朱晨彬　姚麗芳　朱欣赟　陳 宇 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

淺式微型溫度校驗爐

朱晨彬姚麗芳朱欣赟陳 宇 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

介紹的淺式微型溫度校驗爐其插入深度僅為45 mm，測溫范圍為50～300 ℃。通過ansys軟件進行溫場仿真，確定加熱方式。該校驗爐通過500 W的加熱器與6根25 W加熱棒相結(jié)合的方式，采用動態(tài)PID溫控技術(shù)，有效地控制溫度過沖現(xiàn)象。該裝置升降溫速度快，溫度波動度小，均溫快孔間誤差小，滿足現(xiàn)場校驗短支溫度傳感器的要求。

溫度校驗爐；溫場仿真；雙段溫控；動態(tài)溫控；雙段風速調(diào)節(jié)

0　引言

溫度校驗爐是通過內(nèi)置均溫塊的均溫作用來保證插入均溫塊的被校溫度計與參考標準溫度保持一致。隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)對現(xiàn)場校準的需求日顯突出。與恒溫槽相比，溫度校驗爐便于攜帶，升降溫速度快，所以它也被越來越多地用于工業(yè)溫度現(xiàn)場校準［1-2］。

現(xiàn)在現(xiàn)場校驗一些特殊尺寸的溫度傳感器，例如短支40 ～ 50 mm的鉑電阻或熱電偶傳感器，以及短支或直角的熱敏電阻溫度傳感器等都無法使用溫度校驗爐作為校準配套設(shè)備來使用。目前大部分的小型溫度校驗爐基本都是使用單段控溫，即其控溫精度保持在爐心底部。只有被檢溫度傳感器能插入至溫度校驗爐底部，才能保證計量的準確性，表1為在70 ℃溫度點時改變標準器與井底之間的距離對溫場準確性的影響［3］。

從表1中可以看到當標準器不是插入到溫度校驗爐等溫塊底部時，其溫度梯度變化沒有規(guī)律性。目前世界上最小的溫度校驗爐其井深為102 mm，當被檢溫度傳感器的長度低于102 mm時，就無法對該傳感器進行現(xiàn)場溫度的校準。而且爐心插孔尺寸固定，無法更換，對特殊粗細尺寸的溫度傳感器也無法進行校準［4］。淺式微型溫度校驗爐研制的成功，將會滿足對現(xiàn)場特殊尺寸溫度傳感器校準的要求。

表1　標準器與井底之間的不同距離的溫場 單位℃

1　工作原理

淺式微型溫度校驗爐的工作原理如圖1所示。系統(tǒng)主要由控制器、功率調(diào)節(jié)器、恒溫加熱器、保溫加熱器、冷卻裝置和監(jiān)測用溫度傳感器六部分組成。從過程控制系統(tǒng)的角度分析，設(shè)備自身構(gòu)成一個溫度控制系統(tǒng)，被控對象為加熱爐體，導熱性能良好的紫銅作為均溫塊，用插入均溫塊的AA級PT100溫度傳感器測量腔體溫度并實時與設(shè)定值進行比較，得出偏差值，根據(jù)偏差的大小與特性，控制器按PID最優(yōu)控制算法產(chǎn)生相應的控制信號，功率調(diào)節(jié)器根據(jù)該控制信號產(chǎn)生功率輸出，用來控制校驗爐溫度［5］。

圖1　 系統(tǒng)示意圖

1.1溫場仿真

目前溫度校驗爐基本上采用底部加熱的方式，本文所述研制的校驗爐其爐芯深度只有45 mm，故采用底部加熱的方式可能達不到需要的控溫要求。借鑒高溫溫度校驗爐的加熱方式，將500 W的加熱絲均勻布置在爐膛圓周方向。通過有限元軟件進行兩種500 W加熱方式的仿真，確定加熱方式。

有限元分析是利用數(shù)學近似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進行模擬。有限元分析軟件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四個，其中 ANSYS是商業(yè)化比較早的一個軟件，有結(jié)構(gòu)、流體、熱分析，功能十分強大。

1.1.1按規(guī)定參數(shù)創(chuàng)建集合模型

本方案中，為了保證離散域的近似程度和計算結(jié)果的精確性，單元的設(shè)置越小越好（網(wǎng)格越細越好），同時考慮到相應的計算量及誤差都將增大，因此求解域的離散化設(shè)置如下：MSHKEY，0，自由網(wǎng)格劃分。離散化網(wǎng)格圖如圖2。

1.1.2原理和邊界條件設(shè)置

瞬態(tài)傳熱過程是指一個系統(tǒng)的加熱或冷卻過程。在這個過程中系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條件以及系統(tǒng)內(nèi)能都隨時間有明顯變化。根據(jù)能量守恒原理，瞬態(tài)熱平衡可以以矩陣表達為

式中：［C］ — 比熱矩陣；

｛T｝ — 溫度對時間的導數(shù)ANSYS利用模型幾何參數(shù)、材料熱性能參數(shù)以及所施加的邊界條件，分別生成了［K］、［C］、｛T｝及｛Q ｝。

1.1.3加載求解

加載類型為瞬態(tài)求解（Transient Full全優(yōu)化求解）子步數(shù)目為20，計算終止時長為600 s。

1.1.4仿真結(jié)果

通過圖3、圖4可以看出，爐膛四周加熱方式的升溫速率為1.6℃/s，底部加熱方式的升溫速率為0.4 ℃/s。而且爐膛四周加熱方式能獲得更為平滑的升溫曲線。因此得出仿真結(jié)果：500 W加熱絲均勻布置在爐膛四周的加熱方式其效果明顯優(yōu)于爐底加熱的方式，且更高效優(yōu)良。圖5為升溫120 s的均溫塊溫度場云圖。圖6為升溫600 s的均溫塊溫度場云圖，從中可以看到，采用爐膛四周加熱方式在升溫時間到達10 min后整個均溫塊已整體均勻受熱。

圖2　離散化網(wǎng)格圖

圖3　爐壁四周加熱的溫度時間曲線

圖4　爐底加熱的溫度時間曲線

圖5　120 s時溫度場云圖

圖6　600 s 時的溫度場云圖

1.2加熱爐芯的機械設(shè)計

加熱爐芯外形設(shè)計主要根據(jù)溫度傳感器現(xiàn)場校準的要求，其質(zhì)量及外形尺寸都需以使用方便、操作便捷為原則進行設(shè)計。根據(jù)以往在線校驗溫度傳感器經(jīng)驗，手持式溫度校驗爐采用分體設(shè)計，即恒溫爐體與溫控儀表分開，當中通過高溫導線連接，這樣既可保證校驗爐外形尺寸盡可能的小，在有限的操作空間使用，也可方便手持，質(zhì)量方面也可有效控制［6］。圖7為加熱爐芯總體裝配圖。

1.3控溫系統(tǒng)研制

1.3.1雙段控溫

通過先前的仿真，確定了500 W加熱絲均勻分布在爐膛四周的加熱方式比爐膛底部加熱方式更有效，但在50 ～ 100 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，使用500 W加熱器會導致溫度過沖現(xiàn)象嚴重，延長穩(wěn)定時間。以50 ℃為例，其溫度過沖達到了10 ℃左右。所以考慮把6根25 W的小加熱器均勻分布在爐膛的四周，當目標溫度設(shè)定50 ～ 100 ℃時，只有6×25 W加熱器工作，500 W加熱器間歇開啟。在100 ～ 300 ℃范圍內(nèi)工作時，兩種加熱方式實時調(diào)整加熱功率，達到最優(yōu)控制。

通過一根插入底部的AA級PT100作為監(jiān)測用溫度傳感器，同時控制500 W加熱器和6×25 W加熱器。通過實驗表明，使用雙段控溫，效果明顯，有效控制了溫度過沖現(xiàn)象，縮短穩(wěn)定時間［7］。

圖7　總體裝配圖

1.3.2動態(tài)溫度控制

裝置采用實時整定功能：設(shè)置于系統(tǒng)特性相匹配的控制參數(shù)（PID參數(shù)）來達到最優(yōu)孔控制效果。過程值穩(wěn)定在設(shè)定點處，形成一條波動小的直線。在外部擾動造成偏差時能迅速恢復。整定的過程包括計算和設(shè)置PID參數(shù)。實時控制兩種加溫方式的開啟和關(guān)閉及加熱功率的輸出，以保證實際溫度快速、平滑地到達目標溫度，同時有效降低當達到目標溫度后的溫度過沖現(xiàn)象［8-9］。

1.3.3雙檔風扇調(diào)速

開機時，風扇就會啟動，以較低的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，這樣可以增加溫場均勻性及將熱量從頂部吹出，使爐膛下面的元器件不至于因溫度過高而損壞，保證安全。當設(shè)定溫度與目標溫度的比例差值過大時，通過開關(guān)電源將電壓調(diào)整至12 V，使風扇全速運轉(zhuǎn)，通過強制對流降溫的方式，使實際溫度迅速接近目標值［10］。

2　測試方案及測試結(jié)果

2.1測試結(jié)果匯總（表2）

如圖8所示，室溫～ 300 ℃升溫時間為9 min，300 ℃穩(wěn)定時間為7 min，300 ～ 100 ℃降溫時間為12 min。

表2　淺式微型溫度校驗爐原始記錄匯總

圖8　淺式微型溫度校驗爐升降溫曲線

2.2測量不確定度

2.2.1數(shù)學模型

式中：Δt — 校驗爐溫度偏差；

tc— 校驗爐顯示溫度；

ts— 通過參考溫度計獲得的測量區(qū)溫度；

δtx— 測量方法、手段和過程帶來的偏差

不確定度來源，主要來自所使用的參考溫度計校準值u（ts）、參考溫度計的漂移u（x1）、校驗爐控溫器顯示分辨力u（x2）、孔間溫度差u（x3）、遲滯效應u（x4）、均溫塊負載u（x5）、溫度的波動度u（x6）。

2.2.2合成標準不確定度 （見表3）

表3　不確定度匯總

300 ℃時，合成不確定度 uc= 0.116 ℃

2.2.3擴展不確定度

取置信概率p = 95%時，干體爐測量的擴展不確定度為

U = 2×0.116 = 0.233≈0.3 ℃ （k = 2）

3　結(jié)語

淺式微型溫度校驗爐各項技術(shù)指標均達到先進水平。本裝置通過不斷地實驗，對結(jié)構(gòu)和溫控進行不斷地修改之后，控溫準確度高，升降溫速度快，溫度曲線平滑，整體操作簡單易學，滿足短支溫度傳感器現(xiàn)場校驗的要求。

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The research of shallow micro temperature block calibrator

Zhu Chenbin，Yao Lifang，Zhu Xinyun，Chen Yu （Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

The temperature block calibratior ranges from 50 ℃ to 300 ℃，and the Immersion depth is only 45 mm. The heat method is dependent on ANSYS，which simulate the temperature field. The calibratior is heated by a 500 W heater and six 25 W heat rods. Through the dynamic PID control technology，effectively control temperature overshoot phenomenon. After all，the temperature block calibratior can meet the demand of calibrating short temperature sensor in field environment，since the high heating and high cooling，stability and radial uniformity.

temperature block calibratior； temperature field simulation；dual-zone control； dynamic temperature control； Two-stage speed adjustment programming