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        試差控溫法在低溫恒溫恒壓測試系統(tǒng)中的應(yīng)用

        2021-01-20 02:22:54耿亞璋曹建尚宇北京航天試驗技術(shù)研究所北京100074
        化工管理 2021年1期
        關(guān)鍵詞:差法恒壓恒溫

        耿亞璋 曹建 尚宇(北京航天試驗技術(shù)研究所,北京 100074)

        0 引言

        在化工行業(yè)的生產(chǎn)實踐中,不僅需要參考各類流體的熱物性數(shù)據(jù)[1-2],還需要研究各類工業(yè)傳感器在實際工作環(huán)境下的數(shù)據(jù)測量情況[3],以提高化工生產(chǎn)的安全性和可靠性。恒溫槽是一種常用的測試設(shè)備[4],恒溫槽的性能直接影響著流體或器件在某一特定環(huán)境溫度下測試數(shù)據(jù)的精度和可信度。本文采用了國內(nèi)外先進的恒溫和恒壓設(shè)備,根據(jù)低溫高壓工作環(huán)境的實際需要,利用PID控制結(jié)合試差控制原理[5],研制了溫度范圍為5~120K、壓力范圍為0.1~20MPa(絕壓)的低溫恒溫恒壓測試系統(tǒng)。實際運行結(jié)果表明,該低溫恒溫恒壓測試容器在液氫溫區(qū)時,溫度波動范圍小于0.2K,壓力波動范圍小于0.3%,可較好地滿足測試需求。

        1 測試系統(tǒng)

        1.1 測試系統(tǒng)組成

        低溫恒溫恒壓測試系統(tǒng)主要由以下若干部分組成:低溫杜瓦及低溫介質(zhì)、真空機組、恒壓源、溫控儀、測試容器、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)等。測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)在實際運行過程中,可根據(jù)測試用戶需求調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)測試容器的溫度和壓力,還可以根據(jù)要求調(diào)節(jié)溫度變化的速率,針對流體及傳感器元器件開展的低溫性能測試效率得到了明顯提升。

        該測試系統(tǒng)中,可采用液氦、液氫或液氮作為低溫介質(zhì),以提供測試容器所需的冷量。為了降低低溫介質(zhì)的消耗速率,在測試容器及加熱絲之外,套裝了一個密封的腔體,在工作時保持腔體為真空狀態(tài),降低測試容器與低溫介質(zhì)的傳熱速率。

        為了實現(xiàn)測試用戶預(yù)設(shè)溫度的恒溫調(diào)節(jié),本測試系統(tǒng)中在測試容器外部纏繞了加熱絲,通過加熱絲輸入一定的熱量,使測試容器在低溫環(huán)境中保持溫度恒定。本系統(tǒng)選用美國Lake Shore公司的MODEL 350型溫控儀,連接加熱絲后,對測試容器的內(nèi)腔溫度進行PID控制。但是由于PID調(diào)節(jié)模式對于系統(tǒng)設(shè)定值與實測值偏差具有高敏感性,其魯棒性不強,只適用于本系統(tǒng)單獨控溫的情況。在恒壓同時恒溫的條件下,利用LabVIEW軟件自編了數(shù)據(jù)采集及控溫程序[6]。

        圖1 低溫恒溫恒壓測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

        1.2 試差控溫方法

        本系統(tǒng)采用試差法控溫,此時測試容器內(nèi)氣體壓力為一恒定值,由恒壓源采用PID方法動態(tài)控制,氣體溫度采用自編LabVIEW程序控制,控制輸出的加熱功率由試差法得到。LabVIEW數(shù)據(jù)采集及溫度控制程序界面如圖2所示,試差法程序流程圖如圖3所示。

        圖2 LabVIEW軟件前面板程序界面

        選擇試差法的原因在于,測試容器內(nèi)所充裝的氣體壓力與溫度受氣體狀態(tài)方程約束,存在相關(guān)性,氣體壓力的PID調(diào)節(jié)會造成溫度的頻繁波動,而這種頻繁的溫度波動如果仍采用PID調(diào)節(jié),會導(dǎo)致溫度和壓力雙重PID調(diào)節(jié)的耦合和滯后,甚至出現(xiàn)失調(diào)或超調(diào)現(xiàn)象[7]。試差法控溫程序如圖3所示,其主要步驟包括:將測試容器及真空腔浸沒在低溫介質(zhì)中,測試容器溫度穩(wěn)定后,確定低溫恒溫溫度T0,且T0需要大于低溫介質(zhì)沸點,以液氫介質(zhì)為例,即T0>20.3K;確定恒溫溫度后,利用加熱電源輸入加熱功率,使測試容器升溫,初始加熱功率為一經(jīng)驗值W0,確保測試容器溫度T處于單調(diào)上升狀態(tài),并根據(jù)公式(1)計算此時的升溫速率kr(K/s)。

        式中:k為升溫或者降溫速率(K/s);n為時間和溫度數(shù)據(jù)點的編號總數(shù),n為自然數(shù),一般取值范圍為3~4;ti為時間數(shù)據(jù)(s);Ti為溫度數(shù)據(jù)(K);i為數(shù)據(jù)點序號,i=0,1,2,……,n。

        圖3 試差法程序流程圖

        當T>T0時,關(guān)閉加熱電源,此時加熱功率為0,由于熱慣性,T不會立即下降,而會持續(xù)上升一段時間之后,才開始下降,記錄溫度下降區(qū)間多個點的數(shù)據(jù),按照(1)式,計算得出此時的溫度下降速率kd(K/s)。根據(jù)拉格朗日中值定理,此時必然存在某一加熱功率WS,如(2)式所示,且WS<W0,使得溫度T在T0值時隨時間的變化率在一定精度范圍內(nèi)趨于0,即達到測試容器的恒溫狀態(tài)。如果進行多次試差迭代,可以將測試系統(tǒng)恒溫精度不斷提高。

        式中:kr為升溫速率(K/s);kd為降溫速率(K/s);W0為初始加熱功率(W);WS為恒溫加熱功率(W)。

        2 測試系統(tǒng)運行結(jié)果

        恒溫恒壓測試系統(tǒng)需要對其溫度波動度進行實測標定。為此,在測試系統(tǒng)低溫杜瓦中首先加注了液氫介質(zhì),在溫度穩(wěn)定后,輸入加熱功率W0,得到溫度場平均溫度的上升曲線并計算升溫速率;再關(guān)閉加熱電源,得到溫度下降曲線,并計算降溫速率。最后根據(jù)試差法計算得到恒溫功率WS,實現(xiàn)了測試容器在50K時的恒溫過程。測試容器溫度傳感器溫度的上升、下降及恒溫變化情況如圖4所示。

        圖4 測試容器內(nèi)溫度測點在50K的控溫情況

        3 結(jié)語

        本文中研究設(shè)計了低溫恒溫恒壓測試系統(tǒng),壓力和溫度的控制分別采用了CPC8000恒壓源及Module 350型溫控儀的PID控制模式,同時還開發(fā)了試差法溫度控制模式,實現(xiàn)了測試容器中壓力和溫度的同時自動控制,拓展了傳統(tǒng)低溫恒溫槽的應(yīng)用領(lǐng)域,明顯提高了恒溫恒壓測試系統(tǒng)的控溫精度,控制溫度范圍為5~120K、壓力范圍為0.1~20MPa(絕壓),滿足了化工行業(yè)中低溫流體或傳感器元器件的高精度熱物性測量要求,為今后進一步提高低溫測試水平提供了技術(shù)支持。

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