基于西门子plc系统超高精度温度检测方法及控制方法的研究毕业设计(编辑修改稿)

基于西门子plc系统超高精度温度检测方法及控制方法的研究毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

本文所设计的恒温槽属海洋仪器温盐检定设备的一部分，用于对海洋仪器中的温度传感器进行检定与校准。 海洋海水的温度范围一般在 2~40℃ 之间，因此恒温槽的工作温度应该包含此区间。 对于海洋温度传感器仪器系数的校准实验，常选择的校准点有 0℃ 、 5℃ 、 10℃ 、 15℃ 、 20℃ 、 25℃ 、 30℃ 、 35℃。 在校准实验过程中，对恒温槽的波动性要求很高，即在某一控温点附近温度波动量＜ 177。 ℃ ，保持时间至少在 15min，而对温度的精度要求相对较低（＜ 177。 ℃ ），所以在恒温槽的设计与控制中应更加注重对温度波动性指标的实现，与此同时也必须满足均匀性的指标要求。 另外，如果在系统中加入了多点定时控温的功能，将会为操作人员提供极大的便利。 系统结构介绍 恒温槽系统整体结构如图 21 所示，主要包括有快速降温装置、快速加热器、微调加热器、半导 体制冷片、温度测量装置和搅拌装置。 图 22 所示为管路循环结构中的部分装置的实物图。 储液罐压缩机搅拌电机恒温槽容器电热器制冷片a bc磁力装置测温装置电磁阀 图 21 系统结构示意图 天津大学仁爱学院 2020届本科生毕业设计（论文） 6 图 22 管路循环结构中的部分装置实物图 快速降温装置是使用冷液循环管路实现的，制冷压缩机可将储液罐中的液体温度降至 12℃ 到 14℃。 恒温槽内部的金属盘管浸没在海水中，并通过低位进液口和高位出液口与外部管路对接以形成循环管路。 启动快速降温时，电磁阀处于ab 端接通 ac 端阻断的状态，冷液 由于储液罐内的静压作用进入循环管路中快速带走槽内热量；关闭快速降温时，电磁阀处于 ac 端接通 ab 端阻断的状态，冷液循环管路断开，停止快速降温，盘管内残留冷液由于重力势作用回流至容器中。 恒温槽的上端装有四支电热器，其中有三支快速加热器，每支功率为 2020W，一支微调加热器，功率为 1000W。 槽体内胆为钛金属材料制成桶状结构，外壳使用铝合金材料制成，内外壁厚均约为 2mm。 半导体制冷片均匀安装在槽体内胆的外表面，其冷端紧贴内胆，热端紧贴外壳，内胆与外壳之间的其它空间由保温绝热材料 聚氨酯 填充。 这样以来就使得槽体内胆 具备了一定的抗腐蚀能力，而槽体外壳可将制冷片热端热量快速散发出去。 恒温槽内部部分构造如图 23所示。 图 23 恒温槽内部部分构造 天津大学仁爱学院 2020届本科生毕业设计（论文） 7 为加快槽内热量传递，提高温场的均匀性，在槽体底部装有磁力搅拌装置，直流搅拌电机与搅拌螺旋桨之间通过磁力耦合装置连接。 磁力装置的应用可有效传送搅拌动力，且平稳快速，最大限度地降低电机的运行热量对槽内温度的影响。 系统控制概述 \O 分配 为使槽温快速达到温度设定点附近，设计上使用了快速升温降温的结构。 快速控制方式属于开环控制，能够使得槽温快速上升或下降 ，而无系统振荡现象。 当温度到达设定点附近时，槽温控制方式由快速控制的粗略调节方式转变为微调控制。 微调控制方式属于闭环控制，使用精细微小的加热量或制冷量来改变温度，并使其趋于稳定。 关于系统的控制框图如图 24 所示。 微调控制快速控制制冷加热恒温槽温度变送控温点T 0 T 图 24 系统控制框图 图 25 为系统的控制结构图，图中显示了控制器与测量单元、各执行机构以及通信部分的关系。 在系统硬件电路的设计中，将温度测量电路与控制器集成在一起，实现了测量与控制的一体化。 需要补充 的是，系统的操作需要通过人机界面来完成，而电路设计中加入的以太网接口为实现远程监控提供了必备的资源。 交流调压器微调加热器快速加热器固态继电器固态继电器光电耦合器制冷片电磁阀远程监控人机界面测温电路控制器搅拌装置 图 25 系统控制结构图 天津大学仁爱学院 2020届本科生毕业设计（论文） 8 恒温槽温度控制模型 在水槽的温度微调过程中，控制器会交替的产生加热与制冷作用，使水槽温度在设定值附近上下波动。 假设在温度微调之前，水槽内温度为；在微调过程中，水槽内温度变为；水槽内的海水总质量为 M，比热为 C，水槽的传热系数为 H，传热面积为 A；单位时间内加热器产生的热量为，半导体 制冷片产生的冷量为，根据热力学知识 [7]，有 CH TTHAdt TTdMC  )()( 0101 (21) 设，与控制作用成比例关系，即； 于是可以得到水槽温度的增量微分方程 uKTdtTdT  (22) 式中，为温度差；为水槽温度的时间常数；为水槽温度的传递系数。 在零初始条件下，对式 22 两端进行拉氏变换，可得水槽内温度变化量对控制量变化量之间的水槽温度 传递函数为 1)( )()(  TsKsU sTsG (23) 当控制作用存在纯延迟时间 时 ，可以得到水槽温度的增量微分方程为 )(  tuKTdtTdT (24) 在零初始条件下，带有纯延时的水槽温度传递函数为 τe1TsKΔ U (s)Δ T (s)G (s)  (25) 半 导体制冷技术 半导体制冷技术的一种基于帕尔贴效应进行温度控制的技术方法，具有无机械运动、无噪声、控温精度高、体积小、重量轻、使用时间长等优点 [8]。 目前，半导体制冷技术已广泛应用于医疗器械、军事科技、航空航天、科学研究等各个领域 [9]。 本节将就半导体制冷技术的原理，即帕尔贴效应作简单介绍，并综合制冷过程中伴随产生的其他效应计算半导体制冷量，最后是本系统对半导体制冷片的使用。 半导体制冷原理 半导体制冷的理论基础起源于 19 世纪，然而直到上世纪 70 年代才有真正的天津大学仁爱学院 2020届本科生毕业设计（论文） 9 半导体制冷器问世 [10]。 在 1821 年 德国科学家 Thomas Seeback 首次发现了帕尔贴效应所产生的现象，在 1834 年法国物理学家 Jean Peltier 研究发现了半导体制冷的本质，并将其集中为科学原理。 随着相关科学技术的发展，半导体制冷技术在实际中得到了广泛的应用。 半导体制冷装置是指由半导体材料组成的冷却装置，如图 26 所示。 当直流电通过由两种不同的导电材料构成的回路时，在这两种材料的结点上会出现吸热或放热的现象，这就是著名的帕尔贴效应（ Peltier Effect） [11]。 帕尔贴效应所产生的热能变化称作帕尔贴热，使用符号表示，则热量 计算公式为 IQ abP π (26) 其中，为帕尔贴系数； I 为通过回路的即时电流；由半导体组成的热电材料的帕尔贴系数为 baab πππ  (27) 在实际使用中半导体制冷片的结构是需要改进的，在回路中加入第三种材料（金属片或导线）对回路的特性是没有影响的。 因此，在保证将一个 P 型半导体元件 和一个 N 型半导体连接成闭合回路的前提下，我们能够改变半导体制冷元件的连接方式来满足不同场合的需要 [12]。 当闭合回路通入直流电时，就会在如图 26 所示的结点处产生温差并形成热量转移。 在回路中电流从 N 型材料流向 P型半导体材料时，结点处温度会下降并出现吸热现象，这种类型的结点被称之为冷端；同理，电流从 P 型材料流向 N 型半导体材料时，结点处温度会升高并出现放热现象，这种类型的结点被称之为热端 [13]。 常用的半导体制冷片由许多组的 N 型半导体元件与 P 型半导体元件排列而成，使用金属材料连接这两种导体材料，最后使用陶瓷片对 中间的结构进行封装 [14]。 这种结构使得多组半导体材料串联在一起工作，巧妙的把冷端与热端分别置于两侧。 在封装材料的选择方面，陶瓷片的使用同时兼顾了材料的绝缘性和导热性。 N P N P N P N P直流电源冷端热端金属导体 绝缘陶瓷 图 26 帕尔特效应 天津大学仁爱学院 2020届本科生毕业设计（论文） 10 半导体制冷量 在半导体回路发生帕尔贴效应的同时，回路中还会产生其他的效应，比如汤姆逊效应、焦耳效应、傅里叶效应，这些伴随效应的产生也会影响到半导体制冷片的制冷效率 [15]。 以下对这些伴随效应及其影响分别予以介绍。 （ 1） 汤 姆逊效应 半导体制冷片是由不同的半导体材料组成的，而不同的材料之间是存在一定的温度梯度的，当有电流通过导体回路时，制冷片与周围环境之间会发生热量交换，这种现象被称为汤姆逊效应 [16]。 大量的科学实验表明，单位长度吸收和放出的热量正比于电流和温度梯度的乘积 [17]，其关系式如下所示： dxdTIQT  或 TIQT  (28) 式中， ——表示 单位长度的导体吸热（放热）率； ——表示汤姆逊系数； ——表示温度梯度和温差。 汤姆逊系数描述的是一种导体材料的性质，当导体中电流流向与温度梯度方向相同时， ＞ 0，导体出现吸热现象；反之则＜ 0，导体出现放热现象 [18]。 汤姆逊效应属于二级效应，在热平衡的分析与计算中可以忽略不计 [19]。 （ 2） 焦耳效应 焦耳效应是指在单位时间内导体中稳定电流所产生的热量，热量值等于导体的电阻值与电流平均值二次方的乘积 [20]，其计算公式如下所示： SlIRIQJ 22  (29) 式中， ——表示焦耳热； ——表示单位时间内流过导体的稳定电流； ——表示导体的有效电阻；  ——表示导体的电阻率； ——表示导体的长度；——表示导体的有效横截面积。 （ 3） 傅里叶效应 傅里叶效应是指在热传导现象中，单位时间内通过已知截面的热量，与垂直于该界面方向上的温度变化率和截面面积成正比，热量传递的方向与温度降低的方向相同 [21]。 其计算公式如下所示： TKTTtkSQ chK  )( (210) 式中， ——表示通过给定截面的热量； ——表示截面的面积； ——表示高温温度； ——表示低温温度； ——表示时间范围； ——表示比例系数。 天津大学仁爱学院 2020届本科生毕业设计（论文） 11 由半导体制冷片的工作原理可知，半导体制冷片的一端为冷端，另一端为热端，两端之间存在着温差，因此热量会从热端流向冷端 [22]。 同时制冷片生成的焦耳热也将流向冷端，从而增大了流向冷端的总热量。 假设在半导体制冷片中平衡电流的稳定值为，则流向冷端的热量可以用一维傅里叶方程表示为 TKRIQ Kjhc  22121 (211) 在式 211 中焦耳热 1/2 的系数是在热平衡方程中对重积分得到的，并非焦耳热的一半流向冷端，而另一半流向热端。 综上所述，流向冷端的总热量是影响半导体制冷效果的最主要原因。 实际工作中，对于单个半导体制冷片而言，其能够产生的制冷量应该冷端的理论制冷量减去传导热，即 TKRIIaTQ chcP  20 21 (212) 半导体制冷片的使用 在工程实践中，对半导体制冷片的使用会综合考虑制冷效率、输入电流、散热问题以及使用寿命等方面的因素，这样才能取得最佳的使用效果。 （ 1） 制冷效率 :使用半导体制冷片时，常会见到铭牌上所标注的额定电压 与额定电流，可知制冷片的功耗为 P=UI，而半导体制冷片的功率指的是其在单位时间内能够产生的制冷量。 现在常用的半导体制冷片的制冷效率在 60％左右，即能量的转化效率比大约为。 因此，半导体制片的制冷效率是较低的。 （ 2） 输入电流：半导体制冷片上标注的电流指的是，使用在额定电压下 且热端散 热充分的情况下，通过半导体制冷片的电流大小。 （ 3） 散热问题：如果热端持续发热，会使通过导体的电流减小，这样就直 接降低了制冷片的功率。 因此，半导体制冷片热端散热的好坏在很大程度上影响了冷端的制冷效果，有必要使用一定的散热措施来加快热端的散热，比如增大热端散热片的面积或是使用冷水来散热 [23]。 （ 4） 使用寿命：在保证正确安装以及良好散热的前提下，使用在额定电压 下的半导体制冷片的寿命可达到 3 万小时，而这一数字远远小于半导体制冷片的理论寿命（约 30 万小时）。 实际使用中应尽量避免违规操作，如改变不合理的安装方式，避免人为 损坏，保证热端的散热良好，避免突然转变通电方向等。 总结以上几点分析可以发现，热端的发热量及其散热量直接影响了半导体制冷片的制冷效率 [24]，而热端的发热是必然的，如何做到限制热端的发热量并增大散热量是很关键的，可见不宜将半导体制冷片长时间应用于大功率的场合，其更加适用于小功率的微调场合。 本系统中的半导体制冷片用于对水槽温度进行细微调节，因此在使用中受热端影响小，保证了对冷量的控制精度。 天津大学仁爱学院 2020届本科生毕业设计（论文） 12 在本系统中选用了 16 支半导体制冷片。