Vescent SLICE-QTC温控器在大型热负载的具体应用

1）简介

SLICE-QTC温度控制器是Vescent Photonics研发的新品，在锥形放大器、二极管控温、TEC或加热薄膜亚mK级别控温等领域有着广泛的应用。

它拥有四个独立的PID伺服回路滤波通道，可以同时控制多达四个热负载，在长时间内始终保持着亚mK级别的高稳定性。每个通道提供20W的功率(总共最多分配40W)。本文以客户实际使用SLICE-QTC单通道基于加热薄膜稳定大型热负载为例，展示它伺服回路的能力。

2)实验

本实验设计大型热负载是尺寸为15cm×30cm×2cm的光学面包板，其表层与加热薄膜接触处填涂有导热胶。热敏传感器采用热敏电阻(Beta= 3450, R= 26.5 kQ at 23C)。装配关系如图1所示，加热薄膜由如图2所示的SLICE-QTC温度控制器控制。为了获得稳定的温度变化，必须将热负载及加热薄膜与周围环境隔离。因此，它整体被包裹在3层3mm厚的聚乙烯泡沫中。

SLICE-QTC使用PID数字连续波环路滤波器(非脉宽调制)处理温度误差信号，基于比例、积分和微分增益原理，使用Ziegler-Nichols方法（https://www.vescent.com/manuals/doku.php?id=slice:z-n）确定最佳环路参数为G_prop=6, PI=18.7, PD =4.68。

在室温22.3℃的情况下，设定被控温度为27.5°C，伺服回路最初执行大约400 mA的电流来使得温度到达设定值。从回路初始温度22.3℃控温开始到27.5℃稳定所需时间大约为185 s。由于加热器内部为50Ω的高电阻，则励磁涌流受到了SLICE-QTC最大顺应电压20V的限制，因此如果的电阻加热器的阻值更低，则会表现出更快的稳定时间。如图3所示，展示了SLICE-QTC自开始波动至稳定时的屏显温度误差随时间变化的图像。

图3 稳定过程-温度误差随时间的函数关系

如图4所示，在稳定状态下，PID回路使得热负载的温度RMS偏差为0.33mK。4小时内的稳定性是相同的。

图4 稳定后-温度误差随时间的函数关系

3）总结

为了获得更好的热稳定性，加热薄膜与负载的设计方案是极其重要的。例如，为了加热薄膜免受环境温度波动的影响。如果没有聚乙烯做包裹，则上方的气流可能使得控温稳定性降低。因此主要的设计考虑包括:

1. 适当使用绝缘材料，如聚乙烯泡沫等。

2. 选择合适的传感器，尽可能接近热负载并保持良好的热接触。

3. 让加热薄膜的尺寸尽可能的小。

4. 保持环境温度尽可能稳定。

7. 避免接地回路，屏蔽连接电缆，传感器连接使用高质量箔屏蔽导线。

8. 使用低电阻加热器和TEC来避免电压限制传感器，确保足够的电流和功率传送到SLICE-QTC通道。

本案例以电阻式加热薄膜作为加热器，热敏电阻作为传感器，使用SLICE-QTC作为伺服回路滤波器温控器，对热负载进行温度稳定。在0.33 mK的温度误差范围内，采用闭环均方根RMS偏差稳定负载，应该注意的是，整个负载必须拥有合适的温度绝缘。SLICE-QTC可以控制多达四个独立的温度循环。在更多的实验中，可以使用TEC作为被控设备，在-20°C到+140°C范围内同样获得了在亚mK级别的温度稳定性。