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Vescent SLICE-QTC溫控器在大型熱負(fù)載的具體應(yīng)用
更新時間:2020-04-14   點(diǎn)擊次數(shù):1591次

1)簡介

SLICE-QTC溫度控制器Vescent Photonics研發(fā)的新品,在錐形放大器、二極管控溫、TEC或加熱薄膜亞mK級別控溫等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

它擁有四個獨(dú)立的PID伺服回路濾波通道,可以同時控制多達(dá)熱負(fù)載,在長時間內(nèi)始終保持著mK級別的高穩(wěn)定性。每個通道提供20W的功率(總共多分配40W)。本文以客戶實際使用SLICE-QTC單通道基于加熱薄膜穩(wěn)定大型熱負(fù)載為例,展示伺服回路的能力。

2)實驗

本實驗設(shè)計大型熱負(fù)載是尺寸為15cm×30cm×2cm的光學(xué)面包板,其表層與加熱薄膜接觸處填涂有導(dǎo)熱膠。熱敏傳感器采用熱敏電阻(Beta= 3450, R= 26.5 kQ at 23C)。裝配關(guān)系如圖1所示,加熱薄膜由如圖2所示的SLICE-QTC度控制器控制。為了獲得穩(wěn)定的溫度變化,必須將熱負(fù)載及加熱薄膜與周圍環(huán)境隔離。因此,它整體被包裹在3層3mm厚的聚乙烯泡沫。

 

圖1 熱負(fù)載與加熱薄膜裝配關(guān)系       2 SLICE-QTC溫度控制器

 

SLICE-QTC使用PID數(shù)字連續(xù)波環(huán)路濾波器(非脈寬調(diào)制)處理溫度誤差信號,基于比例、積分和微分增益原理,使用Ziegler-Nichols方法確定*環(huán)路參數(shù)為Gprop=6, PI=18.7, PD =4.68。

室溫22.3℃的情況下,設(shè)定被控溫度為27.5°C,伺服回路初執(zhí)行大約400 mA的電流使得溫度到達(dá)設(shè)定值。從回路初始溫度22.3℃控溫開始到27.5℃穩(wěn)定所需時間大約為185 s。由于加熱器內(nèi)部為50Ω的高電阻,勵磁涌流受到SLICE-QTC大順應(yīng)電壓20V的限制,因此如果的電阻加熱器的阻值更低,則會表現(xiàn)出更快的穩(wěn)定時間。圖3所示,展示了SLICE-QTC自開始波動至穩(wěn)定時的屏顯溫度誤差隨時間變化的圖像。

 

圖3 穩(wěn)定過程-溫度誤差隨時間的函數(shù)關(guān)系

4所示,在穩(wěn)定狀態(tài)下,PID回路使得熱負(fù)載的溫度RMS偏差為0.33mK。4小時內(nèi)的穩(wěn)定性是相同的。

4 穩(wěn)定后-溫度誤差隨時間的函數(shù)關(guān)系

3)總結(jié)

為了獲得更好的熱穩(wěn)定性,加熱薄膜與負(fù)載的設(shè)計方案是極其重要的。例如,為了加熱薄膜免受環(huán)境溫度波動的影響。如果沒有聚乙烯做包裹,則上方的氣流可能使得控溫穩(wěn)定性降低。因此主要的設(shè)計考慮包括:

1. 適當(dāng)使用絕緣材料,如聚乙烯泡沫等。

2. 選擇合適的傳感器,盡可能接近熱負(fù)載并保持良好的熱接觸。

3. 讓加熱薄膜的尺寸盡可能的小。

4. 保持環(huán)境溫度盡可能穩(wěn)定。

7. 避免接地回路,屏蔽連接電纜,傳感器連接使用高質(zhì)量箔屏蔽導(dǎo)線。

8. 使用低電阻加熱器TEC來避免電壓限制傳感器確保足夠的電流和功率傳送到SLICE-QTC通道。

 

    本案例以電阻式加熱薄膜作為加熱器,熱敏電阻作為傳感器,使用SLICE-QTC作為伺服回路濾波器溫控器,對熱負(fù)載進(jìn)行溫度穩(wěn)定。在0.33 mK的溫度誤差范圍內(nèi),采用閉環(huán)均方根RMS偏差穩(wěn)定負(fù)載,應(yīng)該注意的是,整個負(fù)載必須擁有合適的溫度絕緣。SLICE-QTC可以控制多達(dá)四個獨(dú)立的溫度循環(huán)。在更多的實驗中,可以使用TEC作為被控設(shè)備,在-20°C到+140°C范圍內(nèi)同樣獲得了在亞mK級別的溫度穩(wěn)定性。

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