CN113359906B - 一种直流-交流耦合的温度补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流‑交流耦合的温度补偿控制方法，根据冷头传递至样品腔的温度波动动态特性，以负反馈调节为基础，采用直流‑交流波相耦合的热流波动形式，通过调节样品腔上加热设备的功率，进行温度补偿控制，可实时追踪温度变化，调整控制策略，达到预期温度设定值并实现长期稳定，可解决低温实验系统中由于制冷机冷头存在的固有温度波动，导致系统内部温度稳定性较差而难以实现低温实验要求的问题；可根据不同温度波动选择优化调控模式，实现单一波及混合波实时优化控制，易于实现，性能可靠。

Description

一种直流-交流耦合的温度补偿控制方法

技术领域

本发明涉及温度补偿控制方法，具体涉及一种直流-交流耦合的温度补偿控制方法。

背景技术

随着科学技术的发展，低温成为一个重要的研究对象，低温技术在超导、医疗卫生、高能物理、能源、航天与航空航天技术、受控热核聚变及远红外探测等领域有着重要的应用。在诸如热物理性测量、机械性质实验、光学物理研究中，均需维持恒定的低温实验环境。通常采用低温流体或小型低温制冷机提供冷却能力以满足其温度要求。鉴于低温制冷机在运行过程中不消耗低温液体，具有运行成本低，结构简单的优点，通常采用较为成熟的小型低温制冷机有Gifford-McMahon(G-M)制冷机、脉管制冷机和斯特林制冷机等营造低温环境。

由于制冷机自身结构和工作原理，其冷头上存在的固有温度波动，导致系统内部温度稳定性较差，难以用于如材料的低温物性测量、温度计现场标定等对温度精度要求较高的领域。目前，关于温度波动的抑制研究集中于采用热容法和热阻法进行传热结构的被动控制优化，很少有针对主动控制方法进行专门研究，且被动控制很难实现系统达到预设温度值。

发明内容

为了解决现有技术中低温系统中由于制冷机自身结构和工作原理导致冷头存在的固有温度波动，导致系统内部温度稳定性较差而难以实现低温要求的问题，本发明提供了一种直流-交流耦合的温度补偿控制方法，原理简单，易于实现。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案包括以下步骤：

(1)设定样品腔的设定温度，监测样品腔的实时温度；

(2)根据冷头-热连接-样品腔的热阻，进行样品腔上加热设备直流加热功率的温度补偿；

(3)监测样品腔的温度波动动态特性，加热设备通过交流加热功率进行温度波动补偿；

(4)样品腔的设定温度、实时温度以及热阻进行实时反馈，通过识别温度波动动态特性，进行加热设备的直流-交流波相耦合的加热功率补偿，进而进行温度波动补偿。

进一步地，所述温度波动动态特性T(t)为单一正弦波动的形式为：

其中，t为时间，A(t)为正弦波动幅值，f为波动频率，

为波动相位。

进一步地，所述加热设备的直流波加热功率q_D采用下式计算得到：

其中，T_set为样品腔的设定温度，T_real为样品腔的实时温度，R_c、R_l和R_y分别为冷头、热连接以及样品腔的热阻。

进一步地，所述加热设备的交流加热功率q_A采用下式计算得到：

q_A(t)＝q₀(t)sin(2πft+Φ)

其中，q₀(t)为加热设备的初始加热功率，f为温度波动的频率，Φ为交流功率波动的相位，A(t)为温度波动的幅值。

进一步地，所述交流功率波动的相位Φ的取值由交流功率加载后的样品腔的温度波动相位

决定，交流功率波动相位Φ应使得控制后的样品腔温度波动与之前波动相差1/2周期。

进一步地，所述加热设备的直流-交流波相耦合的加热功率q(t)采用下式计算得到：q(t)＝q_D+q_A(t)。

进一步地，所述温度波动动态特性T(t)为混合波的形式为：

其中，n>1时，温度波动为不规律的波动形式，分解为n个正弦波形式，A_i(t)为第i个正弦波的幅值，f_i为第i个正弦波的波动频率，

为第i个正弦波的波动相位。

进一步地，所述加热设备的直流-交流波相耦合的加热功率q(t)采用下式计算得到：

与现有技术相比，本发明根据冷头传递至样品腔的温度波动动态特性，以负反馈调节为基础，采用直流-交流波相耦合的热流波动形式，通过调节样品腔上加热设备的功率，进行温度补偿控制，可实时追踪温度变化，调整控制策略，达到预期温度设定值并实现长期稳定，可解决低温实验系统中由于制冷机冷头存在的固有温度波动，导致系统内部温度稳定性较差而难以实现低温实验要求的问题；可根据不同温度波动选择优化调控模式，实现单一波及混合波实时优化控制，易于实现，性能可靠。

附图说明

图1是本发明实施例的低温系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的样品腔的温度波动图；

图3a是本发明实施例的加热设备的不同交流加热功率图；

图3b是本发明实施例的样品腔在加热设备加载不同交流加热功率下的温度波动调控图；

图4a是本发明实施例的加热设备不同直流功率对应的样品腔温度图；

图4b是本发明实施例的样品腔在加热设备加载直流-交流耦合加热功率下的温度波动调控图；

图5是本发明实施例的样品腔在加热设备加载不同相位直流-交流耦合加热功率下的温度波动调控图；

其中，1-冷头，2-热连接，3-样品腔，4-加热设备。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明作进一步地解释说明，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明提供了一种直流-交流耦合的温度补偿控制方法，基于如图1所示的冷头-样品腔结构的低温系统，低温系统包括制冷机的冷头1，冷头1通过热连接2将冷量传递给样品腔3，使样品腔3达到低温，冷头1上具有恒定温度波动，冷头1上固有的温度波动也通过热连接2传递至样品腔3，造成低温系统内部温度稳定性较差，加热设备4耦合在样品腔上，并通过温度计实时监测样品腔的温度变化。

本发明具体包括以下步骤：

(1)设定样品腔的设定温度，监测样品腔的实时温度；

(2)根据冷头1-热连接2-样品腔3的热阻，进行样品腔3上加热设备4的直流加热功率的温度补偿；

(3)监测样品腔3的温度波动动态特性，加热设备4通过交流加热功率进行温度波动补偿；

(4)样品腔3的设定温度、实时温度以及热阻进行实时反馈，通过识别温度波动动态特性，进行加热设备4的直流-交流波相耦合的加热功率补偿，进而进行温度波动补偿。

其中，温度波动动态特性T(t)为单一正弦波动的形式为：

其中，t为时间，A(t)为正弦波动幅值，f为波动频率，

为波动相位。

加热设备4的直流波加热功率q_D采用下式计算得到：

其中，T_set为样品腔3的设定温度，T_real为样品腔3的实时温度，R_c、R_l和R_y分别为冷头1、热连接2以及样品腔3的热阻。其中，冷头1温度为系统中最低温度，故初始样品腔3的实时温度亦为其可达到的最小值，故T_set>T_real，即q_D恒为一正值。

加热设备4的交流加热功率q_A采用下式计算得到：

q_A(t)＝q₀(t)sin(2πft+Φ) (3)

其中，f为温度波动的频率，Φ为交流功率波动的相位，A(t)为温度波动的幅值。交流功率波动的相位Φ的取值由交流功率加载后的样品腔的温度波动相位

决定，交流功率波动相位Φ应使得控制后的样品腔温度波动与之前波动相差1/2周期。交流功率波动的相位Φ取决于冷头1、热连接2以及样品腔3的热阻的大小，根据样品腔3温度随时间变化存在的相位滞后现象，若热阻较小，则Φ＝180°；若热阻较大，则Φ<180°。加热设备4的直流-交流波相耦合的加热功率q(t)采用下式计算得到：

q(t)＝q_D+q_A(t) (5)。

其中，温度波动动态特性T(t)为多个波动的混合波的形式为：

其中，n>1时，温度波动为不规律的波动形式，分解为n个正弦波形式，A_i(t)为第i个正弦波的幅值，f_i为第i个正弦波的波动频率，

为第i个正弦波的波动相位。

针对混合波，加热设备的直流-交流波相耦合的加热功率如下式所示：

其中，q_Di为第i个正弦波的加热设备4的直流波加热功率，q_0i为第i个正弦波的加热设备4的初始交流加热功率，Φ_i为第i个正弦波的交流功率波动的相位。

本发明通过监测冷头1温度波动，调节样品腔3上的加热设备4热流，可抑制冷头1的温度波动进一步传递，一方面可有效的衰减制冷机冷头1固有的温度波动，解决系统内部温度稳定性较差而难以实现低温实验要求的问题，另一方面该方法易于实现，性能可靠。本发明基于负反馈调节理念，基于样品腔3上加热设备4的直流波加热功率与温度设定值相补偿，交流功率与冷头1固有的温度波动相匹配的设计理念，采用直流-交流波相耦合的加热功率波动形式，寻找一个合适的加热设备4热流，使系统达到温度预设值，可根据不同温度波动选择优化调控模式，实现单一波及混合波实时优化控制，有效的抑制样品腔的温度波动。

下面结合具体的实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

冷头1通过热连接2将冷量传递给样品腔3，使样品腔3达到低温，与此同时冷头1上固有的温度波动也通过热连接2传递至样品腔3，造成低温系统内部温度稳定性较差，加热设备4耦合在样品腔3上，通过温度计实时监测样品腔的温度变化，温度波动如图2所示，具体温度波动满足公式(1)：

温度波动为单一正弦波动，t为时间，A(t)＝4.44mK，f＝1.72Hz，

调节加热设备3上的交流加热功率，具体的交流加热功率波动形式如公式(3)和(4)：q_A(t)＝q₀(t)sin(2πft+Φ)和

式中f＝1.72Hz，Φ＝180°，A(t)＝4.44mK。

如图3a所示，采用不同的交流加热功率与样品腔3上的温度波动进行补偿，达到抑制温度波动的作用，样品腔3在加热设备4加载不同交流加热功率下的温度波动调控图如图3b所示，当交流加热功率如公式(3)计算所得，温度波动得到很好的抑制，波动峰峰值为0.16mK，相较之前减小了98％。

若样品腔3设定温度为5K，加热设备4不同直流功率对应的样品腔3温度如图4a所示，样品腔3在加热设备4加载直流-交流耦合加热功率下的温度波动调控如图4b所示，当直流加热功率为0.45W时，样品腔温度为4.992K，最接近设定值。其直流加热功率也可根据公式(2)计算所得：

通过计算可得，对应的直流加热功率为0.456W，与实际模拟结果相符。

实施例2：

同实施例1基本参数相同，冷头1温度波动幅值增加，样品腔3热阻增加，样品腔3的温度变化具体波动形式满足公式(1)，温度波动为单一正弦波动，t为时间，A(t)＝27mK，f＝1.72Hz，

采用不同相位的交流加热功率于样品腔3上的温度波动进行补偿，达到抑制温度波动的作用，样品腔3在加热设备4加载不同相位交流功率下的温度波动调控图如图5和下表所示：

相位(°)	温度波动峰值(mK)	温度波动抑制比(％)
			0	27	0
30	26	4.0％
			60	22	19.5％
90	16	41.9％
			120	8	69.0％
150	4	86.0％
			180	10	63.1％
210	17	36.7％
			240	23	15.4％
270	26	2.0％

从图5和上表中可知当交流加热功率相位Φ＝180°时，温度波动抑制比为63.1％；而当交流加热功率相位Φ＝150°时，温度波动抑制比最大为86％。由于热阻较大，样品腔温度随时间变化存在滞后现象，交流加热功率相位仅为150°，但此时的样品腔上温度相位为188°，与不加载功率时的样品腔温度波动相位差接近180°，温度波动相差1/2个周期，因此可以有效地平衡温度波动。

本发明根据样品腔的温度波动动态特性，基于负反馈调节，提出通过直流-交流波相耦合的热流波动形式，进行样品腔上加热设备功率的调节，进行温度补偿控制，可实时追踪温度变化，调整控制策略，达到预期温度设定值并实现长期稳定；可根据不同温度波动选择优化调控模式，实现单一波及混合波实时优化控制，解决低温实验系统中由于制冷机冷头存在的固有温度波动，导致系统内部温度稳定性较差而难以实现低温实验要求的问题，易于实现，性能可靠。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种直流-交流耦合的温度补偿控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)设定样品腔的设定温度，监测样品腔的实时温度；

(2)根据冷头-热连接-样品腔的热阻，进行样品腔上加热设备直流加热功率的温度补偿；

(3)监测样品腔的温度波动动态特性，加热设备通过交流加热功率进行温度波动补偿；

(4)样品腔的设定温度、实时温度以及热阻进行实时反馈，通过识别温度波动动态特性，进行加热设备的直流-交流波相耦合的加热功率补偿，进而进行温度波动补偿；

所述温度波动动态特性T(t)为单一正弦波动的形式为：

其中，t为时间，A(t)为正弦波动幅值，f为波动频率，

为波动相位；

所述加热设备的直流加热功率q_D采用下式计算得到：

其中，T_set为样品腔的设定温度，T_real为样品腔的实时温度，R_c、R_l和R_y分别为冷头、热连接以及样品腔的热阻；

所述加热设备的交流加热功率q_A采用下式计算得到：

q_A(t)＝q₀(t)sin(2πft+Φ)

其中，q₀(t)为加热设备的初始加热功率，f为温度波动的频率，Φ为交流功率波动的相位，A(t)为温度波动的幅值；

所述加热设备的直流-交流波相耦合的加热功率q(t)采用下式计算得到：q(t)＝q_D+q_A(t)。

2.根据权利要求1所述的一种直流-交流耦合的温度补偿控制方法，其特征在于，所述交流功率波动的相位Φ的取值由交流功率加载后的样品腔的温度波动相位

决定，交流功率波动相位Φ应使得控制后的样品腔温度波动与之前波动相差1/2周期。

3.根据权利要求1所述的一种直流-交流耦合的温度补偿控制方法，其特征在于，所述温度波动动态特性T(t)为混合波的形式为：

其中，n>1时，温度波动为不规律的波动形式，分解为n个正弦波形式，A_i(t)为第i个正弦波的幅值，f_i为第i个正弦波的波动频率，

为第i个正弦波的波动相位。

4.根据权利要求3所述的一种直流-交流耦合的温度补偿控制方法，其特征在于，所述加热设备的直流-交流波相耦合的加热功率q(t)采用下式计算得到：

其中，q_Di为第i个正弦波的加热设备的直流波加热功率，q_0i为第i个正弦波的加热设备的初始交流加热功率，Φ_i为第i个正弦波的交流功率波动的相位。

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