恒温箱控制系统设计

基于半导体制冷技术的恒温控制仿真作者：李婷孙海义来源：《计算技术与自动化》2018年第02期摘要：基于半导体制冷技术，针对航天、军事、医疗、生物制品、车载等特殊有限工作空间的独特需求，设计了体积小、成本低、性能高、结构合理紧凑、功耗低且节能环保的微型半导体温控箱箱体，并对温控箱的温度及变化速率等各种参数能够实时精确控制，为高性能生物制剂、功能材料等的实验室制备方法以及性能研究提供技术支撑。

本文选用TEC-12706半导体制冷片并进行了半导体制冷原理进行验证实验。

半导体恒温箱采用强制对流方式，提高了储藏室空气之间的热交换率，由此在距离储藏室内胆一定距离的三维空间区域形成一个恒温控制区，该区域内温度均匀无差异，且能迅速响应半导体片的温度切换。

仿真表明，该系统具有结构简单、控制精度高、可靠性好、性能稳定等优点，具有广泛的应用前景。

关键词：半导体制冷;恒温控制;强制对流;热交换;中图分类号：TB657文献标识码：A1 引言近年来，随着现代工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高，国内外对于测温系统的研究越来越深入，恒温箱被广泛应用于医疗保健、智能家居、工农业生产、航天科研等领域[1-2]。

半导体制冷也叫温差制冷、热电制冷或电子制冷，是利用“塞贝克效应”的逆效应一“珀尔帖效应”进行制冷[3]。

其结构简单、工作环境要求很低、无制冷工质、无机械部件、无振动、可做到很长寿命，制冷迅速，而且交换电流方向即可实现制冷或制热，调节电流大小即可控制冷量输出，改变电臂大小及温差电对的排布方式，就可满足各种不同需要，制成大到千瓦级的空调，小到冷却红外探测器件的毫瓦级的微型制冷器。

半导体制冷系统在不同的应用场合、不同的散热条件下其最佳工作参数是不同的。

如何确定一定条件下半导体制冷系统的最佳工作参数，是目前半导体制冷系统设计中的难点，也是影响半导体制冷推广应用的因素之一。

半导体制冷系统的工作温度主要取决于冷、热端传热状况和工作电流，深入研究这些因素对半导体制冷系统最佳工作状态的影响，既有理论意义又有实际应用价值。

1-1下图表示一个水位自动控制系统,试说明其作用原理.1-2下图为电动机速度控制系统原理示意图.图中,r U 为给定参考电压,M 为电动机,a U 为M的电枢电压,Ω为M 的输出轴角速度,TG 为测速发电机,c U 为TG 的输出电压.要求:(1) 将该速度控制系统接成负反馈系统(2) 画出系统原理方框图1-3下图是恒温箱的温度自动控制系统.要求:(1) 画出系统的原理方框图;(2) 当恒温箱的温度发生变化时,试述系统的调解过程;(3) 指出系统属于哪一类型?1-4下图为电动机电压自动控制系统.图中,1为电动机,2为减速器,3为电动机,4为电压放大器,5为可调电位器.试问:(1)该系统由哪几部分组成,各起作用?(2)系统中有哪些可能的扰动量?(3)当输出电压降低时,系统的调节过程如何?(4)该系统属于哪种类型?1-5 下图为位置随动系统,输入量为转角r θ,输出量为转角c θ,p R 为圆盘式滑动电位器,s K 为功率放大器SM 为伺服电动机.要求:(1)说明系统由哪几部分组成,各起什么作用？(2)画出系统原理方框图;(3)说明当r θ 变化时, c θ的跟随过程.1-6下图为转速控制系统,g U 为输入量,f E 为发电机电势,转速n 为输出量.试画出系统原理方框图.1-7设描述系统的微分方程如下,其中c(t)为输出量,r(t)为输入量,试判断它们属于何种类型? (1) λλd r dt t dr t r t c t )(5)(6)(3)(⎰∞-++= (2) 222)()(2)(dt t r d t t r t c +=(3) )()(2t r t c =(4) t t r t c ωcos )(5)(+=(5) ⎩⎨⎧≥<=6,)(6,0)(t t r t t c (6) )()(8)(6)(3)(2233t r t c dtt dc dt t c d dt t c d =+++ (7) dtt dr t r t c dt t dc t )(3)()()(+=+ 1-8下图为温度自动控制系统,改变a 点位置可以改变恒温温度.试说明该系统的工作原理和性能,并指出它属何种类型?1-9下图为直流恒速控制系统.系统中除速度反馈外, 还设置了电流反馈以补偿负载变化的影响.试画出系统原理方框图.1-10下图是烘烤面包的速度调节装置.待烘烤的面包用传送带按一定速度和一定时间通过烘箱.传送带由无级变速机驱动,根据安装在烘箱内的温度检测测量的烘箱实际温度,通过控制器可以调节传送带的速度.若烘箱温度过高,传送带速度应加快,反之,则应减慢,以保证烘烤面包的质量.试说明传送带速度自动控制系统的工作原理,并绘制相应的原理方框图.1-11下图是一种用电流控制的气动调节阀,用来控制液体的流量.图中,与杆固连的线圈内有一块永久磁铁,当电流通过线圈时,便产生使杆绕支点转动的力矩, 从而带动档板关闭或打开喷嘴时,进入膜片腔的空气压力将增大,从而将膜片下压, 并带动弹簧,阀杆一起下移;反之,当喷嘴被打开时,由于空气从喷嘴中跑出,进入,膜片上腔的空气压力将减小,膜片连同弹簧,阀杆便一起上升.此外,阀杆位移反馈回去, 并由与杆连接的弹簧产生一个平衡力矩.这样,通过电流控制阀杆位移, 从而改变阀门开度,达到控制液体流量的目的.要求:(1) 确定该系统装置的输入量,输出量,控制对象和扰动量;(2) 绘出其原理方框图;(3) 指出该系统属于哪种类型的装置?1-12 图1-31(A)和(B)均为自动调压系统,假设空载时,(A)于(B)的发电机端电压相同,均为110V试问带上负载后,(A)和(B)哪种系统能保持110V端电压不变? 哪种系统的端电压会低于110V?为什么?1-13试绘制图1-31(A)于(B)所示的原理方框图,分别说明各系统的测量元件, 放大元件及执行元件是时么,并指出各系统的输入量,输出量和控制对象.1-14 图1-32为水温控制系统,冷水在热交换器中由通入的蒸气加热,,从而得到一定温度的热水.冷水流量的变化可用流量计测得.要求:(1) 说明为了保持热水温度给定值为定值,系统是如何工作的?(2) 指出系统的控制对象及控制器;(3) 绘制系统的原理方框图;(4) 指出系统属于哪种类型1-15 图1-33为调速系统.图中G 为发电机,M 为电动机,TG 为测速发电机,SM 为伺服电动机.要求:(1)说明系统的工作原理;(2)绘制系统原理方框图.1-16图1-34为工作台位置液压控制系统.图中,1为控制电位器,2为反馈电位器,3为工作台.该系统可使工作台按照控制电位器给定的信号运动.要求:(1)指明系统的输入量,输出量和控制对象;(2) 绘制系统原理方框图(3) 说明系统属于何种类型1-17 图1-35为自动记录仪系统.电位器1和2组成测量电桥,当电位器1和2 的两个话臂不在同一位置时,测量电桥不平衡,线圈3中便有电流产生.由于线圈处于两个磁极中间,故会发生转动.线圈转动时,记录笔4和电位器2的滑壁跟着一起转动,直到2 的滑臂与1的滑臂位置一致为止.同时,记录笔相应记下两个滑臂间的位置偏差.试绘制该系统原理方框图1-18 图1-36为水位自动控制系统.要求绘制系统的原理方框图1-19下图所示为热水电加热器。

恒温箱的操作指南说明书一、概述恒温箱是一种专用设备，用于提供恒定的温度环境，广泛应用于实验室、医疗保健、食品加工等领域。

它具有温度控制精确、稳定性好、操作简便等特点，本操作指南将为您介绍恒温箱的使用方法和注意事项。

二、设备介绍1. 外观特点恒温箱采用不锈钢材质制作，外观整洁美观，具有耐腐蚀、防锈、易清洁等特性。

2. 控制面板恒温箱的控制面板上配有温度设置按钮、温度显示屏、时间设置按钮、湿度控制按钮等功能，操作简单方便。

3. 温度控制系统恒温箱采用先进的温度控制系统，可以精确控制设定温度，并具有恒温、恒湿、急速变温等功能。

三、使用方法1. 准备工作a) 将恒温箱放置于通风良好的平稳台面上，避免阳光直射、潮湿环境和易燃物品附近。

b) 检查电源线是否完好无损，并将其插入可靠的电源插座。

c) 确保恒温箱内部干净整洁，没有杂物和水迹。

2. 打开恒温箱按下电源按钮，待显示屏亮起后，恒温箱即可工作。

3. 设置温度a) 按下温度设置按钮，显示屏上将出现温度设定界面。

b) 通过调节温度设置按钮，设定所需的温度值。

c) 按下确认按钮，系统将根据设定温度值开始升温直至设定温度。

4. 恒温使用a) 当恒温箱达到设定温度后，将样品放入箱内，并关闭箱门。

b) 确保恒温箱工作环境内的温湿度达到设定要求，使样品得到恒定温度的作用。

c) 定期检查恒温箱内部温度显示，并确保温度保持在设定范围内。

5. 急速变温部分恒温箱具有急速变温功能，可以快速降温或升温。

操作方法如下：a) 按下急速变温按钮，显示屏将出现快速设定温度的界面。

b) 通过调节急速变温按钮，设定所需的变温速率。

c) 按下确认按钮，系统将根据设定的变温速率进行急速降温或升温。

四、注意事项1. 遵循使用规程请按照恒温箱的使用规程使用设备，禁止超负荷操作，以免损坏设备或引发意外。

2. 温度控制在设定温度时，请选择合适的温度值，避免过高或过低的温度对样品造成损伤或影响实验结果。

温度控制器实验报告目录一、实验概述 (2)1. 实验目的 (2)2. 实验设备与材料 (2)3. 实验原理 (3)二、实验内容与步骤 (4)1. 实验内容 (5)1.1 温度控制器的基本操作 (6)1.2 温度控制器的参数设置与调整 (7)2. 实验步骤 (8)2.1 安装温度控制器 (9)2.2 校准温度计 (9)2.3 设置温度控制器参数 (11)2.4 观察并记录实验数据 (13)2.5 分析实验结果 (13)三、实验数据与结果分析 (14)1. 实验数据 (15)1.1 温度控制器的温度读数 (17)1.2 温度控制器的设定温度 (18)1.3 温度控制器的实际输出温度 (19)2. 结果分析 (19)2.1 温度控制器的性能评价 (20)2.2 温度控制器在不同条件下的适应性分析 (21)四、实验结论与建议 (22)1. 实验结论 (23)2. 实验建议 (24)一、实验概述本实验旨在通过设计和制作一个温度控制器，让学生了解温度控制器的基本原理、结构和工作原理，并掌握温度控制器的制作方法。

学生将能够熟练掌握温度控制器的设计、制作和调试过程，为今后从事相关领域的工作打下坚实的基础。

本实验的主要内容包括，在实验过程中，学生将通过理论学习和实际操作相结合，全面掌握温度控制器的相关知识和技能。

1. 实验目的本实验旨在探究温度控制器的性能及其在实际应用中的表现，通过一系列实验，了解温度控制器的控制原理、操作过程以及性能特点，验证其在实际环境中的温度控制精度和稳定性。

本实验也旨在培养实验者的实践能力和问题解决能力，为后续相关领域的深入研究和实践打下坚实的基础。

2. 实验设备与材料温度控制器：作为实验的核心设备，本实验选择了高精度数字式温度控制器，具备较高的稳定性和精确度，能够确保实验结果的可靠性。

恒温箱实验箱：为了模拟不同的环境温度，采用了具有温控功能的恒温箱或实验箱。

通过调节箱内的温度，可以观察温度控制器在不同环境下的表现。

闭环控制系统的工作过程教材：普通高中课程标准实验教科书通用技术（必修2）章节：第四单元控制与设计第三节闭环控制系统的工作过程课时：第1课时一、核心素养目标(1)理解闭环控制系统的含义。

(2)通过实践体验，能分析闭环控制系统的基本组成和工作过程。

(3)通过案例分析简单的闭环控制系统，学会画闭环控制系统的方框图。

(4)能结合闭环控制系统的工作过程，分析反馈在控制系统中的作用及其基本原理。

(5)能结合案例分析影响简单控制系统运行的主要干扰因素。

二、教学重点学会分析闭环控制系统的基本组成及工作过程，并画出控制系统的方框图.三、教学难点掌握分析闭环控制系统的一般方法。

四、设计思想1. 教材分析本节课教学内容为苏教版《技术与设计2》第四单元“控制与设计”的第三节“闭环控制系统的工作过程”。

在本节的学习中，学生要经历恒温箱控制系统的技术试验和分析过程，要站在工程设计的高度，应用系统分析方法与控制原理，解决生活中的实际问题，促使学生的系统思考和工程思维能力提升。

2. 教学策略设计（1）创设情境：以技术体验“搭建恒温箱控制系统”，引出课题。

（2）引导学生分析案例，概括出闭环控制系统工作过程，学会用方框图描述其控制过程。

（3）通过案例分析，认识反馈和干扰因素，能结合闭环控制系统的工作过程，分析反馈和干扰现象及其基本原理。

（4）通过巩固练习，引导学生总结、梳理重点。

五、教学准备1. 课件2.技术体验装置;恒温箱控制系统序号教学步骤教师活动学生活动1 情景导入走进情境：陈晨家住在北京，阳台上种植了许多植物。

冬天室外寒冷，陈晨想要设计一款恒温箱让阳台上的植物安全过冬。

创设情境，引出课题２任务一：解析闭环控制系统工作过程1. 搭建恒温箱控制系统技术体验：搭建恒温箱控制系统思考：恒温箱控制电路的工作状态取决于来自什么装置的信号？用方框图表示恒温箱控制系统的工作过程：设定→控制电路→制热或制冷模块→恒温器→实际温度温度检测装置在系统的输入量和输出量之间，除了从输入端到输出端之间，除了有从设定温度到实际温度的信息传递，还有一条从输出端返回到输入端的反馈环节，它们形成了一条闭合回路。

第一章1.1 图1.18是液位自动控制系统原理示意图。

在任意情况下，希望液面高度c维持不变，试说明系统工作原理并画出系统方块图。

c+-SM___ 1Q浮浮浮浮浮浮2Q浮浮浮浮浮浮浮浮浮浮浮浮fi-+解：系统的控制任务是保持液面高度不变。

水箱是被控对象，水箱液位是被控变量。

电位器用来设置期望液位高度*c(通常点位器的上下位移来实现) 。

当电位器电刷位于中点位置时，电动机不动，控制阀门有一定的开度，使水箱的流入水量与流出水量相等，从而使液面保持在希望高度*c上。

一旦流出水量发生变化(相当于扰动)，例如当流出水量减小时，液面升高，浮子位置也相应升高，通过杠杆作用使电位器电刷从中点位置下移，从而给电动机提供一定的控制电压，驱动电动机通过减速器减小阀门开度，使进入水箱的液体流量减少。

这时，水箱液位下降．浮子位置相应下降，直到电位器电刷回到中点位置为止，系统重新处于平衡状态，液位恢复给定高度。

反之，当流出水量在平衡状态基础上增大时，水箱液位下降，系统会自动增大阀门开度，加大流入水量，使液位升到给定高度*c。

系统方框图如图解1. 4.1所示。

1.2恒温箱的温度自动控制系统如图1.19所示。

（1） 画出系统的方框图；（2） 简述保持恒温箱温度恒定的工作原理;（3） 指出该控制系统的被控对象和被控变量分别是什么。

M放大器电机减速器调压器 220～热电偶电阻丝－ ＋－ ＋图1.19 恒温箱的温度自动控制系统解：恒温箱采用电加热的方式运行，电阻丝产生的热量与调压器电压平方成正比，电压增高，炉温就上升。

调压器电压由其滑动触点位置所控制，滑臂则由伺服电动机驱动．炉子的实际温度用热电偶测量，输出电压作为反馈电压与给定电压进行比较，得出的偏差电压经放大器放大后，驱动电动机经减速器调节调压器的电压。

在正常情况下，炉温等于期望温度T ，热电偶的输出电压等于给定电压。

此时偏差为零，电动机不动，调压器的滑动触点停留在某个合适的位置上。