高穩(wěn)定性大型空氣溫度校準(zhǔn)試驗(yàn)箱的研究

徐含青，徐華太

(1.蘇州市計(jì)量測(cè)試院，江蘇 蘇州215128；2.濟(jì)南長(zhǎng)峰國(guó)正科技發(fā)展有限公司，山東 濟(jì)南250031)

0 引言

目前，數(shù)字式溫度計(jì)、冷鏈記錄儀等環(huán)境溫度采集儀器廣泛應(yīng)用于計(jì)量、醫(yī)療、物流、食品、藥品、環(huán)保等各個(gè)行業(yè)。溫度采集儀通常由測(cè)溫傳感器和顯示儀表組成(分體式、一體式)，用于監(jiān)測(cè)周?chē)h(huán)境空氣溫度，測(cè)量范圍一般為-30～70 ℃[1]。

現(xiàn)有的溫度試驗(yàn)箱或溫濕度檢定箱控溫精度、溫度波動(dòng)度和均勻度等指標(biāo)不滿足溫度采集儀的校準(zhǔn)要求，因此，采用恒溫槽作為溫度源，將傳感器放入其中，以二等標(biāo)鉑作為標(biāo)準(zhǔn)器，實(shí)現(xiàn)溫度采集儀的校準(zhǔn)[2]。此方法有一定的局限性，僅適用于校準(zhǔn)測(cè)溫傳感器與顯示儀表分離的測(cè)溫儀，而一體式測(cè)溫儀無(wú)法放入恒溫槽中進(jìn)行校準(zhǔn)。

再加上，溫度采集儀器的送檢量與日俱增，為滿足社會(huì)日益增長(zhǎng)的校準(zhǔn)需求，彌補(bǔ)原有方法不足之處，本文研制了高穩(wěn)定性大型空氣溫度校準(zhǔn)試驗(yàn)箱。此試驗(yàn)箱溫度精度、波動(dòng)度和均勻度等指標(biāo)均滿足國(guó)家校準(zhǔn)規(guī)范要求，配合精密露點(diǎn)儀，可以方便、快速的完成工作環(huán)境溫度采集儀的校準(zhǔn)。

1 研究思路

由于空氣的導(dǎo)熱性能比液體差，要實(shí)現(xiàn)在600 L工作區(qū)空間內(nèi)溫度波動(dòng)度≤±0.03 ℃/30 min、溫度均勻度≤0.05 ℃，需要解決空氣熱循環(huán)慢、熱擾動(dòng)大等問(wèn)題，相比常規(guī)空氣溫度試驗(yàn)箱，在箱體結(jié)構(gòu)、精確控溫和熱傳遞等方面都需要進(jìn)一步優(yōu)化。

1.1 箱體結(jié)構(gòu)

從加強(qiáng)箱體保溫、提高熱交換效率和提升工作區(qū)空氣循環(huán)性能等方面著手，從結(jié)構(gòu)和原理上優(yōu)化箱體設(shè)計(jì)。在箱體下部設(shè)計(jì)密閉恒溫槽，采用無(wú)機(jī)硅油作為循環(huán)介質(zhì)，通過(guò)加熱器和制冷壓縮機(jī)控制介質(zhì)溫度；在工作區(qū)四壁安裝盤(pán)管加熱器，盤(pán)管與恒溫槽通過(guò)管道連接，介質(zhì)在恒溫槽和盤(pán)管中循環(huán)流動(dòng)，通過(guò)盤(pán)管換熱來(lái)調(diào)節(jié)工作區(qū)空氣溫度；工作區(qū)箱體內(nèi)裝有變頻風(fēng)機(jī)，工作區(qū)四壁設(shè)置空氣導(dǎo)流風(fēng)道，以促進(jìn)盤(pán)管熱交換，并加速空氣循環(huán)流動(dòng)。箱體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

1)為減少工作區(qū)與外界的熱交換，箱體外殼加厚，工作區(qū)四周均包覆150 mm的厚硬質(zhì)聚氨酯保溫材料，箱門(mén)與工作區(qū)連接部分采用隔熱板制成，可有效降低工作區(qū)箱體及箱門(mén)的熱量損失，保證工作區(qū)溫度恒定。

2)為提高熱交換效率、降低熱擾動(dòng)，箱體內(nèi)設(shè)計(jì)密閉恒溫槽，采用無(wú)機(jī)硅油作為介質(zhì)，通過(guò)加熱器和制冷壓縮機(jī)調(diào)節(jié)槽內(nèi)介質(zhì)溫度，在工作區(qū)上下左右四面安裝盤(pán)管換熱器，盤(pán)管與恒溫槽通過(guò)管道密閉連接，通過(guò)變頻循環(huán)泵控制介質(zhì)循環(huán)速度，通過(guò)盤(pán)管換熱來(lái)調(diào)節(jié)工作區(qū)空氣溫度。

3)因試驗(yàn)箱工作區(qū)體積大，控溫范圍寬(-30～70 ℃)，為保證降溫速度、降低溫度波動(dòng)，制冷系統(tǒng)采用獨(dú)創(chuàng)的兩級(jí)復(fù)疊式制冷壓縮機(jī)和輔助壓縮機(jī)結(jié)合的方式，通過(guò)PLC自動(dòng)控制壓縮機(jī)工作，降溫時(shí)開(kāi)啟全部壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)快速降溫；恒溫時(shí)關(guān)閉輔助壓縮機(jī)，降低溫度波動(dòng)，提高制冷效率。

4)為提高工作區(qū)空氣循環(huán)，在工作區(qū)后部安裝變頻風(fēng)機(jī)，工作區(qū)上下左右四面與后部均設(shè)置空氣導(dǎo)流風(fēng)道，空氣通過(guò)導(dǎo)流風(fēng)道可直接經(jīng)過(guò)盤(pán)管換熱器。這種設(shè)計(jì)促進(jìn)了空氣循環(huán)流動(dòng)，提高了換熱效率，提升了工作區(qū)溫度均勻性[3]。

5)為保證測(cè)量準(zhǔn)確性，將準(zhǔn)確度為±0.01 ℃的精密鉑電阻分別安裝在恒溫槽和工作區(qū)內(nèi)，用于測(cè)量液體溫度和工作區(qū)空氣溫度。并通過(guò)軟件算法優(yōu)化控溫，提高控溫可靠性，降低溫度波動(dòng)度。

1.2 精確控溫

為提高控溫精度，控制部分采用工業(yè)觸屏和PLC結(jié)合方式，并通過(guò)精密鉑電阻測(cè)溫，控制部分結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

工業(yè)觸屏內(nèi)嵌Win CE操作系統(tǒng)，采用VC++設(shè)計(jì)人機(jī)交互程序，實(shí)現(xiàn)溫度設(shè)定、參數(shù)設(shè)置功能，并顯示設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和溫度曲線。觸屏軟件將用戶操作命令發(fā)送給PLC，由PLC控制壓縮機(jī)、加熱器、循環(huán)泵、變頻風(fēng)機(jī)等設(shè)備工作，再通過(guò)精密鉑電阻采集循環(huán)介質(zhì)溫度和工作區(qū)溫度，采用模糊PID控制方式，形成完整的控制、反饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)箱工作區(qū)溫度的準(zhǔn)確控制。

1.3 熱模擬分析

對(duì)箱體內(nèi)熱交換和空氣溫場(chǎng)建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行分析，通過(guò)熱模擬研究提供理論依據(jù)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。

1)數(shù)學(xué)模型

為方便數(shù)學(xué)模型建立和計(jì)算,可認(rèn)為加熱過(guò)程為三維非穩(wěn)態(tài)傳熱，忽略空氣在箱體內(nèi)部的輻射換熱，忽略物性隨溫度的變化，在連續(xù)性的前提下[4]，三維流動(dòng)時(shí)傳熱所符合的動(dòng)量方程為

(1)

蛇形盤(pán)管所符合的熱量傳遞方程為

(2)

空氣流動(dòng)時(shí)所符合的能量方程為

(3)

箱體內(nèi)的換熱過(guò)程，所符合的k方程和ε方程分別如式(4)和式(5)所示。

(4)

式中：ux,uy,uz為空氣在x,y,z方向上的分速度，m/s；ui為x，y，z上的分速度(i=1，2，3)；p為壓強(qiáng),Pa；ρ為密度,kg/m3；t為溫度, ℃；α為對(duì)流傳熱系數(shù),W/(m2· ℃)；ν為動(dòng)力粘度，m2/s；kd為導(dǎo)熱系數(shù)W/(m2·K)；ε為耗散率；k為湍動(dòng)能,J。

2)熱模擬研究

以液體介質(zhì)流經(jīng)蛇形盤(pán)管加熱工作區(qū)內(nèi)空氣為例，進(jìn)行熱模擬研究。整個(gè)計(jì)算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用四面體與六面體混合形式。在形狀規(guī)則的箱體內(nèi)部采用Submap的六面體網(wǎng)格，在盤(pán)管與空氣流道內(nèi)采用Tet/Hybrid的四面體網(wǎng)格。由于蛇形盤(pán)管與空氣流動(dòng)區(qū)域的尺度相差較大，為了在有限的網(wǎng)格數(shù)內(nèi)更準(zhǔn)確的計(jì)算整個(gè)空氣溫度校準(zhǔn)試驗(yàn)箱內(nèi)加熱與降溫情況，在蛇形盤(pán)管中采用局部加密。由于蛇形盤(pán)管管壁受內(nèi)部液體介質(zhì)與外部空氣共同的影響，為使模擬結(jié)果更接近實(shí)際情況，采用流固耦合算法[5]?？諝庖詫?duì)流的方式與盤(pán)管進(jìn)行換熱，故對(duì)流參數(shù)可按照相關(guān)文獻(xiàn)取值[6]。輸入?yún)?shù)為液體介質(zhì)進(jìn)口速度、進(jìn)口溫度、外界溫度及對(duì)流換熱系數(shù)，輸出參數(shù)為以整個(gè)箱體內(nèi)空間的最高、平均與最低溫度。設(shè)置求解器為PISO算法[7]，并設(shè)定為二階迎風(fēng)差分格式。

整個(gè)模擬過(guò)程為：系統(tǒng)升溫時(shí)，對(duì)恒溫槽內(nèi)循環(huán)介質(zhì)進(jìn)行加熱，介質(zhì)通入盤(pán)管中，使工作區(qū)的空氣受熱升溫，當(dāng)工作區(qū)達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，恒溫槽停止加熱進(jìn)入恒溫控制階段，介質(zhì)仍在盤(pán)管中繼續(xù)循環(huán)流動(dòng)。此時(shí)，通過(guò)控制介質(zhì)溫度，使工作區(qū)溫度逐漸達(dá)到穩(wěn)定，將溫度波動(dòng)限制在很小的范圍內(nèi)。

當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，箱體內(nèi)空氣的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分別如圖3和圖4所示。

圖3 達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)箱體內(nèi)空氣的溫度場(chǎng)

圖4 達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)箱體內(nèi)空氣的速度場(chǎng)

從圖3和圖4可以看出，達(dá)到設(shè)定溫度后停止加熱介質(zhì)，工作區(qū)空氣流動(dòng)的平均速度在0.3～0.4 m/s之間。在升溫過(guò)程中，箱體內(nèi)原有的低溫空氣在風(fēng)機(jī)的抽吸作用下被輸送到背面風(fēng)道，先同背面的盤(pán)管進(jìn)行對(duì)流換熱，再經(jīng)過(guò)上下兩側(cè)的風(fēng)道，與其內(nèi)部的盤(pán)管進(jìn)一步換熱。由于背面的盤(pán)管與空氣的換熱溫差較大，而與上下兩側(cè)的溫差較小，故背面盤(pán)管相對(duì)于其它盤(pán)管溫度較低。被加熱的空氣通過(guò)試驗(yàn)箱左側(cè)的通道流入內(nèi)部，故整個(gè)箱體內(nèi)溫度梯度沿水平方向分布，且從左到右溫度逐漸降低。

在剛達(dá)到設(shè)定的溫度時(shí)，箱體內(nèi)部存在較大的溫度梯度，在此時(shí)進(jìn)行溫度傳感器的校準(zhǔn)會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。在達(dá)到設(shè)定溫度后，關(guān)閉風(fēng)機(jī)以避免熱量損失，進(jìn)入恒溫控制階段，并利用箱體內(nèi)部的自然對(duì)流來(lái)減小工作區(qū)的溫度梯度。溫度穩(wěn)定30 min后，箱體內(nèi)空氣的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分別如圖5和圖6所示。

圖5 溫度穩(wěn)定30 min后箱體內(nèi)空氣的溫度場(chǎng)

圖6 溫度穩(wěn)定30 min后箱體內(nèi)空氣的速度場(chǎng)

由圖5和圖6可以看出，試驗(yàn)箱工作區(qū)的溫度分布已經(jīng)十分均勻，整體溫度維持在30 ℃左右，相對(duì)于加熱結(jié)束時(shí)未出現(xiàn)較大的衰減，高溫區(qū)域主要出現(xiàn)在流道附近，溫度梯度主要出現(xiàn)在風(fēng)道與內(nèi)部空間的接觸界面上。上述結(jié)果證明試驗(yàn)箱在穩(wěn)定30 min后的過(guò)程中溫度分布逐漸均勻、溫度梯度減小，同時(shí)保溫效果良好、溫度未有大幅的衰減。由于恒溫階段關(guān)閉了風(fēng)機(jī)，故整個(gè)試驗(yàn)箱內(nèi)部主要以浮升力驅(qū)動(dòng)的自然對(duì)流為主，與加熱過(guò)程中的速度分布有較大差別。在恒溫階段，箱體內(nèi)部空氣區(qū)域的平均速度較低，除了在靠近風(fēng)機(jī)處受到后側(cè)風(fēng)道內(nèi)部空氣自然對(duì)流的影響速度較大外，平均速度在0.03 m/s以下。

圖7為試驗(yàn)箱在達(dá)到設(shè)定溫度后30 min內(nèi)，最高、平均與最低溫度變化情況。從圖中可以得到，升溫結(jié)束時(shí)，試驗(yàn)箱內(nèi)溫度最高值與最低值相差較大，平均溫度為30.02 ℃。但隨著恒溫時(shí)間的增加，短時(shí)間內(nèi)最高溫度快速下降，最低溫度逐漸提升，溫度逐漸接近，原因是試驗(yàn)箱內(nèi)的自然對(duì)流使冷熱空氣相互混合，在短時(shí)間內(nèi)使空氣溫度分布逐漸均勻。在30 min時(shí)，試驗(yàn)箱內(nèi)最高、平均、最低溫度分別為30.02，29.99，29.98 ℃。

根據(jù)熱模擬試驗(yàn)，30 min時(shí)工作區(qū)溫度波動(dòng)度為±0.03 ℃，溫度均勻度為0.04 ℃。證明本文設(shè)計(jì)的空氣溫度試驗(yàn)箱的溫場(chǎng)波動(dòng)度和溫場(chǎng)均勻性均優(yōu)于傳統(tǒng)的溫度試驗(yàn)箱，符合高精度溫度采集儀的校準(zhǔn)要求。

圖7 恒溫過(guò)程中試驗(yàn)箱體內(nèi)空氣溫度變化

2 測(cè)試與驗(yàn)證

采用測(cè)量不確定度U=0.01 ℃(k=2)的高精度智能并行溫度巡檢儀，依據(jù)JJF 1564-2016《溫濕度標(biāo)準(zhǔn)箱校準(zhǔn)規(guī)范》要求，在箱體工作區(qū)范圍內(nèi)按9點(diǎn)分布測(cè)溫，對(duì)溫場(chǎng)的溫度波動(dòng)度和溫度均勻性進(jìn)行測(cè)試。

1)溫度波動(dòng)度

在-30，0，70 ℃設(shè)定點(diǎn)，經(jīng)過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)得到得到30 min波動(dòng)度數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 溫度波動(dòng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2)溫度均勻性

在-30，0，70 ℃設(shè)定點(diǎn)，經(jīng)過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)得到30 min的均勻度數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 溫度均勻度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)以上測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，試驗(yàn)箱在-30～70 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，工作區(qū)溫場(chǎng)溫度波動(dòng)度小于±0.03 ℃/30 min，均勻度小于0.05 ℃，證明試驗(yàn)箱技術(shù)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

研制高穩(wěn)定性大型空氣溫度校準(zhǔn)試驗(yàn)箱，以滿足溫度采集儀的校準(zhǔn)需求。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，其溫度波動(dòng)度和溫場(chǎng)均勻性均優(yōu)于傳統(tǒng)的溫度試驗(yàn)箱，且操作簡(jiǎn)便，符合高精度溫度采集儀的校準(zhǔn)要求，值得推廣應(yīng)用。

在接下來(lái)的工作中，將進(jìn)一步深入開(kāi)展理論研究，拓展大型空氣溫度校準(zhǔn)試驗(yàn)箱的控溫區(qū)范圍，集中對(duì)-80～150 ℃溫區(qū)進(jìn)行科研攻關(guān)，并結(jié)合濕度參數(shù)，整體提升溫濕度場(chǎng)設(shè)備性能，進(jìn)一步解決高精度溫濕度傳感器、高精度溫濕度變送器、高精度溫濕度記錄器、WBGT熱指數(shù)儀等各類(lèi)儀器的長(zhǎng)期校準(zhǔn)難題。在設(shè)備實(shí)際應(yīng)用方面，未來(lái)將繼續(xù)深入研究恒溫介質(zhì)的溫變反應(yīng)，提升升降溫速率，并進(jìn)一步完善此類(lèi)設(shè)備的校準(zhǔn)規(guī)范，為溫濕度專業(yè)計(jì)量能力提升做出更好的示范及探索。