0 引言

　　隨著我國(guó)航天事業(yè)蓬勃發(fā)展，載人航天工程已經(jīng)進(jìn)入空間站階段，計(jì)劃2018-2022年陸續(xù)發(fā)射空間站的核心艙和兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙，空間站上將開(kāi)展一批前沿科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)，其中包括兩相流體實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究微重力下液體的蒸發(fā)冷凝相變動(dòng)力學(xué)以及兩相流體輸運(yùn)等基礎(chǔ)問(wèn)題。由于目前對(duì)在軌微重力情況下的相變換熱機(jī)理以及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究還不成熟[1]，因此有必要在進(jìn)行空間搭載實(shí)驗(yàn)前開(kāi)展地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，通過(guò)地面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩相流體回路平臺(tái)的可行性和可靠性，建立兩相流體回路的空間運(yùn)行特征庫(kù)和可靠的空間兩相流體回路數(shù)學(xué)模型，為進(jìn)行空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)積累經(jīng)驗(yàn)。

　　本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)電控需求，設(shè)計(jì)了一種用于空間兩相流體回路實(shí)驗(yàn)的電子控制系統(tǒng)，該電控方案完成了地面驗(yàn)證，目前已用于空間實(shí)驗(yàn)的電控實(shí)現(xiàn)。

1 總體方案與設(shè)計(jì)原理

　　兩相回路流體裝置工作原理如圖1所示，存儲(chǔ)于儲(chǔ)液器中的R134a（1，1，1，2-四氟乙烷）工質(zhì)在液泵動(dòng)力作用下，流經(jīng)氣液分離器和冷凝臺(tái)，帶走制冷片熱面的熱量，之后流過(guò)冷排出口處，通過(guò)散熱風(fēng)扇排出所攜帶熱量，從而實(shí)現(xiàn)兩相流體循環(huán)。

圖1  兩相流體裝置工作原理圖

　　本文設(shè)計(jì)的電子控制系統(tǒng)由傳感器采集系統(tǒng)、執(zhí)行器控制系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)組成如圖2所示。傳感器采集系統(tǒng)由熱電偶、PT1000、DS18B20、APS、DPS和流量計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊組成；執(zhí)行器控制系統(tǒng)由熱電制冷片（Thermal Electronic Cooler，TEC）、加熱器、氣泵、液泵、電磁閥和風(fēng)扇控制模塊組成。

圖2  電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　1.1 熱電偶測(cè)溫設(shè)計(jì)

　　熱電偶是一種基于塞貝克效應(yīng)[2]的溫度傳感器，本文采用銅-康銅型（T型）熱電偶。圖3(a)為測(cè)溫原理示意圖，由于測(cè)量導(dǎo)線為純銅材質(zhì)，與熱電偶康銅極接觸會(huì)引入新的熱電偶結(jié)，所以必須在康銅電極和測(cè)量電路之間進(jìn)行溫度補(bǔ)償。為了保證足夠高精度的冷端補(bǔ)償溫度，設(shè)計(jì)選擇PT1000進(jìn)行測(cè)溫補(bǔ)償。T1為熱電偶測(cè)溫結(jié)點(diǎn)溫度，T2為熱電偶補(bǔ)償點(diǎn)溫度，所測(cè)回路電動(dòng)勢(shì)U0為：

(a)T型熱電偶                           (b)差分熱電偶

圖3  熱電偶測(cè)溫原理示意圖

　　另一方面，對(duì)于兩個(gè)目標(biāo)溫度點(diǎn)之間溫度差測(cè)量，如果也采用傳統(tǒng)熱電偶測(cè)溫結(jié)構(gòu)，則需要分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)點(diǎn)溫度再進(jìn)行作差得到溫度差，而測(cè)量時(shí)冷端溫度補(bǔ)償往往難以保證高精度，并且產(chǎn)生更大溫度誤差，降低測(cè)溫精度。因此，本文提出一種新型的熱電偶測(cè)溫結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩個(gè)傳統(tǒng)T型熱電偶康銅極相接形成差分熱電偶，該結(jié)構(gòu)無(wú)需冷端補(bǔ)償，可直接測(cè)量T3、T4兩點(diǎn)溫度差，如圖3(b)所示?；芈冯妱?dòng)勢(shì)Up為U3、U4、U5、U6代數(shù)和，其中U5、U6為差分熱電偶接頭可能的其他金屬材質(zhì)所產(chǎn)生的熱電偶結(jié)電動(dòng)勢(shì)，由于金屬導(dǎo)熱、接頭較小，所以T5、T6幾乎相等，U5、U6相互抵消，實(shí)際Up只與T3、T4溫差線性相關(guān)。相對(duì)于傳統(tǒng)熱電偶，此結(jié)構(gòu)避免了復(fù)雜的冷端溫度補(bǔ)償，直接得到兩點(diǎn)溫度差，不僅簡(jiǎn)化了測(cè)溫過(guò)程，而且有效提高了測(cè)溫精度。

　　1.2 TEC驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

　　TEC是一種利用特殊半導(dǎo)體材料的珀?duì)柼?yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)制冷或制熱的半導(dǎo)體制冷器[3-8]。與壓縮制冷和吸收制冷相比，熱電制冷不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪音小、無(wú)需制冷劑及足夠環(huán)保，而且制冷功率線性可控，被廣泛應(yīng)用于精密控溫場(chǎng)合。

　　本文提出一種改進(jìn)型恒流大功率H橋電路以驅(qū)動(dòng)TEC工作，電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4  H橋驅(qū)動(dòng)電路示意圖

　　該結(jié)構(gòu)在上橋臂用功率調(diào)節(jié)模塊取代傳統(tǒng)H橋MOS管，解決TEC驅(qū)動(dòng)電流不穩(wěn)定和MOS管無(wú)法完全導(dǎo)通問(wèn)題，D1與T1形成正向?qū)ɑ芈?，D2與T2形成反向?qū)ɑ芈罚ㄟ^(guò)比例積分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）算法[9-11]控制上橋臂功率調(diào)節(jié)模塊從而控制TEC制冷或制熱功率，實(shí)現(xiàn)高精度恒溫控制。

2 電控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 主控器模塊設(shè)計(jì)

　　本文主控芯片基于STM32F4系列，該芯片外接8 MHz無(wú)源晶振，CPU頻率可達(dá)168 MHz，執(zhí)行速度為1.25 DMIPS/MHz，內(nèi)置1 MB閃存和196 KB SRAM，集成3個(gè)12 bit、采樣率為2.4 MS/s的24通道ADC，具有136個(gè)快速IO口以及多種外設(shè)，包括：3個(gè)I2C、4個(gè)USART，3個(gè)SPI和2個(gè)CAN接口等，完全滿足本電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

　　2.2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

　　2.2.1 電壓信號(hào)調(diào)理電路

　　由于熱電偶輸入信號(hào)約為40.6 屬于極其微弱的電壓型信號(hào)[12]，因此要求運(yùn)放電路具有非常高的增益，同時(shí)對(duì)共模抑制比、電源抑制比、輸入阻抗等性能參數(shù)要求也很高。一般的運(yùn)放輸入失調(diào)電壓為毫伏級(jí)，失調(diào)電壓溫漂在10 左右，雖然可以通過(guò)額外電路補(bǔ)償降低失調(diào)電壓，但仍無(wú)法解決失調(diào)電壓溫漂帶來(lái)的測(cè)溫誤差，這會(huì)嚴(yán)重影響熱電偶的測(cè)溫精度。所以本文選用德州儀器的一款精密運(yùn)放作為前級(jí)運(yùn)放，其輸入失調(diào)電壓1.8 失調(diào)電壓溫漂只有0.05 ，設(shè)計(jì)采用精密儀表運(yùn)放電路作為信號(hào)前級(jí)，最終熱電偶測(cè)溫分辨率達(dá)到0.01 ℃。

　　2.2.2 電流信號(hào)調(diào)理電路

　　設(shè)計(jì)電流信號(hào)調(diào)理電路如圖5所示，選擇精密運(yùn)放以及匹配的電容電阻組成二階濾波電路，實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理。

圖5  電流信號(hào)調(diào)理電路示意圖

　　由于電流信號(hào)無(wú)法直接進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，所以設(shè)計(jì)通過(guò)電阻R1將4~20 mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成0.6~3 V電壓，D1為鉗位二極管組，防止瞬間過(guò)壓進(jìn)行電壓鉗位，以保護(hù)電路正常工作。

　　2.3 控制電路設(shè)計(jì)

　　控制電路的設(shè)計(jì)方案分為開(kāi)關(guān)控制和脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）控制。開(kāi)關(guān)控制即使能控制，可簡(jiǎn)單滿足執(zhí)行器開(kāi)和關(guān)狀態(tài)切換；PWM控制即功率控制，通過(guò)不同占空比PWM控制輸出不同電壓，進(jìn)而控制輸出功率。

3 電控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　電控系統(tǒng)的軟件控制流程框圖如圖 6所示。

圖6  軟件控制流程圖

　　通過(guò)LabVIEW實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理、顯示和存儲(chǔ)，并對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行精確、有效控制。

4 電控系統(tǒng)驗(yàn)證

　　圖7為電控系統(tǒng)實(shí)物圖，測(cè)試實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。為了保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)可靠，避免系統(tǒng)自然散熱產(chǎn)生的溫度誤差，測(cè)溫點(diǎn)附近全部采用發(fā)泡EVA材質(zhì)的保溫棉進(jìn)行保溫，提高數(shù)據(jù)可靠性。測(cè)試實(shí)驗(yàn)包括加熱穩(wěn)定性測(cè)試和溫控準(zhǔn)確性測(cè)試。測(cè)試過(guò)程溫度采集數(shù)據(jù)如圖 8、圖9所示。

圖7  電控系統(tǒng)實(shí)物圖

　　從圖8可以看出，初始階段系統(tǒng)加熱較慢，導(dǎo)致溫升曲線線性度較差，這主要是由于傳熱作用具有滯后性，200 s后系統(tǒng)加熱趨于穩(wěn)定，說(shuō)明系統(tǒng)整體加熱穩(wěn)定性較好。圖9表明，在各個(gè)控溫點(diǎn)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度的控制，達(dá)到穩(wěn)定后能將溫度控制在控溫目標(biāo)范圍0.5 ℃內(nèi)，控溫波動(dòng)整體較小。

　　(a)8%占空比加熱升溫曲線

(b)2%占空比加熱升溫曲線

圖8  加熱穩(wěn)定性測(cè)試

圖9  控溫準(zhǔn)確性測(cè)試

5 結(jié)語(yǔ)

　　針對(duì)空間兩相流體回路實(shí)驗(yàn)，通過(guò)總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，完成了基于LabVIEW的地面驗(yàn)證電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。該系統(tǒng)有效完成了對(duì)兩相流體回路系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測(cè)量、分析、記錄、保存以及對(duì)回路系統(tǒng)溫度的精確快速控制。在實(shí)際平臺(tái)聯(lián)調(diào)過(guò)程中，電控系統(tǒng)運(yùn)行正常，控制測(cè)量精度高。

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