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        熱真空試驗(yàn)設(shè)備中的控溫方式略談

        2018-12-20 09:22:50夏春鴻
        設(shè)備管理與維修 2018年23期
        關(guān)鍵詞:試驗(yàn)箱鉑電阻自帶

        夏春鴻

        (中山凱旋真空科技股份有限公司,廣東中山 528478)

        0 引言

        熱真空試驗(yàn)箱是人們在地面上模擬出真空、冷黑等太空環(huán)境以進(jìn)行試驗(yàn)、設(shè)備檢驗(yàn)等的環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備。近年來,熱真空試驗(yàn)設(shè)備在航天航空業(yè)產(chǎn)品的研制和定型、農(nóng)業(yè)科研、生物化學(xué)和化工制藥中發(fā)揮了重要作用。由于熱真空設(shè)備中環(huán)境的特殊性,熱傳遞方式無法再以熱傳導(dǎo)和熱對流的方法進(jìn)行,只能以熱輻射方法傳遞熱量。同樣由于熱真空設(shè)備的特殊性,設(shè)備內(nèi)的熱度平衡非常緩慢,因而需要對熱真空試驗(yàn)箱進(jìn)行全方位的溫度檢測,這對熱真空試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度參數(shù)和溫度傳感器要有較高要求。

        1 熱真空設(shè)備簡介

        (1)真空試驗(yàn)箱又稱真空干燥箱,常用于航天、醫(yī)療衛(wèi)生、生物化學(xué)和物理研究等領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)室中所用真空試驗(yàn)箱主要是對物料進(jìn)行加熱、烘干、恒重等,有長方形、圓柱形。為方便窺視設(shè)備中物料盛放的狀況,通常會(huì)有一面為耐熱透明玻璃。真空試驗(yàn)箱自身帶有加熱裝置,內(nèi)部有多層網(wǎng)板用于存放物料,側(cè)面或上部有真空接口連接于真空系統(tǒng)?,F(xiàn)在以HS-2P-ZQ型熱真空模擬設(shè)備為例,介紹主要工作原理。

        (2)HS-2P-ZQ型熱真空模擬設(shè)備是由主泵渦輪分子泵、機(jī)械泵、主抽閥、預(yù)抽閥等組成真空機(jī)組,對真空室進(jìn)行抽氣后從而得到一個(gè)比較潔凈的高真空試驗(yàn)環(huán)境。采用液氮或電熱絲將箱體制冷或熱沉加熱,通過熱輻射的方式在箱體熱沉內(nèi)形成一個(gè)比較均勻的溫度場,得到一個(gè)既有(-100~125)℃寬范圍溫度,又有真空太空模擬環(huán)境。做完試驗(yàn)后要打開放氣閥充入氮?dú)馊〕鲈嚰嵴婵赵囼?yàn)箱工作原理,見圖1。

        2 產(chǎn)品熱真空試驗(yàn)中溫度參數(shù)的重要性

        在熱真空試驗(yàn)的模擬試驗(yàn)中,試件一般都處于工作狀態(tài)來測量其環(huán)境參數(shù)和工作參數(shù)。其中熱沉溫度是熱真空設(shè)備的主要指標(biāo)之一,對試驗(yàn)樣品的溫度變化速率和熱沉的升降溫變化速率均有嚴(yán)格要求。熱真空設(shè)備需要在高真空條件下進(jìn)行從室溫降至試驗(yàn)最低溫度的冷浸上升至試驗(yàn)最高溫度的熱浸,再到室溫的高低溫循環(huán)。因而需要對產(chǎn)品的關(guān)鍵部位甚至是全方面的溫度檢測,使其處于合理溫度范圍內(nèi),同時(shí)對試驗(yàn)出來的產(chǎn)品結(jié)果再進(jìn)行改進(jìn),通過重復(fù)試驗(yàn)以保證試驗(yàn)產(chǎn)品符合要求。倘若因溫度測量的誤差而導(dǎo)致產(chǎn)品的欠溫或過溫,輕則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品無法正常工作,嚴(yán)重時(shí)會(huì)完全損壞而無法使用。所以,熱真空試驗(yàn)中設(shè)備的溫度值測量的準(zhǔn)確性,非常重要。

        圖1 熱真空試驗(yàn)箱工作原理

        3 常壓狀態(tài)下的熱傳遞方式

        (1)熱傳導(dǎo)是在同一物體內(nèi)部或相互接觸的物體之間,在溫度不同但沒有相對的宏觀位移時(shí)的傳熱方式。通常發(fā)生于固體與固體、固體與液體,以及氣體與氣體之間的熱傳遞。

        (2)熱輻射是物體通過電磁波傳播能量的過程,主要遵循斯蒂芬——波爾茲曼定律。

        (3)熱對流是流體各部分宏觀位移引起的能量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。既有因流體內(nèi)部存在溫度差而存在密度差,在體積力作用下產(chǎn)生的自然對流,也有借助機(jī)器外力推動(dòng)的強(qiáng)制熱對流。

        實(shí)際上在熱傳遞過程中,可能會(huì)以其中1種形式出現(xiàn),也可能2種甚至3種一起出現(xiàn)進(jìn)行復(fù)合傳熱,這個(gè)換熱過程即為復(fù)合換熱。

        4 真空狀態(tài)下的熱傳遞方式及溫度測量

        (1)輻射,是真空狀態(tài)下的唯一的一種熱傳遞方式。在高真空狀態(tài)下既沒有液體進(jìn)行熱對流,也沒有氣體進(jìn)行熱傳導(dǎo),因而只能用輻射的方式來進(jìn)行熱傳遞。這也說明了溫度的傳遞已不可能靠空氣進(jìn)行傳導(dǎo),只能靠輻射的方式,就如同太陽和地球之間有1.5億 km的真空存在,但太陽的熱仍在通過輻射的熱傳遞形式無時(shí)不刻的傳遞到地球表面上。

        (2)真空狀態(tài)下的溫度測量。由于在真空狀態(tài)下熱輻射傳遞的熱量和距離的平方成反比,真空試驗(yàn)箱在結(jié)構(gòu)上一般難以使工作室三維空間內(nèi)各點(diǎn)的輻射熱均勻一致,因而真空試驗(yàn)箱一般采用先加熱真空壁面、在由壁面向工件進(jìn)行輻射加熱的方式,在這種方式下,控溫儀表的溫度傳感器可以布置在真空室外壁。

        5 真空狀態(tài)下不同溫度測量方法試驗(yàn)

        在熱真空試驗(yàn)箱內(nèi),為了在熱真空實(shí)驗(yàn)過程中減少誤差和損失,不僅要對熱真空試驗(yàn)箱全方位測溫,還要謹(jǐn)慎選擇溫度傳感器,本次以多個(gè)溫度傳感器作試驗(yàn)比較。

        (1)準(zhǔn)備1~9個(gè)設(shè)備自帶鉑電阻,1~9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)熱偶電阻,1~9個(gè)圓柱狀標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻和1~9個(gè)貼片狀標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻,將以上傳感器放入干燥箱中,標(biāo)準(zhǔn)干燥箱設(shè)置好多個(gè)溫度點(diǎn),待溫度穩(wěn)定后通過測溫系統(tǒng)得到傳感器測溫示數(shù)并進(jìn)行對比。經(jīng)對比后各個(gè)溫度傳感器在常壓下的所測溫度相差無幾。

        (2)準(zhǔn)備1~9個(gè)設(shè)備自帶鉑電阻和1~9個(gè)圓柱狀標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻,分別置于熱真空試驗(yàn)箱9個(gè)不同的部位,在熱真空試驗(yàn)箱內(nèi)處于高真空狀態(tài)后設(shè)定溫度并使之穩(wěn)定 4 h,然后測量溫度點(diǎn)溫度并進(jìn)行對比。經(jīng)對比后發(fā)現(xiàn)圓柱狀標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻所測溫度較設(shè)定值偏差>2℃,設(shè)備自帶鉑電阻較設(shè)定值偏差<2℃。

        (3)準(zhǔn)備1~9個(gè)設(shè)備自帶鉑電阻和1~9個(gè)貼片狀標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻,分別置于熱真空試驗(yàn)箱9個(gè)不同的部位,在熱真空試驗(yàn)箱內(nèi)處于高真空狀態(tài)后設(shè)定溫度并使之穩(wěn)定4 h,然后測量溫度點(diǎn)溫度并進(jìn)行對比。經(jīng)對比后發(fā)現(xiàn)貼片狀標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻和設(shè)備自帶鉑電阻所測溫度較設(shè)定值偏差<2℃,且貼片狀標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻偏差較大。

        (4)準(zhǔn)備1~9個(gè)設(shè)備自帶鉑電阻和1~9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)熱偶電阻,分別置于熱真空試驗(yàn)箱9個(gè)不同的部位,在熱真空試驗(yàn)箱內(nèi)處于高真空狀態(tài)后設(shè)定溫度并使之穩(wěn)定4 h,然后測量溫度點(diǎn)溫度并進(jìn)行對比。經(jīng)對比后發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)熱偶電阻所測溫度較設(shè)定值偏差>2℃,設(shè)備自帶鉑電阻較設(shè)定值偏差<2℃。

        6 試驗(yàn)結(jié)果分析

        (1)由本次試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),熱真空環(huán)境中不同類型傳感器所測出的溫度示數(shù)差異較大,但原因不在于傳感器本身測量準(zhǔn)確性問題,如熱偶傳感器在許多熱真空試驗(yàn)箱內(nèi)都有使用,但相較于本設(shè)備自帶鉑電阻而言無法達(dá)到更好的效果。另一方面?zhèn)鞲衅髋c其所測部位的接觸面積對其所測溫度也有影響,接觸面較小的傳感器會(huì)因熱平衡太長而導(dǎo)致偏差過大。

        (2)本次實(shí)驗(yàn)中熱傳導(dǎo)和熱輻射相結(jié)合的方式進(jìn)行熱傳遞,在實(shí)際真空狀態(tài)下通過熱輻射的熱傳遞方式達(dá)到熱平衡太過緩慢,若要提高熱平衡速率,最好提高熱傳導(dǎo)能力。盡管多種型號(hào)的熱真空試驗(yàn)箱的造型、結(jié)構(gòu)以及控制方式都各有不同,但加熱原理都一樣。因而在熱真空試驗(yàn)箱設(shè)備的初次使用時(shí),應(yīng)先做一個(gè)應(yīng)用試驗(yàn),記錄下所需加熱物體的表面狀態(tài)、物體的放置位置和數(shù)量、傳感器讀書等數(shù)值,從最終效果中篩選出最佳物品數(shù)量。

        7 總結(jié)

        由于熱真空試驗(yàn)箱自身特殊性,主要通過熱輻射方式傳遞溫度,對于多種溫度傳感器的選擇應(yīng)更適合熱真空試驗(yàn)箱設(shè)備自身情況,才能更準(zhǔn)確的測量溫度。熱真空試驗(yàn)箱的主要作用就是在于提供高真空、冷熱環(huán)境,在航天產(chǎn)品的研制、生物制藥、物理、化學(xué)、醫(yī)療衛(wèi)生及環(huán)境保護(hù)中,都發(fā)揮著不小的作用。因此熱真空試驗(yàn)箱設(shè)備的溫度檢測,尤其是控溫方式和控溫效果等,都極為重要。

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