恒温槽の製作

 温度特性を測定するために恒温槽を製作した。加熱と冷却ができるようにペルチェ素子を利用した。ペルチェ素子を制御する温度制御回路も自作した。恒温槽内の温度の変動を0.1℃に押さえることを目標とした。
 制御回路は比例
制御を採用した。恒温槽の温度を測定するダイオードの温度と設定温度を比較してペルチェ素子に加える電圧の正負を切り替えて加熱・冷却をおこなう方式である。単なるヒータによる加熱ではないので,温度を上昇させる場合は投入した電力量以上の発熱量が得られ,また温度を下げる方向へも制動がかかり短時間に設定温度に到達する。
 性能を評価するために写真の温度計を恒温槽に差し込んで,設定温度との偏差を測定した。また,設定温度を変えたときに変動も測定した。この恒温槽を製作したのは2006年度であった。この時点ではまだ秋月電子の恒温槽は発売されていなかった。手探りで製作したもので,まだ十分な性能は得られていない。キットを購入する方が簡単である。約2年間ほおっておいた物であるが,ここですこしまとめてから改良していくことにする。

○回路

 図の回路の制御回路を自作した。制御の理論を全く気にせず,とにかく設定温度にダイオード温度計の温度が一致するようにフィードバックをかける事を念頭に自作した。回路ではアナログ式のメータを温度表示用として自作したが,デジタルパネルメータに切り替えた。
 設定温度を変えたときの恒温槽の温度変化を測定した。設定値に温度が到達すると減衰振動を生じるが,3分程度で変動は0.1℃以内におさまっていく。
 製作したときは,オペアンプなどのNFBをかけたときの振る舞いをイメージした。従って,回路の応答が,恒温槽の熱平衡の時間より十分に早ければ発振することはないと単純に思っていた。
 動作試験を繰り返していくと,設定温度と恒温槽の温度の間に偏差がグラフのように生じることが分かった。制御回路のゲインが不足しているためであると理解している。ただし,ゲインを上げすぎると振動が大きくなることが予想されるので,制御方法を改良する必要がある。また,温度の絶対的な精度を確認していない。いくつかの工夫でダイオード温度計の非直線性を見いだそうとしたが,できていない。

パワーアンプ部

温度計部

恒温槽内部

温泉卵

○今後

 半導体の温度特性を測定する目的で製作を開始した恒温槽であったが,現在2年ほど中断している。今までに成功した事は温泉卵を作ることであった。一番利用価値がありそうだ。
 一号機は恒温槽は写真の通りである。いまいち低温を作れないのでペルチェ素子を2段重ねにした二号機も製作した。マイナス20℃までさがった。PID制御(アナログ式かデジタル式か)で悩んでいるうちに時間だけが流れてしまった。

装置全景