实验温度（精选11篇）
实验温度 篇1
0 引言
叠层芯片封装技术是指在同一个封装体内于垂直方向叠放两个以上的芯片的封装技术[1]。叠层芯片堆叠方式的不同会使同一芯片上出现悬臂和非悬臂两种键合区域。Li等[2]通过对叠层芯片悬臂和非悬臂的键合质量研究,获得了某特定工况下非悬臂键合比悬臂键合平均剪切强度要高10～12g的实验结论。推测芯片的悬臂区域与非悬臂区域键合质量不同的主要原因有两个:一是叠层结构悬臂区域在键合过程产生振动,二是悬臂区域和非悬臂区域键合温度不同。
叠层芯片温度测量的关键是温度传感器的选择。按测量方式分,温度传感器可分为接触式和非接触式两大类。以往研究采用的多是接触式温度传感器[3,4,5,6,7,8]。通常接触式测温比较可靠,测量精度较高;但影响被测温度场,而且因测温元件与被测介质需一定时间的接触才能达到热平衡,所以存在测温延迟。而红外测温仪基于热辐射原理进行温度测量,因测温元件不与被测介质接触,因此不存在测温延时和干扰被测物体的温度场,故本文采用非接触式测温仪——MP/MB红外测温仪进行叠层芯片的温度测量,以研究悬臂区域和非悬臂区域的温度差异。
1 实验原理及设备
1.1 实验原理
实验的原理为红外测温原理,即一切温度高于绝对零度的物体都以电磁波的形式向外辐射能量,能量的强度与其温度成比例。由黑体辐射能量在不同温度下按波长分布规律[9]可得
M=C1λ-5/(eC2/(λ T)-1) (1)
式中,M为绝对黑体辐射射度;λ为波长;T为绝对温度;C1为第一辐射常数;C2为第二辐射常数。
1.2 实验设备
1.2.1 加热台
实验所用键合机为超声波金丝球焊机,键合机的加热台包括加热体、发热芯、热电偶等。加热体尺寸为56mm×56mm×25mm(长×宽×高),质量为1.185kg。加热台通过内置的热电偶温度传感器和温度控制板进行温度控制,加热功率约为440W。
1.2.2 测温仪
实验选用德国的Metis MP25MB07红外测温仪[10],其主要参数如表1所示。实验数据由测温仪自带的数据采集软件Sensorwin进行采集。
1.2.3 叠层芯片
图1所示的实验芯片由中南大学设计、江苏长电科技股份有限公司加工生产,其叠层结构由两块尺寸为4mm×2mm×0.24mm的芯片垂直堆叠而成,芯片之间通过环氧树脂胶粘接固化。
2 实验过程
2.1 加热台测温实验
设定键合机加热台的温度,利用红外测温仪对未放置芯片的加热台表面进行温度测量。实验分别将加热台中心区域、边缘中心区域(距离边缘3mm)和角上区域(距离2个边缘3mm)设为A、B、C,并在这3个区域内进行实验测量,如图2所示。红外测温仪测温使用激光瞄准,使用时应尽量保证激光光斑的中心和区域中心重合。为了使加热温度变化的区域足够大,设定加热温度为350℃,预热温度以100℃为单位递增,采集间隔为10ms。 根据多次尝试性实验, 加热台在6～7min左右趋于稳态温度。每次采样40 000～50 000个数据点,采集时间为400～500s。
2.2 叠层芯片测温实验
将芯片放置在加热台上,并测量其表层温度。目标芯片的测量区域分为4个区域,每个区域大小为1mm×2mm,如图3所示。区域1、4对应叠层芯片上层表面悬臂区域的温度;区域2、3对应非悬臂区域的温度。先将芯片预热至100℃,加热台的加热温度设置为200℃。预热10min后,对芯片进行加热并同时测量其温度。多次尝试性实验表明,当芯片加热150s以后,其温度达到稳态。设置的加热时间为400s,即400s后停止加热芯片,室温下冷却至100℃,过100s左右进行第二次测量。芯片从200℃冷却至100℃以下的平均时间为25min。为了减小实验误差,保证实验数据的可靠性,重复实验30次。
3 数据处理及分析
3.1 加热台温度数据处理及分析
采集的加热台温度数据用MATLAB进行处理,得到的加热台温度变化曲线如图4所示。
从图4中可以看出,区域A、B、C曲线最终趋向稳态的温度有所不同:θA≈353℃,θB≈348℃,θC≈335℃。这表明加热台上表面温度不同,加热台中心处温度最高,边缘次之。加热台各点温度上升比较均匀,它们的斜率分别为1.034℃/s、1.015℃/s、0.950℃/s,即各个区域温升速率差不超过0.1℃/s。由于测试的芯片放置在加热台的正中间,即区域A的位置,为后续分析方便,故假设芯片底部加热的区域为A。
3.2 叠层芯片温度数据处理及分析
叠层芯片测温实验所得到的30组实验结果相似,随机抽取一组实验作为样本进行分析,分析所得原始数据温度曲线如图5所示。
由于被测芯片的温度一直在变化,以测温仪最后一次测到的100℃所对应的时刻t=0作为芯片从100℃升温的起始点。观察图3中4个区域的稳态温度,截取图5中曲线的末尾段260～300s进行区间温度变化细节分析,分析结果如图6所示。
从图6中可以看出,曲线趋于稳定时,区域1、4(悬臂区域)温度较高,区域2、3(非悬臂区域)温度较低。取平均值得到区域1、4、2、3的温度分别约为195℃、195℃、188℃、189℃。其区域温度排列的大小为:区域1≈区域4>区域3>区域2。区域1、4的平均温度为195℃,区域2、3的平均温度为188.5℃,故芯片悬臂区域温度比非悬臂区域温度高6.5℃左右。30组实验得到芯片4个区域1、2、3、4的平均温度分别为193.8℃、185.1℃、187.0℃、189.4℃。结果表明悬臂区域温度比非悬臂区域温度高约5.6℃。
参考图3和图5,只考虑热量在芯片结构上的传导,上层芯片中间区域(图3中区域2、3)的温度应该高于两边(图3中区域1、4)的温度,因为叠层芯片2、3区域和底层芯片通过粘接剂直接接触,热传导是固体的主要传热方式。但实验结果表明,在加热台温度上升过程中,上下层芯片之间的粘接剂阻碍了芯片的热传递,同时由于温度升高,芯片附件空气热对流加大,热对流使上层芯片边缘地区(1、4区域)热交换更充分,所以边缘温度反而比上层芯片中心区域的温度要高。图3中的区域1和4、2以及3温度不同,主要原因有三点:①被测芯片与加热台的接触面没有放置在区域A的正中心;②区域A虽小,但其温度分布的不同也会影响最上层芯片温度的分布;③被测芯片物理结构的不对称性影响了区域温度分布的均衡性,如果结构对称,只需研究区域1、2的温度变化即可。物理结构不对称的原因可能有芯片的粘接剂分布不均匀,芯片各层厚度不同等。
4 曲线拟合
4.1 拟合处理
为了解叠层芯片温度θ和时间t之间的关系,需对实测温度数据进行拟合。实际加热过程分为升温和断续加热两个阶段。前者是自然升温,由加热体的比热、质量、加热功率、散热状况(因同时伴随着冷却)等决定;后者是温度传感器控制的断续加热,由加热体热惯性、测温元件位置、温控设置等决定。计及所有因素建模,十分困难。观察图5中的温升曲线,其特征和Logistic模型[11,12,13]中的升温曲线比较相似。假定温度的相对变化率(d θ/d t)/θ按线性变化,则可得到受限“驱动力”下系统达到某至高点的非线性升温过程的阻滞增长模型,即Logistic模型。类似Logistic模型,芯片的升温、初始和稳态条件可表示为
式中,k为温升速率系数;θ0为芯片加热的初始温度;θ∞为芯片趋于平衡时的温度。
在加热刚开始的阶段,有(θ0-θ)/(θ0-θ∞)趋向于0,即加热开始时的温度上升速率为k T;但随着时间的延续(t趋向于∞),(θ0-θ)/(θ0-θ∞)趋向于1,加热升温速率减缓至0,温度最终达稳态。这符合加热台加热的特点。由式(2)可得温度与时间的表达式:
在式(3)中,只要已知k、θ0和θ∞,就可以求得任意时刻芯片的温度θ。
对区域1、2、3、4分别用MATLAB曲线拟合工具箱进行曲线拟合,如图7所示。图7中为了清楚地显示温度值,每100个数据点抽取一个显示数据,所得结果分别如图7a、图7b、图7c、图7d所示。拟合所得区域1、2、3、4的平衡温度如图8所示。
由图8可以看出,第14组和第25组数据与其他组数据特点不同,除第14组和第25组之外,其余组数据的区域1和区域4的温度都分别大于区域2和区域3的温度。在第14组中,4个区域的温度大小排序为:区域1>区域2>区域3>区域4;在第25组中,4个区域的温度大小排序为:区域1>区域3>区域4>区域2。第14组和第25组芯片温度的差异可能是由于芯片的个体误差(如芯片粘接层只有很小一部分)引起的。
实验用温度趋向稳定时(t=250～300s时段)所采集的5000个温度值的平均值θ2作为该区域的平衡温度。不同区域的拟合温度与实测温度的平均值对比如表2所示。
由表2可知,拟合所得到的叠层芯片悬臂区域温度比非悬臂区域温度要高5.6℃,悬臂区域的升温速率系数k1为0.01645,非悬臂区域的升温速率系数k2为0.01665,如图9所示。
4.2 拟合结果讨论
由表2还可以发现,拟合的起始温度θ0与实际预置温度的偏差比较大,为8.1℃;拟合的稳定温度θ∞与实际加热温度θ2非常接近,偏差不超过0.2℃。据此可以认为拟合模型中的θ∞能很好地表示芯片的稳态温度。拟合温度与实际温度的偏差与拟合模型的选取有关,拟合结果表明所选取的模型dθ/dt=kθ[1-(θ0-θ)/(θ0-θ∞)]能很好地描述t趋向于无穷时芯片的温度,但对于芯片初始升温阶段的描述欠佳。
拟合得到的叠层芯片悬臂区域温度比非悬臂区域温度要高5.6℃,这与实测结果相一致。曲线的拟合系数在0.99以上,同时参考图7,可以认为该拟合模型很好地描述了芯片上表面加热后的温度变化情况。
实验并非实际工况,但由所得到的拟合曲线可以推测,如果芯片所设定的预热温度和键合温度相差很大(100℃),则键合时引线和芯片表层发生热交换的影响较小,原因是在芯片和引线键合时,芯片的温度尚未达到稳态。
5 结论
本文使用MP/MB红外测温仪对叠层芯片上表面进行测试,得到芯片结构表面温度的大致分布情况。实验发现,当加热台加热温度设置为200℃时,叠层芯片悬臂区域温度比非悬臂区域温度要高5.6℃左右。通过修改的Logistic模型对温度数据进行拟合,并将拟合结果和实测结果进行对比,发现本文模型可以很好地描述叠层芯片上层芯片的温度变化。实验结果可作为研究引线键合过程中叠层芯片表层温度的参考。
实验温度 篇2
（第十课 种子发芽了）
实验类型：分组实验
实验材料：几个大豆种子、水、棉纱布、两个瓷盘。
实验步骤：
1、将同样的几粒种子分别放在瓷盘里，倒入相同、适量的水。并覆盖棉纱布。
2、把这两个瓷盘一个放到室温环境中，一个放到冰箱冷藏室中。、3、坚持每天观察并做好记录。
实验现象：室温环境中的大豆发芽了，冰箱冷藏室中的大豆没有发芽。实验结论：大豆发芽需要适宜的温度。
注意事项：
1、做此实验时，水不宜过多。
浅析温度对铜氨纤维实验的影响 篇3
1857年，德国的Schweitzer发现硫酸铜氨水溶液能溶解纤维素，然后纺丝，再用稀酸处理可得再生纤维，这种纤维叫做铜氨纤维。铜氨纤维虽是纤维素纤维中较小的品种，但其优异的耐磨性、手感柔软的特性得到人们的青睐。铜氨纤维采用天然的棉花的短毛制成，是一种对人类、地球生态环境最温和的纤维。铜氨纤维易受土壤及水中的细菌分解，不会破坏自然环境，就算燃烧也不会有毒性气体出现，是迎合当今环保趋势的“绿色纺织品”。铜氨纤维作为面料，它手感柔软、光泽柔和，符合环保服饰潮流，所以常用做高级织物原料，特别适用于与羊毛、合成纤维混纺或纯纺，做高档针织物，如做针织和机织内衣、女用袜子以及丝织绸缎女装衬衣、风衣、裤料、外套等，所以深受国内外客户青睐，经济效益和市场前景十分看好。在苏教版《有机化学基础》中选取了该实验作为纤维素的性质实验之一。查阅文献，笔者发现温度对铜氨实验的结果有明显的影响，而在苏教版《有机化学基础》中并没有对温度这个条件进行控制。本文通过控制变量的方法，进一步研究了温度对铜氨纤维实验的影响。
二、探索性实验方案的设计
1.实验原理的阐述
铜氨溶液不仅能溶解纤维素，而且能和纤维素起化学反应，生成一种结构非常复杂的物质——铜氨纤维。这种深蓝色液体在氢氧化钠溶液的作用下，能立即凝固。在氢氧化钠溶液里生成的纤维还要通过硫酸溶液，将黄原酸酯水解成黄原酸，黄原酸不稳定而分解成不溶解于水的纤维素。这个步骤还有去微量杂质铜离子的作用，使纤维素不带颜色。化学方程式如下所示：
2.实验仪器和药品
下表列出实验中用到的仪器和药品，在药品前附上了药品的浓度。
表1添加标题
类别仪器水浴锅玻璃棒大试管针筒（带针头）脱脂棉烧杯药品5%NaOH浓氨水10%CuSO410%H2SO43.实验步骤及注意事项
实验的主要操作步骤如下所示：
（4）向新制氢氧化铜沉淀中逐滴滴加浓氨水，同时用玻璃棒搅动，到沉淀恰好消失为止；
（5）向铜氨溶液加入少量脱脂棉，迅速搅动成黏稠状；
（6）用针筒吸入黏稠液，装上针头，将针头插入烧杯中的稀硫酸溶液中，边挤压针筒边轻轻抖动针筒。
实验的注意事项：
（1）在控制温度时，选择了控制硫酸溶液的温度，是由于铜氨溶液在温度较高时会出现变质；
（2）在用针筒吸取黏稠液时，尽量减少空气的吸入，否则制得的白色纤维中会出现气泡；
（3）用针筒开始注入黏稠液时，纤维很容易在针筒附近结成团状，此时需用力振荡一下针筒，将形成的纤维抖开，挤压针筒的速度越快，得到的纤维就越细；
（4）在实验结束后应迅速吸入少量硫酸溶液，或吸入少量清水，否则针头会被堵住造成无法再次使用；
（5）反应后的铜氨溶液可以回收利用。
三、实验结果与分析
实验中所得铜氨纤维如表2所示，表中所示的盛放纤维的容器是试管。拍摄背景采用的是蓝底或黑底以增强对比性，方便观察实验现象。
表2实验结果所得现象
随着温度的升高，铜氨纤维越来越细，且易出现断裂，较难生成均匀的丝状物。如要在教学中做展示实验的话，考虑到课堂的教学时间和教学过程中的实验效果，推荐加热温度为60℃。在该温度下，铜氨纤维粗细均匀，且所需时间较短，有明显的实验现象，便于学生观察。
（责任编辑罗艳）endprint
一、引言
1857年，德国的Schweitzer发现硫酸铜氨水溶液能溶解纤维素，然后纺丝，再用稀酸处理可得再生纤维，这种纤维叫做铜氨纤维。铜氨纤维虽是纤维素纤维中较小的品种，但其优异的耐磨性、手感柔软的特性得到人们的青睐。铜氨纤维采用天然的棉花的短毛制成，是一种对人类、地球生态环境最温和的纤维。铜氨纤维易受土壤及水中的细菌分解，不会破坏自然环境，就算燃烧也不会有毒性气体出现，是迎合当今环保趋势的“绿色纺织品”。铜氨纤维作为面料，它手感柔软、光泽柔和，符合环保服饰潮流，所以常用做高级织物原料，特别适用于与羊毛、合成纤维混纺或纯纺，做高档针织物，如做针织和机织内衣、女用袜子以及丝织绸缎女装衬衣、风衣、裤料、外套等，所以深受国内外客户青睐，经济效益和市场前景十分看好。在苏教版《有机化学基础》中选取了该实验作为纤维素的性质实验之一。查阅文献，笔者发现温度对铜氨实验的结果有明显的影响，而在苏教版《有机化学基础》中并没有对温度这个条件进行控制。本文通过控制变量的方法，进一步研究了温度对铜氨纤维实验的影响。
二、探索性实验方案的设计
1.实验原理的阐述
铜氨溶液不仅能溶解纤维素，而且能和纤维素起化学反应，生成一种结构非常复杂的物质——铜氨纤维。这种深蓝色液体在氢氧化钠溶液的作用下，能立即凝固。在氢氧化钠溶液里生成的纤维还要通过硫酸溶液，将黄原酸酯水解成黄原酸，黄原酸不稳定而分解成不溶解于水的纤维素。这个步骤还有去微量杂质铜离子的作用，使纤维素不带颜色。化学方程式如下所示：
2.实验仪器和药品
下表列出实验中用到的仪器和药品，在药品前附上了药品的浓度。
表1添加标题
类别仪器水浴锅玻璃棒大试管针筒（带针头）脱脂棉烧杯药品5%NaOH浓氨水10%CuSO410%H2SO43.实验步骤及注意事项
实验的主要操作步骤如下所示：
（4）向新制氢氧化铜沉淀中逐滴滴加浓氨水，同时用玻璃棒搅动，到沉淀恰好消失为止；
（5）向铜氨溶液加入少量脱脂棉，迅速搅动成黏稠状；
（6）用针筒吸入黏稠液，装上针头，将针头插入烧杯中的稀硫酸溶液中，边挤压针筒边轻轻抖动针筒。
实验的注意事项：
（1）在控制温度时，选择了控制硫酸溶液的温度，是由于铜氨溶液在温度较高时会出现变质；
（2）在用针筒吸取黏稠液时，尽量减少空气的吸入，否则制得的白色纤维中会出现气泡；
（3）用针筒开始注入黏稠液时，纤维很容易在针筒附近结成团状，此时需用力振荡一下针筒，将形成的纤维抖开，挤压针筒的速度越快，得到的纤维就越细；
（4）在实验结束后应迅速吸入少量硫酸溶液，或吸入少量清水，否则针头会被堵住造成无法再次使用；
（5）反应后的铜氨溶液可以回收利用。
三、实验结果与分析
实验中所得铜氨纤维如表2所示，表中所示的盛放纤维的容器是试管。拍摄背景采用的是蓝底或黑底以增强对比性，方便观察实验现象。
表2实验结果所得现象
随着温度的升高，铜氨纤维越来越细，且易出现断裂，较难生成均匀的丝状物。如要在教学中做展示实验的话，考虑到课堂的教学时间和教学过程中的实验效果，推荐加热温度为60℃。在该温度下，铜氨纤维粗细均匀，且所需时间较短，有明显的实验现象，便于学生观察。
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一、引言
1857年，德国的Schweitzer发现硫酸铜氨水溶液能溶解纤维素，然后纺丝，再用稀酸处理可得再生纤维，这种纤维叫做铜氨纤维。铜氨纤维虽是纤维素纤维中较小的品种，但其优异的耐磨性、手感柔软的特性得到人们的青睐。铜氨纤维采用天然的棉花的短毛制成，是一种对人类、地球生态环境最温和的纤维。铜氨纤维易受土壤及水中的细菌分解，不会破坏自然环境，就算燃烧也不会有毒性气体出现，是迎合当今环保趋势的“绿色纺织品”。铜氨纤维作为面料，它手感柔软、光泽柔和，符合环保服饰潮流，所以常用做高级织物原料，特别适用于与羊毛、合成纤维混纺或纯纺，做高档针织物，如做针织和机织内衣、女用袜子以及丝织绸缎女装衬衣、风衣、裤料、外套等，所以深受国内外客户青睐，经济效益和市场前景十分看好。在苏教版《有机化学基础》中选取了该实验作为纤维素的性质实验之一。查阅文献，笔者发现温度对铜氨实验的结果有明显的影响，而在苏教版《有机化学基础》中并没有对温度这个条件进行控制。本文通过控制变量的方法，进一步研究了温度对铜氨纤维实验的影响。
二、探索性实验方案的设计
1.实验原理的阐述
铜氨溶液不仅能溶解纤维素，而且能和纤维素起化学反应，生成一种结构非常复杂的物质——铜氨纤维。这种深蓝色液体在氢氧化钠溶液的作用下，能立即凝固。在氢氧化钠溶液里生成的纤维还要通过硫酸溶液，将黄原酸酯水解成黄原酸，黄原酸不稳定而分解成不溶解于水的纤维素。这个步骤还有去微量杂质铜离子的作用，使纤维素不带颜色。化学方程式如下所示：
2.实验仪器和药品
下表列出实验中用到的仪器和药品，在药品前附上了药品的浓度。
表1添加标题
类别仪器水浴锅玻璃棒大试管针筒（带针头）脱脂棉烧杯药品5%NaOH浓氨水10%CuSO410%H2SO43.实验步骤及注意事项
实验的主要操作步骤如下所示：
（4）向新制氢氧化铜沉淀中逐滴滴加浓氨水，同时用玻璃棒搅动，到沉淀恰好消失为止；
（5）向铜氨溶液加入少量脱脂棉，迅速搅动成黏稠状；
（6）用针筒吸入黏稠液，装上针头，将针头插入烧杯中的稀硫酸溶液中，边挤压针筒边轻轻抖动针筒。
实验的注意事项：
（1）在控制温度时，选择了控制硫酸溶液的温度，是由于铜氨溶液在温度较高时会出现变质；
（2）在用针筒吸取黏稠液时，尽量减少空气的吸入，否则制得的白色纤维中会出现气泡；
（3）用针筒开始注入黏稠液时，纤维很容易在针筒附近结成团状，此时需用力振荡一下针筒，将形成的纤维抖开，挤压针筒的速度越快，得到的纤维就越细；
（4）在实验结束后应迅速吸入少量硫酸溶液，或吸入少量清水，否则针头会被堵住造成无法再次使用；
（5）反应后的铜氨溶液可以回收利用。
三、实验结果与分析
实验中所得铜氨纤维如表2所示，表中所示的盛放纤维的容器是试管。拍摄背景采用的是蓝底或黑底以增强对比性，方便观察实验现象。
表2实验结果所得现象
随着温度的升高，铜氨纤维越来越细，且易出现断裂，较难生成均匀的丝状物。如要在教学中做展示实验的话，考虑到课堂的教学时间和教学过程中的实验效果，推荐加热温度为60℃。在该温度下，铜氨纤维粗细均匀，且所需时间较短，有明显的实验现象，便于学生观察。
温度设定实验装置校准方法 篇4
一、概述
温度设定实验装置主要是指由加热或制冷器件、工作空间、工作介质、感温元器件、控温仪表等构成的以形成恒定温度的实验设备。装置通电后, 感温元器件将当前温度对应的电势 (或电阻) 信号传输给温控仪, 温控仪与设定温度值比较, 然后输出一个控制信号使加热或制冷器件开始工作, 使工作室内的工作介质 (空气、水或其它介质) 热量增加或热量降低, 最终稳定在预先设定的温度点上。由此使用者可获取所需的温度, 达到温度实验的目的。
二、校准条件
(一) 环境条件
1. 环境温度:15℃～35℃
相对湿度:不大于85%RH
2. 负载条件:
一般在空载条件下校准, 也可根据用户需要选择在用户负载条件下进行校准, 但应在校准报告中说明负载情况.
3. 其他条件:
设备周围应无强烈振动及腐蚀性气体存在;应避免其他冷、热源影响。
(二) 标准器
1. 温度测量系统
温度测量系统由温度传感器 (通常用精密热电偶或铂热电阻) 和电测显示仪表组成。
三、校准项目和校准方法
(一) 校准项目
温度指示误差、温度稳定度。
校准项目也可根据校准时的实际情况或用户的要求做相应的调整。
(二) 校准方法
1. 温度校准点的选择
校准点可根据用户的实际需要适当选择校准温度点。
2. 温度测试点的数量及分布位
(1) 测试点分布要均匀, 位置要有代表性。一般布放1～3支传感器, 布放在有效工作空间内上、中、下三个水平层面的中心点处, 上层与工作室顶面的距离是工作室高度的1/10, 中层通过工作室几何中心点, 下层在工作室底面上方10mm处。也可根据客户要求或设备的工作空间形状布放在合适的位置。
(2) 若被校装置的工作空间大于0.5m3, 可适当增加传感器的数量, 使用5支传感器时, 可参考下图 (图1) 布点:
(3) 若被校装置工作空间不方便进行传感器布线, 可将测温传感器放置于被校设备预留的测试孔处, 并在原始记录上注明测温传感器的放置位置。
(4) 若以上两种情况均不可行, 可将测温传感器与被校装置的温度传感器放置于同一位置上, 并在原始记录上注明测温传感器的放置位置。
(三) 测量步骤
1. 按2.的方法, 安装温度传感器于被校装置上。
2. 一般在空载情况下校准, 若客户要求在负载情况下进行测量, 将负载均匀地放在工作空间内, 并在原始记录上注明负载情况。
3. 使实验设备升温 (或降温) 并进入控温状态。
4. 温度指示误差的测量:
设备进入控温状态后稳定30分钟 (稳定时间最长不超过2小时) 后, 以每2分钟测量全部测量点的温度值和设备指示温度值, 共15次。或者根据客户需要或装置的技术要求在指定的时间内以一定的时间间隔采集数据, 也可根据被校设备的稳定性和数据变化情况适当调整采集时间间隔及采集次数。应尽量采集稳定过程中有代表性的高点和低点。
5. 温度稳定度的测量:
温度稳定度的测量与温度指示误差测量同时进行.
(四) 数据处理与测量结果
1. 对所记录的全部测量数据进行整理, 根据校准项目的定义进行数据处理得出校准结果。
2. 参与计算校准结果的测量数据应先按校准装置的修正值进行修正。
3. 各校准项目计算方法及公式
(1) 温度指示误差:
温度指示误差是被校装置温度指示平均值与设备工作空间内各测试点所测得所有数据的平均值之差。
式中:M——设备工作室的测试点数;
Tij——设备工作室第j点第i次实测值, ℃;
Tj——设备指示温度值, ℃;
t——设备工作室全部测量点的温度平均值, ℃;
td——被测设备显示平均值, ℃;
∆TD——温度指示误差, ℃;
N——测量次数。
(2) 温度稳定度
温度稳定度指被校装置稳定后, 在指定时间t内, 中心点 (或特定点) 的温度传感器所测得的最大值与最小值之差。
∆Tis——温度稳定度, ℃;
Timax——中心点 (或特定点) 所测温度最大值, ℃;
Tmini——中心点 (或特定点) 所测温度最小值, ℃。
参考文献
[1]JJF1101-2003《环境试验设备温度、湿度校准规范》.
[2]GB/T5170.2-2008《电工电子产品环境试验设备检验方法—温度试验设备》.
实验温度 篇5
一种测量固体表面温度的单色高温计经改进后,用于火焰动态温度测量,本文设计了三组实验对其可行性进行研究,即:黑火药与铝热剂的分层火焰温度测量实验、单色高温计与热电偶的测温对比实验和激波管内氢氧爆炸火焰动态温度测量实验.结果表明,当目标尺寸远大于单色高温计红外视场时,所测火焰温度可视为单色高温计光轴上的.最高温度;采用单色高温计和热电偶同时测量发光火焰的温度,测量结果相差不到6.2%;单色高温计所测氢氧爆炸火焰的动态温度曲线,较好地反映了爆炸火焰的动态传播规律;经改进的单色高温计可以用于爆炸火球等发光火焰的动态温度测量.
作 者：谢立军 周凯元 方向 刘庚冉 XIE Li-jun ZHOU Kai-yuan FANG Xiang LIU Geng-ran 作者单位：谢立军,XIE Li-jun(中国科学技术大学,近代力学系,安徽合肥,230027;解放军理工大学,工程兵工程学院,江苏南京,210007)周凯元,刘庚冉,ZHOU Kai-yuan,LIU Geng-ran(中国科学技术大学,近代力学系,安徽合肥,230027)
实验温度 篇6
关键词：FPGA；温控；NiosⅡ；PID
中图分类号：TH789文献标识码：A文章编号：1007-9599 （2011） 06-0000-01
Temperature Control Design of High and Low Temperature Test Box Based on NiosⅡ
Lin Hui,Liu Xianqiang,Yu Lingfeng
(School of Optoelectronic Information,University of Electronic Science&Technology,Chengdu610054,China)
Abstract:This paper provides a temperature control method for high-low test box based on the FPGA of NiosⅡ platform.This system who is high accuracy,high reliability,flexible programming,easy upgrades and stability,is mainly designed by using NiosⅡembedded processor,PID and PLL technology.
Keywords:FPGA;Temperature control;NiosⅡ;PID
高低温试验箱常用于工业产品高、低温的可靠性试验，也是军品必备的常规实验平台。但国内的高低温试验箱有价格昂贵，尤其是高精度控制的试验箱更是价格不菲，而且稳定性差等缺点。为了克服这些缺陷，本设计使用了Altera公司的CycloneⅡ的EP2C35系列器件作为硬件开发平台，对温控系统采用增量式数字PID控制算法进行处理，提高了运算速度和回路的调节时间，从而提高高低温实验箱的精度和实时性。
一、系统整体设计
系统的整体设计主要包括两部分：硬件部分和软件部分。硬件部分主要是由键盘、LCD、AD、输出电路、传感器和电源模块组成。软件部分主要是实现PLL分频、PID算法以及PWM波形的产生等。如下图1所示。
（一）系统硬件的设计
选用Altera公司的EP2C35系列器件作为开发核心器件，采用SOPC技术通过在FPGA中植入嵌入式系统处理器NiosⅡ作为核心控制电路，利用FPGA中的可编程逻辑资源和IP软核来构成该嵌入式系统处理器的用户接口模块，借助于Avalon总线，实现对外围键盘的输入、SDRAM的程序运行、Flash的程序存储、LCD的显示和AD转换器反馈信号的采集等硬件的控制，从而实现温度的调节和设定。
（二）系统软件的设计
软件部分主要是利用FPGA的可编程能力实现对温度调节中采集到的信号进行处理。
1.PID算法的实现
本设计采用增量式数字PID控制算法，其算法流程图如下图2所示。
其中，R（k）为给定值，C（k）为实际输出值，E（k）为控制器PID的输入，在实际编程时 可预先算出，存入预先固定的单元，设初值E（k-1）和E（k-2）为0。
2.PWM波形的实现
PWM是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，基于FPGA实现的PWM控制器具有结构简单、控制精度高、开关频率可调、接口简单、响应速度快、可现场编程等特点。其主要的Verilog程序如下：
always@（poscdge clk8s or posedge clk30ms）begin
if（clk8s）count<=10'dO； //8s清零一次，开始新周期
elsecount<=count+1； //计数器加
end
assign pwm_out=（count 3.PLL分频 在SOPC Builder中设计一个NiosⅡ软核，处理器的频率设定为100MHz，而系统的晶振频率为50MHz，所以这里需要一个PLL倍频作用来满足NiosⅡ软核对频率的需要，并为SDROM提供100MHz的时钟，还为NiosⅡ和PWM等提供定时采样信号所需的时钟。PLL的设计使用QuartusⅡ软件自带的LPM来直接实现 二、结束语 本设计通过对NiosⅡ的软硬件调试以及板级仿真，实现了对温度的精确、实时控制，满足设计的初期要求，具有较强的实用性。 参考文献： [1]翟尧杰.嵌入式PID神经网络调节器的研究[D].广东:广州大学,2010 [2]夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005 [作者简介]林辉（1982-），海南海口人，在读硕士研究生，专业：电路与系统，研究方向：数字电路设计与应用；刘显强（1986-），四川泸州人，在读硕士研究生，专业：电路与系统，研究方向：嵌入式系统。 关键词：室内火灾,均一温度,轰燃,均一性指数 室内平均温度是表征火灾燃烧强度的重要指标,常用这一温度随时间变化的情况描述室内火灾的发展过程。用平均温度表述火灾发展过程,其前提是烟气温度在室内分布均匀,也即均一温度假设成立,而使烟气温度均匀的主要动力来自烟气搅动,它使得整个室内温度在空间上的差异最小化。基于这一事实,用来量化研究室内火灾温度变化的大多数理论模型都是以该假设成立为基础的,如以室内烟气温度升高500 ℃作为轰燃发生的标志从而预测室内轰燃的MQH法。 虽然均一温度假设在理论研究中普遍应用,但其合理性却少有论述,特别是量化研究少之又少。因此,有学者对该假设的合理性提出质疑。Harmathy认为,只有非火焰区的烟气才满足均一温度假设。BØhm和Hadvig对一次轰燃火灾做了研究,测得的温度相差达200～500 ℃,且室内中心温度最高。Welch和Abecassis等人分别对Cardington实验(1999年)和Dalmarnock火灾实验(2006年)作了分析。得出结论:传统的温度均一假设不成立。Thomas和Bennetts研究表明,靠近通风口的建筑结构所处的环境比靠内的结构恶劣得多。J Stern-Gottfried等人研究了室内轰燃后分散的烟气温度和平均温度对结构的不同加热作用。结果表明,前者使结构温升比后者高出25%,且使结构达到预设临界温度的时间缩短了31%。 1 温度均一假设实验研究 鉴于温度均一假设的量化研究较少,笔者开展了小规模火灾实验,并对多点温度进行了统计分析,以期为该假设的量化研究提供参考。 1.1 实验装置 实验在中国人民武装警察部队学院自主研发的室内火灾模拟实验箱中进行。该实验箱按照ISO 9705标准实验房间的1/4尺寸设计。沿箱体顶部长轴装设有三个K型铠装多点热电偶,在开口上沿中点处设置一个热电偶。各探点位置如图1所示。 实验箱墙面由三层材料组成,由外到内依次为304不锈钢板、石棉板、壁面装饰材料。实验箱顶板和地板无壁面装饰材料。 实验采用三层板作墙面内衬材料,相关参数如表1所示。 1.2 实验及结果分析 热烟气层温度通过12个热电偶分层测量,而在对实验过程进行分析时往往用热烟气层的平均温度,这正是均一温度假设被认为成立的具体体现。笔者研究的主要目的即检验该假设的合理性。笔者利用状态方程平均法求近似的热烟气层平均温度,共做2组实验,实验1为空白对照实验,实验2壁面装设三层板。实验采用有机玻璃板作燃料,且通过点火器在其四角引燃点火,以点火器火芯接触燃料的时刻作为实验计时起点。 1.2.1 测点温度分布 实验观察发现,12 min左右燃料表面已全面燃烧,因此,在分析实验箱内温度分布时,以12 min为初始工况点,22 min为终止工况点,每隔2 min观察一次。虽然数据并不总是服从正态分布,但多数情况下,为了便于分析总体变化趋势,都近似以正态分布处理,如图2所示。 图2中以50 ℃作为组距,目的是将实验的不确定性考虑在内。如果温度均一假设成立,那么任何时刻都应该只有一条柱。 由图2可知,12～16 min正态分布曲线整体向高温区偏移,体现了升温过程;18～22 min正态分布曲线整体向低温区偏移,体现了降温过程。12 min时的正态分布曲线瘦高,表明整体温度集中,体现出较强的温度均一性;14 min和16 min时的正态分布曲线扁平,温度均一性差,甚至温度均一假设此时不成立;18 min之后的温度较之前集中,均一性提高。 14～16 min温度均一性明显减弱,可以推断,在12 min与14 min之间应当存在一个使温度分布发生重大变化的事件。虽然烟气层平均温度有意义的前提是均一温度假设成立,但是前人的很多研究成果并未对假设是否成立进行深入探究,而是以实验数据来间接反映实验现象,因而用烟气层平均温度的变化规律来分析现象仍然具有一定合理性。为此,将实验1中热烟气层平均温度对时间作图,如图3所示。 由图3可知,在12～14 min这段时间中,温度升高了152.81 ℃,温度变化率的最大值为1.6 ℃/s。由文献[12]可知,在燃料为有机玻璃的条件下,当热烟气层温度变化率峰值介于1.3～3.0 ℃/s时发生弱轰燃。因此,在12～14 min这段时间内发生了轰燃,这正是导致温度均一性明显下降的主要原因。实验中还观察到,在723 s时开口有火苗出现,预示着要发生轰燃。而喷出火焰的出现使得烟气搅动不均匀,温度均一性随之降低,这与Harmathy的观点一致。18 min后,烟气温度又趋于集中,均一性提高,可能与此时喷出火焰消失有关。 通过上述分析可以得出:在轰燃发生前,室内温度均一性较好;发生轰燃后,由于喷出火焰使得烟气搅动不均匀,从而导致温度均一性明显减弱,甚至均一温度假设不成立。因此,通过温度均一性的变化,可以在一定程度上判断何时发生轰燃。 1.2.2 数据分析 在对实验数据进行分析时,用标准差来度量温度在其平均值附近的分散程度。对于正态分布,所有样本数据落在平均值加减一个标准差区间内的概率约为68%,落在平均值加减两个标准差区间内的概率约为95%。表2给出了测点温度分布的相关参数。 由表2可知,热烟气层温度的算术平均值μ和状态平均值Tg差别不大,最大相差不到8 ℃,表明用μ代替Tg分析烟气温度变化趋势是可行的。但是,状态平均值Tg对烟气温度均一性的体现却比算术平均值大的多。如图2所示,12 min时温度均一性在150～200 ℃之间体现明显,测点温度在该区间出现的概率达到0.583,热烟气层温度的状态平均值正好落在该区间,但算术平均值却不在该区间,显然算术平均值没有体现出温度均一性。因此,当均一温度假设成立时,热烟气层温度采用状态平均值更加合理。 表2中的σ*是归一化标准差,文献[9]发现,轰燃后烟气温度越高,归一化标准差越小。表2中的数据也基本反映了这种趋势。这表明火灾强度越大,室内温度越高,温度均一性也越好;反之,火灾强度越小,火焰和烟尘控制的烟气区域越小,温度均一性也越差。这一结论在T Lennon和D Moore开展的Cardington试验中得到了验证。 1.2.3 温度分布均一化程度量化 用σ*来分析温度分布均一化程度的变化趋势是可行的,但是,用其做温度分布均一性指标又有局限。如表2所示,σ*的最小值不是出现在温升最大处,而是在烟气温度下降时。这与轰燃后烟气温度越高,归一化标准差越小并不严格相符。因此,需要定义一个更加合理的量化指标。 由图2可知,拟合得到的正态分布曲线波峰越高,也即测点温度概率越大,温度分布均一性越好;曲线波幅越窄,测点温度越集中,温度分布均一性也越好。因此,考虑将两者相结合,笔者提出了量化温度分布均一性指数Pmax/(σ·ΔTG)。式中:Pmax为测点温度分布最大概率;σ为温度分布标准差;ΔTG为测点温度分布的组距。表3给出了两组实验的结果。 由表3可知,实验1在12 min时开口处有火焰出现,且火焰持续了近2 min,14 min时消失;实验2火焰在14 min时出现,且火焰持续了近3.5 min,18 min前消失。实验2温升速率和峰值温度均明显高于实验1,表明实验2火灾强度比实验1大得多。 表4、表5给出了两组实验点火后10～22 min的测点温度分布参数。 由表4、表5可知,实验1温度均一性指数在14 min时最小,这与前面的结论是一致的,因为发生了轰燃;实验2温度均一性指数在15 min时最小,也是因为在14 min时开口有火焰出现。由表4还可发现,平均温升最大时,温度均一性指数并非最小,且最大温度出现在最小均一性指数之后,这与轰燃发生在温度峰值之前是一致的。可以认为,最小均一性指数对应的时间正是轰燃发生时间。将两组实验的温度分布均一性指数对时间作图,如图4所示。 由图4可知,两组实验的温度分布均一性变化趋势相近,都是先减小后增大,主要因为都发生了轰燃。这表明,轰燃发生时,室内温度差异大,均一温度假设此时不成立。但在轰燃发生前和轰燃发生一段时间后,室内温度差异减小,用均一温度假设比较合理。这与文献[2]中将轰燃预测MQH法的温度上限设定为600 ℃是一致的,因为当温升超过该值时,上部烟气中会出现火焰,从而导致热量在空间分布不均,燃烧过程转变,继而很难用热电偶测定的温度来确定特定烟气层温度。 2 结 论 (1)在轰燃发生前,室内温度均一性较好;发生轰燃后,由于喷出火焰使得烟气搅动不均匀,从而导致温度均一性明显减弱,甚至均一温度假设不成立。因此,通过温度均一性的变化,可以在一定程度上判断何时发生轰燃。 (2)提出温度分布均一性指数Pmax/(σ·ΔTG),能很好地量化温度分布均一化程度,其最小值对应的时间正是轰燃发生时间。 国内外学者针对可燃物质的自燃温度开展了大量研究。Moore最早将自燃温度定义为燃料在没有外界火源的情况下能够引燃的温度,并设计了一套简单的热坩埚装置对液体燃料的自燃温度进行测定。1917年,Moore对他的装置 进行了改 进,将铂坩埚 由160 mL减至24mL,并将坩埚嵌入钢模中,从而减少了实验点火过程中产生的爆炸影响,提高了坩 埚温度的 均匀性和 可控性。1946年,Ono使用不同材质的坩埚进行了自燃温度的测试,他发现使用不同材料的容器对于同一种样品所测定的自燃温度也不相同。Norman等人利用一个8dm3的球形封闭容器研究丙烷-空气混合物的自燃极限。研究者发现,随着初始压力从1×105Pa增至14.5×105Pa,40mol%混合物的自燃温度从300℃降到了250℃,这表明初始压力对不同浓度可燃物的自燃温度影响较大。杨守生等人运用自燃点测试仪测定了二元、三元可燃混合液体的自燃温度 数据,但未对实 验数据进 行分析、总结。Kong等人利用1个1L的自燃点爆炸装置对不同当量比的天然气 组分混合 物 (CH4/air,C3H8/air,CH4/C3H8/air和CH4/air,CH4/CO2/air)自燃温度 进行了测定,并对所获得的实验现象进行了总结。 然而,已有的相关研究基本集中于对单组分物质自燃温度的研究,对混合物自燃温度的研究较少,尤其是液态混合物。而混合物的自燃温度与其组成和配比密切相关,很难从文献上直 接查阅获 得,其变化规 律也更为 复杂,由此造成了实际工业生产中所需混合液体自燃温度数据的严重缺失,以及对混合液体自燃温度变化规律了解程度的欠缺,研究的广度与深度都远远无法满足生产实践的需要。因此,有必要针对可燃混合液体的自燃温度开展系统的实验研究。 笔者采用AITTA 551自燃温度测试仪,针对28组168个二元可燃液体混合物的自燃温度数 据进行测 定,获得相应的基础数据;对实验数据进行分析探讨,揭示液态二元混合体系自燃温度随其配比变化的不同规律,并分析产生不同变化规律的主要原因。 1 实验测试 1.1 实验装置 实验使用的仪器为AITTA 551自燃温度测试仪(如图1、图2所示),按照ASTM E 659-78标准对试样液体的自燃温度进行测试。AITTA 551自燃温度 测试仪包括高温加热炉、电脑软件控制以及测量单元。加热炉内温度分布均 衡,烧瓶通过 炉内的热 风循环进 行加热。3个与瓶壁接触的热电偶实时监测烧瓶的温度变化。烧瓶内的温度通过测量 热电偶监 测。仪器由计 算机系统 控制,对热电偶和火焰检测器的数据进行采集。实验装置工作温度范围为25~850℃;炉温稳定性高,稳定后能保持烧瓶内温度波动在±1℃内;炉内设置3个K型热电偶传感器,能够快速 准确显示 温度变化,其温度精 度为±0.001℃;反应容器为500mL圆底长颈玻璃瓶。 1.2 实验内容 实验样品:选用实验样品均是实际化工生产过程中常用的化学试剂,因而具有广泛的代表性,所获得的实验结果具有实用价值。这些药品大都是香料、油漆、制药、涂料、有机合成等行业常用的化工产品或原料。药品:正庚烷、正辛烷、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、仲丁醇、正戊醇、乙酸、丙酸、乙二醇单甲醚、乙二醇单丁醚、丙酮、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲苯,均为分析纯。 实验原理:根据有机溶剂互溶表配制不同比例的可燃混合液体。按照ASTM E 659-78测试标准,移取100μL样品加入已达设定温度的500mL烧瓶中,同时观察烧瓶内情况,持续10min或者观察到火焰为止。烧瓶放置在炉内,通过调节炉温对烧瓶内的温度进行调节。测试过程需不断重复,直到找出在没有外界火源的情况下,样品放出热量速率高于热量散失速率从而使样品引燃的最低温度即为自燃温度。 2 实验结果与分析 2.1 实验结果 将测得的单组分溶液的自燃温度数值同数据库中的数据进行对比,验证本仪器所测自燃温度实验数据的准确性,实验结果见表1所示。 如表1所示,所有单组分自燃温度实验值同数据库中的值相比,平均绝对误差为22.3℃。这些实验误差主要是由于实验仪器和测试方法的差别,如实验的压力、容器的体积形状、样品纯度、可燃物/氧气比例、样品注入速度等,都已经被证实会影响其实验结果。根据ASTM E659-78测试标准规定,实验允许误差为±30℃,误差在允许范围之内,不影响自燃温度规律的整体变化。因此,本研究采用AITTA 551自燃温度测试仪依照ASTM E659-78标准测定的自燃温度是真实有效的。 根据ASTM E 659-78自燃温度测试标准,测得了28组二元互溶可燃混合液体在不同配比下 的自燃温 度共168个数据点,实验数据见表2所示。 室内火灾均一温度假设实验研究 篇7
实验温度 篇8
2.2 自燃温度变化规律分析
通过AITTA 551自燃温度测试仪测定了168个二元可燃混合物自燃温度数据,并对实验数据进行分析探讨,总结出了二元混合体系自燃温度随其配 比变化的3种变化规律,分别为直线型、折线型和三段型。图3~图8中横坐标均指图例中混合组分B的体积分数。
2.2.1 直线型变化规律
直线型变化规律是二元混合物自燃温度变化中较常见的一种类型。图3显示了醇类二元混合物自燃温度随组分变化的规律。由图3可以看出,醇类二元混合溶液体的自燃温度随体积分数的增加,基本呈线性变化规律。这是由于醇类物质混合时,所含基团基本相同,溶液互溶性较好,可以近似看作理想溶液处理,因此自燃温度变化同配比基本呈线性关系。
图4中,混合溶液中两种物质自燃温度相差基本在100℃左右,其组成的二元混合物的自燃温度随体积 分数也呈线性变化。两种物质的自燃温度相差越小,混合物自燃温度的线性趋势越明显。根据ASTM E 659-78的测试标准,自燃温度实验误差允许在±30℃的范围之内。因此,当二元混合溶液体系中两种单质的自燃温度相差在100℃以内时,其不同组分的自燃温度可以近似根据线性规律计算获得,根据实验现象获得的实验规律也类似线性变化。
2.2.2 折线型变化规律
由图5可以看出,混合物自燃温度随着甲苯体积分数增加上升缓慢,当甲苯体积分数达到0.6后,自燃温度上升速率开始有所增加,呈现折线型的变化规律。产生该现象的原因主要是因为醇类与甲苯混合时,燃烧过程中首先消耗的是自燃温度低的物质,随着甲苯体积分数的增加,混合物自燃温度呈现缓慢的上升趋势,未达到自燃温度的甲苯在混合体系中充当类似于惰性气体的稀释作用。当甲苯浓度比例大于醇类物质时,混合物中甲苯开始处于主导地位,从而导致自燃温度开始增加。
如图6所示,丙酮与其他物质混合,其自燃温度变化规律同醇类甲苯混合物自燃温度变化规律相同。通过对比图5和图6可以发现,添加丙酮的二元混合物其自燃温度变化的平缓期较含有甲苯的二元混合物更长。当丙酮体积分数到达0.8之后,混合物自燃温度才出现快速上升趋势,产生这种现象的原因可能是因为丙酮的自燃温度较甲苯更高,实验中测得的丙酮单质自燃温度为525℃,大于实验测得的甲苯自燃温度502℃。
根据上述实验规律可以发现,同一种物质分别同不同物质混合时,其混合物的自燃温度首先以自燃温度低的单质为起点,随着自燃温度高的组分的体积分数的增加而呈缓慢上升趋势。自燃温度缓慢上升的区间的长短同自燃温度高的组分有关,其自燃温度越高,保持缓慢上升的区间越长。图7对比了甲醇、异丙醇、正丁醇分别同甲苯和丙酮混合的混合物自燃温度的变化规律,从图中可以看出,实验现象基本符合上述规律。
2.2.3 三段型变化规律
图8是自燃温度相差较大的两种有机溶液混合后自燃温度变化规律,二元混合物中两种单组分的自燃温度相差都超过150℃,其混合物自燃温度曲线在体积分数0.4之前呈现缓慢上升趋势,体积分数为0.4~0.6的区间内,大部分混合物自燃温度呈现一个快速上升的趋势,之后自燃温度再次呈现缓慢上升的趋势,整个过程曲线呈现明显的三段变化趋势。
产生这种现象的主要原因是,由于二元混合物中两种有机物自燃温度相差较大,在0~0.4的区间内,自燃温度低的物质在混合物中氧化反应中趋于主导地位,自燃温度高的物质由于环境温度未达到其氧化反应的温度而充当类似惰性气体的稀释作用,使混合物自燃温度随着其含量的增加呈现缓慢的上升趋势;在0.6~1.0的区间内,在较高的温度下,自燃温度低的物质首先发生氧化反应,但由于其含量较少,氧化产生的热量直接传递给混合体系中自燃温度高的物质,再加上环境提供的热量从而使整个混合物体系发生自燃。但随着低自燃温度物质的不断减少,其氧化提供的热量也随之减少,需从外界获取更多热量才能发生自燃,因此混合体系的自燃温度随其组分的减少缓慢增加;而在0.4~0.6区间内,混合体系自身氧化产生的热量不足以维持整体的热损失,对外界温度有较强的依赖性,导致其自燃温度上升较快。
3 结 论
利用AITTA 551自燃温度测试仪,对28组常见二元可燃混合液体的168个自燃点数据进行了测定,获得了大量有机混合液体的自燃点实验数据,并对其实验变化规律进行了分析,获得二元可燃混合液体自燃点随其配比和组成变化的3种主要不同变化规律如下:
(1)直线型变化规律。当组成二元可燃混合液体的物质为同种类物质,或者混合物中单组分的自燃温度相差小于100℃,其混合物自燃温度变化呈现直线型规律。
(2)折线型变化规律。醇类同甲苯以及部分有机物同丙酮组成的混合物,其自燃温度的变化随着自燃温度高的组分的增加,呈现先缓慢增长而后快速上升的折线型变化规律,且对于混合物中自燃温度越高的组分,其缓慢增长的趋势越长。
(3)3段型变化规律。二元 混合物中 两种单组 分的自燃温度相差超过150℃时,其混合物自燃温度曲线在体积分数0.4之前呈现缓慢上升趋势,在体积分数为0.4~0.6的区间内,大部分混合物自燃温度 呈现一个 快速上升的趋势,之后自燃温度再次呈现缓慢上升的趋势,整个过程曲线呈现明显的三段变化趋势。
凸轮轴高速磨削温度的实验研究 篇9
凸轮轴是汽车、摩托车、内燃机和柴油发动机的核心部件,通过合理设计凸轮轮廓型线可达到控制气门运动的目的,从而实现缸内气体的有效更换。汽车、船舶等产业的迅猛发展使得凸轮轴的需求量越来越大,但随着全球排放法规日益严格和国家新凸轮轴设计标准的出台,燃油系统不断向压力更高、转速更高以及响应更快的方向发展,这对凸轮轴的加工提出了更高的要求。磨削加工技术是现代机械制造业实现精密加工、超精密加工中最有效、应用最广的工艺技术[1],也是凸轮轴加工中最关键的工序环节。国内外研究与实践证明,高速磨削在一定条件下,可以实现质量和效率的完美结合[2],这也是目前凸轮轴加工技术的发展趋势。凸轮高速磨削过程中会产生大量的热量,大部分热量会以热能的形式进入工件,导致磨削弧区的局部温度急剧升高,极大地影响凸轮的表面完整性及其使用性能,甚至引起凸轮表面的热损伤(包括表面的烧伤、裂纹、残余应力等)[3],这将会导致凸轮轴的抗磨损性能降低,抗疲劳性能下降,从而缩短其使用寿命和降低可靠性。
通过研究磨削温度来分析磨削加工过程中的热作用机制,进而改善和抑制磨削热对工具和工件的负面影响,一直以来都是磨削加工技术和减少工件表面磨削烧伤研究的重要内容之一[4]。
对于磨削温度的研究,国内外学者已经做了很多工作,提出了许多假说和理论模型,使用了多种测量方法并获得了大量的实验数据[5,6,7,8,9,10,11,12]。然而,之前关于磨削热的研究主要集中在平面磨削和外圆磨削[13,14,15,16,17],而对于凸轮这种非圆轮廓的磨削热的研究还不多见。
磨削弧区温度的分布研究一般采用实验的方法和数值模拟的方法,但磨削本身的复杂性使得磨削温度的研究更多依赖于实验方法。目前比较成熟的实验测量技术主要包括热电偶技术和热成像测量技术。使用热电偶测量磨削温度往往需要破坏工件的完整性,测量的传热情况不符合实际,影响测得温度的真实性且响应速度慢,因此不适用于温度梯度大的场合[18]。凸轮轴作为典型的非圆轮廓工件,工件厚度不均匀,工件表面磨削温度梯度大,使用热电偶测温法难以测量到整个凸轮表面的温度变化,且在高速磨削过程中,热源对热电偶的作用时间极短难以达到热平衡时的温度。所以,以往常用的热电偶测量方式主要是针对平面磨削或均匀的外圆磨削,而不适用于非圆轮廓工件的磨削温度测量。
热成像技术是采用红外热像仪记录工件表面的温度场分布的,应用该技术测温将得到包括磨削区以外适当距离范围内的整个温度场的图像,具有实时测量表面温度的优点,可以直接读取整个磨削过程的温度场图,热成像技术能在不破坏工件的情况下测量工件表面的磨削温度,适用于测量脆性材料和非导材料、非圆轮廓工件的磨削温度,近些年已在国内外得到广泛使用[19]。
据此,针对非圆轮廓磨削弧区温度测量的特殊要求,本文设计基于红外热像仪的温度测试装置,用于测量凸轮轴高速磨削过程中的工件表面温度,采用正交试验法和单因素试验法相结合的方式设计实验,通过数字功率计测量磨削过程中的实时功率,用超景深显微镜观察已磨凸轮表面,并用MarSurf M300便携式粗糙度仪检测工件表面粗糙度。然后以极差法和方差法分析砂轮线速度、磨削深度、凸轮基圆处工件转速(简称工件转速)等磨削工艺参数对磨削温度的影响规律,进而分析凸轮轴高速高效磨削的可行性。
1 实验
1.1 凸轮轴高速磨削工件表面温度测试实验装置
凸轮轴高速磨削工件表面温度测试实验装置主要由超高速凸轮轴复合磨床、红外热像仪、数据采集系统、数字功率计等组成,如图1所示。超高速凸轮轴数控复合磨床型号为CNC8325,采用西门子840D数控系统,三轴二联动,大砂轮的主轴系统采用内置式电机电主轴(安装有在线动平衡系统),最高转速可以达到10000r/min。磨床使用粒度为120目、浓度为125%的陶瓷结合剂CBN砂轮,砂轮半径为200 mm,砂轮宽度为25mm,砂轮最大线速度为200m/s,采用金刚石滚轮对砂轮进行修整。红外热像仪型号为FLIR SC300-Series,测量范围为-20~1200℃。在实验之前,根据FLIR SYSTEM自带辐射率表推荐值,并通过使用热电偶标定了红外热像仪在同种材料相同磨削情况下的辐射率,确保了温度测量的精确度。为了适应凸轮轮廓多变的特征,设计了可自由活动的红外热像仪安装基座,通过该活动基座可手动实现红外摄像头上下位置、角度等的调节,使其处于最佳测量位置。数字功率计采用的是日本横田生产的WT330系列功率分析仪,采样频率为0.1s,用于测量主轴系统功率。
1.2 实验条件
以型号th465凸轮轴为实验试件,凸轮片宽度为20mm,凸轮轮廓结构如图2所示。开展不同砂轮线速度、工件转速及磨削深度下的磨削弧区工件表面温度正交试验以研究磨削工艺参数对磨削温度的影响规律,为直观揭示单个参数对磨削温度的影响规律,进一步采用单因素试验法进行深入探究,磨削实验条件如表1所示。为了保证每次磨削时的起始条件一致,将第7片凸轮(红外热像仪测量的最佳区域是第7片凸轮)先磨削至同一尺寸,每组实验加工3次,每次磨削5圈,工件表面最高温度取3次加工的算术平均值,同时每进行5组实验砂轮修整一次。
其中,从正交表中选择标准的三因素四水平正交表L16(34)设计实验方案,分别测量16组实验后工件表面磨削温度并观察已磨工件表面,各因素及其水平如表2所示。
2 凸轮轴高速磨削温度实验结果与分析
2.1 磨削温度测试实验结果
在vs=130 m/s,nw=90 r/min,ap=0.010mm条件下,测试结果如图3所示。前面两圈采集到的温度明显小于后面几圈采集到的温度,直到第三圈温度才达到稳定值。主要原因是:在磨削过程中,砂轮与工件接触会发生弹性退让现象,导致实际磨削深度小于设定磨削深度,造成磨削温度未能达到稳定值。而随着磨削的持续,砂轮退让程度会越来越小,实际磨削深度基本达到设定磨削深度。
在磨削进行到第3圈以后,磨削状态基本稳定,可视为理想的磨削温度采集区间。由凸轮磨削第4圈时工件表面温度实时测试结果局部放大图及采集的数据分析可知,在凸轮桃尖两侧位置发生温度突变,其中工件表面最高温度发生在桃尖右侧(从工件顺时针转动方向观察)10°处,伴随着严重烧伤,如图4所示。
2.2 磨削工艺参数对凸轮轴高速磨削弧区工件表面温度的影响
2.2.1 正交试验数据处理与分析
凸轮轴高速磨削弧区工件表面温度正交试验数据与极差计算结果如表3所示,方差计算结果如表4所示。
表3中,分别表示正交表中i因素1、2、3、4水平所对应工件表面最高磨削温度结果的平均值;Ri表示i因素四水平对应工件表面最高磨削温度结果的极差值,即最大与最小的结果平均值之差;分别是关于工件表面最高磨削温度结果的平均值和极差值。
比较表3极差分析的各平均值与极差值Ri可得出,各工艺参数对磨削表面温度的影响程度从大到小依次为磨削深度、砂轮线速度、工件转速。观察表4中方差分析的F值与显著性水平S值,可得出与表3分析一致的结果。
2.2.2 单因素试验数据处理与分析
采用单因素法进行多次试验,探索砂轮线速度、磨削深度及工件转速单个因素对磨削温度的影响进行规律,得到不同磨削工艺参数影响下的凸轮轴表面不同位置(工件表面最高温度、顶圆磨削温度、基圆段磨削温度)磨削温度变化曲线,如图5所示。
1.工件表面最高温度2.顶圆磨削温度3.基圆段磨削温度
由图5a分析可知,当工件转速nw和磨削深度ap恒定时,在60m/s<vs<130m/s的范围内,根据磨削尺寸效应,随着砂轮线速度的提高,滑擦和耕犁阶段接触弧长变长,切向磨削力增加,因此将会消耗更多的能量,同时最大磨削深度增大,热量不容易散发,由此带来了温升。同时,砂轮线速度的提高将导致磨粒划痕的增多,而彼此之间的间距减小。每颗磨粒划过工件,就形成一个新的接触区。单位时间内,在工件移动一个单位距离后,就有成千上万的接触区被建立,而后又被切除,即高速移动的砂轮带走的热量不断增加;当vs增大至130m/s附近某一临界值时,磨削热功率增大所产生的热量与砂轮带走的热量大致相当,此时磨削弧区工件表面温度达到最大,不再升高;当vs>130m/s时,温度开始缓慢下降。
图5b所示为工件转速对磨削弧区工件表面最高温度的影响规律。在砂轮线速度vs和磨削深度ap恒定的条件下,nw增大时,对应的材料去除率将增加,磨削时间缩短,热量在极短的时间内来不及进入工件内部就被砂轮和磨屑带走,所以磨削弧区工件表面温度随着工件转速的增加而有所降低。
由图5c可知,当工件转速nw和砂轮线速度vs恒定时,磨削深度ap的增大将使工件表面出现明显的温升,这是由于ap的增大,使得磨削功率增大,同时磨削接触弧长变长,磨削时所聚集的热量在更深处不容易散发,所以在ap增大时出现了磨削弧区工件表面温度较大幅度上升的现象。
2.2.3 凸轮轴高速高效磨削参数组合下磨削温度及表面粗糙度的变化规律
在正交试验与单因素试验的基础上,为进一步研究高速高效磨削参数组合对磨削温度及表面粗糙度的影响,进行了以下实验。在磨削深度不变的情况下,同比例增大砂轮线速度和工件转速,测量了工件表面磨削温度并采用MarSurf M300便携式粗糙度仪检测了凸轮基圆、顶圆以及升程部分三处的表面粗糙度,绘制了最高磨削温度以及升程部分的表面粗糙度随磨削工艺参数变化的曲线,见图6。
分析图6可知,保持速比不变时,随着工件转速和砂轮线速度的同时增大,磨削温度曲线呈现出先升高后下降的趋势,而表面粗糙度曲线呈现出略有增大的趋势,但变动范围很小。这表明在高工件转速与高砂轮线速度工况下,凸轮磨削工件表面粗糙度的变化不大而磨削温度呈现下降趋势。这一发现对凸轮的磨削加工中实现高效率和高精度具有重要意义。
3 结论
(1)正交试验结果及其极差分析与方差分析表明:对于工件表面最高磨削温度的影响大小排序为磨削深度、砂轮线速度、工件转速。
(2)通过单因素试验发现,磨削温度会随着砂轮线速度的增大先上升后下降,其最大值出现在vs=130m/s附近;磨削深度的增加将导致磨削温度的快速上升;磨削温度会随着工件转速的增大而下降,但影响不显著。
(3)通过开展高速高效磨削实验发现,高转速与高砂轮线速度工况下,凸轮磨削工件表面粗糙度的变化不大而磨削温度呈现先上升后下降趋势。这表明在机床和砂轮允许的情况下,凸轮轴高砂轮线速度与高工件转速磨削具有可行性。
浅析温度对铜氨纤维实验的影响 篇10
1857年, 德国的Schweitzer发现硫酸铜氨水溶液能溶解纤维素, 然后纺丝, 再用稀酸处理可得再生纤维, 这种纤维叫做铜氨纤维。铜氨纤维虽是纤维素纤维中较小的品种, 但其优异的耐磨性、手感柔软的特性得到人们的青睐。铜氨纤维采用天然的棉花的短毛制成, 是一种对人类、地球生态环境最温和的纤维。铜氨纤维易受土壤及水中的细菌分解, 不会破坏自然环境, 就算燃烧也不会有毒性气体出现, 是迎合当今环保趋势的“绿色纺织品”。铜氨纤维作为面料, 它手感柔软、光泽柔和, 符合环保服饰潮流, 所以常用做高级织物原料, 特别适用于与羊毛、合成纤维混纺或纯纺, 做高档针织物, 如做针织和机织内衣、女用袜子以及丝织绸缎女装衬衣、风衣、裤料、外套等, 所以深受国内外客户青睐, 经济效益和市场前景十分看好。在苏教版《有机化学基础》中选取了该实验作为纤维素的性质实验之一。查阅文献, 笔者发现温度对铜氨实验的结果有明显的影响, 而在苏教版《有机化学基础》中并没有对温度这个条件进行控制。本文通过控制变量的方法, 进一步研究了温度对铜氨纤维实验的影响。
二、探索性实验方案的设计
1.实验原理的阐述
铜氨溶液不仅能溶解纤维素, 而且能和纤维素起化学反应, 生成一种结构非常复杂的物质———铜氨纤维。这种深蓝色液体在氢氧化钠溶液的作用下, 能立即凝固。在氢氧化钠溶液里生成的纤维还要通过硫酸溶液, 将黄原酸酯水解成黄原酸, 黄原酸不稳定而分解成不溶解于水的纤维素。这个步骤还有去微量杂质铜离子的作用, 使纤维素不带颜色。化学方程式如下所示:
2.实验仪器和药品
下表列出实验中用到的仪器和药品, 在药品前附上了药品的浓度。
3.实验步骤及注意事项
实验的主要操作步骤如下所示:
(1) 将水浴锅的温度设为表2中的温度;
(2) 配制10%的H2SO4, 装入大试管中, 并将H2SO4溶液放到水浴锅中, 进行恒温;
(3) 配制10%CuSO4、5%NaOH各30mL, 将以上配制的硫酸铜溶液和氢氧化钠溶液依次、迅速倒入同一只烧杯, 烧杯中出现絮状沉淀;
(4) 向新制氢氧化铜沉淀中逐滴滴加浓氨水, 同时用玻璃棒搅动, 到沉淀恰好消失为止;
(5) 向铜氨溶液加入少量脱脂棉, 迅速搅动成黏稠状;
(6) 用针筒吸入黏稠液, 装上针头, 将针头插入烧杯中的稀硫酸溶液中, 边挤压针筒边轻轻抖动针筒。
实验的注意事项:
(1) 在控制温度时, 选择了控制硫酸溶液的温度, 是由于铜氨溶液在温度较高时会出现变质;
(2) 在用针筒吸取黏稠液时, 尽量减少空气的吸入, 否则制得的白色纤维中会出现气泡;
(3) 用针筒开始注入黏稠液时, 纤维很容易在针筒附近结成团状, 此时需用力振荡一下针筒, 将形成的纤维抖开, 挤压针筒的速度越快, 得到的纤维就越细;
(4) 在实验结束后应迅速吸入少量硫酸溶液, 或吸入少量清水, 否则针头会被堵住造成无法再次使用;
(5) 反应后的铜氨溶液可以回收利用。
三、实验结果与分析
实验中所得铜氨纤维如表2所示, 表中所示的盛放纤维的容器是试管。拍摄背景采用的是蓝底或黑底以增强对比性, 方便观察实验现象。
实验温度 篇11
基于这种应用背景和设计理念,提出了一种廉价的基于STM32的温度控制实验系统,可以实现温度的测量变送、控制、数据存储和分析功能。
1 系统整体设计
自控原理实验中的温度控制系统主要由四个部分组成:温度检测模块、人机交互模块、控制器和PWM驱动加热模块。系统整体结构如图1所示。
温度检测模块以DS18B20温度传感器为核心,将检测到的温度信号传送给STM32进行温度的实时检测,同时输出给单片机温度信号及变化规律,指导控制器控制信号的强度。要想准确控制某个量变化,需带有反馈的闭环控制,将被控制量稳定在设定值的偏差范围内,通过温度测量模块来实现反馈。温度检测模块的测量误差必须尽可能的减小。
人机交互模块由2.4英寸TFT彩色显示屏和两个物理按键组成。控制器选用了搭载ARM Cortex-M内核的STM32F429单片机,利用模糊控制原理设计控制算法。应用PWM驱动电路实现直流电压调制从而驱动被控对象。
2 系统各模块设计
2.1 主控模块设计
选择STM32作为主控芯片。由于STM32F429型单片机具有的低功耗、高速度以及再编译简单有效、对彩色显示屏的驱动应用更加方便直接等,采用STM32F429型单片机作为控制微处理器。STM32单片机基于ARM Cortex-M内核为嵌入式应用,STM32单片机新产品外设共有12条DMA通道,还有一个CRC计算单元,支持96 b惟一标识码,其供电电压在2.0~3.6 V时也可以保证工作效率,运行程序时以72兆次/s的速度从只读程序存储器中读取命令,只需要27 m A的电流就可以驱动[3,4]。另外提供了4种极低耗电量的节能模式,可以把电流降低到2μA,无论哪种模式,STM32F429都可以完成快速启动,复位电路的设计可以把由振荡器生成的80 MHz的数字信号用于快速启动。
2.2 温度测量模块设计
温度传感器选DS18B20,其直接输出数字信号,不需要模/数转换可直接应用,使用方便且精度高,温度量程为-55.0~125.0℃,-10~85℃范围内精度为±0.2℃。DS18B20型温度传感器的温度测量原理如图2所示。
对温度灵敏度较小的晶体振荡器在发生温度变化时的振荡频率非常稳定,几乎没有变化,因此它可以被用来提供振荡周期不变的计数器1的驱动时钟信号。对温度灵敏度较大的晶体振荡器在发生温度变化时的振荡频率有很大波动,它被用来提供作为温度传感器接收器的计数器2的驱动信号。当温度传感器被放在-55℃的环境中时,计数器1的计数速度对应了一个预设的数值。对温度灵敏度较小的晶体振荡器的每一个发出的信号作用在计数器1上都会使它进行一次自减1的操作,如果计数器1中存储的数值最终变成了0,存放温度值的存储器就进行一次自加1操作。然后计数器1内将重新写入设置的对应-55℃的数值。循环进行直到计数器2中存储的值减小到0。而存放温度值的存储器中的值就是此时的温度值。斜率累加器作为对测量过程中的曲线进行线性化校正,方式是通过对计数器1的基础数值进行修正实现的。实验中通过对STM32单片机的编程,运用卡尔曼滤波的方式修正测温数值,理论测温精度可达±0.1℃。DS18B20温度传感器使用方便,但如果想要让DS18B20温度传感器的测量精确程度达到比较理想的水平,I/O端口一定要保证在温度传感器工作时,被提供足够多的能量。所以需要通过一个1.7 kΩ的电阻与STM32F429单片机的VE端相连,保证工作时有稳定的大于1 m A的电流输入。温度传感器电路如图3所示。
中间数据端口连接在单片机控制器的B10端口,以串行方式输入给单片机12 b的温度信号。DS18B20的温度数据如表1所示。
这是数字转化后的数据,存储在两个8 b的RAM中,二进制中的前面5位是符号位,如果测得的温度大于0,这5位为0,只要将测到的数值乘以0.062 5即可得到实际温度;如果温度小于0,这5位为1,测到的数值需要取反加1再乘以0.062 5即可得到实际温度。例如125℃的数字输出为07D0H,-25.062 5℃的数字输出为FE6FH。正、负温度要把数值由十六进制转为十进制。例如输入的数据是00FA,则代表着温度为(15×16+10)×0.062 5=15.62℃,例如输入的数据是0032H,则代表着温度为(3×16+2)×(-0.062 5)=-3.125℃。
2.3 人机交互模块设计
本模块应用2.4英寸TFT显示屏进行温度数值的实时显示、设定值参考、PWM占空比显示、KP隶属度显示等功能。配合按键一同完成温度设置与控制状态显示的功能实现。采用单片机开发版中自带的彩屏,并不需要外加任何电路设计就可以直接编程使用[5]。TFT彩色显示屏的所有数据传送和获取过程都由其内部的运算器主导,例如在左上角显示一个点,这个点的坐标就是X0,Y0。TFT彩色显示屏的控制器,需要首先通过18位数据接口发送x坐标给LCD执行元件,再发送y坐标给LCD,最后发送18位数据组成颜色代码给CLD。这样,LCD屏幕上就会在左上角第一个点显示出来相应的颜色。无论是一幅图片还是一个视频都是按照这个方式来显示的。常规的小型TFT显示屏有一个18位数据接口,18根线用来设定要显示的点的x,y坐标、以及显示哪种颜色、同时还可以用来设定LCD的功能状态。
2.4 加热模块设计
加热模块由PWM波驱动一块加热片进行温度控制,利用STM32F429内部PWM脉宽调制模块驱动加热片控制温度变化。当PWM的占空比为100%时,经过PWM驱动模块输出的直流电压为12 V,如果占空比为50%,那么输出电压就是6 V直流电压。
电阻丝发热量过大,需要的驱动电流常常高达10 A以上,如不加装电气隔离,稍不注意就会损坏控制器。而且电阻丝的发热难以控制,由于加热时电阻丝存在很强的非线性特性,故采用XH-RJ101012的陶瓷加热片作为被控对象。采用L6203桥式整流驱动器把输入的模拟PWM脉宽调制信号整流成稳定的直流电压信号输出。实验中为DMOS全桥直流驱动器,OUT1和OUT2之间接陶瓷加热片,ENABLE=1时,将PWM信号给IN1,PWM信号反向后给IN2,这样调整PWM即可改变加热片的加热功率。加热片额定电压为10 V,最大电压为38 V,额定功率为5 W,电阻为20Ω。PWM驱动模块原理如图4所示。
3 温度控制器设计
温度控制是一个具有时变性和滞后性的复杂系统,而且很难建立它的精确数学模型,实验模块选用模糊自适应PID控制算法,将传统PID控制策略与模糊控制理论相结合,既不需要依赖精确的系统模型,又能显著提高调节精度和速率。温度控制系统设计的核心,就是对其中起到控制器作用的模糊PID的模糊逻辑与模糊规则进行设置和调试。模糊控制器的结构主要由模糊化处理模块、模糊控制规则模块、模糊推理机制和解模糊模块组成。在PID调节中,静态误差的大小由比例系数决定,比例系数KP越大,静态误差越小。但KP过大时,会使振荡次数增加,调节时间延长,稳定性变差,比例系数调节要以系统稳定性为界限;引入积分环节改善低频特性,当闭环系统稳定时,加入会提升系统的开环型别;微分环节影响动态响应速度和稳定性[6]。故通过预测出的反映偏差信号变化率的信号缩短调节时间且加速系统的动态速度,显著改善了控制系统的稳定性能和响应速度。找出PID三个控制参数KP,KI,KD与输入量e,ec之间的模糊关系,实现三个控制参数的在线修正。解模糊方式是最小面积重心法,利用模糊变量和模糊规则表,经由模糊推理策略得出输出控制量KP,KI,KD,控制信号的输出量,得到的PWM占空比。模糊逻辑使用误差和误差变化率作为输入变量,同时对其进行实时监控保证被控对象具有良好性能。实验中自适应模糊控制过程如图5所示。
4 实验结果及分析
控制模块中只要适当改变温控模块软件里面的控制参数或通过上位机设置,系统就能发挥很好的控制功能。实验实物调试如图6所示。
彩屏显示为操作者提供了实时温度显示以及定时温度和PWM波占空比的参考,此外,为了方便调试,在屏幕下方也显示了Ke在各个模糊子集下的隶属度函数值。界面显示如图7所示,扰动作用下系统稳定性分析如图8所示。
Matlab中可对各种控制算法进行编程扩展温度控制实验[7,8],利用Matlab对系统进行数据分析。当被控对象的数学模型发生变化时,把模型参数增加20%,在图8中描绘出被控对象的温度变化曲线。
实验表明该系统具有很小的超调量,稳态误差较小。实验模块拥有较高的精度、良好的鲁棒性,而且可以有效地补偿参数变化带来的影响。
5 结论
运用自适应性强的模糊PID算法,经过对模糊规则的微调,已经达到以下控制效果。温度可调范围在25~130℃内的任何温度,为调试方便只提供整数位的演示。系统达到稳态时控制精度在±0.1℃之内;设定升温差值不超过70℃时,上升时间不超过30 s,超调量不超过0.6℃。温控模块只需要稍作改动即可应用于其他更多领域,具有一定开放性及实用价值。
参考文献
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