CN109582065A - 基于温差电效应的温度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于温差电效应的温度控制方法，半导体温差模块既作为自供能变热阻器，又作为制冷/加热执行器，通过PWM技术和可变热阻相结合的温度控制方法，当生成的PWM控制信号为高电平时，进行制冷/加热，进行控温；当生成的PWM控制信号为低电平时，控制器根据一定的热阻控制算法驱动并改变半导体温差模块的热阻，实现温度控制。方法充分利用了PWM技术的低电平时序，进行变热阻精细控温，提升了控制效率和精度。系统成本低，易于控制，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温差电效应的温度控制方法，特别是一种基于温差电效应，通过PWM技术和可变热阻相结合的温度控制方法。
背景技术
温差电效应是可逆的物理效应（帕尔帖效应、汤姆逊效应和塞贝克效应），其相关技术可实现温差发电或电驱动实现制冷和加热。半导体温差电效应相当显著，目前应用较广的半导体控温具有体积小、无机械运动部件，控制简单方便等优点。
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。
脉宽调制（PWM，Pulse Width Modulation）是利用数字输出来对模拟电路进行控制的有效技术，控制效果优于常规控制，有效地改善了系统的动态性能、稳态精度和鲁棒性。现有专利（CN201710053175-一种温度控制方法及系统；CN200910126045-温度控制模块和温度控制方法）结合PWM技术的温控方法均是执行PID或其他控制算法生成调制值，并和预设参数生成脉宽调制（PWM）控制信号，并输出调制值进行控制。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的缺陷，提供一种用于高精度温度控制的基于温差电效应，通过PWM技术和变热阻技术有机结合的温度控制方法。
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温差电效应，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温差电效应的温度控制方法，基于温差电效应的温度控制系统包括半导体温差模块、切换开关、电源、可变电阻、控制器、温度传感器以及控温对象和散热装置，所述半导体温差模块作为制冷/加热执行器和变热阻模块，所述半导体温差模块通过所述切换开关连接所述电源或者串接所述可变电阻，所述控制器控制所述切换开关的状态，所述温度传感器实时采集所述控温对象的温度和所述半导体温差模块与所述控温对象间温度以及环境温度，所述控制器根据所述控温对象的温度和所述半导体温差模块与所述控温对象间温度以及环境温度的当前值，并比较所述控温对象的温度设定值，采用双位和PID算法等已有温度控制算法通过PWM技术结合变热阻技术进行控温，当生成的PWM控制信号为高电平时，所述控制器控制所述切换开关的状态，所述半导体温差模块连接所述电源并断开所述可变电阻，此时所述半导体温差模块作为制冷/加热执行器，所述半导体温差模块受所述电源输出驱动，进行制冷/加热，实现温度控制，当生成的PWM控制信号为低电平时，控制器控制所述切换开关的状态，所述半导体温差模块串接所述可变电阻并断开所述电源，此时所述半导体温差模块作为变热阻模块，所述控制器根据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，实现温度控制。
所述热阻控制算法考虑了所述控温对象和所述半导体温差模块与所述控温对象间以及环境的温度、温度变化率和温度变化趋势，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：充分利用了PWM技术的低电平时序，进行变热阻精细控温，提升了控制效率和精度；自供能变热阻控制无需耗能，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；半导体制冷/加热的双向主动控温，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；利用半导体温差电效应，半导体温差模块既作为自供能变热阻器，又作为制冷/加热执行器，成本低，易于控制，无需提高基础热阻，进而降低执行效率和增大功耗；利用半导体温差电效应，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；控制算法考虑了系统热惯性和惰性等因素以及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。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-半导体温差模块，2-切换开关，3-电源，4-可变电阻，5-控制器，6-温度传感器，7-控温对象，8-散热装置。
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。
基于温差电效应的技术原理，本发明的系统原理如图2所示，系统包括半导体温差模块1、切换开关2、电源3、可变电阻4、控制器5、温度传感器6以及控温对象7和散热装置8，半导体温差模块1既作为温控系统的制冷/加热执行器，又作为变热阻模块使用，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。切换开关2为电子转换开关，实现双刀双掷功能。电源3为直流开关电源，驱动半导体温差模块1。可变电阻4采用高精度电子程控电阻器。控制器5内嵌模糊PID算法和热阻控制算法，并可控制切换开关2的状态和可变电阻4的阻值。温度传感器6为pt1000热电阻，散热装置8采用肋加风扇的方案。半导体温差模块1通过切换开关2连接电源3或者串接可变电阻4，控制器5控制切换开关2的状态，温度传感器6实时采集所述控温对象7的温度和半导体温差模块1与控温对象7间温度以及环境温度，所述控制器5根据温度传感器6得到的系列当前温度，并比较设定温度，采用模糊PID算法通过PWM技术结合变热阻技术进行控温，当生成的PWM控制信号为高电平时，控制器5控制所述切换开关2的状态，半导体温差模块1连接电源并断开可变电阻4，此时半导体温差模块1作为制冷/加热执行器，半导体温差模块1受电源3输出驱动，进行制冷/加热，实现温度控制，当生成的PWM控制信号为低电平时，控制器5控制所述切换开关2的状态，半导体温差模块1串接可变电阻4并断开电源3，此时半导体温差模块1作为变热阻模块，所述控制器5根据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1的热阻，实现温度控制。典型温度控制流程如图３所示。
进一步的，热阻控制算法考虑了所述控温对象7的温度以及半导体温差模块1与控温对象7间温度、温度变化率和温度变化趋势，同时考虑了系统热惯性和惰性等因素。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25℃，采用如图３所示温度控制流程，系统控温的精度稳定在±0.01℃内。
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 (4)
1.一种基于温差电效应的温度控制方法，其特征在于，所述半导体温差模块（1）通过所述切换开关（2）连接所述电源（3）或者串接所述可变电阻（4），所述控制器（5）控制所述切换开关（2）的状态，所述温度传感器（6）实时采集所述控温对象（7）的温度和所述半导体温差模块（1）与所述控温对象（7）间温度以及环境温度，所述控制器（5）根据所述控温对象（7）的温度和所述半导体温差模块（1）与所述控温对象（7）间温度以及环境温度的当前值，并比较所述控温对象（7）的温度设定值，采用双位和PID算法通过PWM技术结合变热阻技术进行控温，当生成的PWM控制信号为高电平时，所述控制器（5）控制所述切换开关（2）的状态，所述半导体温差模块（1）连接所述电源（3）并断开所述可变电阻（4），此时所述半导体温差模块（1）作为制冷/加热执行器，所述半导体温差模块（1）受所述电源（3）输出驱动，进行制冷/加热，实现温度控制，当生成的PWM控制信号为低电平时，控制器（5）控制所述切换开关的状态，所述半导体温差模块（1）串接所述可变电阻（4）并断开所述电源（3），此时所述半导体温差模块（1）作为变热阻模块，所述控制器（5）根据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（1）的热阻，实现温度控制。
2.根据权利要求1所述基于温差电效应的温度控制方法，其特征在于，所述热阻控制算法考虑了所述控温对象（7）和所述半导体温差模块（1）与所述控温对象（7）间以及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。
3.根据权利要求1所述基于温差电效应的温度控制方法，其特征在于，所述半导体温差模块（1）是采用半导体制冷组件串联和并联得到的变化组合。
4.根据权利要求1所述基于温差电效应的温度控制方法，其特征在于，所述半导体温差模块（1）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。
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