CN103034265A - 强制均温和半导体制冷片调温的惯性仪表测试用温控仪 - Google Patents

Abstract

强制均温和半导体制冷片调温的惯性仪表测试用温控仪，包括温度控制器(100)、控制和功率放大电路(200)、恒温容器(300)和温度传感器(400)，恒温容器(300)又包括调温元件和均温体(304)。调温元件安装于恒温容器(300)外，利用容器外壳初步均温。采用均温体(304)包容被测对象达到二次均温。控制调温元件的电流形成恒温容器(300)上下部分温度的微小差别，促成恒温容器(300)内介质的上下流动，同时在介质上下流动的路径中设置水平放置的挡流片(308)，使介质旋转，加强传导与对流。本发明结构紧凑，具有使被测对象温度均匀，反应快，调温功率小，控温度精度高，通过电源产生的干扰小的优点。

Description

强制均温和半导体制冷片调温的惯性仪表测试用温控仪

技术领域

本发明涉及一种用于惯性仪表测试的温度控制装置。

背景技术

温度的测量和控制是一个广阔的领域，在科研、生产、生活中都有广泛的应用。而惯性仪表(陀螺、加速度表)的测量，对温度控制有很高的要求，不仅要求有高的温控精度，还要求温控精度的长期稳定，以及被测同一批次仪表的温度均匀性。

科研和生产中常使用的陀螺及石英表的温度控制仪，为了内部温度分布均匀，都留有较大的空间，加热器件采用专门设计的康铜电阻片，加热功率大，一般电压24-28V，电流1-2路，各1.5-2A，温控精度最高达T±0.1℃，长期稳定性难以保证，内部均匀性也缺少把握。如果能使容器内部的空气流动起来，就可以使温度分布均匀，但如内装风扇、电器干扰和震动干扰都是敏感的惯性器件所不能允许的，如果由外部吹入压缩空气来促成空气或液体流动，所吹入的压缩空气的温度又难以控制到所需的精度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种控温精度高、稳定性好且控温均匀的强制均温和半导体制冷片调温的惯性仪表测试用温控仪。

本发明的技术解决方案是：强制均温和半导体制冷片调温的惯性仪表测试用温控仪，包括温度控制器、控制和功率放大电路、恒温容器和温度传感器，温度传感器和被测对象置于恒温容器内部，温度传感器实时采集被测对象的温度送至温度控制器，温度控制器将被测对象的实际温度与预设的温度值进行比较，产生对被测对象进行加热或者制冷的控温信号，控制和功率放大电路对所述的控温信号进行滤波放大后送至恒温容器，对恒温容器的温度进行调节，使得被测对象的温度与预设的温度值相同；所述的恒温容器包括恒温槽体、恒温槽盖、安装架、均温体、半导体制冷片、定位支架、档流片、介质；半导体制冷片的热端粘贴在恒温槽体和恒温槽盖的外表面上，温度传感器固定在安装架上并位于恒温槽体的中心，档流片位于温度传感器的周围并固定在安装架上，被测对象固定在安装架上档流片的***；安装架和均温体固定于定位支架上，定位支架固定于恒温槽体内腔的底部，恒温槽盖扣接在恒温槽体的上方并与恒温槽体一起构成密封的腔体，介质充满所述的腔体；安装在恒温槽盖上的半导体制冷片内通过的电流和安装在恒温槽体底部的半导体制冷片内通过的电流有差异，促成介质在所述密封的腔体内上下流动；通过半导体制冷片对控温信号进行响应，调节恒温槽体内的温度，通过恒温槽体和恒温槽盖进行首次均温，再经均温体进行二次均温，由介质在恒温容器内的流动对被测对象再次进行均温。

所述的恒温槽体，恒温槽盖，或者均温体的材料为紫铜。

所述的挡流片在水平方向布置，使上下流动的介质经过时形成水平旋转。

温控仪还包括下屏蔽罩和上屏蔽罩，下屏蔽罩固定于恒温槽体内侧的底部，定位支架固定在下屏蔽罩的上方；上屏蔽罩扣接在下屏蔽罩上并与下屏蔽罩一起构成屏蔽结构。

所述的上屏蔽罩或者下屏蔽罩的材料为坡莫合金。

所述的上屏蔽罩或者下屏蔽罩上开有小孔，所述小孔的孔径小于需屏蔽的最高频率的波长的1/10。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用了具有相当厚度的紫铜均温体包容被测对象，对被测对象起到了很好的强制均温的作用；

(2)本发明的调温元件-半导体制冷片安装在恒温容器外，恒温容器的外壳由有相当厚度的紫铜制成的恒温槽体和恒温槽盖组成，起首次均温的作用，而现有技术常用的康铜电阻片安装在恒温容器内部；

(3)本发明通过控制恒温槽体底部和恒温槽盖上调温元件的电流不同造成小的温差，促使恒温容器腔内介质(气体或液体)的流动，加强了均温作用；

(4)本发明通过在介质流动的途径中设置档流片，使介质产生旋转，进一步加强均温作用；

(5)本发明由于采用了系列强制均温措施，结构紧凑，体积缩小，控温功耗减少，长期温控精度高，可达±0.05℃；

(6)本发明采用了半导体制冷片作为调温元件，反应快，既能用于升温温控，又能用于降温温控，而现有技术的同类产品用于升温温控，不能兼容。半导体制冷片加热效率高，用于升温温控时节电效果明显，电压由26V降至12V以下，电流由3.6A降至0.92A以下，由于电压电流大幅下降，使对被测对象的干扰减少数倍；用于降温温控时，无需制冷机，具有无运动部分，无震动；无制冷剂，无污染的优点。

附图说明

图1为本发明温控仪的组成结构图；

图2为本发明恒温容器的结构图；

图3为本发明定位支架与均温体的装配示意图；

图4为本发明档流片的布置图；

图5为本发明实施例的上屏蔽罩和下屏蔽罩装配示意图；

图6为本发明的半导体制冷片和恒温槽体的装配示意图；

图7为本发明的半导体制冷片和恒温槽盖的装配示意图；

图8为本发明实施例的恒温容器的内部装配关系示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明温控仪主要包括温度控制器100、控制和功率放大电路200、恒温容器300和温度传感器400，四个组成部分共同构成闭环温度控制***。由安装在恒温容器300中心部位的温度传感器400将温度信号传给温度控制器100与温度预设值进行比较，输出控制信号，经控制和功率放大电路200给布置在恒温容器300外侧的半导体制冷片305供电，从而调节恒温容器300的温度，直到稳定在设定值。

强制均温、紧凑结构和采用新型加热元件，是本发明的出发点，本发明的核心在于恒温容器300的设计。如图2所示，本发明恒温容器300包括恒温槽体301、恒温槽盖302、安装架303、均温体304、半导体制冷片305、定位支架306、档流片308和介质317。

恒温容器300的外壳由恒温槽体301和恒温槽盖302组成，由紫铜材料加工制作，恒温槽体301和恒温槽盖302的接缝之间夹入密封材料315(橡胶垫片或硅橡胶)，用螺钉连接。恒温槽体301和恒温槽盖302的外表面与半导体制冷片305的热端固定，固定处的加工平面度不大于0.03mm，以便与半导体制冷片305紧密接触。半导体制冷片305的冷端各与散热器固定。

半导体制冷片305安装在恒温槽体301底部和恒温槽盖302上的数量相等、而通过的电流有差异，造成上下部温度差异，在0.5℃以内，促成恒温容器300内的介质317上下流动，又不致影响温度控制精度。

利用紫铜良好的导热性使外壳初步均温，紫铜、黄铜与铝的热导率见表1：

表1 紫铜、黄铜与铝的热导率比较

材料	紫铜	黄铜	铝
				热导率(W/cm·K)	392	92.8	203

在恒温槽体301内设置均温体304，均温体由紫铜材料加工制作，四周包围被测对象307，实现二次均温。均温体304的上下留有供介质317(液体或气体)流通的通道。

在均温体304内均匀放置被测对象307，被测对象307安装在安装架303上，安装架303一般用紫铜或铝合金加工制作。均温体304和安装架303都安装在定位支架306上，定位支架306与恒温槽体301的底部固定，如图3所示。

如图4所示，在安装架303上的被测对象307的内部沿圆周固定N个挡流片308，系在水平方向均匀布置，每个挡流片与由通过恒温容器300中心水平面的中心发出的与每个挡流片308中心的连线成一定的夹角，相邻挡流片中心的间隔为[360/N]°，使上下流动的介质317经过时形成水平旋转，加强传导和对流，进一步均温。应该指出：某些被测对象在测试过程中需要和温控仪一起转动，会引起重力方向的改变，但由于温度差和挡流片308的作用力始终存在，不会改变介质流动的趋势。

在恒温容器300的中心部位设置温度传感器400，固定于安装架303上。

为加强对电磁干扰的屏蔽，可以增加屏蔽罩包围被测对象307、档流片308、温度传感器400、安装架303、定位支架306。如图5所示，屏蔽罩分上屏蔽罩313和下屏蔽罩312，由坡莫合金带加工制成，小孔孔径应小于需屏蔽的最高频率的波长的1/10。下屏蔽罩312由定位支架306压紧在恒温槽体301的底部。温度传感器400和被测对象307的信号线通过上屏蔽罩313恒温槽盖302中心的出线孔引出，盖上上屏蔽罩313，再盖上恒温槽盖302。

采用半导体制冷片305，基本上用于加热，偶而用于制冷。作为加热元件，利用它的加热效率远远大于制冷效率，反应快，必要时可以方便的转换为制冷状态，只需改变电流的方向(但必须冷却至室温时换向，否则会损坏半导体制冷片305)，由半导体制冷片305实现制冷，具有无运动部分，无震动；无制冷剂，无污染的优点。半导体制冷片305均匀配置在恒温容器300的周围及上下，恒温槽体301和恒温槽盖302的外表面与半导体制冷片305的热端用导热胶固定，固定处的加工平面度不大于0.03mm，半导体制冷片的冷端各固定散热片，也用导热胶固定。

控制和功率放大电路由隔离、滤波、功率放大等部分组成：由温度控制器输出的控制信号经AD620运算放大器隔离放大，再经MAX280集成电路滤波，经由4168功率运算放大器推动功率三极管给半导体制冷片供电。

本发明的主要原理是半导体制冷片305安装于恒温容器300外，利用恒温容器300的外壳初步均温；采用均温体304包容被测对象307达到二次均温；控制半导制制冷片305的电流形成恒温槽体301下底和302恒温槽盖温度的差别促成恒温容器300内介质317的流动；在介质317上下流动的路径中设置水平放置的挡流片308，使介质317水平旋转，加强传导与对流，实现再次均温。

实施例

在实施例中，为加强对电磁干扰的屏蔽，增加了屏蔽罩，屏蔽罩分上屏蔽罩313和下屏蔽罩312，由坡莫合金带加工制成，小孔孔径应小于需屏蔽的最高频率的波长的1/10。由屏蔽罩包围均温体304、被测对象307(并起档流片308的作用)、温度传感器400、安装架303(由内置印刷电路板代替)、定位支架306，被测对象307为石英表采样电阻，直接焊接在内置印刷电路板上，内置印刷电路板起安装架303的作用，和均温体304一起通过定位支架306固定在恒温槽体301的底部。同时，采样电阻起挡流片308的作用。温度传感器400直接焊接在内置印刷电路板上。温度控制器400为FB900型。

恒温容器300：由恒温槽体301、恒温槽盖302、均温体304、安装架303、被测对象307(同时起档流片308的作用)、温度传感器400、定位支架306、上屏蔽罩313和下屏蔽罩312、半导体制冷片305等组成。

首先，在恒温槽体301的底部和恒温槽盖302的上面分别用414硅橡胶各固定4片半导体制冷片305的热端，等干透后(24小时)在恒温槽体301的四周同样用414硅橡胶固定8片半导体制冷片305的热端，胶层薄而均匀，不能有气泡(会影响传热)，位置误差不超过±0.2mm，等着16片半导体制冷片305的粘结胶全部固化后，在恒温槽体301四周的8片和恒温槽盖302顶部的4片半导体制冷片305上(冷端——字符面)各用414胶粘结1块小散热片309，恒温槽体301底部的4片半导体制冷片305的冷端用414胶粘结在作为底座的大散热片314上，如图6、7所示。半导体制冷片305选用12703，额定电压13.9V，额定电流3A，小散热片40×40×7，大散热片153.5×137.5×30。

然后组装恒温槽体301内的零部件，将pt-100温度传感器400固定在内置印刷电路板303上，位置在恒温槽体301的中心，留焊腿高离板面11mm。采样电阻片307兼起档流片308的作用，共12片，焊接在内置印刷电路板303上温度传感器400的四周，焊腿高离板面8.5mm，与内置印制板中心发出的12条射线(与采样电阻片307中心的连线)成30°角，使由下向上的液流产生逆时针旋转，内置印制板(用4个M2螺钉)和均温体304(用8个M2螺钉)固定于4个定位支架306上，将上述已安装好的部件，放入下屏蔽罩312，和下屏蔽罩312一起固定于恒温槽体301内的底部。通过均温体304上部的4个M6工艺孔，用4个M2螺钉，分别将4块定位支架306压紧下屏蔽罩312，固定于恒温槽体301内的底部，固定后工艺孔用M6螺钉填平，以免影响液流，将被测对象307和温度传感器400的引出线通过上屏蔽罩313中间的出线孔引出，盖上上屏蔽罩313，与下屏蔽罩312的排孔对齐，再盖上恒温槽盖302。将恒温槽盖302固定于恒温槽体301上。固定时用8个M2螺钉将二者固紧，在所有接口处均匀涂硅橡胶密封，然后等硅橡胶固化后，从上上屏蔽罩的出线孔注入201-10硅油317，充满腔体，如图8所示。

所有引出线焊接固定于恒温槽盖301上屏蔽罩313出线口顶部的出线印刷电路板310，出线印刷电路板通过固定法兰盘316与上屏蔽罩313出线口固定。

将半导体制冷片305的引出线连接至制冷片连线印刷电路板311上，加热(冷却)电源线也连接至制冷片连线印刷电路板311上。

在出线印刷电路板310上焊接与顶部半导体制冷片305并联的分流电阻，形成上下部电流的不同，以形成上、下部的温度差。

此处，恒温槽体301周围的8个半导体制冷片305串联，由一组加热电流供电，恒温槽体301底部的4个半导体制冷片305串联，恒温槽盖302顶部的4个半导体制冷片305串联，二者再行串联，由另一组加热电流供电，恒温槽盖302顶部的4个半导体制冷片305各并联一个分流电阻。

试验结果表明：此控温仪的设定温度为25℃，稳定温度为25.0℃，无闪动，控制精度为±0.05℃，加热电源电压5V，加热电流≤0.35A。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.强制均温和半导体制冷片调温的惯性仪表测试用温控仪，其特征在于：包括温度控制器(100)、控制和功率放大电路(200)、恒温容器(300)和温度传感器(400)，温度传感器(400)和被测对象(307)置于恒温容器(300)内部，温度传感器(400)实时采集被测对象(307)的温度送至温度控制器(100)，温度控制器(100)将被测对象(307)的实际温度与预设的温度值进行比较，产生对被测对象(307)进行加热或者制冷的控温信号，控制和功率放大电路(200)对所述的控温信号进行滤波放大后送至恒温容器(300)，对恒温容器(300)的温度进行调节，使得被测对象(307)的温度与预设的温度值相同；所述的恒温容器(300)包括恒温槽体(301)、恒温槽盖(302)、安装架(303)、均温体(304)、半导体制冷片(305)、定位支架(306)、档流片(308)、介质(317)；半导体制冷片(305)的热端粘贴在恒温槽体(301)和恒温槽盖(302)的外表面上，温度传感器(400)固定在安装架(303)上并位于恒温槽体(301)的中心，档流片(308)位于温度传感器(400)的周围并固定在安装架(303)上，被测对象(307)固定在安装架(303)上档流片(308)的***；安装架(303)和均温体(304)固定于定位支架(306)上，定位支架(306)固定于恒温槽体(301)内腔的底部，恒温槽盖(302)扣接在恒温槽体(301)的上方并与恒温槽体(301)一起构成密封的腔体，介质(317)充满所述的腔体；安装在恒温槽盖(302)上的半导体制冷片(305)内通过的电流和安装在恒温槽体(301)底部的半导体制冷片(305)内通过的电流有差异，促成介质(317)在所述密封的腔体内上下流动；通过半导体制冷片(305)对控温信号进行响应，调节恒温槽体(301)内的温度，通过恒温槽体(301)和恒温槽盖(302)进行首次均温，再经均温体(304)进行二次均温，由介质(317)在恒温容器(300)内的流动对被测对象(307)再次进行均温。

2.根据权利要求1所述的强制均温和半导体制冷片调温的惯性仪表测试用温控仪，其特征在于：所述的恒温槽体(301)，恒温槽盖(302)，或者均温体(304)的材料为紫铜。

3.根据权利要求1或2所述的强制均温和半导体制冷片调温的惯性仪表测试用温控仪，其特征在于：所述的挡流片(308)在水平方向布置，使上下流动的介质(317)经过时形成水平旋转。

4.根据权利要求1所述的强制均温和半导体制冷片调温的惯性仪表测试用温控仪，其特征在于：还包括下屏蔽罩(312)和上屏蔽罩(313)，下屏蔽罩(312)固定于恒温槽体(301)内侧的底部，定位支架(306)固定在下屏蔽罩(312)的上方；上屏蔽罩(313)扣接在下屏蔽罩(312)上并与下屏蔽罩(312)一起构成屏蔽结构。

5.根据权利要求4所述的强制均温和半导体制冷片调温的惯性仪表测试用温控仪，其特征在于：所述的上屏蔽罩(313)或者下屏蔽罩(312)的材料为坡莫合金。

6.根据权利要求4所述的强制均温和半导体制冷片调温的惯性仪表测试用温控仪，其特征在于：所述的上屏蔽罩(313)或者下屏蔽罩(312)上开有小孔，所述小孔的孔径小于需屏蔽的最高频率的波长的1/10。

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