試差控溫法在低溫恒溫恒壓測試系統(tǒng)中的應(yīng)用

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

0 引言

在化工行業(yè)的生產(chǎn)實(shí)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(shí)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(jìn)的恒溫和恒壓設(shè)備，根據(jù)低溫高壓工作環(huán)境的實(shí)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(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該低溫恒溫恒壓測試容器在液氫溫區(qū)時(shí)，溫度波動(dòng)范圍小于0.2K，壓力波動(dòng)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(jī)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(shí)際運(yùn)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(duì)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(gè)密封的腔體，在工作時(shí)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(shí)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(duì)測試容器的內(nèi)腔溫度進(jìn)行PID控制。但是由于PID調(diào)節(jié)模式對(duì)于系統(tǒng)設(shè)定值與實(shí)測值偏差具有高敏感性，其魯棒性不強(qiáng)，只適用于本系統(tǒng)單獨(dú)控溫的情況。在恒壓同時(shí)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(shí)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(dòng)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(huì)造成溫度的頻繁波動(dòng)，而這種頻繁的溫度波動(dòng)如果仍采用PID調(diào)節(jié)，會(huì)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(diǎn)，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(yàn)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(jì)算此時(shí)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(shí)間和溫度數(shù)據(jù)點(diǎn)的編號(hào)總數(shù)，n為自然數(shù)，一般取值范圍為3～4；ti為時(shí)間數(shù)據(jù)(s)；Ti為溫度數(shù)據(jù)(K)；i為數(shù)據(jù)點(diǎn)序號(hào)，i=0，1，2，……，n。

圖3 試差法程序流程圖

當(dāng)T＞T0時(shí)，關(guān)閉加熱電源，此時(shí)加熱功率為0，由于熱慣性，T不會(huì)立即下降，而會(huì)持續(xù)上升一段時(shí)間之后，才開始下降，記錄溫度下降區(qū)間多個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，按照(1)式，計(jì)算得出此時(shí)的溫度下降速率kd(K/s)。根據(jù)拉格朗日中值定理，此時(shí)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(shí)隨時(shí)間的變化率在一定精度范圍內(nèi)趨于0，即達(dá)到測試容器的恒溫狀態(tài)。如果進(jìn)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(yùn)行結(jié)果

恒溫恒壓測試系統(tǒng)需要對(duì)其溫度波動(dòng)度進(jìn)行實(shí)測標(biāo)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(jì)算升溫速率；再關(guān)閉加熱電源，得到溫度下降曲線，并計(jì)算降溫速率。最后根據(jù)試差法計(jì)算得到恒溫功率WS，實(shí)現(xiàn)了測試容器在50K時(shí)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(diǎn)在50K的控溫情況

3 結(jié)語

本文中研究設(shè)計(jì)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(shí)還開發(fā)了試差法溫度控制模式，實(shí)現(xiàn)了測試容器中壓力和溫度的同時(shí)自動(dòng)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(jìn)一步提高低溫測試水平提供了技術(shù)支持。