田莉麗

摘 ?要：本文提出了一種基于液氮冷源控制的超低溫校準(zhǔn)恒溫槽設(shè)計(jì)的技術(shù)方案，溫控范圍為（-190～-80）℃，基于業(yè)內(nèi)鉑熱電阻超低溫計(jì)量特性沒有可行的校準(zhǔn)途徑，提出一種新的超低溫恒溫槽溫控設(shè)計(jì)的解決方案，對(duì)于工作在-80℃以下低溫環(huán)境下的鉑熱電阻的符合性判斷具有重大的研究意義。

關(guān)鍵詞：液氮冷源;超低溫;恒溫槽

中圖分類號(hào)：TB942 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

低溫試驗(yàn)箱的鉑熱電阻，按照J(rèn)JG 229-2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻檢定規(guī)程》的要求，進(jìn)行了0℃和100℃時(shí)的電阻值測(cè)量，求出其實(shí)際電阻溫度系數(shù)，而實(shí)際電阻溫度系數(shù)的符合性，規(guī)程僅僅只按上限溫度進(jìn)行判定，未按下限溫度進(jìn)行判定。（-190～-80）℃校準(zhǔn)裝置的研究，能夠根據(jù)客戶需求測(cè)量鉑熱電阻在（-190～-80）℃環(huán)境下不同溫度點(diǎn)的實(shí)際電阻值，根據(jù)實(shí)際電阻溫度系數(shù)計(jì)算得到其在該溫度點(diǎn)的理論電阻值，實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境下工作的鉑熱電阻進(jìn)行溫度下限的符合判定。

目前，國(guó)內(nèi)的低溫槽已經(jīng)取得了很大的發(fā)展和進(jìn)步，從控溫程序的升級(jí)到控溫精度的提高，到儀器材質(zhì)的選用都有很大程度的提升。國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)的計(jì)量單位，其低溫連續(xù)計(jì)量能力最多可達(dá)到-80℃。對(duì)于-80℃以下的設(shè)備（產(chǎn)品）計(jì)量，目前的主流技術(shù)是在固定點(diǎn)進(jìn)行檢定，比如檢定標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)時(shí)，低溫會(huì)在氬三相點(diǎn)（-189.3442℃）等固定點(diǎn)進(jìn)行檢定，通過計(jì)算的方式確定其它溫度點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)值，不能進(jìn)行可靠的、連續(xù)的-190℃～-80℃之間計(jì)量。該類設(shè)備主要應(yīng)用于低溫條件下的產(chǎn)品試驗(yàn)，在計(jì)量領(lǐng)域，包括熱學(xué)一級(jí)站-北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所在內(nèi)的單位也在進(jìn)行相關(guān)研究。

1校準(zhǔn)恒溫槽總體設(shè)計(jì)

1.1 液氮冷源+加熱裝置恒溫槽校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)恒溫槽由三部分組成：液氮罐、恒溫槽、溫控系統(tǒng);液氮罐作為冷源實(shí)現(xiàn)恒溫槽到達(dá)所需的低溫點(diǎn)，由電磁閥控制恒溫槽內(nèi)液氮的輸入量;恒溫槽作為校準(zhǔn)的工作區(qū)域，為鉑熱電阻的校準(zhǔn)提供穩(wěn)定的溫場(chǎng);溫控系統(tǒng)通過控制液氮管路上的電磁閥的通斷時(shí)間，以及恒溫槽上的加熱電阻絲的加熱時(shí)間，使恒溫槽內(nèi)溫場(chǎng)的均勻度和波動(dòng)度滿足鉑熱電阻的校準(zhǔn)技術(shù)要求。其校準(zhǔn)裝置原理如圖1所示。

由基于液氮冷源控制的超低溫校準(zhǔn)恒溫槽設(shè)計(jì)原理圖可知，采用校準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)工業(yè)鉑熱電阻時(shí)，打開電磁閥，液氮罐里的液氮通過管路進(jìn)入恒溫槽，使恒溫槽里的溫度達(dá)到所校準(zhǔn)的溫度點(diǎn)，通過溫控系統(tǒng)控制電磁閥的通斷時(shí)間和電阻絲的加熱時(shí)間，逐漸使恒溫槽的溫場(chǎng)滿足所需要的技術(shù)指標(biāo)要求，將工業(yè)鉑熱電阻與標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)置入恒溫槽相近的工作區(qū)域，標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)顯示溫度值作為標(biāo)準(zhǔn)溫度點(diǎn)，測(cè)量該標(biāo)準(zhǔn)溫度點(diǎn)下鉑熱電阻的電阻值，根據(jù)實(shí)際電阻溫度系數(shù)計(jì)算得到其在該溫度點(diǎn)的理論電阻值，進(jìn)行符合判定，完成對(duì)鉑熱電阻的校準(zhǔn)。

1.2 溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）技術(shù)指標(biāo)

作為恒溫控溫的校準(zhǔn)裝置，保證量值傳遞的準(zhǔn)確性，對(duì)校準(zhǔn)裝置提出以下技術(shù)指標(biāo)要求：

測(cè)量范圍：（-190～-80）℃;

溫度均勻度：不大于1.0℃;

溫度波動(dòng)度：≤0.5℃/10min;

校準(zhǔn)穩(wěn)定時(shí)間：10min。

（2）自整定智能PID控制

PID控制是控制系統(tǒng)中最常見也是最重要的一個(gè)控制方法，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于各種控制系統(tǒng)中。采用增量式PID控制調(diào)節(jié)，可以使溫度調(diào)節(jié)過程平穩(wěn)、迅速。恒溫槽溫度自整定PID控制結(jié)構(gòu)如圖2所示：

為了使恒溫槽內(nèi)的溫度達(dá)到所需要的低溫點(diǎn)，需要開啟電磁閥向保溫罐內(nèi)不斷充入氮?dú)猓趯⒁竭_(dá)低溫度點(diǎn)附近時(shí)，關(guān)閉電磁閥。待溫度穩(wěn)定后，由保溫層上測(cè)溫元件測(cè)量恒溫槽里的實(shí)際溫度，當(dāng)溫度低于溫度點(diǎn)時(shí)，保溫層上的加熱電阻絲開始工作，使溫度上升;當(dāng)溫度高于溫度點(diǎn)時(shí)，電磁閥開啟，充入氮?dú)馐箿囟冉档?，直到滿足其技術(shù)指標(biāo)要求。然而，這種控溫不可能通過人為控制，人為控制耗時(shí)費(fèi)力，建立輸入輸出數(shù)學(xué)模型，采用自整定智能PID控制，能夠使系統(tǒng)快速達(dá)到所需溫度并維持恒溫槽穩(wěn)定。

2恒溫槽設(shè)計(jì)

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

恒溫槽的結(jié)構(gòu)、材料和尺寸直接決定了控溫效果，恒溫槽工作區(qū)域過大，控溫難度越大，工作區(qū)域內(nèi)的溫度均勻性和波動(dòng)性就越大;恒溫槽工作區(qū)域過小，微小的冷源輸入或熱源輸入會(huì)對(duì)工作區(qū)域造成較大的溫度影響。

為了避免單層恒溫槽難以抗拒環(huán)境溫度變化的影響，校準(zhǔn)裝置采用雙層恒溫槽的設(shè)計(jì)，恒溫槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖3。擬設(shè)計(jì)的恒溫槽由保溫罐、保溫層和外殼三部分組成，將槽體設(shè)計(jì)為圓柱體，便于儀器的安裝，其傳熱基本均勻，能夠滿足使用時(shí)的對(duì)溫場(chǎng)的技術(shù)指標(biāo)要求。雖然槽體為球體時(shí)溫度場(chǎng)分布最均勻，恒溫效果最好，但球體不易加工，安裝不便。保溫層附著在保溫罐的外表面，加熱電阻絲位于保溫層與保溫罐之間，雙線繞制緊密貼合在保溫罐上并噴上絕緣膠，保證加熱電阻絲和保溫罐之間絕緣;液氮通過電磁閥流入保溫罐，由液氮冷源和加熱電阻維持保溫罐內(nèi)的溫度恒定。

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，在恒溫槽為圓柱體的條件下，保證保溫罐有足夠的熱容量，擬設(shè)計(jì)內(nèi)外保溫罐厚度為5mm，內(nèi)保溫層厚度為20mm，外保溫層厚度設(shè)計(jì)為25mm。恒溫槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)俯視圖如圖4所示：

2.2材料選擇

恒溫槽中保溫罐和保溫層的材料直接影響了恒溫槽的工作性能，恒溫槽本身相當(dāng)于一個(gè)熱濾波器，可以減少或消除溫度的波動(dòng)，為了使恒溫槽的溫場(chǎng)均勻分布，保溫罐材料應(yīng)選擇導(dǎo)熱系數(shù)高的金屬。傳遞熱量一定的情況下，選用熱容量大的材料能夠使恒溫槽溫度波動(dòng)小，通過比較以下幾種常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱有關(guān)性能中（見表1常用材料有關(guān)性能），保溫罐和外殼的材料應(yīng)選鋁。

為有效維持內(nèi)外保溫罐內(nèi)的溫度恒定，內(nèi)外保溫層的材料選用導(dǎo)熱系數(shù)小的材料—76#硬質(zhì)聚氨酯泡沫，其導(dǎo)熱系數(shù)僅為（0.022～0.033）W/（m*K），其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、易于加工，能有效隔絕外部溫場(chǎng)對(duì)保溫罐內(nèi)溫場(chǎng)的影響。

理想的加熱電阻絲特點(diǎn)是：電阻率高，溫度系數(shù)小，電阻值穩(wěn)定。加熱電阻絲材料有合金材料和純金屬材料兩類。合金材料的電阻率高，價(jià)格低廉，純金屬材料繞曲性能好，但電阻率較低。綜上考慮，鉑熱電阻（-190～-80）℃校準(zhǔn)裝置擬采用康銅合金或者鎳鉻合金制作而成的電阻絲。

3結(jié)束語

本文通過研究以液氮作為冷源的校準(zhǔn)裝置恒溫槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇，研究校準(zhǔn)裝置的溫控系統(tǒng)，采用自整定智能PID控制，提出了一種基于液氮冷源控制的超低溫校準(zhǔn)恒溫槽設(shè)計(jì)的技術(shù)方案，保證校準(zhǔn)裝置恒溫槽的溫度均勻度和溫度波動(dòng)度符合相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)要求，以此實(shí)現(xiàn)鉑熱電阻在（-190～-80）℃條件下的連續(xù)性校準(zhǔn)，基于液氮冷源控制的超低溫校準(zhǔn)恒溫槽設(shè)計(jì)的研究，可填補(bǔ)JJG 229-2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻檢定規(guī)程》的未按下限溫度進(jìn)行實(shí)際電阻溫度系數(shù)符合性判定的空白，對(duì)業(yè)內(nèi)鉑熱電阻超低溫計(jì)量具有重大的研究意義。

參考文獻(xiàn)

[1] ?王曉璐，呂國(guó)義，鄭敏.便攜式低溫恒溫槽的研制及性能試驗(yàn)[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2016;

[2] ?國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.JJG229-2010工業(yè)鉑、銅熱電阻檢定規(guī)程[M].中國(guó)計(jì)量出版社，2010;

[3] ?國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.JJF1030-2010 恒溫槽技術(shù)性能測(cè)試規(guī)范[M].中國(guó)計(jì)量出版社，2010;

[4] ?李堯.高精度恒溫槽控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].西安工程大學(xué)，2015。