基于液氮冷源控制的超低溫校準恒溫槽的設計

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恒溫槽設計的技術(shù)方案，溫控范圍為（-190～-80）℃，基于業(yè)內(nèi)鉑熱電阻超低溫計量特性沒有可行的校準途徑，提出一種新的超低溫恒溫槽溫控設計的解決方案，對于工作在-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：TB942 ? ? 文獻標識碼：A

引言

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

目前，國內(nèi)的低溫槽已經(jīng)取得了很大的發(fā)展和進步，從控溫程序的升級到控溫精度的提高，到儀器材質(zhì)的選用都有很大程度的提升。國內(nèi)絕大多數(shù)的計量單位，其低溫連續(xù)計量能力最多可達到-80℃。對于-80℃以下的設備（產(chǎn)品）計量，目前的主流技術(shù)是在固定點進行檢定，比如檢定標準鉑電阻溫度計時，低溫會在氬三相點（-189.3442℃）等固定點進行檢定，通過計算的方式確定其它溫度點的標準值，不能進行可靠的、連續(xù)的-190℃～-80℃之間計量。該類設備主要應用于低溫條件下的產(chǎn)品試驗，在計量領(lǐng)域，包括熱學一級站-北京長城計量測試技術(shù)研究所在內(nèi)的單位也在進行相關(guān)研究。

1校準恒溫槽總體設計

1.1 液氮冷源+加熱裝置恒溫槽校準裝置設計

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

由基于液氮冷源控制的超低溫校準恒溫槽設計原理圖可知，采用校準裝置校準工業(yè)鉑熱電阻時，打開電磁閥，液氮罐里的液氮通過管路進入恒溫槽，使恒溫槽里的溫度達到所校準的溫度點，通過溫控系統(tǒng)控制電磁閥的通斷時間和電阻絲的加熱時間，逐漸使恒溫槽的溫場滿足所需要的技術(shù)指標要求，將工業(yè)鉑熱電阻與標準鉑電阻溫度計置入恒溫槽相近的工作區(qū)域，標準鉑電阻溫度計顯示溫度值作為標準溫度點，測量該標準溫度點下鉑熱電阻的電阻值，根據(jù)實際電阻溫度系數(shù)計算得到其在該溫度點的理論電阻值，進行符合判定，完成對鉑熱電阻的校準。

1.2 溫控系統(tǒng)設計

（1）技術(shù)指標

作為恒溫控溫的校準裝置，保證量值傳遞的準確性，對校準裝置提出以下技術(shù)指標要求：

測量范圍：（-190～-80）℃;

溫度均勻度：不大于1.0℃;

溫度波動度：≤0.5℃/10min;

校準穩(wěn)定時間：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控制方法，由于其結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強、可靠性高等優(yōu)點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)的溫度達到所需要的低溫點，需要開啟電磁閥向保溫罐內(nèi)不斷充入氮氣，在將要到達低溫度點附近時，關(guān)閉電磁閥。待溫度穩(wěn)定后，由保溫層上測溫元件測量恒溫槽里的實際溫度，當溫度低于溫度點時，保溫層上的加熱電阻絲開始工作，使溫度上升;當溫度高于溫度點時，電磁閥開啟，充入氮氣使溫度降低，直到滿足其技術(shù)指標要求。然而，這種控溫不可能通過人為控制，人為控制耗時費力，建立輸入輸出數(shù)學模型，采用自整定智能PID控制，能夠使系統(tǒng)快速達到所需溫度并維持恒溫槽穩(wěn)定。

2恒溫槽設計

2.1結(jié)構(gòu)設計

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對工作區(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，校準裝置采用雙層恒溫槽的設計，恒溫槽結(jié)構(gòu)設計圖如圖3。擬設計的恒溫槽由保溫罐、保溫層和外殼三部分組成，將槽體設計為圓柱體，便于儀器的安裝，其傳熱基本均勻，能夠滿足使用時的對溫場的技術(shù)指標要求。雖然槽體為球體時溫度場分布最均勻，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，擬設計內(nèi)外保溫罐厚度為5mm，內(nèi)保溫層厚度為20mm，外保溫層厚度設計為25mm。恒溫槽結(jié)構(gòu)設計俯視圖如圖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，恒溫槽本身相當于一個熱濾波器，可以減少或消除溫度的波動，為了使恒溫槽的溫場均勻分布，保溫罐材料應選擇導熱系數(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小，通過比較以下幾種常用材料的導熱系數(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熱系數(shù)小的材料—76#硬質(zhì)聚氨酯泡沫，其導熱系數(shù)僅為（0.022～0.033）W/（m*K），其質(zhì)量輕、強度高、易于加工，能有效隔絕外部溫場對保溫罐內(nèi)溫場的影響。

理想的加熱電阻絲特點是：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裝置恒溫槽結(jié)構(gòu)設計和材料選擇，研究校準裝置的溫控系統(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恒溫槽設計的技術(shù)方案，保證校準裝置恒溫槽的溫度均勻度和溫度波動度符合相應的技術(shù)指標要求，以此實現(xiàn)鉑熱電阻在（-190～-80）℃條件下的連續(xù)性校準，基于液氮冷源控制的超低溫校準恒溫槽設計的研究，可填補JJG 229-2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻檢定規(guī)程》的未按下限溫度進行實際電阻溫度系數(shù)符合性判定的空白，對業(yè)內(nèi)鉑熱電阻超低溫計量具有重大的研究意義。

參考文獻

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