一种适用于冻土试验的变温控制系统及控温方法技术方案

本发明专利技术公开了一种适用于冻土试验的变温控制系统及控温方法，此系统包括控温执行系统、控温操作系统、冷却水供给系统。本发明专利技术控温系统使用半导体片作为冷源，替代传统的冷浴制冷，克服了机械制冷技术普遍存在的温度损失和控温滞后导致的变温控制精度不高的问题，并且有效的控制了设备的体积，降低了试验设备成本；该系统可实现高精度的线性控温、正弦控温、组合控温等控温目标，可广泛应用于各种冻土试验仪器中，如冻三轴仪、冻直剪仪、冻胀仪等等。

A variable temperature control system and method for frozen soil test

【技术实现步骤摘要】
一种适用于冻土试验的变温控制系统及控温方法
本专利技术属于程序控温系统领域，具体涉及一种适用于冻土试验的变温控制系统及控温方法。
技术介绍
冻土试验是指导冻土工程的基础性试验，如冻融特性试验、冻结温度试验、冻土强度试验等，对于评价冻土场地的承载能力、冻土边坡或其他结构物稳定性起着关键作用。而对于试验设备来说，控温系统是保证试验数据质量的核心部件。当前冻土试验装置的控温系统多使用以压缩机为代表的机械制冷技术，但该项制冷技术存在设备体积大、成本高、控温难度大、控温精度不足的问题，特别是对于变温控制条件下，机械制冷需要传热介质，由此导致温度损失和控温滞后等问题。所以将新型制冷技术应用于冻土试验中，研发适用于冻土试验的新型高精度变温控制系统是当前冻土试验领域亟待解决的问题。在冻土试验中，当前广泛采用的控温系统控温的核心部件为压缩机，控温介质为酒精、乙二醇等冷却液，控温过程为：(1)设定目标温度；(2)温度传感器监测冷却液温度，并将数据传回温度控制器；温度控制器根据目标温度和监测温度确定压缩机的输出功率；(3)压缩机按照温度控制器确定的功率运行，直至达到目标温度。通过整个控温过程可以发现整个控温系统是依靠控制控温介质的温度间接控制试样的温度，即温度传感器监测的是冷却液的温度而非试样的温度。在冷却液的泵送过程中存在温度损失，并且在变温控制过程中此间接控温过程会存在响应滞后，从而带来较大控温误差，影响试验数据质量。因此需要改进控温技术，避免现有控温技术的温度损失、变温控制滞后的问题。另外，在生物、化学试验领域也有类似的控温装置，所用的制冷技术包括机械制冷(如压缩机制冷)、半导体制冷。其中半导体制冷是一种新兴的制冷技术。与传统的冷却液制冷技术相比，半导体制冷技术可有效避免机械制冷依靠介质间接控温的问题，从而杜绝了控温过程中的温度损失和变温控制响应滞后。但由于生物、化学试验领域的试验环境多为恒温环境，所构建的半导体制冷控温系统多适用于恒温控制。由此可见，将半导体制冷技术与变温控制算法相结合，研发冻土试验的变温控制系统可极大的促进冻土试验水平的提高。通过上述分析可知，现有冻土试验中的控温技术的缺点包括：(1)机械制冷在控温过程中需要控温介质，由此导致温度损失的问题，如文献“青藏粉质黏土单向冻结冷生构造发育及冻胀发展过程试验研究”(王永涛,王大雁,马巍,等.青藏粉质黏土单向冻结冷生构造发育及冻胀发展过程试验研究[J].岩土力学,2016,37(5))记录了使用专利201310216526.9所述装置，设定温度为-13℃时，实际达到的温度仅有-9.88℃，温度损失达到了24％，由此对试验结果带来不可控的误差；(2)当前试验装置的成本高、能耗高。以土体的冻胀特性试验为例，若使用机械制冷，需要两台低温冷却液循环泵和一台恒温箱，达到±0.1℃控温精度的控温装置其试验成本超过20W元。并且试验过程中由于是使用冷却液间接控温，导致绝大部分制冷功率都用于维持冷却液温度，而并未有效的用于试样的控温，由此使得试验的能耗大；(3)当前试验设备的变温能力不足，变温控制精度普遍不高。一方面由于机械制冷控温在变温控制过程中存在较大响应滞后，另一方面未能有效的挖掘其他制冷技术(如半导体制冷技术)的变温控制能力并应用到冻土试验领域。
技术实现思路
为了解决当前冻土试验控温系统存在的变温控制能力不足、温度损失和变温响应滞后、能耗大、成本高等问题，本专利技术提出了一种适用于冻土试验的变温控制系统及控温方法，具体是通过以下技术方案来实现的：一种适用于冻土试验的变温控制系统，包括控温执行系统(1)、控温操作系统(2)、冷却水供给系统(3)；所述控温执行系统(1)包括半导体制冷芯片(4)、蓄冷块(5)、水冷头(6)，所述半导体制冷芯片(4)包含冷面和热面，所述半导体制冷芯片(4)的冷面和热面分别与蓄冷块(5)和水冷头(6)紧贴；所述控温操作系统(2)包括上位机(7)、下位机(8)、电源(9)、温度传感器(10)，所述上位机(7)和下位机(8)通过数据线(13)连接，所述半导体制冷芯片(4)与下位机(8)电连接，所述温度传感器(10)通过信号线(11)与下位机(8)相连，所述电源(9)通过电源线(12)与下位机(8)相连；所述冷却水供给系统(3)包含储水箱(15)、水泵(16)、输水管(17)、冷却水控温盘管(18)、制冷机(19)和冷却液输送管(14)，所述水泵(16)和冷却水控温盘管(18)置于储水箱(15)内，所述水泵(16)通过输水管(17)与水冷头(6)相连，所述冷却水控温盘管(18)通过冷却液输送管(14)与制冷机(19)相连。进一步的，所述半导体制冷芯片(4)的冷面和热面与蓄冷块(5)和水冷头(6)通过在表面均匀涂抹硅脂贴合。进一步的，所述半导体制冷芯片(4)形状为矩形、圆形、圆环中的一种。一种适用于冻土试验的控温方法，具体包括以下步骤：步骤a、将半导体制冷芯片(4)的冷面和热面与分别和蓄冷块(5)和水冷头(6)紧贴，上位机(7)和下位机(8)通过数据线(13)连接，半导体制冷芯片(4)与下位机(8)电连接，温度传感器(10)通过信号线(11)与下位机(8)相连，电源(9)通过电源线(12)与下位机(8)相连，水泵(16)和冷却水控温盘管(18)置于储水箱(15)内，水泵(16)通过输水管(17)与水冷头(6)相连，冷却水控温盘管(18)通过冷却液输送管(14)与制冷机(19)相连。步骤b、在上位机(7)中设置PID控制算法的控制参数F(φ)，单节点神经网络的初始参数通过随机矩阵R(δ)生成，编辑控温时程函数T(t)，并将F(φ)、R(δ)、T(t)传输给下位机(8)；步骤c、下位机(8)通过控温探头采集温控对象的tk时刻的温度数据T0(tk)，根据上位机(7)的指令，将采集的温度、设定温度T(tk)和误差ΔT输入单节点神经网络，单节点神经网络优化调节PID控制算法的控制参数F(φ)，并将优化后的控制参数F’(φ)输入PID控制算法，然后执行PID控温计算得到tk时刻刻的调节功率u(tk)，并根据调节功率u(tk)控制制冷芯片的输出电压V(tk)；步骤d、控温执行系统(1)在下位机(8)的电压控制下实现制冷、产热量的实时调整，当误差大于允许误差范围时重复执行步骤c，当误差小于允许误差范围时执行步骤e；步骤e、执行下一时刻tk+1的控温计算，并重复步骤(b)-步骤(c)。进一步的，所述PID控制函数u(k)取增量式：Δu(k)＝kp(e(k)-e(k-1))+kie(k)+kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))进一步的，所述单节点神经网络采用有监督的Hebb学习规则：Δωij(k)＝η(dj(k)-oj(k))oj(k)oi(k)，其中，Δωij(k)为i神经元和j神经元之间的权重系数，η为学习效率，dj(k)为k时刻目标值，oj(k)为k时刻输入值，oi(k)为k时刻输出值。进一步的，结合了单节点神经网络的PID的控制算法为：<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于冻土试验的变温控制系统，其特征在于，包括控温执行系统(1)、控温操作系统(2)、冷却水供给系统(3)；/n所述控温执行系统(1)包括半导体制冷芯片(4)、蓄冷块(5)、水冷头(6)，所述半导体制冷芯片(4)包含冷面和热面，所述半导体制冷芯片(4)的冷面和热面与分别和蓄冷块(5)和水冷头(6)紧贴；/n所述控温操作系统(2)包括上位机(7)、下位机(8)、电源(9)、温度传感器(10)，所述上位机(7)和下位机(8)通过数据线(13)连接，所述半导体制冷芯片(4)与下位机(8)电连接，所述温度传感器(10)通过信号线(11)与下位机(8)相连，所述电源(9)通过电源线(12)与下位机(8)相连；/n所述冷却水供给系统(3)包含储水箱(15)、水泵(16)、输水管(17)、冷却水控温盘管(18)、制冷机(19)和冷却液输送管(14)，所述水泵(16)和冷却水控温盘管(18)置于储水箱(15)内，所述水泵(16)通过输水管(17)与水冷头(6)相连，所述冷却水控温盘管(18)通过冷却液输送管(14)与制冷机(19)相连。/n

【技术特征摘要】
1.一种适用于冻土试验的变温控制系统，其特征在于，包括控温执行系统(1)、控温操作系统(2)、冷却水供给系统(3)；
所述控温执行系统(1)包括半导体制冷芯片(4)、蓄冷块(5)、水冷头(6)，所述半导体制冷芯片(4)包含冷面和热面，所述半导体制冷芯片(4)的冷面和热面与分别和蓄冷块(5)和水冷头(6)紧贴；
所述控温操作系统(2)包括上位机(7)、下位机(8)、电源(9)、温度传感器(10)，所述上位机(7)和下位机(8)通过数据线(13)连接，所述半导体制冷芯片(4)与下位机(8)电连接，所述温度传感器(10)通过信号线(11)与下位机(8)相连，所述电源(9)通过电源线(12)与下位机(8)相连；
所述冷却水供给系统(3)包含储水箱(15)、水泵(16)、输水管(17)、冷却水控温盘管(18)、制冷机(19)和冷却液输送管(14)，所述水泵(16)和冷却水控温盘管(18)置于储水箱(15)内，所述水泵(16)通过输水管(17)与水冷头(6)相连，所述冷却水控温盘管(18)通过冷却液输送管(14)与制冷机(19)相连。


2.根据权利要求1所述的一种适用于冻土试验的变温控制系统，其特征在于，所述半导体制冷芯片(4)的冷面和热面与蓄冷块(5)和水冷头(6)通过在表面均匀涂抹硅脂贴合。


3.根据权利要求1或2所述的一种适用于冻土试验的变温控制系统，其特征在于，所述半导体制冷芯片(4)形状为矩形、圆形、圆环中的一种。


4.一种适用于冻土试验的控温方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤a、将半导体制冷芯片(4)的冷面和热面与分别和蓄冷块(5)和水冷头(6)紧贴，上位机(7)和下位机(8)通过数据线(13)连接，半导体制冷芯片(4)与下位机(8)电连接，温度传感器(10)通过信号线(11)与下位机(8)相连，电源(9)通过电源线(12)与下位机(8)相连，水泵(16)和冷却水控温盘管(18)置于储水箱(15)内，水泵(16)通过输水管(17)与水冷头(6)相连，冷却水控温盘管(18)通过冷却液输送管(14)与制冷机(19)相连。
步骤b、在上位机(7)中设置PID控制算法的控制参数F(φ)，单节点神经网络的初始参数通过随机矩阵R(δ)生成，编辑控温时程函数T(t)，并将F(φ)、R(δ)、T(t)传...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建经，周永毅，李思江，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51