基于PLIF的液膜測溫系統(tǒng)設(shè)計*

薛 婷， 張 濤， 張尚臻

(1.天津大學(xué) 電氣自動化與信息工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津市過程檢測與控制重點實驗室，天津 300072)

0 引 言

液膜具有高傳熱傳質(zhì)效率以及低消耗特性，無論在大型蒸發(fā)器[1，2]的蒸發(fā)過程或是微電子器件的冷卻過程中都有著重要應(yīng)用。清晰了解液膜內(nèi)的流動過程和傳熱特性對于改進(jìn)工業(yè)設(shè)備結(jié)構(gòu)、提高設(shè)備性能以及預(yù)測預(yù)防設(shè)備積熱損壞等方面具有重要作用，液膜溫度場是分析其傳熱性能的關(guān)鍵參量，因此關(guān)于測量液膜溫度場的相關(guān)研究具有非常重要的實際意義。目前，國內(nèi)外對液膜溫度的測量方式主要通過在液膜附近放置多個熱電偶或熱電阻[3～5]，但會對液膜溫度場產(chǎn)生干擾，且只能觀察單點或有限個測量點的溫度，無法得到液膜整體溫度場信息以及傳熱過程中的溫度分布。

本文基于平面激光誘導(dǎo)熒光(planar laser-induced fluorescence,PLIF)測溫[6,7]與高速攝影技術(shù)，構(gòu)建了PLIF液膜測溫系統(tǒng)，以UCOS II操作系統(tǒng)與UCGUI為框架，對ARM控制軟件編程實現(xiàn)。標(biāo)定PLIF測溫系統(tǒng)，根據(jù)標(biāo)定曲線對液膜進(jìn)行溫度場測量，并進(jìn)行測溫誤差分析。

1 PLIF測溫原理

根據(jù)熒光強(qiáng)度公式可知當(dāng)熒光劑溶液溫度升高時，量子效率φ值減小，熒光強(qiáng)度I減小，其他量均與溫度無關(guān)。

2 基于PLIF的液膜測溫系統(tǒng)設(shè)計

如圖1所示，基于PLIF技術(shù)的液膜測溫系統(tǒng)主要包括3部分：液膜形成裝置,高速圖像采集系統(tǒng),溫控系統(tǒng)。

液膜形成裝置主要包括：規(guī)格為300 m×300 m×300 m的蓄水箱；內(nèi)徑25 mm，外徑35 mm，長2.5 m的有機(jī)玻璃透明管道；水泵以及連接管道。此裝置主要通過溢流原理形成循環(huán)流動的自由降膜，即被測對象。

高速圖像采集系統(tǒng)包括高速相機(jī)(Minivis E2,分辨率和幀頻可調(diào))、定焦鏡頭(35 mm)、三腳架、濾光片(窄帶濾光(570±8) nm，透過率>45 %)、激光器(532 nm,105 mW連續(xù)片狀激光)以及計算機(jī)。溶解有羅丹明B溶劑的自由降膜經(jīng)532 nm激光激發(fā)后會產(chǎn)生610 nm左右波長的橙色熒光，高速相機(jī)可捕獲液膜的熒光圖像，其中包含有液膜的熒光強(qiáng)度信息，采集系統(tǒng)實現(xiàn)整個測溫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。

圖1 測溫系統(tǒng)示意

2.1 溫控系統(tǒng)硬件設(shè)計

溫控系統(tǒng)主要包括鉑電阻(Pt1000)、溫度變送器、加熱管、固態(tài)繼電器以及ARM控制平臺。

溫度檢測部分由Pt1000和溫度變送器組成，Pt1000采用防水封裝，三線制接入變送器。溫度變送器可將0～120 ℃的溫度信號轉(zhuǎn)換為4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號，測溫精度為(0.15+0.002|t|)℃，一般可達(dá)到±0.2 ℃以內(nèi)。

溫度設(shè)定控制部分主要由ARM控制平臺實現(xiàn)。該平臺搭載的單片機(jī)(micro-controller unit,MCU)為基于Cortex—M3內(nèi)核的STM32F103ZE，其中集成了快輸入/輸出(I/O)端口,DMA,A/D轉(zhuǎn)換器、可變靜態(tài)存儲控制器(flexible static memory controller,FSMC)以及常用的通信接口等。此外，控制平臺在芯片外部集成了許多外設(shè)，如用于人機(jī)交互的3.5 in(1 in=2.54 cm)薄膜晶體管(thin-film transistor,TFT)電阻觸摸屏、用于擴(kuò)展存儲的SPI FLASH、無線模塊接口等。

水槽加熱部分主要包括固態(tài)繼電器和加熱管。根據(jù)蓄水箱的體積、水的比熱容、升溫速度等參數(shù)，定制了額定功率為2 kW的不銹鋼加熱管，總長280 mm，發(fā)熱段長150 mm。固態(tài)繼電器輸入端接收ARM控制平臺的控制信號， 輸出端直接驅(qū)動加熱管，實現(xiàn)了控制端與負(fù)載端的隔離。STM32的I/O高電平輸出電壓為3.3 V，拉電流最大為25 mA，選取的固態(tài)繼電器的控制直流電壓為3～32 V，控制電流為5～20 mA。加熱管額定功率為2 kW，所以負(fù)載電流為10 A左右，選取的固態(tài)繼電器負(fù)載直流電壓為12～220 V，輸出電流為25 A(大于10 A即可)。

溫控系統(tǒng)原理如圖2所示，為一個標(biāo)準(zhǔn)的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，設(shè)定比較環(huán)節(jié)由ARM控制器完成，反饋環(huán)節(jié)由Pt1000溫度傳感器完成，執(zhí)行環(huán)節(jié)由加熱管完成。具體的溫度測控過程如下：

1)Pt1000測得的0～120 ℃溫度信號由溫度變送器轉(zhuǎn)換為0～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號。

2)電流信號經(jīng)過150 Ω的精密電阻器轉(zhuǎn)換為0～3 V的電壓信號。

3)STM32芯片內(nèi)部集成12位A/D轉(zhuǎn)換功能，經(jīng)由AD/PA1，將0～3 V的電壓信號轉(zhuǎn)換為0～4 096的整型數(shù)據(jù)保存到芯片中。

4)多次重復(fù)步驟(3)，整型數(shù)據(jù)取均值并計算溫度值(線性關(guān)系)。

5)比較設(shè)定與測得的溫度值，若未達(dá)到設(shè)定溫度值，STM32的PB5置為高電平，固態(tài)繼電器的輸出口導(dǎo)通，啟動加熱管；否則，PB5置為低電平，加熱管停止加熱。

圖2 溫控系統(tǒng)原理

2.2 溫控系統(tǒng)ARM軟件設(shè)計

ARM控制平臺的主要用于溫控系統(tǒng)的控制器，實現(xiàn)溫度信號的接收轉(zhuǎn)換、設(shè)定溫度基準(zhǔn)值、溫度檢測值與設(shè)定值的比較、加熱器的開啟與關(guān)閉以及其他相關(guān)功能，而嵌入ARM芯片中程序的設(shè)計編寫是實現(xiàn)這些功能的核心內(nèi)容。圖3所示為 ARM程序框架圖，該程序主要包括4個部分：程序初始化、硬件驅(qū)動、基于UCOS II多任務(wù)設(shè)計、基于UCGUI的人機(jī)交互操作。

圖3 ARM程序框架

UCOS II采用多任務(wù)機(jī)制，可以將整個應(yīng)用程序功能化整為零，即每一個任務(wù)完成一項功能，使整個程序結(jié)構(gòu)清晰明了，由于其搶占特性，還會減少CPU的空轉(zhuǎn)，提高程序的實時性以及CPU使用效率。

程序運行部分主要包括8個任務(wù)：啟動任務(wù)；屏幕刷新、觸摸檢測任務(wù)；LED控制任務(wù)；Pt1000溫度檢測計算顯示任務(wù)；DS18B20溫度檢測顯示任務(wù)；溫度控制任務(wù)；串口接收發(fā)送任務(wù)；定時任務(wù)。其中溫度控制任務(wù)的程序流程如圖4，首先判斷是否開啟溫度設(shè)定功能，若開啟則求取設(shè)定溫度值與實際溫度值差值。如果差值大于0.5，則打開加熱器；如果差值小于等于0.5，則關(guān)閉加熱器。閾值設(shè)為0.5(非0)為根據(jù)實際多次測試得到的經(jīng)驗值，是因為加熱管停止加熱后，暫時還處于高熱量狀態(tài)，仍能對蓄水箱內(nèi)溶液進(jìn)行加熱，若在設(shè)定溫度和實際溫度相同時才停止加熱，蓄水箱內(nèi)溶液溫度很快會升溫到設(shè)定溫度以上，從而產(chǎn)生較大誤差。

圖4 溫度控制程序流程

本文通過累加量記錄比較結(jié)果的持續(xù)時間，只有大于一定閾值，才進(jìn)行相應(yīng)判定。因為溫度的升溫時間遠(yuǎn)大于溫度保持閾值，所以這種略有延遲的判定并不會影響實際設(shè)定結(jié)果，同時避免了通過單次比較值控制加熱器，導(dǎo)致加熱器的頻繁通斷，不僅保護(hù)了加熱器，一定程度上使溫度設(shè)定結(jié)果更優(yōu)。

圖5所示為ARM控制平臺的3.5 in TFTLCD，顯示內(nèi)容為基于UCGUI圖形接口的溫控系統(tǒng)人機(jī)交互界面，主要由FRAMEWIN框架窗口控件、BUTTON按鈕控件和TEXT文本控件組成,5組文本控件分別用于顯示Pt1000測得的實際溫度值、DS18B20測得的實際溫度值、設(shè)定溫度值、設(shè)定狀態(tài)、加熱器狀態(tài)。3組BUTTON按鈕控件分別用于設(shè)定溫度值增減、設(shè)定狀態(tài)開啟和關(guān)閉、加熱器打開和關(guān)閉。

圖5 溫控系統(tǒng)人機(jī)交互界面

START按鈕可用于強(qiáng)制打開加熱器(并關(guān)閉設(shè)定狀態(tài))，可以進(jìn)行手動調(diào)節(jié)蓄水箱溶液溫度。

3 液膜測溫實驗

首先，對測溫系統(tǒng)進(jìn)行溫度標(biāo)定，基于ARM控制平臺改變溫度設(shè)定值，獲取不同標(biāo)準(zhǔn)溫度的自由降膜。具體溫度范圍為28～55 ℃，間隔為1 ℃，待降膜溫度穩(wěn)定，高速相機(jī)采集對應(yīng)溫度的液膜熒光圖像，對溫度和從熒光圖像中提取的熒光強(qiáng)度進(jìn)行最小二乘線性擬合，擬合結(jié)果如圖6。

圖6 標(biāo)定結(jié)果(溫度—熒光強(qiáng)度曲線)

擬合直線方程為y=-0.037x+2.016，擬合標(biāo)準(zhǔn)差RMSE=0.018 01，確定系數(shù)R2=0.996 7。標(biāo)定直線對數(shù)據(jù)的擬合效果非常好，以均方根誤差計算滿量程相對誤差僅為1.8 %。

根據(jù)標(biāo)定曲線與待測液膜熒光圖像，可以計算得到液膜的溫度場分布，如圖7所示。

圖7 液膜溫度場分布

將PLIF測得的液膜溫度值與Pt1000測得的液膜溫度值進(jìn)行對比，可得到PLIF測溫的相對誤差，其測溫最大相對誤差為2 %，平均相對誤差僅為1.22 %。

4 結(jié) 論

依據(jù)PLIF測溫原理設(shè)計基于PLIF的液膜測溫系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明:PLIF液膜測溫系統(tǒng)的測溫準(zhǔn)確性較高，為液膜傳熱研究領(lǐng)域提供了一種非侵入、高時空分辨率的溫度場測量手段。