艾梦瑶 崔育铭 高 珊 赵志伟 张凌涛
（东北林业大学工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040）
东北林区冬季漫长寒冷，该地区的树木长时间生 活在寒冷环境中极易受到越冬伤害[1-2]。此外，寒冷的气候条件对活立木质量无损检测的准确度也产生影响[3-6]。因此，探究零摄氏度以下低温条件中活立木的理化特性，对实现树木的冻害预防和低温条件下的快速准确无损检测具有重要意义[7-10]。李坚院士[11]从温度影响水分蒸汽压的角度，揭示了冰点以下木材因其内部水分发生相变而形成冷冻木材（frozen wood）的过程。近年来，国内外学者对冷冻木材的声、力、电学等物理性质进行探索[12-16]。徐华东等[17]测量了温度降至-60 ℃ 左右时，红松及大青杨湿材中水分的存在状态，确定了此时冻结水含量占总含水量的60%以上。Gao等[18]基于声速、含水率与温度的理论关系，建立了三者适用于冷冻木材的关系模型。Zhao等[19]在-150～20 ℃温度范围内分析了温度对桦木强度的影响。Gao等[20]模拟了温度对红松弹性模量的影响，并建立了温度修正模型。江京辉 等[21]总结了-190～0 ℃低温处理木材的力学性能和比热性质受温度的影响。在木材温度与其电阻特性的关系研究中，岳小泉[22]在-20～20 ℃温度范围内对健康和腐朽木材的电阻进行对比研究，确定了低温对木材电阻的显著影响。Luo[23]也报道了温度对基于电阻法的木材无损检测技术的影响。
在木材电阻测量过程中，试样温度的准确控制和稳定维持成为冷冻木材电学性质研究中的一个技术问题。现有的低温冷冻冰箱在冷冻木材电阻研究的应用中，不能独立实现冰点至-80 ℃温度范围内的连续控制。此外，试样在冰箱内达到所需温度点后，需要取出在室温下测量电阻，而此时木材温度通常偏离所需温度点。因此，冷冻木材电阻测量急需一种能控制木材温度，且在测量过程中依旧可以保持温度稳定的装置。Gao等[24-25]介绍了一种两层箱体结构的温控箱，可以实现木材温度的控制，但仍需进行手动控制。
综上，为实现木材电阻测量过程中较宽温度范围内连续性测量温度的设置和温变速率的自动控制，解决试验过程中木材温度变化过快和难以维持稳定的技术问题，本研究设计了一种基于单片机的三层结构的木材电阻测量自动控温装置，并对该装置的控温能力进行研究，以达到消除温度波动带来的木材电阻特性研究偏差的目的，为木材电阻的测量创造有利条件。
1.1 硬件构成
本装置的主体是60 cm×18.5 cm×44 cm的温控箱，箱体由保温隔热性能良好的聚苯板材料制成，板厚为3 cm。装置整体结构如图1所示。温控箱分为上、中、下三层结构，上、下两层内置致冷剂槽，其内壁嵌入红外对管；
中层为试样层，含试样支撑架和穿透两侧箱壁的钢钉，钢钉的另一端与数字电桥相连。试样层设4条热电偶丝，其中1个悬空于中层，另外3个分别贴于木材表面和嵌入木材试样内部1/2、1/4深度处。热电偶丝的另一端与箱体外的传感数据采集器相连接。试样层上、下隔板的正、副对角线的4个顶点处设通风口，4个通风口下方各水平悬置一个小风扇。沿隔板的通风口处设有可水平抽动的面板，用于闭合通风口。4个小风扇位置又分别装有电加热管。风扇、闭合面板与加热管均与STM32F103ZET6单片机相连，其运行功率、开合程度以及启停等均受单片机控制。此外，单片机还与输入按键、温度传感器、OLED显示屏等连接，作为装置智能控制系统的硬件部分集成于温控箱箱体外部。
图1 装置主视图Fig. 1 Main view of the device
1.2 功能模块
1.2.1 温度设置模块
温度设置模块包括目标温度的输入和显示功能。目标温度将通过输入按键传递至单片机，单片机将此参数用于温度调控，并将该信息显示在OLED显示屏上。
1.2.2 温度监测模块
温度监测模块主要包括对木材试样及其周围环境温度的实时监测和对致冷剂含量的监测功能。温度传感器可监测-70～70 ℃范围内的温度变化，实时监测的环境温度和木材温度（木材温度为木材表面与其内部不同深度的热电偶所测温度一致时的温度）的信息反馈至单片机。当环境温度与试样温度相同，并与目标温度一致且维持10 min时，蜂鸣器发出连续蜂鸣声示意，提示操作员进行试样电阻的测量。致冷剂含量由红外对管监测。红外对管在致冷剂不足时会引发蜂鸣器发出短促蜂鸣声报警，提示操作员补充致冷剂。
1.2.3 温度控制模块
温度控制模块功能包括木材试样达到目标温度前对温度变化速率的控制和达到目标温度后的稳定维持。装置的致冷功能由致冷剂干冰实现；
致热功能通过电热管通电加热实现。在控温过程中，通过单片机调节小风扇的运转功率和可动面板的开合程度，以影响试样层空气流通速度，间接控制温度变化速率。
1.2.4 电阻测量模块
电阻测量功能由LCR数字电桥（TL2812D）实现。木材电阻测量智能调温装置的工作流程及其涉及的功能模块如图2 所示。
图2 装置工作流程图Fig.2 Flow chart of the device
2.1 降温控制
2.1.1 装置降温调节能力试验
在室温下，选用规格为50 cm×2.5 cm×2.5 cm的落叶松 （Larix gmelinii） 木材试样，用塑料薄膜包裹后放置在试样架上。以干冰作为致冷剂，分别记录干冰单独致冷、无风扇作用时的环境温度（Tue）和木材温度（Tuw） 随时间的变化情况，以及干冰致冷协同风扇作用时环境温度（Tre）和木材温度（Trw）随时间的变化情况，以验证装置对目标温度的控制能力，结果如表1所示。
表1 降温过程风扇启停对照试验数据Tab.1 Comparative experimental data of fan start-stop during cooling process
在装置的温度调节试验过程中，初始温度为20 ℃，设置目标温度为5 ℃，每10 min记录一次数值。由图3（a） 可见，木材温度的下降相比于环境温度的下降存在明显的滞后。当无风扇作用时，环境温度 （Tue） 与木材温度 （Tuw） 分别在t=130 min和150 min时达到预设温度5 ℃。有风扇作用时，环境温度（Tre）与木材温度（Trw）分别在t=50 min和70 min时达到预设温度5 ℃，比无风扇作用时降温时间加快了约50%，验证了装置的温度调节能力。图3（b）显示了木材和环境降温速率对照情况。其中，降温速率采用如下公式计算：
式中:Vi为i时刻的温度变化速率，℃/min；
Ti为i时刻的温度，℃；
t为时间，min。
由图3（b）可见，无风扇作用时，环境降温速率（Vue）和木材降温速率（Vuw）为0～0.3 ℃/min，降温速率随干冰含量的减少而降低。有风扇作用时，在t=10 min时环境降温速率（Vre）为风扇关闭状态同时期的2倍。t=20 min时，环境温度（Tre）已降为9 ℃，接近预设温度（5 ℃），装置控制系统开始增加可动面板闭合程度并降低小风扇运转功率，环境降温速率（Vre）变慢。t=50 min时，环境温度（Tre）开始到达预设温度5 ℃，而木材温度仍未达到5 ℃。此时下层小风扇停止运行、可动隔板完全闭合，上层小风扇进行低功率运转，调节木材试样降温速率（Vrw），保证木材温度逐渐接近目标温度。由图3（a）可知，t=70 min时，环境温度（Tre）和木材温度（Trw）开始一致在5 ℃（A点），不再持续降温，但因为降温速率为前10 min内平均降温速率，所以同一时刻的木材降温速率尚不为0[图3（b）中B点]。有风扇作用时，木材与环境温度从t=90 min开始始终稳定在5 ℃。在无风扇作用时，木材与环境温度在第150 min稳定在目标温度，不再持续降温。验证了装置控制降温速率和维持目标温度稳定的能力。
图3 装置降温能力试验温度（a）和降温速率（b）变化趋势Fig.3 Temperature (a) and cooling rate (b) variation trend in the cooling capacity test of the device
2.1.2 全程降温电阻测量试验
初始环境温度为20 ℃，测量此时木材的电阻值（R0）。设置目标温度为-20 ℃，达到目标温度点时再次获取此时木材电阻值（R1）。降温过程中环境和木材温度及对应的降温速率变化情况分别见图4（a）、（b）。
将试样放入试样架并封闭温控箱后，可动面板完全打开，小风扇以最大运转功率转动，环境与木材获得了较大的初始降温速率（Ve为0.6 ℃/min，Vw为0.4 ℃/min），随着干冰的消耗，Ve和Vw随之逐渐下降。t=100 min时，蜂鸣器报警，提示致冷剂余量不足。经手动补充干冰后，环境降温速率（Ve）升至0.3 ℃/min，木材降温速率（Vw）滞后于环境。
由图4（a）可知，t=260 min时，环境温度（Te）和木材温度（Tw）开始一致，且均达到预设温度值-20 ℃，t= 270 min开始，二者降温速率（Ve和Vw）均为0 ℃/min，在保持10 min时开启冷冻木材电阻的测量，记录电阻值R1。
图4 全程降温试验温度（a）和降温速率（b）变化趋势Fig.4 Temperature (a) and cooling rate (b) variation trend in the whole cooling progress test
2.2 升温控制
2.2.1 装置升温调节能力试验
在室温条件（20 ℃）下，选用同种规格的落叶松木材试样，设置目标温度为30 ℃，通过加热管致热，分别记录有无风扇作用时环境温度和木材温度随时间的变化情况，以对比验证装置对试样升温过程的调节能力。
实测过程中发现升温速率约为降温速率的8 倍，升温周期相比于降温周期时间更短，因此在升温试验过程中每隔1 min记录一次温度，具体数据如表2 所示。图5（a）显示了降温过程中4 种温度随时间变化的趋势。无风扇作用时，环境温度（Tue）与木材温度（Tuw）分别在t=10 min和14min时达到预设温度30 ℃；
有风扇作用时，环境温度（Tre）与木材温度（Trw）分别在t=4 min和7min时达到预设温度30 ℃，比无风扇作用时升温加快了50%，验证了装置的温度调节能力。
图5 装置升温能力试验温度（a）和升温速率（b）变化趋势Fig.5 Temperature (a) and heating rate (b) variation trend in the heating capacity test of the device
表2 升温过程风扇启停对照试验数据Tab.2 Comparative experimental data of fan start-stop during heating process
图5（b）为环境与木材升温速率（Vue，Vuw，Vre和Vrw）的变化趋势。由图可知，无风扇作用时，环境与木材升温速率（Vie与Vuw）均在3 ℃/min以下。有风扇作用时，t=1 min时，环境升温速率（Vre=7 ℃/min）相比于同时期无风扇作用时环境升温速率（Vue=3 ℃/min）约增速2.3 倍，木材升温速率（Vrw）约增速4 倍。木材和环境温度变化速率总体均呈下降趋势，在4 min后降至1 ℃/min左右，并小幅度波动。这是因为，此时Tue、Tuw和Trw均已接近预设温度30 ℃，热量差较小，因而从t=4 min开始，升温速率间隔出现速率为0 的时刻。
有风扇作用时环境升温速率（Vre）变缓。t=4 min时，环境温度（Tre）到达预设温度30 ℃，电加热管自动断电，仅保留上层小风扇进行低功率运转，以调节木材试样升温速率，保证木材温度逐渐接近且不超越目标温度。t=7 min时，环境温度（Tre）和木材温度（Trw）开始一致（表2），均保持在30 ℃。
2.2.2 全程升温电阻测量试验
全程试验初始温度为20 ℃，设置目标温度为35 ℃，达到目标温度点时再次测量木材电阻（R2）。升温过程中木材和环境温度及升温速率变化情况见图6。
图6 全程升温试验温度（a）和升温速率（b）变化趋势Fig.6 Temperature (a) and heating rate (b) variation trend in the whole heating process
试样放入试样架并封闭温控箱后，装置控制温控器件以最大运转功率运行，环境与木材试样获得了较大的初始升温速率（7 ℃/min和4 ℃/min）。t=3 min时，环境温度（Te）升至30 ℃，接近预设温度（35 ℃），控制系统开始减缓温度上升速率。试验进行至4～16 min内，升温速率为0 ℃/min不代表升温过程停止，升温速率为0 ℃/min且保持10 min时可视为升温过程完成。如图6（a）所示，t=15 min时，环境温度（Te）和木材温度（Tw）一致，且均达到预设温度值35 ℃，并保持10 min，实现了目标温度的稳定维持。此时小风扇停止运转，开启木材电阻的测量，记录电阻值R2。
综上所述，本装置可实现木材试样的温度设置、温度控制、温度监测和电阻测量等功能，可有效加速热量传递、控制温度变化速率，能在木材试样达到预设温度值时维持其温度稳定、消除温度波动，达到试验预期成果。
针对冷冻木材电阻测量过程中试样目标温度变化过快和维持稳定困难等问题，本研究设计了一款可实现自动控温的木材电阻测量装置，并对其控温能力进行了验证。主要结论如下：
1）通过应用单片机和传感器等完成了三层温控箱的结构设计和制作，通过嵌入式系统与温控器件的结合，实现了温度的控制和维持。
2）重复试验表明，本装置可实现-70～70 °C，尤其是0 °C以下电阻测量的温度自动调节和维持的能力，实现了装置的自动控温功能。
3）该装置解决了冷冻木材电阻测量中木材温度波动过快、平衡难等问题，提高了在温度连续变化条件下木材电阻测量的准确度。
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