0 引言

　　隨著我國航天事業(yè)蓬勃發(fā)展,，載人航天工程已經(jīng)進入空間站階段，計劃2018-2022年陸續(xù)發(fā)射空間站的核心艙和兩個實驗艙,，空間站上將開展一批前沿科學與應用任務,，其中包括兩相流體實驗。該實驗重點研究微重力下液體的蒸發(fā)冷凝相變動力學以及兩相流體輸運等基礎問題,。由于目前對在軌微重力情況下的相變換熱機理以及相關關鍵技術的研究還不成熟[1],，因此有必要在進行空間搭載實驗前開展地面驗證實驗，通過地面實驗驗證兩相流體回路平臺的可行性和可靠性,，建立兩相流體回路的空間運行特征庫和可靠的空間兩相流體回路數(shù)學模型,，為進行空間科學實驗積累經(jīng)驗。

　　本文根據(jù)實驗電控需求,，設計了一種用于空間兩相流體回路實驗的電子控制系統(tǒng),，該電控方案完成了地面驗證，目前已用于空間實驗的電控實現(xiàn),。

1 總體方案與設計原理

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

圖1  兩相流體裝置工作原理圖

　　本文設計的電子控制系統(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,、電磁閥和風扇控制模塊組成。

圖2  電控系統(tǒng)結構圖

　　1.1 熱電偶測溫設計

　　熱電偶是一種基于塞貝克效應[2]的溫度傳感器,，本文采用銅-康銅型（T型）熱電偶,。圖3(a)為測溫原理示意圖，由于測量導線為純銅材質(zhì),，與熱電偶康銅極接觸會引入新的熱電偶結,，所以必須在康銅電極和測量電路之間進行溫度補償。為了保證足夠高精度的冷端補償溫度,，設計選擇PT1000進行測溫補償。T1為熱電偶測溫結點溫度,，T2為熱電偶補償點溫度,，所測回路電動勢U0為：

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

圖3  熱電偶測溫原理示意圖

　　另一方面，對于兩個目標溫度點之間溫度差測量,，如果也采用傳統(tǒng)熱電偶測溫結構,，則需要分別測量兩個點溫度再進行作差得到溫度差，而測量時冷端溫度補償往往難以保證高精度,，并且產(chǎn)生更大溫度誤差,，降低測溫精度。因此,，本文提出一種新型的熱電偶測溫結構,，通過兩個傳統(tǒng)T型熱電偶康銅極相接形成差分熱電偶，該結構無需冷端補償,，可直接測量T3,、T4兩點溫度差，如圖3(b)所示,?；芈冯妱觿軺p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)生的熱電偶結電動勢,，由于金屬導熱,、接頭較小，所以T5,、T6幾乎相等,，U5、U6相互抵消,，實際Up只與T3,、T4溫差線性相關。相對于傳統(tǒng)熱電偶,，此結構避免了復雜的冷端溫度補償,，直接得到兩點溫度差，不僅簡化了測溫過程,，而且有效提高了測溫精度,。

　　1.2 TEC驅(qū)動設計

　　TEC是一種利用特殊半導體材料的珀爾帖效應實現(xiàn)對目標制冷或制熱的半導體制冷器[3-8]。與壓縮制冷和吸收制冷相比,，熱電制冷不僅結構簡單,、噪音小、無需制冷劑及足夠環(huán)保,，而且制冷功率線性可控,，被廣泛應用于精密控溫場合。

　　本文提出一種改進型恒流大功率H橋電路以驅(qū)動TEC工作,，電路結構如圖4所示,。

圖4  H橋驅(qū)動電路示意圖

　　該結構在上橋臂用功率調(diào)節(jié)模塊取代傳統(tǒng)H橋MOS管，解決TEC驅(qū)動電流不穩(wěn)定和MOS管無法完全導通問題,，D1與T1形成正向?qū)ɑ芈?，D2與T2形成反向?qū)ɑ芈罚ㄟ^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,，實現(xiàn)高精度恒溫控制。

2 電控系統(tǒng)硬件設計

　　2.1 主控器模塊設計

　　本文主控芯片基于STM32F4系列,，該芯片外接8 MHz無源晶振,，CPU頻率可達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12 bit、采樣率為2.4 MS/s的24通道ADC,，具有136個快速IO口以及多種外設,，包括：3個I2C,、4個USART，3個SPI和2個CAN接口等,，完全滿足本電子控制系統(tǒng)設計需求,。

　　2.2 信號調(diào)理電路設計

　　2.2.1 電壓信號調(diào)理電路

　　由于熱電偶輸入信號約為40.6 屬于極其微弱的電壓型信號[12]，因此要求運放電路具有非常高的增益,，同時對共模抑制比,、電源抑制比、輸入阻抗等性能參數(shù)要求也很高,。一般的運放輸入失調(diào)電壓為毫伏級,，失調(diào)電壓溫漂在10 左右，雖然可以通過額外電路補償降低失調(diào)電壓,，但仍無法解決失調(diào)電壓溫漂帶來的測溫誤差,，這會嚴重影響熱電偶的測溫精度。所以本文選用德州儀器的一款精密運放作為前級運放,，其輸入失調(diào)電壓1.8 失調(diào)電壓溫漂只有0.05 ,，設計采用精密儀表運放電路作為信號前級，最終熱電偶測溫分辨率達到0.01 ℃,。

　　2.2.2 電流信號調(diào)理電路

　　設計電流信號調(diào)理電路如圖5所示,，選擇精密運放以及匹配的電容電阻組成二階濾波電路，實現(xiàn)信號調(diào)理,。

圖5  電流信號調(diào)理電路示意圖

　　由于電流信號無法直接進行AD轉(zhuǎn)換,，所以設計通過電阻R1將4~20 mA電流信號轉(zhuǎn)換成0.6~3 V電壓，D1為鉗位二極管組,，防止瞬間過壓進行電壓鉗位，以保護電路正常工作,。

　　2.3 控制電路設計

　　控制電路的設計方案分為開關控制和脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation,，PWM）控制。開關控制即使能控制,，可簡單滿足執(zhí)行器開和關狀態(tài)切換,；PWM控制即功率控制，通過不同占空比PWM控制輸出不同電壓,，進而控制輸出功率,。

3 電控系統(tǒng)軟件設計

　　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LabVIEW實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時采集,、處理,、顯示和存儲，并對執(zhí)行器進行精確,、有效控制,。

4 電控系統(tǒng)驗證

　　圖7為電控系統(tǒng)實物圖,，測試實驗在室溫下進行。為了保證實驗過程中測溫數(shù)據(jù)可靠,，避免系統(tǒng)自然散熱產(chǎn)生的溫度誤差,，測溫點附近全部采用發(fā)泡EVA材質(zhì)的保溫棉進行保溫，提高數(shù)據(jù)可靠性,。測試實驗包括加熱穩(wěn)定性測試和溫控準確性測試,。測試過程溫度采集數(shù)據(jù)如圖 8、圖9所示,。

圖7  電控系統(tǒng)實物圖

　　從圖8可以看出,，初始階段系統(tǒng)加熱較慢，導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，說明系統(tǒng)整體加熱穩(wěn)定性較好,。圖9表明,，在各個控溫點，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度的控制,，達到穩(wěn)定后能將溫度控制在控溫目標范圍0.5 ℃內(nèi),，控溫波動整體較小。

　　(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)定性測試

圖9  控溫準確性測試

5 結語

　　針對空間兩相流體回路實驗,，通過總體設計,、硬件設計、軟件設計和系統(tǒng)聯(lián)調(diào),，完成了基于LabVIEW的地面驗證電控系統(tǒng)的設計和開發(fā),。該系統(tǒng)有效完成了對兩相流體回路系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)的實時測量、分析,、記錄,、保存以及對回路系統(tǒng)溫度的精確快速控制。在實際平臺聯(lián)調(diào)過程中,，電控系統(tǒng)運行正常,，控制測量精度高。

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