一种基于记忆合金的无源低成本多温度阶梯自控装置设计

2023-07-04邹月江曾潮旭徐会凯

仪器仪表用户 2023年8期

邹月江，曾潮旭，徐会凯

（1.山东港口青岛港供电有限公司，山东青岛 266012；2.成都理工大学核技术与自动化工程学院，成都 610059）

0 引言

近年来，温控系统在工业生产、日常生活以及科学实验等多个领域应用越来越广泛，各行各业对温控装置的需求也越来越多[1,2]。温控技术分为高精度温度控制系统和温控开关系统。传统的温控开关系统工作原理一般由温度传感器对环境温度或设备温度进行检测，当所测温度高于或低于所设定的温度时，温度控制系统电路控制加热器或制冷器或散热风扇工作，直到达到设备所需正常温度，再由温控系统电路控制加热器或制冷器停止工作。目前，电子式温控开关模块大多采用“模数转换芯片+单片机”的方式实现温度开关的逻辑控制，需要进行嵌入式软件的设计开发，存在开发周期长的缺点[3,4]。形状记忆合金（Shape Memory Alloy，简称SMA）具有能够记住其原始形状的功能[5]，即形状记忆合金具有形状记忆效应[6]，可以在高于奥氏体化温度As 的环境下将形状记忆合金体制成第一形状、目标形状或初始状态。接着，在温度低于奥氏体温度As 的环境下，将形状记忆合金体塑性形变而形成第二形状（或称为塑性形状）[7]。如果再将形状记忆合金加热到奥氏体化温度As 以上的温度，形状记忆合金将形变恢复成预设形状。本文针对现有温控开关装置的不足，利用记忆合金在不同温度下改变形状时产生的驱动力，设计了一种无源低成本多温度阶梯自控装置。

1 现有温控装置介绍

侯盼卫等采用铂电阻型温度传感器PT100 采集环境温度，可通过调整比较器输入端的阈值电压设置温度的上下限阈值，比较器和D 触发器实现温控开关的逻辑控制[8]。

温控开关电路系统框图如图1 所示。其中，电压基准源产生持续稳定的电压基准，而温度传感器中的电阻变化通过电桥电路转化为电压信号后输出。该信号再由放大电路放大，然后经由比较电路使之与设定完成的上下阈值作比较，比较结果以数字信号的形式输出再由逻辑判断电路判断，最后由执行电路根据逻辑判断电路的输出控制加热器工作。

图1 温控开关电路系统框图Fig.1 Temperature control switch circuit system block diagram

李文华等采用STC89C52 单片机作为控制器，采用精度较高，偏差小于1k 的数字式温度传感器DS18B20 作为温度测量芯片，直接向单片机传输数字信号，通过控制三极管对继电器进行控制进而控制加热装置开启与关闭。电源电路先通过变压器、整流桥将交流220V 电压转换为直流12V，再通过7805 芯片将直流12V 转换为直流5V，供系统电路使用。现有温控系统采用温度传感器与继电器必然需要低压控制电源，使得温度控制系统在某些环境下的构建太过繁琐，大大提高了温度控制的成本并降低了可靠性。

2 基于记忆合金的温度自控装置设计

2.1 镍钛记忆合金

Ni-Ti 合金具有形状记忆特性好、金属耐疲劳特性强、金属强度高、生物相容性优异等优点，Ni-Ti 合金的形变温度、形变范围和形变应力都可以根据需要训练调节，形变温度精度可以控制在±1℃以内，形变力可以设计达到几N牛到几千N 牛，已在工业、医学、航天、建筑等许多领域获得广泛应用。一般的金属在作用力使其形变超过屈服点后无法恢复，而镍钛合金在高温下成型，冷却至低温并使其形变后再恢复高温，则金属会形变到原本高温下的形态，具有形状记忆效应。镍钛记忆合金有3 种：单程记忆合金、双程记忆合金、全程记忆合金。其中，单程记忆合金的记忆效应只存在于加热过程，即在较低温度下变形后可以在加热过程中恢复原有形状。双程记忆合金是在加热时恢复高温时的形状，在冷却时恢复低温时的形状。全程记忆合金在加热时恢复高温时的形状，在冷却时得到形状相同取向相反的低温相形状[9]。形状记忆效应种类见表1。

表1 形状记忆效应种类Table 1 Types of shape memory effect

本设计欲达到的效果为开关柜内温度升高到预定值时，形状记忆合金长度缩短使动触头与静触头接触，启动散热风扇运行，而在温度降低到阈值之下时，形状记忆合金弹簧长度复原使动静触头分离，即SMA 弹簧在温度上升时要求膨胀伸长变成马氏体相，降温后恢复形变回到奥氏体相。因此，选用双程记忆合金制作测量和控制记忆合金弹簧。

2.2 机械结构设计

本文设计了一种由记忆合金弹簧、传动机构、开关机构、绝缘外壳组成的自控装置。记忆合金弹簧沿轴向与传动机构连接，传动机构的动作由记忆合金弹簧的伸缩控制，开关机构的分合状态由传动机构控制。传动机构包括传动杆、复位弹簧、蓄力弹簧。传动杆为传动装置与记忆合金弹簧物理接触，复位弹簧的作用在于在记忆合金弹簧带动传动机构动作后，将传动机构复位至起始状态，蓄力弹簧的作用在于为传动机构提供一定的动作应力。开关机构包括动触头与静触点，其中动触头为簧片的形式，至少控制一个常闭触点和一个常开触点的动作。绝缘外壳为所有机构的支撑体，且带有卡扣联组结构，可通过该结构进行多装置联组使用。

温度自控装置初始状态结构如图2 所示。其中，1 为记忆合金弹簧，2 为传动杆，3 为复位弹簧，4 为簧片，51、52 为蓄力弹簧，61、62、63、64 为静触头，7 为绝缘外壳。

图2 初始状态结构示意图Fig.2 Schematic diagram of initial state structure

2.3 工作原理

形状记忆合金弹簧可以通过合适的可调节结构与传动机构连接，如图2 中通过将一端固定于绝缘外壳，另一端与传动杆上的螺帽凸起结构相连接，通过调节螺帽凸起的温度，可以改变装置的动作温度。例如，螺帽若将记忆合金弹簧的初始长度压缩至较短，则温度限位较低；若将记忆合金弹簧的初始长度压缩至较长，则温度限位较高。

传动杆与蓄力弹簧51、52 通过转轴结构连接，当传动杆发生轴向位移时，蓄力弹簧的力会随之变化，实现传动机构的动作。蓄力弹簧通过转轴结构与簧片连接。当记忆合金弹簧随着温度升高发生长度伸长的变化时，会带动传动杆发生位移，进而使蓄力弹簧的轴方向及其轴力发生变化。当蓄力弹簧的轴方向与簧片长度方向在同一条直线上时，蓄力弹簧的蓄力达到最大。蓄力弹簧的最大蓄力以及簧片与触点61、62、63、64 的接触面积由所需控制电路的最大电流值设定。

若记忆合金弹簧继续伸长，如图3 所示，则在传动杆位移作用下，蓄力弹簧将反方向释放储能，将簧片与静触头61、63 分离并与静触头62、64 接触，实现常闭触点断开，常开触点闭合，即开关机构的动作，装置状态由图2变化至图3。

图3 动作状态结构示意图Fig.3 Schematic diagram of action state structure

当温度下降时，在记忆合金弹簧与复位弹簧的共同作用下，传动杆将逐渐恢复至初始位置，过程中蓄力弹簧将再次重复蓄力到释放的动作，进而使得簧片再次与静触点61、63 接触，如图2 所示，实现传动机构及开关机构的复位，装置状态由图3 变化至图2。

上述过程为单个温度自控装置的动作过程，若将多个单装置通过外壳上的联组结构联组使用，即可实现多温度阶梯控制，3 个单装置联组使用如图4 所示，可实现三阶温度阶梯控制。

图4 3个单装置联组使用示意图Fig.4 Schematic diagram of three single device combinations

为确保温度检测准确，SMA 温控装置仍安装于开关柜原温度传感器处，选用的SMA 弹簧在温度70℃±1℃时形变，形状记忆合金弹簧动作时提供的应力大于使复位弹簧收缩的弹力。经测量要使动触点与静触点稳定接触，SMA弹簧受热形变伸长后长度大于25 mm，用拉力计测试SMA弹簧应力见表2。

表2 SMA弹簧应力测试结果Table 2 SMA Spring stress test results

根据表2 数据，要使动触点与静触点稳定接触，所需平均应力应为8.5N。为确保SMA 温控系统稳定工作，则应力不应小于8.9N。据此定制了4 个档位的SMA 弹簧。

根据本设计制作的简易样品，在安装有3 个散热风扇的10kV 大容量（4000A）开关柜上进行了试验验证。将联组后的温控系统串接于开关柜内3 个散热风扇的开关与电源之间，对应3 个档位，再将第四组温控开关串接于安装在高电压实验室开关柜主断路器内部左侧的分励脱扣器控制线两端。模拟测试时，在开关柜底部铺设4 组电热丝，由外部电源控制电热丝逐级开启来实现开关柜内4 个阶段的温升。由温度自控装置根据开关柜内温度控制开关柜3个散热风扇的投切。温控装置分为3 个档位，当温控系统安装处温度达到50℃时开启一个风扇，当柜内温度达到55℃时开启2 个风扇，当温度达到60℃时开启3 个风扇。设计当柜内温度超过65℃时，第四组温控开关的记忆合金弹簧形变达到最大，动触点与62、64 号静触点接触后导通分励脱扣器线圈，使得开关柜主断路器分闸来保护设备及人员安全。安装在开关柜内的简易样品如图5 所示。