018110473442，基于无源可变热阻的温度控制方法）提出一种涉及热阻的控温装置和方法。其在温控装置的加热执行器和制冷执行器与控温对象间设置可变热阻，可变热阻具有基础热阻，基础热阻的存在会降低加热执行器和制冷执行器的执行效率并增大功耗；环境波动和干扰间接通过控温对象的温度变化延迟反馈，导致控温信号不能及时响应环境波动和干扰的影响；其提出的控制方法未考虑控温对象与环境间热阻的波动和干扰影响。
半导体热电技术基于可逆的物理效应（帕尔帖效应和塞贝克效应），可实现温差发电或电驱动实现制冷和加热。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的缺陷，提供一种用于不同温度区域高精度温度控制的基于半导体温差模块无源可变热阻的温度控制方法。
本发明涉及的半导体温差模块进行可变热阻的技术原理是基于半导体热电效应，如图1所示的左侧视图中，半导体热电元件的两端面热源温度分别为TA和TB，热流为Q，并连接负载RL，基于塞贝克效应，温差（TA-TB）导致半导体热电元件产生电能，可等效为图1右侧内阻为Ri的电源带有负载RL的电路，基于帕尔帖效应，回路的电流又导致半导体热电元件两端面产生吸放热，吸放热流大小受负载RL的影响，与原有热流Q叠加，并影响温差（TA-TB）大小，按照传热学的知识（热流=温差/热阻），调节RL可改变半导体热电元件的热阻。
为实现发明目的，基于上述技术原理，本发明的技术方案是一种基于无源可变热阻的温度控制方法，在控温对象与控温对象所处环境间设置半导体温差模块，所述半导体温差模块串接可变电阻，所述可变电阻连接所述温控装置的控制器并受所述控制器的控制，温度传感器实时采集所述控温对象的温度以及所述控温对象所处环境的温度，所述温控装置根据采集得到的所述控温对象的当前温度，采用双位、PID算法和模糊算法等已有温度控制算法进行控温，当所述控温对象的设定温度与所述控温对象的当前温度差别大于设定阈值时，调节所述可变电阻的阻值为无限大，即开路所述半导体温差模块，此时所述半导体温差模块的热阻最大，当所述控温对象的当前温度与所述控温对象的设定温度差别小于设定阈值时，所述控制器根据采集得到的所述控温对象的当前温度以及所述控温对象所处环境的温度，基于一定的热阻控制算法计算热阻的相应变化，输出热阻控制信号，驱动并调节所述可变电阻阻值进而改变所述半导体温差模块的热阻，改变所述控温对象至所述控温对象所处环境的热流，实现温度控制。
所述设定阈值通过所述控制器计算得到，考虑了所述控温对象以及所述控温对象所处环境的温度和温度变化率，同时考虑了系统热惯性和惰性等因素。
所述热阻控制算法通过所述控制器实现，考虑了所述控温对象以及所述控温对象所处环境的温度和温度变化率，同时考虑了系统热惯性和惰性等因素。
所述半导体温差模块可以是采用半导体制冷组件串联和并联得到的变化组合。
所述半导体温差模块可以选用不同优值系数Z值的材料，并变化P型和N型元件的臂长、截面积等几何尺寸进行定制。
本发明的有益效果是发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：无需耗能，测量准确度与电源稳定性无关，不向被测量取用或释放能量，降低对温度场的干扰；利用半导体热电效应，通过电阻改变热阻，可以直接设计相关电路变化电阻乃至热阻进行温度控制，易于电路化和模块化，无中间调节环节，直接控制，并提升响应速度；通过设置动态阈值，阈值之上大温差利用加热/制冷执行器快速控温，阈值之下小温差利用热阻精细控温，既能快速逼近设定温度，又有效减少加热/制冷产生的温度波动和惯性，还可通过变热阻提高了控温精度；结合热阻控制算法，考虑了系统热惯性和惰性等因素以及控温对象和控温对象所处环境的温度变化率和温度变化趋势，可大大降低热惰性和惯性影响，并可根据趋势预调节，提高控温精度；加热执行器和制冷执行器和控温对象间不增加基础热阻，不会降低执行效率和增大功耗；控温对象与环境间的基础热阻也减少了环境的波动和干扰，并增强了控温对象的绝热效果；可变热阻直接作用在控温对象所处环境和控温对象，能及时响应环境波动和干扰的影响；控制算法考虑了环境波动和干扰的影响和变化规律；如配合半导体制冷的双向主动控温，可以迅速达到热平衡，灵敏度高，响应快，易于热平衡，能实现高精度温度控制。本发明灵活方便、成本低，有效提升温控精度，可以广泛应用在不同温度区域的高精度温度控制。
附图说明
图1是本发明的变热阻原理示意图。
图2是本发明的系统原理示意图。
图3是本发明的温度控制流程图。
图中：1-温控装置，2-加热执行器和制冷执行器，3-半导体温差模块，4-可变电阻，5-控制器，6-温度传感器，7-控温对象，8-电源，9-控温对象所处环境。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为实现发明目的，基于半导体温差模块进行可变热阻的技术原理，本发明提供一种基于无源可变热阻的温度控制方法，如图2所示为采用半导体制冷/加热的温控装置1，温控装置1的加热执行器和制冷执行器2是由半导体制冷模块实现，并由电源８驱动，通过控制器５控制电源８的电流方向和大小方便实现双向主动控温，进一步的，在控温对象7和控温对象所处环境9间设置了半导体温差模块3实现的可调热阻模块，考虑经济性和方便获取，半导体温差模块3利用市售半导体制冷片（TEC1-12704）多片串并联而成，也可以选用高优值系数Z值的材料，并变化P型和N型元件的臂长、截面积等几何尺寸进行优化定制，性能更好。同时，半导体温差模块3通过驱动和输出电路串接可变电阻4，可变电阻４连接温控装置的控制器5并且其阻值受控制器5的控制，温度传感器6实时采集控温对象7的温度以及控温对象所处环境9的温度，温控装置1的控制器5内嵌PID算法，根据采集得到的控温对象7的当前温度，进行PID控温，当控温对象7的设定温度与控温对象7的当前温度差别大于设定阈值时，调节可变电阻4的阻值为无限大，即开路半导体温差模块3，此时半导体温差模块3的热阻最大，当控温对象7的当前温度与控温对象7的设定温度差别小于设定阈值时，控制器5根据采集得到的控温对象所处环境9的温度，基于一定的热阻控制算法计算热阻的相应变化，输出热阻控制信号，驱动并调节可变电阻4的阻值进而改变半导体温差模块3的热阻，改变控温对象７至控温对象所处环境9的热流，实现温度控制，典型温度控制流程如图３所示。
进一步的，设定阈值通过控制器5计算得到，考虑了控温对象7的温度以及控温对象所处环境9的温度，同时考虑了系统热惯性和惰性以及控温对象7和控温对象所处环境9的温度变化率和温度变化趋势等因素。本实施例中设定为当控温对象7的设定温度与当前温度的温度差分值等于0.5℃，同时控温对象7的当前温度的温度变化率等于3℃/min。
进一步的，热阻控制算法通过控制器5实现，考虑了控温对象7的温度以及控温对象所处环境9的温度，同时考虑了系统热惯性和惰性以及控温对象7和控温对象所处环境9的温度变化率和温度变化趋势等因素。主要是防止和抵消上述因素引起的温度漂移，实践得到，惯性越大，需要介入的时刻越早，控制热阻的变化也越强烈，反复修正和逼近，从而达到控温的目的。
采用上述实施例的温控装置，控温对象为0.5升的纯水，设定温度为45℃，安装半导体温差模块3作为可变热阻但未工作的温控装置1，仅利用PID控温的精度为±0.1℃，而安装半导体温差模块3作为可变热阻控温的温控装置1，采用如图３所示温度控制流程，结合PID控温的精度为±0.01℃，比较得到，控温精度提高了一个数量级。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于无源可变热阻的温度控制方法，其特征在于，在控温对象（７）与控温对象所处环境（9）间设置半导体温差模块（３），所述半导体温差模块（３）串接可变电阻（４），所述可变电阻（４）连接所述温控装置（1）的控制器（５）并受所述控制器（５）的控制，温度传感器（６）实时采集所述控温对象（７）的温度以及所述控温对象所处环境（9）的温度，所述温控装置（1）根据采集得到的所述控温对象（７）的当前温度，采用已有温度控制算法进行控温，当所述控温对象（７）的设定温度与所述控温对象（７）的当前温度差别大于设定阈值时，调节所述可变电阻（４）的阻值为无限大，此时所述半导体温差模块（３）的热阻最大，当所述控温对象（７）的当前温度与所述控温对象（７）的设定温度差别小于设定阈值时，所述控制器（５）根据采集得到的所述控温对象（７）的当前温度以及所述控温对象所处环境（9）的温度，基于一定的热阻控制算法计算热阻的相应变化，输出热阻控制信号，驱动并调节所述可变电阻（４）阻值进而改变所述半导体温差模块（３）的热阻，改变所述控温对象（７）至所述控温对象所处环境（9）的热流，实现温度控制。
2.根据权利要求1所述基于无源可变热阻的温度控制方法，其特征在于，所述设定阈值通过所述控制器（５）计算得到，考虑了所述控温对象（７）以及所述控温对象所处环境（9）的温度和温度变化率，同时考虑了系统热惯性和惰性。
3.根据权利要求1所述基于无源可变热阻的温度控制方法，其特征在于，所述热阻控制算法通过所述控制器（５）实现，考虑了所述控温对象（７）以及所述控温对象所处环境（9）的温度和温度变化率，同时考虑了系统热惯性和惰性。
4.根据权利要求1所述基于无源可变热阻的温度控制方法，其特征在于，所述半导体温差模块（３）是采用半导体制冷组件串联和并联得到的变化组合。
5.根据权利要求1所述基于无源可变热阻的温度控制方法，其特征在于，所述半导体温差模块（３）选用不同优值系数Z值的材料，并变化P型元件和N型元件的臂长、截面积等几何尺寸进行定制。
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