高精度標(biāo)準(zhǔn)電阻用空氣恒溫箱設(shè)計及優(yōu)化

劉董 遲宗濤 魯云峰 崔詩晨 李鐘曉

摘要：設(shè)計一款便攜式空氣恒溫箱并對其優(yōu)化，以滿足標(biāo)準(zhǔn)電阻的存放及高精度量值傳遞。溫度控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，通過模糊PID控制來調(diào)節(jié)PWM波占空比，進(jìn)而改變功率電阻的發(fā)熱量，實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié);通過恒溫箱不同供電方式對量值傳遞造成的干擾來分析和比較電源噪聲;用高速采樣器PXI-5922對溫度控制系統(tǒng)在溫度上升期、調(diào)整期和穩(wěn)定期3個階段的PVVM波進(jìn)行采樣，分析各階段占空比進(jìn)而得到實(shí)驗(yàn)室溫度下（19.5±0.5）℃系統(tǒng)的功率消耗。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，36V電池可在實(shí)驗(yàn)室溫度下為穩(wěn)定狀態(tài)的恒溫箱持續(xù)供電（49.8±0.3）h。實(shí)驗(yàn)表明，恒溫箱功耗低、噪聲小、便攜性強(qiáng)、穩(wěn)定性高，滿足標(biāo)準(zhǔn)電阻存放和量值傳遞的要求。

關(guān)鍵詞：儀器儀表技術(shù);恒溫箱;模糊PID控制;量值傳遞;PWM

中圖分類號：TP273.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）09-0143-06

收稿日期：2019-01-21;收到修改稿日期：2019-04-29

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41804110）

作者簡介：劉董（1995-），男，山東濰坊市人，碩士，專業(yè)方向?yàn)樾盘柅@取與傳感器技術(shù)。

0 引言

根據(jù)國際計量委員會CIPM的提議，從1990年1月1日開始，在世界范圍內(nèi)啟用直流量子化霍爾電阻基準(zhǔn)[1]，直流電阻的量值溯源不再以實(shí)物電阻為基準(zhǔn)，受量子霍爾電阻復(fù)現(xiàn)條件苛刻的影響，由其復(fù)現(xiàn)的電阻量值仍然要由實(shí)物電阻作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)逐級向下傳遞，因此實(shí)物電阻的穩(wěn)定性就顯得格外重要。進(jìn)行國際比對前，標(biāo)準(zhǔn)電阻要運(yùn)往不同國家，想要保持傳遞電阻阻值高度穩(wěn)定，不僅要求電阻的制作材料及制造工藝優(yōu)良，而且要在運(yùn)輸過程中為電阻提供高度穩(wěn)定的溫度環(huán)境。國際比對中也明確要求了在測量過程中，標(biāo)準(zhǔn)電阻置于（23±0.05）℃的溫度環(huán)境中。這就要求恒溫箱具有較高的穩(wěn)定性和便攜性。運(yùn)輸過程中必然要使用移動設(shè)備為恒溫箱供電，因此恒溫箱功耗要盡可能小，以滿足長時間運(yùn)輸?shù)男枰?。此外，為了避免對量值傳遞造成干擾，恒溫箱還應(yīng)具有良好的噪聲性能。

最初用恒溫油槽為實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)電阻提供穩(wěn)定的溫度環(huán)境，但是恒溫油槽便攜性較差，且容易污染電阻。目前所用的高精度電阻傳遞標(biāo)準(zhǔn)體積較大，而國際上此種大容量便攜式空氣恒溫箱產(chǎn)品較少[2]。

基于此現(xiàn)狀，文章設(shè)計了一款高精度可攜式空氣恒溫箱，系統(tǒng)采用自整定模糊PID算法，動態(tài)性能較好。通過實(shí)驗(yàn)對恒溫箱的功率消耗、噪聲性能以及穩(wěn)定性能進(jìn)行了測試分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該恒溫箱功耗低、噪聲小、便攜性強(qiáng)、穩(wěn)定性高，滿足標(biāo)準(zhǔn)電阻的存放和量值傳遞的要求。

1 溫度控制系統(tǒng)

1.1 溫度控制系統(tǒng)原理

溫度控制系統(tǒng)由溫度采集模塊和溫度控制模塊構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，通過Pt100溫度傳感器獲取恒溫箱內(nèi)腔溫度，功率電阻作為執(zhí)行元件。由于恒溫箱工作溫度高于環(huán)境溫度，所以功率電阻一直處于加熱狀態(tài)。

隨著內(nèi)腔溫度變化，Pt100阻值發(fā)生改變導(dǎo)致電橋的差分電壓變化，差分電壓經(jīng)過調(diào)理放大后由A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再由單片機(jī)處理后計算出當(dāng)前溫度，通過液晶屏顯示溫度值，也可以通過串口將溫度數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。單片機(jī)記錄溫度偏差值和溫度變化率，將它們進(jìn)行模糊PID運(yùn)算后在線調(diào)整輸出值，通過控制D/A轉(zhuǎn)換芯片的輸出電壓，來調(diào)節(jié)PWM波占空比，PWM波通過驅(qū)動電路改變功率電阻的電流，使其發(fā)熱量改變[3-5]。

1.2 智能控制模塊

模糊PID控制將模糊理論的靈活性和PID控制的精確性特點(diǎn)相結(jié)合，可以在線修改參數(shù)，控制精度高，滿足精密溫度控制的需要[6-7]。系統(tǒng)采用模糊PID控制，通過閉環(huán)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對溫度的精確控制，在沒有人工干預(yù)的情況下，可以根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)，利用模糊邏輯實(shí)時調(diào)節(jié)PID參數(shù)，使系統(tǒng)有更好的動態(tài)性能。

1.3 溫度采集模塊

鉑電阻Pt100是一種精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的測溫標(biāo)準(zhǔn)傳感器。為減小引線電阻對測量帶來的影響，采用了三線制接法。溫度采集電路如圖2所示。

將Pt100溫度傳感器和3個精密線繞電阻組成惠斯通電橋，利用鉑電阻的阻值對溫度敏感的特性探測恒溫箱內(nèi)腔溫度。四臂電橋產(chǎn)生的不平衡信號比較微弱，需要經(jīng)過儀表放大器AD620差分放大，由于AD620失調(diào)漂移較小、精密度高，被廣泛應(yīng)用于微弱信號的放大。

由于Pt100傳送到電橋的電信號要經(jīng)過較長距離的引線，可能會受到交變磁場的干擾。因此，在儀表放大器后添加Sallen-key結(jié)構(gòu)的二階有源低通濾波器，以消除高頻噪聲。被放大后的溫度信號經(jīng)過低通濾波后，進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。

1.4 驅(qū)動模塊

功率電阻驅(qū)動電路如圖3所示，N溝道增強(qiáng)型MOS管高電平導(dǎo)通起到開關(guān)的作用。脈寬調(diào)制輸出經(jīng)過限流電阻R1連接到MOS管柵極。系統(tǒng)通過PWM波高低電平來控制開關(guān)的通斷，進(jìn)而控制功率電阻的工作時間。下拉電阻R2用來確保脈寬調(diào)制輸出為低電平時，柵極保持低電位，即場效應(yīng)管處于截止?fàn)顟B(tài)。

1.5 上位機(jī)模塊

為掌握恒溫箱內(nèi)腔溫度變化趨勢，了解恒溫箱的控溫性能，通過LabVIEW軟件編寫了上位機(jī)程序。Pt100獲取內(nèi)腔溫度數(shù)據(jù)后被轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，單片機(jī)對信號進(jìn)行處理后，通過RS-232串口完成與上位機(jī)的通信[8]。上位機(jī)根據(jù)設(shè)置的采樣間隔顯示內(nèi)腔溫度，并用LabVIEW波形圖表顯示控件將溫度實(shí)時顯示，可以顯示內(nèi)腔溫度的變化趨勢[9]。同時，將溫度數(shù)據(jù)保存到LabVIEW自動創(chuàng)建的以當(dāng)前日期命名的文本文件中。

2 恒溫箱結(jié)構(gòu)分析

恒溫箱箱體結(jié)構(gòu)如圖4所示，整個箱體尺寸為57cm×57cm×55cm，質(zhì)量約35噸。箱體由內(nèi)箱體和外箱體構(gòu)成，內(nèi)外箱體都是由5mm厚的鋁板制成，保證了箱子的便攜性。內(nèi)箱體作為均溫層，可以改善溫度均勻性。

鋁殼電阻尺寸小、精度高，其外殼由鋁制成，散熱性強(qiáng)，適用于精密溫度測控領(lǐng)域。在箱體的每個面均勻固定鋁殼電阻，每個電阻與面之間涂抹導(dǎo)熱硅脂，以保證功率電阻發(fā)熱能及時傳遞到內(nèi)箱體，從而對內(nèi)腔溫度進(jìn)行緊密控制。內(nèi)箱體每個面的功率與面積相匹配，如式（1），任意3個面上電阻功率之比等于面積之比。因此該恒溫箱結(jié)構(gòu)上是比較對稱的，可以認(rèn)為溫度場近似均勻。

P₁：P₂：P₃=S₁：S₂：S₃（1）其中S為恒溫箱內(nèi)箱體某一面的面積;尸為恒溫箱內(nèi)箱體某一面上電阻的功率。

聚苯乙烯泡沫塑料質(zhì)量輕、導(dǎo)熱系數(shù)小、具有良好的緩沖作用[10]。內(nèi)外箱體之間填充8cm厚的泡棉作為絕熱層，這是防止內(nèi)箱體與外界環(huán)境之間熱傳遞的基本保證，同時還可以起到溫度濾波的作用，濾除短時間溫度變動的影響。

3 性能分析

3.1 電源噪聲分析

量值傳遞時，要求標(biāo)準(zhǔn)電阻存放的溫度環(huán)境高度穩(wěn)定，同時外界對量值傳遞設(shè)備造成的電磁干擾要盡量小。因此，作為標(biāo)準(zhǔn)電阻的儲存環(huán)境，恒溫箱不僅控溫性能要穩(wěn)定，還應(yīng)具有良好的噪聲性能。

開關(guān)電源發(fā)熱量小、轉(zhuǎn)換效率高。但其輸出的直流電疊加較大的紋波，內(nèi)部電流和電壓的快速變化也會造成諧波干擾和尖峰干擾[11]。圖5是標(biāo)準(zhǔn)電阻量值傳遞實(shí)驗(yàn)一個周期的數(shù)據(jù)，曲線1是在外界無明顯電磁干擾下，使用開關(guān)電源為系統(tǒng)供電時電橋不平衡電壓的測量值。在受到開關(guān)電源的干擾后，電橋不平衡電壓出現(xiàn)了較大幅度的波動，峰峰值達(dá)到90nV，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的偏差。

恒溫箱的運(yùn)行，需要36V直流電源為控制器和控制電路（功率電阻）同時供電。由于電池輸出電壓穩(wěn)定、紋波噪聲小，為了改善恒溫箱的噪聲性能，將3塊電壓為12V的鉛酸電池串聯(lián)成36V可充電電源為系統(tǒng)供電。曲線2是在電池供電時電橋不平衡電壓的測量值，此時實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較平穩(wěn)，峰峰值為13nV。因此，采用電池供電完全滿足要求，而開關(guān)電源對量值傳遞干擾較強(qiáng)，不適合應(yīng)用于此種用途的恒溫箱。

恒溫箱在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)存放電阻時，市電作為恒溫箱電能來源，若市電停止供電，36V電池能實(shí)現(xiàn)恒溫箱的不間斷供電?？紤]到充電時電池輸出的直流電仍疊加紋波，因此在量值傳遞時，電池僅處于放電狀態(tài)，避免造成額外干擾。用電池供電噪聲小，可實(shí)現(xiàn)不間斷供電，而且提高了恒溫箱的便攜性，使標(biāo)準(zhǔn)電阻在運(yùn)輸過程中保持恒定溫度成為可能。

3.2 穩(wěn)定性分析

恒溫箱內(nèi)腔溫度的穩(wěn)定性是很重要的參數(shù)，直接影響標(biāo)準(zhǔn)電阻阻值的穩(wěn)定。為此，對恒溫箱的短期穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性分別進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)條件為實(shí)驗(yàn)室室溫（19.5±0.5）℃，目標(biāo)溫度比起在23.000℃。

在一天內(nèi)每隔20min記錄下室溫和恒溫箱內(nèi)腔溫度，以測試恒溫箱的短期穩(wěn)定性。溫度波動如圖6所示，在實(shí)驗(yàn)室室溫條件下，內(nèi)腔溫度數(shù)據(jù)一天內(nèi)分散性較小，控溫點(diǎn)在23.000℃時，溫度波動小于±0.004℃，穩(wěn)定性優(yōu)于1mK/d。

為測試恒溫箱的長期穩(wěn)定性，對恒溫箱進(jìn)行了連續(xù)30天的考察，每天記錄一次室溫以及恒溫箱內(nèi)腔溫度，溫度波動如圖7所示，雖然室溫波動達(dá)±1.5℃，內(nèi)腔溫度依然長期穩(wěn)定在23.000℃附近，月穩(wěn)定性優(yōu)于1mK，這表明恒溫箱抗干擾能力以及控溫性能較為出色。

圖8為量子化霍爾電阻與存放于恒溫箱中的標(biāo)準(zhǔn)電阻SR102進(jìn)行比對的數(shù)據(jù)，相對差值為當(dāng)前測量比值與129.064的差值。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)的離散性為6.87×10^-9，說明標(biāo)準(zhǔn)電阻阻值在恒溫箱內(nèi)非常穩(wěn)定，也證實(shí)了恒溫箱內(nèi)腔溫度的穩(wěn)定性非常高，滿足標(biāo)準(zhǔn)電阻的存放及高精度量值傳遞的要求。

3.3 功率消耗分析

恒溫箱控溫過程大致分為3個階段：1）溫度上升期，即內(nèi)腔溫度從室溫（19.5℃）上升至設(shè)定溫度（23℃）附近的過程。此過程控制器控制功率電阻持續(xù)以全功率發(fā)熱，使溫度快速上升。2）溫度調(diào)整期，即內(nèi)腔溫度在設(shè)定溫度附近（23±0.1）℃波動的狀態(tài)。此過程控制器不斷改變功率電阻電流，改變其發(fā)熱量，從而實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)整。3）溫度穩(wěn)定期，即內(nèi)腔溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度的狀態(tài)。此階段控制器控制功率電阻提供一個基礎(chǔ)加熱功率，發(fā)熱量非常小。

控溫過程內(nèi)腔溫度的變化曲線如圖9所示。系統(tǒng)動態(tài)性能較好，4.5h可達(dá)到穩(wěn)態(tài)，其中上升期持續(xù)時間約2h，調(diào)整期持續(xù)時間約2.5h。

NI PXI-5922是可實(shí)現(xiàn)多種動態(tài)測試功能的高速數(shù)據(jù)采集卡，其分辨率可變[12]。將PXI-5922與LabVIEW軟件相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)頻率為1kS/s的高分辨率采樣。

本系統(tǒng)中，功率電阻和控制器都存在功率損耗。將一個1Ω的電阻串聯(lián)到控制器電路中，用萬用表測量1Ω電阻兩端電壓近似得到控制器回路電流;另一個1Ω電阻串聯(lián)到控制電路（功率電阻）中，分別在溫度上升期、調(diào)整期、穩(wěn)定期3個階段用PXI-5922對1Ω電阻兩端的電壓進(jìn)行采樣，得到功率電阻電流的大小和PWM波形。通過式（2）可以得到某一時間段功率電阻電流的平均值

I=I_max·α（2）其中I_max為功率電阻全功率加熱時的電流大小;α為PWM波在某一時間段的平均占空比。

整個控溫過程控制器回路電流較穩(wěn)定，約為74.83mA。本系統(tǒng)中PWM波周期為956ms，對溫度上升期和調(diào)整期各取20個周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由于溫度上升期功率電阻處于全功率加熱狀態(tài)，因此此階段功率電阻電流平均值即I_max約112.5mA。

在量值傳遞時，存放電阻的恒溫箱處于穩(wěn)定狀態(tài)，電池一直在放電。因此，分析室溫下穩(wěn)定期的功率消耗對于量值傳遞更具實(shí)際意義。同時，也為運(yùn)輸過程中恒溫箱的工作時間提供了依據(jù)。

將20min內(nèi)測得的穩(wěn)定期功率電阻電流數(shù)據(jù)按時間先后分為60組，每組數(shù)據(jù)包含20個MM波周期。根據(jù)各組數(shù)據(jù)的平均PWM波占空比可得到每組數(shù)據(jù)的平均電流，其隨時間的變化曲線如圖10所示，從而得到功率電阻電流測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.62mA。數(shù)據(jù)表明，在實(shí)驗(yàn)室溫度下，恒溫箱穩(wěn)定期功率電阻的平均電流變化較小，采用高精度波形采樣方法分析穩(wěn)定期的功率消耗，可靠性高。

3個階段的系統(tǒng)功率消耗計算值如表1所示。在實(shí)驗(yàn)室室溫條件下，容量為4.5Ah的36V電池可以維持穩(wěn)定狀態(tài)下的恒溫箱工作（49.8±0.3）h。經(jīng)過5次實(shí)測，平均時間約49.5h，能與理論數(shù)據(jù)相吻合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，恒溫箱功耗較低，滿足量值傳遞及遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>

4 結(jié)束語

文章設(shè)計了一款高精度空氣恒溫箱。恒溫箱的動態(tài)品質(zhì)較好，長期穩(wěn)定性優(yōu)于1mK/月。電池作為電能來源，噪聲小且便于攜帶。通過高精度波形采樣方法評價系統(tǒng)的功率消耗，得到系統(tǒng)在穩(wěn)定期的功率電阻電流測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.62mA，36 V電池可在室溫下為其持續(xù)供電（49.8±0.3）h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，恒溫箱功耗低、噪聲小、便攜性強(qiáng)、穩(wěn)定性高，滿足標(biāo)準(zhǔn)電阻的存放和量值傳遞的要求。

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（編輯：劉楊）