4. Постановка задачи

В соответствии с техническими требованиями необходимо разработать термостат, в рабочем объеме которого можно установить необходимую температуру в диапазоне от 0°С до +50°С.

В технических требованиях на дипломную работу указаны следующие вопросы, подлежащие разработке:

1. Поддержание внутри бокса заданного значения температуры в статическом и динамическом режимах.

2. В динамическом режиме увеличение/уменьшение температуры внутри бокса – линейное. Длительность периодов изменения температуры: 4, 6, 8 или 12 часов.

3. Минимальные и максимальные значения температуры в динамическом режиме: + (18 ÷ 22, 22 ÷ 26, 26 ÷ 30, 32 ÷ 36°С), а в статическом – произвольное (от 0 до +50°С).

4. Отклонение заданного значения температуры в рабочих режимах, не более ± 0,05°С.

5. Температура окружающей среды, +18 ÷ 30°С.

6. В качестве внешнего интерфейса для настройки и управления термостатом используется ПК

7. Рабочий объем камеры термостата, (ш*д*в) 200*300*400 мм = 24 дм³

8. Термостат предназначен для исследования динамических структур типа фазовых переходов в живых и неживых системах.

Заданная погрешность поддержания температуры должна поддерживаться как при статическом режиме работы термостата, так и в динамическом режимах.

Исходя из данных о требуемой погрешности, произведем расчет требуемой разрядности АЦП: Минимальная измеряемая температура - 0°С, максимальная - 50°С. Требуемая допустимая погрешность – 0.05°С. 50/0,05=1000 дискретных значений, нужная разрядность АЦП – 10 бит. Соответственно, для поддержания заданной погрешности измерений температуры необходим 10-разрядный АЦП, встроенный в микроконтроллер.

Усиление сигнала полупроводникового диода, может производиться инструментальным (измерительным) усилителем, построенном на двух операционных усилителях типа LM2904N.

5. Выбор датчика температуры на основе p-n перехода полупроводникового диода и схемы его подключения

Характеристики полупроводникового р-n перехода в диодах и биполярных транзисторах зависят от температуры. Это свойство используется при изготовлении полупроводниковых датчиков температуры на основе p-n перехода. На рисунке 2 показана схема датчика температуры на основе полупроводникового диода, включенного в прямосмещенном режиме.

Рис.2. Датчик температуры на основе диода, включенного в прямосмещенном режиме с источником тока.

Схему можно упростить без потери точности измерения, заменив источник тока резистором, у которого R>>r_d (Рис.3).

Рис.3. Датчик температуры на основе диода, включенного в прямосмещенном режиме.

Выходное напряжение U диода прямо пропорционально изменению температуры диода (Рис.4).

Рис.4. Зависимость напряжения от температуры для прямосмещенного p-n перехода, снятая при постоянном токе

Например, для кремниевого перехода, работающего при токе 10 мкА, температурная чувствительность равна 2,3 мВ/°С. Для схемы на рисунке 3 выбираем значение рабочего тока I = 100 мкА, при Е = 5 В и U ≈ 0,6 В сопротивление R = 44 кОм.

6. Выбор типа термоэлектрического модуля (тэм)

ТЭМ — конструктивно завершенные термоэлектрические устройства (рис. 5), в которых единичным элементом ТЭМ является термопара, состоящая из двух разнородных полупроводниковых элементов с p- и n-типами проводимости. Элементы соединяются между собой при помощи коммутационных пластин из меди — как правило, последовательно. В стандартном термоэлектрическом модуле термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия, при этом с точки зрения тепловых потоков все термоэлектрические элементы соединены параллельно. Количество термопар может изменяться в широких пределах — от единиц до сотен, что позволяет создавать ТЭМ практически любой холодильной мощности — от десятых долей до сотен Ватт с рабочим напряжением от долей до десятков Вольт.

Рис. 5. Конструктивное исполнение и внешний вид ТЭМ.

ТЭМ могут быть как однокаскадными, так и многокаскадными. Однокаскадные модули применяются в приложениях, где нужно получить максимальную разность температур 74°К. Многокаскадные ТЭМ представляют собой конструкцию в виде нескольких модулей одного над другим, таким образом, что нижний модуль отводит тепло и охлаждает верхний. Такие модули позволяют достичь разности температур свыше 140°К, однако в связи с относительно низкой эффективностью применяются только в том случае, если задача охлаждения не может быть решена с помощью однокаскадного модуля.

Определение максимальной разности температур ТЭМ. ∆Tmax [°К] — это максимальная разность температур между спаями модуля, достигаемая при некоторой фиксированной температуре горячего спая (например: Th = 300° K) и при нулевой холодильной мощности (Qc = 0). Максимальная разность температур, развиваемая термоэлементом, однозначно связана с добротностью и не зависит от геометрических характеристик термоэлемента.

Для однокаскадных ТЭМ максимальная разность температур может достигать 74–76° К. Значение ∆Tmax для однокаскадного модуля зависит только от эффективности термоэлектрического вещества. Для многокаскадных модулей значение ∆Tmax зависит не только от эффективности вещества, но и от числа каскадов охлаждения и конфигурации модулей. Максимальная разность температур для двухкаскадных модулей повышенной мощности составляет 83–87° К, а для четырехкаскадных модулей достигает 140° К. Imax [А] — это ток, при котором достигается разность температур ∆Tmax. Umax [В] — напряжение, соответствующее току Imax и разности температур ∆Tmax. Qmax [Вт] — холодопроизводительность при токе I =Imax и разности температур ∆T = 0.

Основными характеристиками ТЭМ являются:

• Максимальная холодильная мощность Q

• Максимальная разница температур между горячей и холодной стороной ∆T.

Холодильная мощность определяется количеством выделенного или поглощенного тепла и рассчитывается по формуле:

где P — коэффициент Пельтье; I — сила тока; t — время.

Расчет необходимой мощности холодопроизводительности можно произвести, например, с помощью программы КРИОТЕРМ (http://www.kryotherm.ru/ru/?tid=84).

Рис. 6. Зависимость отдаваемой мощности ТЭМ от разности температур.

Рис. 7. График определения мощности рассеяния ТЭМ от разности температур.

На основании расчета требуемой мощности холодопроизводительности и данных, представленных на рисунках 6, 7, выбираем тип ТЭМ: ТВ-127-1,4-1,5 (Frost-74).

Для выбранного типа ТЭМ: Imax = 6,3A Umax = 16,7 V.

Рекомендуемые режимы работы ТЭМ:

- максимальный рабочий ток I = 0,7Imax = 4,4 A

- максимальное рабочее напряжение U = 0,8 Umax = 13,36 V