导体温度（精选5篇）
导体温度 篇1
0 引言
近年来城市输电网中地下电缆逐渐取代架空线路, 其运行安全受到广泛关注。电缆导体温度过高将引起绝缘材料加速老化, 影响电缆使用安全、缩短电缆使用寿命[1]。对电缆导体温度实时监测是提高运维效率、保障输电安全的重要手段。
目前主要是通过在电缆内部埋设感温光纤等来对导体温度进行直测, 此种手段会破坏电缆结构。可由较易测量的表面温度间接反演出导体温度。由电缆表面温度预估导体温度对工程人员要求较高, 且受外界影响较大[2]。
本文提出了一种电缆导体温度间接测量方法, 利用有限元法对电缆温度场进行计算从而得到电缆表面温度与导体温度的对应关系, 再结合表面温度的测量值即可间接得出导体温度。
1 测量原理
针对某种类型电缆, 根据其结构参数、材料热参数、电缆表面的边界条件、负荷参数、初始条件, 利用有限元法对电缆温度场进行计算, 根据分析结果归纳出不同载荷、边界条件下表面温度与导体温度值的对应曲线, 再结合外表皮温度的监测值反演出导体温度。
2 电缆温度场的有限元计算
2.1 温度场模型
本文以典型单芯110k V高压电力电缆为例, 由于电缆线路与其直径相比可认为无限大, 因此电缆温度场可按二维温度场进行分析和计算。
电缆中, 含内部热源区域的控制方程为:
无热源区域的温度控制方程为:
电缆外边界处为第三类边界条件, 边界方程为:
式中, α指电缆的对流换热系数, W/m2/K;Tf指空气温度, K。
2.2 温度场求解
采用三角形单元计算有限元温度场, 结合Galerkin法, 列出电缆平面温度场有限元方程为:
3 具体实现
利用有限元法对实验室中空气敷设状态中的标称截面为1×400mm2的YLJW02 64/110k V电缆进行温度场计算, 计算后得出表面温度和导体温度的对应曲线。
温度场计算。
(1) 电缆的敷设条件。样品电缆敷设于实验室内, 实验室温度在23℃左右小范围波动。电缆表面对流换热系数h可通过经验公式计算得到[3], 为7.371。
(2) 电缆的参数。样品电缆为标称截面400mm2的YLJW64/110k V电缆。样品电缆中有5种材料, 结合式 (1) 、 (2) 可知需要15种热参数:lcon (导体热导率) 、jcon (导体密度) 、ccon (导体比热) ;lAl (铝护套热导率) 、jAl (铝护套密度) 、cAl (铝护套比热) ;lins (绝缘层热导率) 、jins (绝缘层密度) 、cins (绝缘层比热) ;ljac (外护套热导率) 、jjac (外护套密度) 、cjac (外护套比热) ;lscr (屏蔽层热导率) 、jscr (屏蔽层密度) 、cscr (屏蔽层比热) 。以上热参数可通过规格书得到。
(3) 热源计算。对样品电缆加载500A、50Hz的零相位电流作为载荷, 利用贝塞尔函数计算热源值[4]。经计算求得:导体损耗Q1=48.351W/m;绝缘损耗Q2=0.145W/m;金属护套损耗Q3=0.614W/m。
(4) 温度场计算。根据实际参数建立电缆几何模型, 如图1a) 所示。对其进行网格剖分后得到有限元模型, 如图1b) 所示。经过温度场计算得到的温度场分布云图, 如图2所示。
(5) 对应关系的确立。本文提取出了负载电流400A、环境温度23℃时表面温度与导体温度的对应曲线, 如图3所示。测量到表面温度后即可在曲线上搜寻对应的导体温度。
4 结语
针对电力电缆导体温度的测量, 以通过表面温度测量间接得到缆芯温度为思路, 基于有限元法对电缆温度场进行分析计算, 将分析结果与电缆表面温度测量值结合从而反演出缆芯温度值。
参考文献
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导体温度 篇2
本文章阐述了采用物理气相沉积技术以ZnO粉和石墨为原料, 在镀金Si衬底上不同温度下制备的ZnO纳米结构具有不同的形貌。
1 实验装置和过程
1.1 实验装置
1.水平管式电阻炉 2.石英管 3.反应源 4.镀金Si衬底
图1为实验中用的ZnO纳米结构制备系统的示意图。石英舟上的反应源为纯度99.9%的ZnO粉和C粉 (6:1) 。实验过程中同时通入高纯O2气与高纯Ar气。放于源材料下方位置为镀金Si衬底。为除去Si衬底表面的一些污染物, 先将衬底放入超声波清洗仪清洗3分钟, 再用NH4OH:H2O2:H2O (1:2:5) 混合液浸泡6分钟, 再放入超声波清洗仪处理5分钟, 烘干后进行镀膜。
1.2 实验过程
本实验将纯度99.9%的ZnO粉和C粉混合物, 放于炉内的石英管温度最高的中部的Al2O3的舟内。整个实验系统为真空环境, 本底真空度为1.56Pa。Si衬底为镀有约1nmAu膜的Si片, 放于源材料下方位置。实验中, 反应炉内温度升至一定温度, 实验环境为氧气和氩气的混合气体, 气体流量为30sccm, 维持50分钟后, 在常压下缓慢降温致室温。
2 不同温度对ZnO纳米线的影响
图2为反应温度不同时, 所制备出的ZnO纳米线形貌照片。a图是反应温度为300℃时样品的SEM像, 从图中可以看出, 样品主要为稀疏的垂直性较好的一维纳米线, 成核点相当清晰。b图和c图是反应温度为400℃和500℃制备样品的形貌, 很明显与a图相比, 随着温度的升高, 线状结构密度逐渐增大, 排列不整齐, 这表明温度对ZnO半导体纳米线的生长有比较重要的影响, 温度增加会导致线状结构密度增加。
a.反应温度为300℃b.反应温度为400℃c.反应温度为500℃
图3是所制备的垂直性较好的ZnO半导体纳米线XRD分析结果。从图中可以看出, 左边的峰为ZnO的 (110) 面的衍射峰, 中间的峰为ZnO的 (102) 面的衍射峰, 最右边的峰为Si衬底的衍射峰。图中没有其它物质的衍射峰出现, 这说明样品中无其它杂质存在。图形底部不平坦, 有连续变化部分, 这说明样品中包含有非晶成分。但是ZnO的 (110) 和 (102) 两个峰很明显, 说明制备的的半导体纳米线呈现晶态结构。
图4是所制备的垂直性较好的ZnO纳米线的PL谱, 激发波长为280nm。所制备的PL谱中主要主要有三个发光带。左边的峰是波长为373nm的紫外带, 中间的峰是波长为417nm的蓝带, 右边的峰是波长为536nm的绿带。这三个发光带中紫外峰较尖锐, 位置为373nm, 此发光带为ZnO的本征发射。蓝带和绿带的峰值较弱不太明显, 它们来源于所制备的结构缺陷的发光。这说明所制备的ZnO半导体纳米线中存在较少的结构缺陷。
3结论
综上所述, 采用传统的物理气相沉积技术在镀金Si衬底上制备了ZnO半导体纳米线, 温度对所制备的ZnO半导体纳米线的结构和形貌有一定影响。反应温度为300℃时样品为稀疏的垂直性较好的一维ZnO半导体纳米线, 成核点相当清晰。其XRD和PL谱说明所制备的样品中晶态结构较好且存在较少结构缺陷。
参考文献
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导体温度 篇3
功率温度循环测试 (PTC) 是在美国军队标准MIL-STD-750 中方法1036和1037间歇产品寿命测试 (IOL) 基础上发展的半导体分离器件可靠性测试方法, 由JEDEC工业标准委员会在2004年正式定义。美国汽车电子协会AEC, 在2005年将此测试正式收入半导体分离器件可靠性评估标准AEC-Q101。区别于常规的半导体温度循环测试, PTC将实验材料置于高低温循环环境下的同时对于待测材料施加偏压, 并且保持偏压处于周期通断状态。一般情况下偏压的通断时间均设定为5分钟。实验设备的加载环境温度为-40℃～125℃, 同时待测器件在偏压信号的控制下处于周期性开启、关闭工作状态。器件内部半导体晶片, 框架, 焊接银浆及塑封材料, 都要同时承受来自于外部的环境温度改变及内部不同成分组件之间的相互应力传导和器件工作状态下的晶片所产生的热量。不同介质组件间的温度膨胀系数的不同会加速器件的老化状态, 从而反映器件在极端工作情况下的性能。
在AEC-Q101中, 将PTC测试作为间歇产品寿命测试的可代替测试项目, 用来对那些在IOL测试规定时间间隔条件下无法达到器件结温差值100℃的产品的寿命测试。器件的结温是指半导体器件中PN结在工作状态下可达到的温度。结温的高低取决器件的晶片工艺/所承受的偏压及外部的环境温度。通常定义下的室温为25℃, 结温差值100℃即器件的工作状态下的PN结温度至少为125℃。PTC测试中通过偏压将器件结温在正环境温度下保持在125℃～150℃之间, 在负温度环境温度下, 器件的最高结温在产品最大允许范围内。器件结温差值的跨度将加速器件的老化状态。
如何衡量PTC测试中的产品老化状态, 可以从温差疲劳Coffin-Manson 模型公式 中得到提示, 公式τ=A (△T) m中τ代表寿命, A 和m为常数。这表明加速测试可以通过达到温差建立温度循环寿命测试效果。在实际应用中, 公式可以变形为:
公式解释为测试环境下温度范围除以器件实际应用环境下的温度范围并根据典型不良现象模型选择相应的常数 (m) 进行指数运算, 从而得到PTC实验的老化加速因子Af。公式的数学意义为一个实验温度周期相对于产品正常工作状态下的老化倍数。从而可以在较短的时间内模拟器件长时间的工作状态, 检测器件在浴盆效应中各阶段的特性。
因为PTC实验中温度和偏压同时作用于待测器件之上, 如何通过偏压的设定使器件的结温差值达到100℃将决定实验效果是否有效。由于温度和偏压来自两个独立的控制系统, 温度的一个周期在80分钟左右, 而偏压的一个周期为10分钟, 如何对温度和偏压采样将直接影响偏压幅度即器件输入电压的大小。由于两种测试条件的周期不同, 待测器件将面临多种温度与偏压的组合。极端条件下会出现, 温度最高/最低与偏压有效/关闭的情况。由于AEC-Q101中要求PTC测试中的结温差值要达到100℃, JEDEC中相应规定测试设备在达到最高和最低温度时的保持时间必须不小于10分钟。即在这个时间范围内一定可以出现偏压开启的状况, 保证待测器件的PN结导通, 结温上升。通过实践在偏压开启的半周期 (5分钟) 内, 连续采集温度值, 理论上在温度循环的一个整周期中会出现8个偏压开启的区间, 收集温度在室温以上的数据点的产品漏电流, 通过产品在室温和最大结温下的漏电计算漏电与温度上升之间的趋势斜率, 来计算此时产品的结温是否达到125℃。反复2～3个温度整周期循环, 以验证测试的偏压设置是否合理, 通过调整偏压的幅度, 最终达到产品结温差值满足测试需求。
PTC实验对于汽车电子产品的总体时间设定遵循工业测试中1, 000小时的规则。如果以常用的偏压加载/卸载均为5分钟的要求, 整体的实验周期为6, 000个周期。对于高电压等级或高结温产品在温度循环周期内如果结温无法到达125℃, 除调整偏压幅度外还可以适当延长偏压加载时间达到目的。与之对应, 无偏压时间的适当延长同样可以帮助产品结温恢复到室温状态。到最终的偏压加载, 卸载时间确定后, 可以重新定义整个PTC实验的测试周期 (公式为:1, 000小时除以偏压加载时间和卸载时间的总和) , 可以参考AEC-Q101中的Table-2A。
为了强调偏压信号的突变影响, 偏压加载、卸载需要使用方波发生器作为信号的输入, 电信号应按照设定时间, 瞬间加载到待测器件或从器件上突然移除, 起到信号开关的作用。对于电子产品应用中的开关模式, 器件PN结所承受的开启、隔断响应相对于输入信号的渐变更加严酷, 所反映出的老化效果更为明显。
PTC实验的设计初衷在于关注器件内部各种不同介质组件之间结合面在反复加载、卸载偏压条件下所承受的应力和温度影响。以下面列举的两个典型不良现象进行分析。
例1:待测器件经过1, 000小时PTC实验后测试结果显示电性为开路状态。通过不良品分析实验, 剥离器件外部塑封胶后发现晶片与框架焊接过程中所使用银浆在与晶片背面的焊接区域出现断裂状态 (图1) 。通常半导体器件焊接所使用的银浆的成分为锡/银/铜, 晶片的基材为硅。焊接过程中焊接温度的设定, 银浆量的控制, 晶片的柔片次数, 塑封胶注入的压力等都会对产品的最终可靠性造成影响。当器件处于极端温度变差及输入偏压开关模式下, 器件在最薄弱的不同介质结合面会出现开路状况, 从而造成器件整体功能或电路模块的失效。如果各种材料在高低温下通过各自的膨胀系数所产生的应力没有通过结合面之间的缓冲结构得到释放, 这种影响可能会通过银浆的结合面将应力传导到器件最为脆弱的晶片内部, 造成芯片内部的物理损伤, 随着实验时间的集聚, 最终造成电性的不良, 最严重的情况下会显示出晶片的断裂或烧毁。
例2:待测器件在PTC测试之后出现焊接银浆重新融化现象 (图2) , 在外力的挤压下, 银浆流动到晶片表面, 造成器件短路。通常焊接用银浆的熔点在260℃以上, 银浆在测试过程中的重新融化现象表明测试过程中晶片的结温超出银浆的融化所需温度。理论上晶片的结温取决于外部环境温度和PN结本身在偏压作用下的温度升高。PTC测试中环境温度最高为125℃, 当PN结在合理偏压的设定条件下器件的结温不会超出器件的最大允许结温设定, 一般为150℃或175℃, 不会出现银浆重融现象。因为焊接用银浆和器件框架均包含金属成分, 其散热性能良好, 在正常情况下可以将晶片的结温通过银浆、框架有效传导到器件外部消除结温过高对晶片的损害。通常的问题出在银浆焊接过程中流动性不好造成晶片底部银浆空洞, 当结温急剧升高时, 空洞中的空气无法将结温通过银浆有效传导出器件外, 造成晶片局部温度过高出现热点, 导致银浆的融化。这种现象要求在银浆焊接的工艺制程中有效控制每颗材料焊接过程中的单个最大空洞面积和银浆总体有效焊接面积, 避免PN结温度传递中的问题。同样对于器件热阻较高的产品, 当环境温度升高时由于热阻的迅速升高, 可能远远超出产品设计规格, 器件的结温会迅速蹿升超出最大允许结温, 此时过高的温度会造成银浆的重新融化, 这要求在晶片的设计过程中通过工艺的改进, 减少热阻的影响, 从而同时提高产品的工作效率。
从以上的实验原理及实例分析中可以看到功率温度循环测试对于半导体分离器件在内部不同介质界面的可靠性测试中充分反映出潜在需要提高的问题, 为产品的最终应用提供有效的评估方法。
参考文献
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导体温度 篇4
1 热路模型的建立与分析
通过理论计算电缆温度场可知, 将表面温度、实时负荷以及电缆结构参数作为已知条件, 在敷设环境未知的情况下, 可以精确计算出电缆缆芯实时温度[5,6,7]。
在建立电缆热路模型时, 必须确定电缆的传热模型具有单值性[8], 单值性条件包括:
1) 几何条件。给出导热过程中的物体大小和形状。如果各向是同性质的材料, 还应给出主轴方向的导热系数。
2) 物理条件。确定物质之间各种关系的物性量值, 例如有无内热源的大小和分布情况, 及随温度变化的函数关系等。
3) 时间条件。描述导热过程在时间上的特点, 即对于稳定状态过程不需要时间条件; 而对于非稳定状态过程, 则要给出初始温度分布状况。
4) 边界条件。表述在区域边界上导热发展过程的特点。
根据以上条件, 将单芯高压电缆视为几何中心圆结构, 考虑绝缘层介质损耗、铝护套环流损耗以及各层热阻热容作用情况, 可以建立电缆的热路模型, 如图1 所示。
根据热路工作原理, 通过热路模型计算的电缆温度为
由式 ( 1) ~ ( 6) 可知, 计算电缆温度的方程组是由一阶微分方程组成, 可以简写成矩阵形式:
其中
2 四阶经典Runge - Kutta法
由于直接求解一阶微分矩阵方程的解析解工作量很大, 求解的精度也不能满足要求。因此本文利用四阶Runge - Kutta法, 求出微分矩阵方程的解, 且其精度满足工程需要。
在求解微分方程组时可以考虑微分:
可得出微分方程组:
四阶龙格库塔公式为
其中
式 ( 8) 是关于x和y的递推公式, 其中h是关于时间的步长。计算f和g后代入式 ( 7) 中就可得到tk + 1时刻数值解xk + 1和yk + 1。因此利用Runge -Kutta法对公式求解, 可得到t时刻T1~ T2的值, 即电缆各层温度分布状况。
3 试验验证
3. 1 试验装置
为准确掌握电缆温度的实际变化情况, 验证理论计算的准确性和环境因素对该算法的影响[9], 设计了不同敷设条件的电缆负荷温升试验。试验装置如图2 所示, 其主要由五部分组成: 试验电源、调压器、大电流发生器、试验测量设备和试验电缆。试验电缆选用YJLW02 127 /220 1 × 2000 和YJLW02 64 /110 1 × 630 两种电压等级电缆, 电缆分别采用4 m顶管敷设、1 m水中敷设和空气中敷设, 电缆敷设前将测温热电偶设置于测温点, 用于监测电缆各个位置温度变化情况。
3. 2 试验结果与对比分析
3. 2. 1 顶管敷设试验
对埋深4 m的2000 mm2顶管电缆施加24 h870 A电流后阶跃到1500 A电流施加5 h试验, 模拟电缆在正常工作状态下, 出现n - 1 状况需要转负荷的电缆运行状态, 其导体温度的实测值与计算值的对比曲线如图3 所示。从图3 可以看出, 导体温度计算曲线与试验曲线的变化趋势基本一致, 最大温度相差不超过1. 3 ℃, 由此表明实时导体计算模型与算法拥有的正确性与准确性。
3. 2. 2 水中敷设试验
对在水中敷设的630 mm2电缆施加650 A电流正常运行后, 增加到电流1300 A 12 h后, 阶跃电流到1500 A 2 h, 再降为满负荷1300 A。模拟电缆线路在满负荷时需要短时负荷运行情况, 其导体温度的实测值与计算值的对比曲线如图4 所示。
由图4 可以看出, 在水中敷设的电缆计算与试验最大相差温度为1. 8 ℃, 证明了实时导体计算模型与算法在任何环境下可以使用。
3. 2. 3 空气中敷设试验
对在空气中敷设的630 mm2电缆施加动态负荷电流, 其导体温度的实测值与计算值的对比曲线如图5 所示。
从图5 可以看出, 实时导体计算模型与算法在负荷改变的情况下, 依然具有较高的计算精度, 最大相差温度为1. 5 ℃。
4 结语
本文根据热路模型建立了电缆导体温度实时计算模型, 采用Runge - Kutta法求解模型所得到的微分方程组, 利用电缆表面温度及实时负荷计算导体温度, 避免了电缆由于敷设环境复杂而带来的计算误差。依据环境不同的计算结果与试验结果对比, 证明了该算法的准确性与高效性。另外, 可利用该方法实时监测电缆运行状态, 当导体温度过高时, 进行故障预警。
参考文献
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导体温度 篇5
慢性肾脏疾病(Chronic Kidney Disease,CKD)的进展过程被认为是不可逆的,最终必将进展至终末期肾病(End Stage Renal Disease,ESRD)[1,2]。目前血液透析、腹膜透析和肾移植是终末期肾病患者替代治疗的主要方法,其中,终身透析治疗费用高昂,会使患者家庭和社会均不堪重负;肾移植是根治ESRD的最终方法[3,4,5,6]。
肾移植术是将供体肾脏移植到受体体内,使其恢复血液供应并能在受体体内发挥肾脏功能的技术[7]。离体肾脏保存期间,其活力的维持是肾移植成功的重要前提[8],低温可以抑制一系列酶促反应,降低能量消耗,减慢细胞内酶破坏器官生命力成分的速度,但是温度过低将引起组织细胞损害[9]。因此,精确控制离体肾脏的保存温度对提高肾移植手术的成功率有着非常重要的意义。研究表明,当器官处于低温状态(4℃)时,其细胞代谢速率仅为正常状态时的10%～12%,且其组织细胞不会受到损害,因此4℃是器官体外保存的最佳温度[8]。
目前国内常采用的离体肾脏保存方案为:取出供体肾脏,灌注4℃的肾脏保存液,灌注完毕后将其保存于外部有冰水混合液的金属盒内。此方案的缺点为温度控制不精确、降温速率不高,影响离体肾脏移植的成功率[10,11]。为此,笔者研制了一种基于半导体变温技术的离体肾脏保存箱,具有加热制冷双向工作、体积小、重量轻、无震动、无噪音、可靠性高、热惯性小等特点,其中温度控制系统是该保存箱的关键。本文阐述了该温度控制系统的研制过程。
1 半导体变温技术的基本原理与应用
1834年法国物理学家帕尔贴发现,当外加的直流电流流过由两种不同材料组成的封闭回路时,回路两端的结点将产生吸热或放热现象,称为帕尔贴效应[12],即半导体变温技术的基本原理。半导体制冷技术在临床医学上有着广泛的应用[13,14],如快速病理切片[15]、PCR仪[16]、亚低温疗法[17]、冷冻止血、冷冻切除白内障以及血清、疫苗和血浆的低温存储等。
2 离体肾脏保存箱温度控制系统的结构设计
离体肾脏保存箱温度控制系统主要由温度数据采集模块、线性校正与放大模块、PID控制模块、功率输出模块、变温模块、电源模块等组成,结构框图见图1。
系统主要工作原理为:高精度的铂电阻温度传感器(Pt100)测量肾脏保存箱的实际温度信号,该温度信号经过线性校正与放大后送入PID控制器,PID控制器将实际测量值与系统设定值的差值进行PID处理后,经脉冲宽度调制(PWM)控制功率输出的大小,从而实现对系统变温的精确控制。系统的电源采用开关电源,交直流两用;充电电池的电压为24 V,容量为40 AH,在400 W脉冲导通时可以提供数小时的冷藏供电,以便在无市电供应的情况下保证系统的正常工作。
3 离体肾脏保存箱温度控制系统的温度控制策略
系统的温度控制采用PID控制器实现。PID控制器是一种应用广泛的自动控制器,具有原理简单、容易实现、鲁棒性强等优点[18]。
3.1 测温电路设计
准确快速的温度测量是实现温度精确控制的关键,离体肾脏的保存要求温度传感器测温要迅速、线性要好。因此,系统的测温传感器采用铂电阻(Pt100),在温控范围(0～5℃)内具有比较好的线性,线性校正也相对简单。为了满足实验要求,本研究将Pt100传感器放入不锈钢圆套中,中间充以硅胶,并用环氧树脂封装。另外,为使温度控制更加准确,本研究选用两个Pt 100传感器,将其对称放置在肾脏保存箱的内壁上。
3.2 PID控制原理
PID控制原理框图,见图2。PID控制系统主要由PID控制器与被控对象组成。
PID控制器根据设定值r(t)与实际输出值y(t)之差形成偏差e(t),即:
将偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量,对被控对象进行控制,其控制公式为:
传递函数形式为:
式中:KP为比例系数,Ti不为积分时间常数,Td为微分时间常数。
采用离散化表达,PID控制系统输出u(k)可表示为:
式(4)也可表示为:
上式中:T为采样周期,。
由式(5)可推导出:
式(5)与式(6)相减得出增量式PID控制算法的输出增量为:
式中:
式(7)可写为:
根据Ziegler-Nichle条件,令:
式中:Tk为临界震荡周期,代入式(8)得:
这是一种简化的扩充临界比例整定法,又称归一参数整定法。此方法只需整定一个参数,适合计算机自整定。该方法采用时间乘绝对误差积分准则(ITAE准则):
由式(10)可以看出,当取最小值时,控制系统的状态为最佳。ITAE准则主要考虑瞬态响应后期出现的误差,对单位阶跃响应的初始误差考虑甚少。应用这种准则设计的系统超调量小、抗干扰能力强,具有良好的选择性和灵敏度。其算法推算如下:
控制系统是稳定的,我们可以认为在0-T0和Tm-T∞时,/e(t)/→0,所以式(11)可以写为:
经离散化后,可以表示为:
T为采样周期,为常数,计算最小值时可等效于求:
3.3 增量式PID控制算法
增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量Δu。采用增量式算法时,计算机输出的控制量Δu对应的是本次执行机构位置的增量,而不是对应执行机构的实际位置,因此要求执行机构必须具有对控制量增量的累积功能,才能完成对被控对象的控制操作。
将每次计算的的值与上次得到的的值进行比较,可以根据ITAE*的变化趋势对PID算法式中的参数进行修正,但偏差的累加作用容易产生较大的累积偏差,使控制系统出现不良的超调现象。增量式PID控制算法是通过前3次采样周期内的偏差信号e、en-1、en-2计算出本次采样周期内的控制变量u的增量Δu的一种控制算法。
根据Ziegler-Nichle条件,Δu=KP(2.45en-3.5en-1+1.25en-2)。由本研究涉及的温度控制变量是增量,因此采用增量式PID控制算法,计算公式可以写成:
在实际调试中,计算可取N为5～10。每隔N个采样周期就对Kp进行一次修正,修正情况如下:
式(16)、(17)、(18)中C为常数,相对Kp较小,实际可取C=0.1Kp,这样可以提高系统的抗干扰能力。
增量式算法的优点有:①算式中不需要累加,控制增量Δu的确定仅与最近3次的采样值有关,容易通过加权处理获得比较好的控制效果;②计算机每次只输出控制增量,即对应执行机构位置的变化量,故机器发生故障时影响范围小,不会严重影响生产过程;③手动-自动切换时冲击小,当控制从手动向自动切换时,可以作到无扰动切换。
4 系统性能测试
系统组装调试完成后,委托第三方进行性能测试验证。本研究委托浙江省计量科学研究院热工与能源计量研究所对离体肾脏保存箱进行性能测试。测试时采用300 mL生理盐水代替用于肾脏保存的高渗枸橼酸腺嘌呤液。测试地点:浙江省计量科学研究院;环境条件:温度(24.8℃),湿度(56%);测试设备:测温仪(Fluke 1529,美国)。离体肾脏保存箱箱体结构示意图,见图3。
测试时测温仪的温度传感器放置在离体肾脏保存箱内部中央,与系统的温度传感器保持在同一水平。4块半导体制冷片放置在离体肾脏保存箱的底部和周边。通过循环蠕动泵使不锈钢保存箱内的液体热均匀。开始测量前保存箱的温度为20.3℃,环境温度为24.8℃。测试系统由20.3℃下降到4℃并保持4℃恒温的效果。
测试时每隔10 s记录1次系统的温度值,最终将测试的温度与时间数据绘成时间-温度关系图,见图4。由图4可知,离体肾脏保存箱的温度由20.3℃下降到4℃并保持恒定所需的时间大约为25 min。其中,第一个波谷温度为3.8℃(温度过冲<0.2℃);温度趋于稳定,稳定后温度最高为4.1℃,最低为3.9℃(温度波动<0.1℃)。
有容量(放置300 g猪肾)的情况下,离体肾脏保存箱测试的时间-温度关系图,见图5。由图5可知,离体肾脏保存的温度由20.3℃下降到4℃并保持恒定所需时间大约为30 min。其中,第一个波谷温度为3.7℃(温度过冲<0.3℃);温度趋于稳定,稳定后温度最高为4.2℃,最低为3.8℃(温度波动<0.2℃)。
上述数据表明,离体肾脏保存箱温度控制系统在降温速率方面达到了设计目标。
5 讨论
性能测试数据表明,系统变温时,离体肾脏保存箱温度过冲<0.3℃,恒温温度波动<0.2℃,可满足离体肾脏保存对温度的要求,其温度控制系统具有如下特点。
(1)系统采用脉宽调制(PWM)控制功率输出的工作电压脉宽,来实现对温度的精确控制,经第三方检测,变温和恒温效果较好。
(2)系统采用PID自整定算法,与常规PID控制算法比较,可使被控对象的温度波动大幅度减小,系统变温时响应时间≤3s,控制精度优于0.3℃,恒温波动<0.2℃。
(3)系统温度控制策略采用增量式PID控制算法,避免了扩充临界比例整定法的偏差累加导致的较大的累积偏差,降低了系统不良的超调现象。
6 结论与展望
本研究研制了一种基于半导体变温技术,可对离体肾脏保存箱的温度进行精确控制的系统。温度控制测试数据表明,基于该温度控制系统的离体肾脏保存箱的温度过冲<0.3℃,恒温时温度波动<0.2℃,实现了设计目的
随着半导体材料研究的不断深入,半导体的变温性能会越来越好,基于单片机的温度控制技术也会越来越成熟,半导体变温技术会应用于更多的领域,在医学工程方面的研究也会更加深入
影响离体肾脏保存的因素非常多,温度只是其中之一。今后将对影响离体肾脏保存的其他因素进行更广泛的研究,以提高离体肾脏的保存质量,进而提高肾移植手术的成功率。
摘要：肾移植是治疗终末期肾病综合症的主要方法之一,供体肾脏离体后的低温保存是影响手术成功的重要因素。本文阐述了一种简便、精度高、控制速度快的离体肾脏保存箱的温度控制系统的研制过程。该系统采用半导体变温技术来控制离体肾脏保存箱的温度,其测温传感器采用稳定性好、示值复现性高的铂电阻(Pt100),温度控制策略采用PID控制。测试结果表明,系统在工作环境(23℃±2℃)条件下的温度过冲<0.3℃,温度控制精度为±0.2℃,符合离体肾脏保存对温度的要求。