半导体恒温循环槽应用AI仪表加热制冷双输出———半导体恒温循环

　关键词：AI加热制冷双输出、高精度恒温设备、半导体制冷、
   
  一、概述
  SCB系列半导体恒温循环槽，是自带制冷和加热的高精度恒温设备。可在机内水槽进行恒温实验，或通过软管与其它设备相连，作为恒温源配套使用，也可用于给其它设备进行水循环加热或冷却等。
  采用宇电AI系列30段程序型调节器加热制冷控制达到SCB系列半导体恒温循环槽精确控制。
  二、特点及用途：
  1、采用大功率半导体致冷组件作为冷源，不需要干冰、氨、氮、氟利昂等致冷剂，温度低、制冷快、寿命长。
　　2、可为外循环提供恒温源，操作简单方便。
　　3、专用液体离心循环泵，流量稳定，工作可靠。
  4、可加搅拌或内循环，使温度更均匀。
　　5、采用先进的全自动智能PID数字双向控制系统，双目显示，温度连续可调，控温精确。
　　6、体积小、重量轻、无污染，可连续工作。　
  SCB系列半导体恒温循环槽，是化工、医疗、医药、计量、电子、教育及科研等部门实验室最理想的恒温设备。                                   图1
   
  
  7、主要技术参数：
输入电压：　　　AC 220V　50Hz
传感器类型：　　Pt100
输出功率：　　　DC4.5V 6A／DC 12V 8A（可定制）
控温范围：　　　0℃～70℃可用作低温或高温
控温方式：　　　全自动智能PID控制，双目显示双向控温，温度连续可调
控温精度：　　　最高±0.1℃
程序控制：　　　30段＋20段程序控制
通讯接口：　　　RS485（配RS232转换器）带计算机接口或程序控制。
外型尺寸：　　　305mm×280mm×120mm
使用环境：　　　温度10℃～40℃，湿度≤60%。
  仪器为普通风冷散热，最佳使用环境温度在5℃～25℃，湿度<80%。
  三、控制性能
  采用AI-808BGL1L14S型加热制冷双输出程序控温仪表来控制高精度恒温控制设备，是专门为需要有双输出的设备温控系统而设计的，全自动智能PID双目数码显示双向控温系统，可实现升降温的自动转换，达到任意温度点的精确恒温，温度稳定性高。该恒温控制电源，体积小、重量轻、控温精度高。数码显示测量及控制温度，清晰、直观，可设置30段程序及计算机接口来记录升降温曲线。                                              图2
   
  
  加热控制：采用宇电生产的SSR系列小型固态继电器，采用高端固态继电器使用的恒流驱动线路，典型驱动电流恒定在5～mA，功耗低且可靠性高；配合光电藕合过零触发器，具有对电网干扰小且绝缘内压高的优点，输出端采用压敏电阻吸收电网尖蜂电压，漏电流小并长期可靠使用。固态继电器连接电加热元件，无触动控制，通用加热方式。
  制冷控制：采用仪表输出继电器接点控制直流电源给半导体致冷片供电起到制冷的目的。制冷技术在科技领域中存在着多种致冷方法，吸收式、机械压缩式和半导体致冷 ,电子致冷的现象是温差电效应。
  由于采用了供电的方式控制半导体制冷的方式，连续PID制冷控制有了方便的控制方法。
  我国半导体致冷技术始于50年代末、60年代初。当时在国际上也是比较早的研究单位之一。60年代中期，半导体材料的性能达到了国际水平，60年代末至80年代初是我国半导体致冷器技术发展的一个台阶。在此期间，一方面研究半导体致冷材料的高优值系数，另一方面拓宽其应用领域。中国科学院半导体研究所投入了大量的人力与物力，获得了半导体致冷器。因而才有了现在的半导体致冷器的生产及其二次产品的开发和应用。   图3  
   
  配合应用AI系列调节器使用连续的PID控制给精密恒温槽提供了供电方式的特种冷源。
  特种冷源在技术应用上具有以下的优点和特点：
　　 1、不需要任何致冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件是一种固体器件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。
　　 2、半导体致冷器具有两种功能，既能致冷，又能加热，致冷效率一般不高，但致热效率很高，永远大于1。因此使用一个器件就可以代替分立的加热系统和致冷系统。
　　 3、半导体致冷器是电流换能型器件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。
　　 4、半导体致冷器热惯性非常小，致冷致热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，致冷器就能达到最大温差。
　　 5、半导体致冷器的反向使用就是温差发电，半导体致冷器一般适用于中低温区发电。
　　 6、半导体致冷器的单个致冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成致冷系统的话，功率就可以做的很大，因此致冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。
　　 7、半导体致冷器的温差范围，从正温90℃到负温度130℃都可以实现。
　　 通过以上分析，半导体温差电器件应用范围有：致冷、加热、发电，致冷和加热应用比较普遍，有以下几个方面：
        (1)军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统。
　　(2)医疗方面：冷刀、冷台、白内障摘除器、血液分析仪等。
　　(3)实验室装置方面：冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各种高低温实验仪器。
　　(4)专用装置方面：石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、细菌培养箱、恒温显影槽、电脑散热器等。
　　(5)日常生活方面：空调、冷热两用箱、饮水机、除湿机等。 半导体致冷器件的散热是一门专业技术，也是半导体致冷器件能否长期运行的基础。良好的散热才能获得最低冷端温度的先决条件。以下就是半导体致冷器的几种散热方式：
  1、自然散热。
  　　采用导热较好的材料，紫铜铝材料做成各种散热器，在静止的空气中自由的散发热量，使用方便，缺点是体积太大。
  2、充液散热。
  　　用较好的散热材料做成水箱，用通液体或通水的方法降温。缺点是用水不方便，浪废太大，优点是体积小，散热效果最好。
  3、强迫风冷散热。
  　　工作气氛为流动空气，散热器所用的材料和自然散热器相同，使用方便，体积比自然冷却的小，缺点是增加一个风机出现噪音。
  以上所述给AI系列调节器提供了新的用途。
  四、程序型调节器应用
      1）仪表型号的选择
  仪表型号AI-808BGL1L1L4S
  高精度恒温槽温度在负载加入时变化快必须采用加热制冷双输出程序控温仪表来控制全自动智能PID双目数码显示双向控温系统，可实现升降温的自动转换，达到任意温度点的精确恒温，温度稳定性高。数码显示测量及控制温度，清晰、直观，可设置30段程序及计算机接口来记录升降温曲线。
  AI仪表首创性地采用了平台概念，将非常专业化的数字调节仪表转为平台化设计的产品，能实现比以往封闭式设计产品更快的进步及更高的性能/价格比。它包含高通用性的硬件主板（包含I/O接口及模块插座、显示接口插座、A/D转换单元及电源单元），通过安装不同的软件及CPU、输入/输出模块及显示界面，即能适应多种不同功能的过程仪表控制要求，比如温控器、调节器、复杂回路调节器及双回路调节器、多路巡检仪及流量积算仪表等等。功能齐全性能稳定，改变仪表内部参数就可实现多种输入输出功能。
  2）仪表的控制方式
  AI－808人工智能调节算法是采用模糊规则进行PID调节的一种新型算法，在误差大时，运用模糊算法调节，以消除PID饱和积分现象，当误差趋小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化。具有无超调、高精度、参数确定简单、对复杂对象也能获得较好的控制效果等特点。
     在使用过程中AI调节器 结合PID调节、自学习及模糊控制技术，实现了自整定/自适应功能，及、无欠调的精确调节，性能远优于传统PID调节器。控制设备装配
    3）仪表自整定方法：
  自整定是让温控器执行ON/OFF（位式）控制，经2－3次振荡周期后仪表内部微处理器根据位式控制产生的震荡，分析其周期、幅度及波形来自动计算出M5、P、T等控制参数。
  系统在不同给定值下整定得出的参数值不完全相同，执行自整定功能前，应先将给定值设置在最常用值或是中间值上，作为程序型仪表请把第一段C01=修改设置在系统使用的最大值上，再执行启动自整定的操作功能。参数CtI（控制周期）及dF（回差）的设置，对自整定过程也有影响，一般来说，这2个参数的设定值越小，理论上自整定参数准确度越高。但dF值如果过小，则仪表可能因输入波动而在给定值附近引起位式调节的误动作，这样反而可能整定出彻底错误的参数。推荐CtI=0-2，dF=2.0。此外，基于需要学习的原因，自整定结束后初次使用，控制效果可能不是最佳，需要使用一段时间（一般与自整定需要的时间相同）后方可获得最佳效果。如果系统是保温性能好的电炉，给定值应设置在系统使用的最大值上，再执行启动自整定的操作功能。参数CtI（控制周期）及dF（回差）的设置，对自整定过程也有影响，一般来说，这2个参数的设定值越小，理论上自整定参数准确度越高。但dF值如果过小，则仪表可能因输入波动而在给定值附近引起位式调节的误动作，这样反而可能整定出彻底错误的参数。推荐CtI=0-2，dF=2.0。此外，基于需要学习的原因，自整定结束后初次使用，控制效果可能不是最佳，需要使用一段时间（一般与自整定需要的时间相同）后方可获得最佳效果。
      4）仪表程序编排：
  当工艺改变升降温程序控制时，可用于按一定时间规律自动改变给定值进行控制的场合。具有50段程序编程功能，可设置任意大小的给定值升、降斜率；具有跳转（目标段只限于前30段）、运行、暂停及停止等可编程/可操作命令，可在程序控制运行中修改程序；具有二路事件输出功能。可通过报警输出控制其他设备联锁动作，进一步提高设备自动化能力；具有停电处理模式、测量值启动功能及准备功能，使程序执行更有效率及更完善。
  程序编排统一采用温度－时间－温度格式，其定义是，从当前段设置温度，经过该段设置的时间到达下一温度。温度设置值的单位都是℃，而时间值的单位都是分钟。
  下例为一个包含线性升温、恒温、线性降温、跳转循环、准备、暂停及事件输出6段程序例子。
  第1段 C 01=100 t 01=30 ；100℃起开始线性升温，升温时间为30分钟
  第2段 C 02=400 t 02=60 ；升温至400℃，升温斜率为10℃/分。恒温时间为60分
  第3段 C 03=400 t 03=120 ；降温段，降温时间为120分，降温斜率为2℃/分。
  第4段 C 04=160 t 04=-35 ；降温至160℃后，接通报警开关1，并且跳往第5段执行。
  第5段 C 05=160 t 05=0 ；进入暂停状态，需操作人员执行运行操作才能继续运行至第6段。
  第6段 C 06=160 t 06=-151  ；关闭报警开关1，并且跳往第1段执行，从头循环。
  采用温度－时间编程方法的优点是升温、降温的斜率设置的范围非常宽。升温及恒温段具有统一的设置格式，方便学习。设置曲线更灵活，可以设置连续设置升温段(如用不同斜率的升温段近似实现函数升温)，或连续的恒温段。
  5）仪表参数设置：
  温控器输出方式与周期选择
  输出方式选加热制冷双输出，主输出控制对象一般选固态继电器SSR；辅助输出选继电器开关接点控制制冷电源，精密恒温槽温度上升快，降温要采用制冷控制，快速把温度降下去。输出下限DIL－100；输出上限DLH100
  输出周期CtI参数值可在(0.5~125)×0.5秒（0表示输出周期为0.25秒）之间设置，它反映仪表运算调节的快慢。采用SSR、可控硅或电流输出时一般建议设置为0.5~3秒。输出采用G模块模块，当辅助输出采用继电器开关输出L4时，加热/冷却双输出控制系统中，短的控制周期会缩短机械开关的寿命或导致冷/热输出频繁转换启动，周期太长则使控制精度降低，因此一般在15-40秒之间，建议CtI设置为系统滞后时间的1/4~1/10左右，但数值最大不应超过60秒（CtI=120）。
  AI-808PBGL1L1L4S调节器参数                        图表4
   
  
  6）仪表接线图
    控制系统接线图，加热 / 制冷双输出：加热是固态继电器连接电热丝、制冷连接半导体制冷片、单色数字无纸记录仪AI-2057G104001G11型记录数据。 图5
   
  
  五、数字记录：
  1）技术性能
  采用AI-3070C型触摸数字无纸记录仪，配置标准CF卡数据存储模块；采用智能化、模块化和网络化的无纸记录仪，在无纸记录仪可保存15条升降温程序配方在中。与宇电AI系列产品进行灵活的配合应用，实现多通道数字、曲线全屏显示，数据存储的功能；操作人性化；每通道数据刷新时间50毫秒；选配储存卡槽采用外插拔标配1G的电子硬盘，可扩展CF卡1～4G存储记录空间；数据保存按先进先出的原则；数据通过读卡器在PC上直接打开，串口备份至计算机上，用Excel电子表格打开CSV格式的数据文件；
  2）系统架构
  系统架构采用上位机＋下位机的结构，下位机为AI系列仪表，输入及输出规格极为丰富，可任选单路或多路显示报警仪、智能调节器、手操器、流量积算仪或开关量输入输出模块；系统若发生变化，亦可随时变更、增加或减少记录通道；每台记录仪可选择4、6、8、12、16、32通道类型软件；自由编辑选择AI通道硬件型号；可写入设备位号如：TIC-101；设有屏保功能防止误操作，操作使用15分钟后重新输入密码111。
  3）系统操作
  无纸记录仪通电后显示【宇电标记】；触摸点【开始】出现菜单栏；选【记录设置】设置数据报表存储要求；选【数据】全屏显示各通道；选【实时曲线】显示单台曲线，实现参数设置、升降程序配方设置、查看程序曲线、程序控制、手/自动切换，手动输出量的设定；选【棒图】【实时多条PV】【历史曲线】选【流程图】触摸按钮控制电机启停（连接AI-3013D5型8点继电器模块）；查询数据选【报表】【报警】；点击：【数据画面】【棒图画面】【流程图仪表数据】【实时多曲线画面】【历史多曲线画面】的数据框快捷返回单台仪表的【实时曲线画面】通道。可前页与后页翻页。相同页面按【前页】【后页】【自动/手动】循环自动翻页；看下图6
   
  
  对于518P、708P、808P程序仪表参数设置，点击【A】框，进入【手/自动、编程设置控制平台】；所示的编程界面：出现【通道一   程序编排设置】；程序编排平台用组别配方来设置程序段【C01】和【T01】表示，以【组1】为例：点击选中【组1】点击组名【C01】下面的数据框输入温度值【250】（注：在温度栏C01输入的数值要放大10倍如25℃输入的数据是【250】放大10倍）；点击组名T01下的时间段写入实际时间值分钟如15分钟写入【15】；设置好程序配方选中配方组如：【组1】在菜单条中点击【查看】可看到已编排的曲线图形；点击【返回】；选中编辑好的配方组【组1】点击【下载】操作，已编排的程序就下传给程序仪表；即时可操作【运行】【停止】【暂停】【手动】【自动】【返回】。采用【上传验证】仪表中的程序曲线来检验程序是否下传，程序配方可保存15组程序在触摸屏中。
  4）数据处理
  用多曲线的形式来直观的显示CF卡记录中的数据，显示该时间段内相关通道间被测量的变化关系。按通道顺序排列1、2、3、4固定组合在一起的通道组合，对于需要比较关键参数通道可将仪表地址编排在同一组显示趋势曲线，这样就更好的进行比较分析工艺参数的对象变化。点击【数据框】返回【实时画面】通道。点击【S】可选择启用单条或4条曲线显示趋势变化；查询历史数据设置起始时间及时间跨度；设置数据范围使曲线显示在图表中央，不同的数据范围启用单条查询。历史画面的功能画面右下角 点击【S】查询，触摸屏显示是当前的起始时间，改倒退起始时间：年/月/日/时/分/秒；修改时间跨度：时/分/秒设置；点击【确认】按钮，系统即刻显示历史曲线、数据报表；报警报表。
  5）图形软件
      数据有三种方式来处理：保存数据的数据是加密的必须采用专用的宇电PC图形软件来阅读。
  触摸屏的外插CF卡来保存数据；数据可通过1、PC图形阅读软件、通过CF卡存储数据用读卡器在PC上复制数据包到PC机用图形软件打开数据；2、微型打印机打印数据报表、曲线；3、也可用串行COM2口备份Excel电子表格数据至上位计算机。CF卡内：【AL】数据包是报警报表；【DL】数据包是数据报表；按年/月/日/小时来保存数据源文件。
  第一种、加密数据包PC上阅读图形软件方式：DataLogTool 1.0图形软件使用说明  图7
   
  
      DataLogTool是专为无纸记录仪开发的，一个可在个人计算机上运行的工具软件，其作用是用来将HMI屏上加密记录在CF卡上的数据集中管理，便于用户查询数据报表，查看历史曲线，并可以对其进行打印的功能。在计算机【开始】的程序里有【宇电无纸记录仪图形软件】帮助文件。
  第二种、微型打印机方式
      新增面板式微型打印机，默认的串口打印机的参数为9600bps，8位数据位，1位停止位，无校验，连接时将微型打印机定制的9口串口母头直接接到HMI屏的9芯串口头即可。
  1、历史曲线打印：有2种方式：在屏的历史曲线画面才能实现打印曲线功能！
  ①左上角的蓝色【Print】：打印设置中所查询到的曲线内容，1条或选4条同时打印；
  ②右上角的红色【Print】：打印屏上所显示的曲线内容，1条或选4条同时打印；推荐此功能！
  ③左下角的【S】设置，有关打印机纸张宽度的设置，如果您的打印机的纸张太宽或太窄，可以通过设置【打印纸张宽度比例】这个值来调整，，2057默认100％；2080默认40％ ；
  2、历史数据报表打印：有2种方式：【在屏的历史数据画面才能实现打印数据功能！】
  ①左上角的蓝色【Print】：手动打印屏上所查询到的报表内容，每行5个数据；
  ②右上角的红色【Print】：手动打印当前刚刚采集到的报表内容，每行5个数据，连续换行；
  ③右下角的【S】设置，有关打印报表的设置，
  ④.如果您想自动打印采集到的报表，可以启用【选择是否自动打印】的功能。自动打印必须在报表画面实现！
  ⑤【自动打印时间间隔】的设定，是设置多长时间后打印机开始自动打印。如果此值设为0，则自动的实时打印报表。在屏的历史数据画面才能实现自动打印数据功能！    图片8
   
  第三种、Excel电子表格方式
  可通过串行COM2口备份Excel电子表格CSV格式的数据文件上传不加密数据到计算机，用Excel电子表格直接打开；CF卡数据文件 一般通过CF卡读卡器上传CF卡加密数据；  图9
   
  六、结束语：
　　半导体恒温循环槽配合AI程序型调节器采用加热制冷双输出控制和数字式无纸记录仪现已广泛应用在工业、农业、交通、科技、环保、国防、文教卫生、人民生活，及化工、热电、石化、制药、冶金、机械、科研实验等领域。有着良好的市场需求和巨大的发展潜力。具体应用在非连续生产和质检测试等需要间断显示记录的场合。系统贯彻了柔性设计理念，所有输入通道的信号类型均可随需设置更改，每个记录数据的存储时间可根据要求来设置记录数据采样间隔，并且能方便的转存于活动硬盘。记录数据可用计算机图形软件来阅读，还可转换为Excel能打开的文本格式，并且管理人员可以通过数字无纸记录仪的数据传统功能在局域网内监控调阅该系统的实时及历史记录数据。该系统已在现场长时间稳定运行记录和良好的用户口碑，是一款成熟可靠值得信赖的产品。