[发明专利]一种基于塞贝克效应的热机装置

权利要求书

1.一种基于塞贝克效应的热机装置，其特征在于：包括热机装置内部核心结构、热机装置操作面板和热机装置电路；热机装置内部核心结构包括一个热端加热片、两个帕尔贴半导体、一个热管散热器和两个风扇；热机装置操作面板包括冷端温度显示、帕尔贴半导体的负载两端电压显示、热端温度显示、热机工作原理图、电阻负载、电源插孔；热机装置电路包括显示电路、温度采集电路、电压采集电路、温度调节器；

热机装置内部核心结构，热端加热片在外接电源的作用下生成高温作为帕尔贴半导体的热端；帕尔贴半导体在通电的状态下产生帕尔贴效应使得帕尔贴半导体一面温度降低，另一面温度升高；温度低的一面作为帕尔贴半导体的冷端；热管散热器和两个风扇组成散热系统紧贴帕尔贴半导体温度高的一面，进行散热处理，保证冷端温度可控；

帕尔贴半导体通过金属片将P型半导体和N型半导体的热端连接起来形成P-N对，则在P型半导体的冷端和N型半导体的冷端输出直流电流；

采用单片机运行PID算法通过调节器控制冷端的温度恒定在1℃；单片机对冷端温度、热端温度和帕尔贴半导体的负载两端的电压值实时采集显示；

面板集成电阻有1.2Ω、3.0Ω、5.1Ω、10Ω，通过将外接导线对电阻进行组合加载到帕尔贴半导体的输出，实现热机装置外接不同阻值负载，用于测量负载消耗功率、最佳负载、热传导率、热机的效率；

在操作面板上能显示冷端温度、热端温度和帕尔贴半导体负载两端的电压值；

冷源采用PID算法将温度恒定在1℃；冷热端产生的温度差作用在帕尔贴半导体上，从而产生电能；产生的电能为负载电阻供电，单片机对负载两端的电压信号进行采集，并在热机装置操作面板上显示；采用pt100微型温度传感器嵌入到热端和冷端，进行温度测量，通过温度变送器将温度信号转换为4-20mA电流信号，单片机对电流信号进行采集换算，将温度值显示在面板上；单片机根据冷端的温度信号，通过PID算法控制冷端调节器使冷端温度恒定在1℃；PID算法将冷端温度的实际值和设定值1℃之间的偏差进行比例、积分和微分运算，运算结果作用在冷端调节器上控制冷端的温度，温度控制精度达0.25℃；

PID算法表达式为：

U(k)＝P·e(k)+I·[e(k)+e(k-1)+…+e(0)]+D·[e(k)-e(k-1)]

式中：U(k)为第k次采样时刻的单片机计算的控制量；P为比例系数；I为积分系数；D为微分系数；e(k)为本次偏差；

PID算法程序的工作流程包括，首先对各变量进行定义，然后对偏差值与所有偏差的和进行初始化清零，计算本次采样的偏差值，也就是冷端温度实际值与设定值1℃的偏差；判断偏差的值是否为0；若偏差不为0，则计算P的值，判断本次偏差值是否小于设定的最大偏差值，若小于最大偏差值，则计算所有偏差和，计算I的值，若大于最大偏差值，则I＝0；同时计算本次偏差与前次偏差之差，然后将本次偏差值赋值给前次偏差值，计算D的值；若本次偏差为0，则调节结束。