新型高精度集成化便攜恒溫槽的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

余松林　沈文杰　孫浩　王喆　蔣靜　田昀

摘要：恒溫槽可以為計(jì)量器具的檢定或校準(zhǔn)提供溫度基準(zhǔn)環(huán)境，但傳統(tǒng)恒溫槽的不便攜帶和低集成化已不能滿足一些計(jì)量器具的現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)檢定或校準(zhǔn)。針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種集成了多功能電測(cè)儀器和溫度控制模塊、可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)檢定或校準(zhǔn)的高精度便攜式恒溫槽。首次在便攜恒溫槽中采用側(cè)面攪拌技術(shù)設(shè)計(jì)，保證了溫場(chǎng)的高質(zhì)量，并使恒溫工作區(qū)域的有效工作深度提高至200 mm，克服了被檢計(jì)量器具因插入深度不足對(duì)計(jì)量結(jié)果造成的影響。采用局部控溫散熱設(shè)計(jì)，減少了高溫環(huán)境時(shí)對(duì)儀器儀表的影響，提高了檢定或校準(zhǔn)的精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，恒溫槽工作溫場(chǎng)范圍為50℃～300℃，水平最大溫差優(yōu)于0.005℃，均勻性優(yōu)于0.01℃，波動(dòng)性優(yōu)于0.03℃/10 min.。利用該集成化恒溫槽實(shí)現(xiàn)了一體化溫度變送器的現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)校準(zhǔn)，其擴(kuò)展不確定度優(yōu)于0.08℃（k=2）。此外，該集成化恒溫槽在中溫?zé)犭娕己蜔犭娮璧默F(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)校準(zhǔn)和檢定中也極具應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：溫度計(jì)量；恒溫槽；集成化；側(cè)攪拌；均勻性；波動(dòng)性

中圖分類號(hào)：TH811TB942文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

恒溫槽可以提供穩(wěn)定可靠的溫度基準(zhǔn)環(huán)境，以滿足各種溫度計(jì)量器具檢定或校準(zhǔn)的需要[1， 2]。實(shí)驗(yàn)室所使用的恒溫槽主要有超低溫液氮槽、低溫酒精槽、水浴恒溫槽、硅油恒溫槽、硝鹽恒溫槽和碳硅管槽等。隨著集成電路和儀器儀表自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的計(jì)量?jī)x器實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)檢定或校準(zhǔn)，結(jié)束了人工計(jì)算大量數(shù)據(jù)的歷史。同時(shí)，為了減少運(yùn)輸對(duì)于計(jì)量器具的性能造成的影響，在某些特定的應(yīng)用場(chǎng)合，需要計(jì)量器具的現(xiàn)場(chǎng)檢定或校準(zhǔn)。在這種情況下，便攜式恒溫槽獲得廣泛推廣應(yīng)用[3]。

目前現(xiàn)場(chǎng)檢定或校準(zhǔn)使用的恒溫設(shè)備主要有便攜式恒溫槽和干體式恒溫校準(zhǔn)器。現(xiàn)有便攜式恒溫槽多采用磁耦合攪拌的方式，攪拌扇葉位于恒溫工作腔的底部，限制了計(jì)量器具的插入深度，最終影響到儀器的計(jì)量精度。干體式恒溫校準(zhǔn)器以空氣為介質(zhì)，受空氣介質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)和環(huán)境溫度影響，其軸向和徑向熱傳導(dǎo)等都降低了溫場(chǎng)的質(zhì)量，在一些高精度計(jì)量器具的檢定或校準(zhǔn)應(yīng)用中受到限制。因此，研制一種新型的高精度、高度集成化的便攜式恒溫槽是實(shí)現(xiàn)一些計(jì)量器具現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)檢定或校準(zhǔn)的趨勢(shì)要求。

研制出一種基于側(cè)面攪拌技術(shù)設(shè)計(jì)和局部控溫散熱技術(shù)的高精度、集成化便攜式恒溫槽。首次將側(cè)面攪拌技術(shù)應(yīng)用于便攜式恒溫槽，即保證了溫場(chǎng)具有良好的均勻性和波動(dòng)性，同時(shí)將工作腔的有效工作深度延深至200 mm，避免了被檢計(jì)量器具傳感器因插入深度不足對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的影響[4]。同時(shí)，集成了多功能電測(cè)儀表和被檢計(jì)量器具的供電模塊，可以實(shí)現(xiàn)其現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)檢定或校準(zhǔn)。依據(jù)《恒溫槽技術(shù)性能測(cè)試規(guī)范》測(cè)量了所設(shè)計(jì)的恒溫槽的溫馨均勻性和波動(dòng)性，均達(dá)到較高水平。研究還以一體化溫度變送器為例，進(jìn)行了校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，其擴(kuò)展不確定度不亞于實(shí)驗(yàn)室的大型校準(zhǔn)系統(tǒng)[5]。該高精度集成化便攜式恒溫槽在工業(yè)熱電阻和中溫?zé)犭娕嫉默F(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)檢定或校準(zhǔn)中也極具前景。

1 集成化便攜恒溫槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

集成化的恒溫槽結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該恒溫槽集成了多功能電測(cè)儀表、被檢計(jì)量器具的供電模塊和恒溫工作區(qū)域的溫控模塊。首次在便攜式恒溫槽中采用側(cè)面攪拌技術(shù)，保證溫場(chǎng)高質(zhì)量的同時(shí)，延深了工作腔體的有效工作深度。采用區(qū)域控溫和散熱技術(shù)，隔熱層有效阻隔了恒溫工作區(qū)域向電測(cè)儀表區(qū)的熱傳遞，使電測(cè)儀表區(qū)的環(huán)境溫度維持在合理水平，保證了其測(cè)量精度。

如圖1所示，恒溫工作區(qū)域的溫場(chǎng)由溫控模塊分析處理控溫鉑電阻所采集的數(shù)據(jù)來(lái)完成控制。設(shè)定所需溫度點(diǎn)后，溫控模塊通過(guò)加熱電阻絲來(lái)升高工作區(qū)域的溫度。同時(shí)，攪拌電機(jī)開始工作，以保證工作區(qū)域溫場(chǎng)的均勻性和波動(dòng)性符合要求。由標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)和溫控模塊實(shí)現(xiàn)溫場(chǎng)條件的自動(dòng)判定，標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻將測(cè)量數(shù)據(jù)送往溫度模塊進(jìn)行分析，當(dāng)其符合檢定或校準(zhǔn)條件后，多功能電測(cè)儀表將實(shí)時(shí)處理和顯示標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)和被檢計(jì)量器具的測(cè)量數(shù)據(jù)，并通過(guò)I/O數(shù)據(jù)接口送往計(jì)算機(jī)中的預(yù)設(shè)程序進(jìn)行分析處理，給出最終檢定或校準(zhǔn)結(jié)果。設(shè)計(jì)的恒溫槽采用硅油作為工作介質(zhì)，可以提供50～300℃范圍內(nèi)的基準(zhǔn)溫度（最佳工作溫度范圍為80～250℃時(shí)，溫場(chǎng)條件較佳），可實(shí)現(xiàn)一些計(jì)量器具的現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)高精度檢定或校準(zhǔn)，能夠滿足量值傳遞過(guò)程對(duì)標(biāo)準(zhǔn)裝置較高的性能要求。

集成化便攜式恒溫槽具體參數(shù)如下：

外形尺寸：43cm×25cm×50cm；直徑為55mm、工作深度為200mmm；恒溫工作腔體尺寸：；恒溫工作區(qū)域容積：約1.2 L；自重15 kg；總功率：1 kW；溫度設(shè)定分辨率：0.001℃；升溫速率：10℃ /min.；降溫速率：平均約2℃/min.。

1.1 側(cè)面攪拌技術(shù)設(shè)計(jì)

如圖2所示，恒溫工作區(qū)域主要包括控溫鉑電阻、側(cè)面攪拌結(jié)構(gòu)（由加熱電阻、攪拌電機(jī)和攪拌扇葉構(gòu)成）和恒溫工作腔體（包括腔體外壁、孔狀內(nèi)壁頂部孔狀封蓋）。攪拌扇葉在電機(jī)帶動(dòng)下，促使加熱電阻絲附近的工作介質(zhì)和恒溫工作腔體中的工作介質(zhì)通過(guò)孔狀內(nèi)壁和底部連通口流動(dòng)交換，從而使溫場(chǎng)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。

本研究在便攜式恒溫槽中采用了側(cè)面攪拌技術(shù)設(shè)計(jì)，與現(xiàn)有的便攜式恒溫槽所采用的磁力攪拌技術(shù)相比，扇葉攪拌增強(qiáng)了攪拌力度，使工作介質(zhì)流動(dòng)和交換更為充分，有助于提高恒溫工作區(qū)域溫場(chǎng)波動(dòng)性性能指標(biāo)。更為重要的是，攪拌結(jié)構(gòu)安裝于恒溫工作腔體的側(cè)面，使工作腔體有效工作深度延深至200 mm，克服了被檢計(jì)量器具因插入深度不足對(duì)計(jì)量結(jié)果造成的影響。

1.2 局部控溫和散熱設(shè)計(jì)

如圖1所示，由于恒溫槽將電測(cè)儀表等儀器設(shè)備與恒溫工作區(qū)域集成于一體，而電測(cè)儀表受溫度影響環(huán)境較大，特別是工作腔體溫度較高時(shí)（最高工作溫度為300℃）。為克服這一難題，在恒溫工作區(qū)域外部設(shè)計(jì)了包裹保溫外壁，以實(shí)現(xiàn)局部控溫。保溫外壁由多層介質(zhì)構(gòu)成，自內(nèi)至外以次是泡沫保溫層、真空層、納米陶瓷保溫層和外泡沫保溫層。保溫層設(shè)計(jì)不僅有效阻隔了恒溫工作區(qū)域向電測(cè)儀表區(qū)域的熱傳遞，而且還可以減少恒溫工作區(qū)域與外部環(huán)境的熱傳遞，有助于將溫場(chǎng)保持在一個(gè)較為穩(wěn)定的狀態(tài)，有助于提高其波動(dòng)性技術(shù)性能。此外，恒溫工作區(qū)域底安裝了風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，可快實(shí)現(xiàn)多余熱量的有效排放。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)恒溫工作區(qū)域設(shè)定溫度為300℃，連續(xù)工作30 min時(shí)，電測(cè)儀表區(qū)的溫度不高于50℃。

2 恒溫槽技術(shù)性能測(cè)試

依據(jù)JJF 10302010 《恒溫槽技術(shù)性能測(cè)試規(guī)范》對(duì)設(shè)計(jì)的集成化恒溫槽的溫場(chǎng)技術(shù)性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試項(xiàng)目主要包括波動(dòng)性和均勻性，其中均勻性還包括上水平面溫差、下水平面溫差和工作區(qū)域最大溫差。測(cè)試溫度點(diǎn)包括100℃、150℃、200℃、250℃和300℃。

2.1 溫度波動(dòng)性測(cè)試

將電測(cè)儀表開機(jī)預(yù)熱30 min，使恒溫槽處于正常工作狀態(tài)，且工作介質(zhì)液面處于規(guī)定位置。待恒溫工作區(qū)域達(dá)到設(shè)定溫度10 min后，且標(biāo)準(zhǔn)器讀取的實(shí)際溫度會(huì)值與設(shè)定測(cè)試點(diǎn)溫度偏離不超過(guò)±0.02℃時(shí)，開始讀數(shù)。讀數(shù)頻率為6/min，持續(xù)10 min。讀取數(shù)值的最大值與最小值的溫度差值即為設(shè)定測(cè)試點(diǎn)的溫度波動(dòng)性，測(cè)量結(jié)果如下表1所示。在測(cè)試溫度點(diǎn)100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃和300 ℃，每10 min.的波動(dòng)性依次為0.02℃、0.02℃、0.02℃、0.03℃和0.03℃。

因此，該恒溫槽的溫度波動(dòng)性優(yōu)于0.03℃/10min。此外，依據(jù)JJF 1030—2010測(cè)試規(guī)范的不確定度評(píng)定方法，本次恒溫槽5個(gè)溫度點(diǎn)的波動(dòng)性測(cè)量結(jié)果的最大擴(kuò)展不確定度為0.006℃（k=2）。

2.2 溫度均勻性測(cè)試

溫度均勻性測(cè)試包括上水平面最大溫差、下水平面最大溫差和工作區(qū)域最大溫差。依據(jù)JJF 1030—2010測(cè)試規(guī)范選擇測(cè)量位置，并固定好兩支測(cè)量溫度計(jì)的位置。待恒溫工作區(qū)域達(dá)到設(shè)定溫度10 min后，且標(biāo)準(zhǔn)器讀取的實(shí)際溫度會(huì)值與設(shè)定測(cè)試點(diǎn)溫度偏離不超過(guò)±0.02 ℃時(shí)，按照測(cè)試規(guī)范的要求開始交替讀數(shù)，取相同位置4次讀數(shù)的平均值作為計(jì)算數(shù)值。5個(gè)測(cè)試溫度點(diǎn)的均勻性測(cè)試結(jié)果如表2所示。5個(gè)溫度點(diǎn)的上水平面的最大溫差、下水平的最大溫差和工作區(qū)域的最大溫差（垂直溫差）分別為0.005℃、0.005℃和0.01℃。因此，恒溫槽的溫度均勻性優(yōu)于0.01℃。此外，依據(jù)JJF 1030—2010測(cè)試規(guī)范的不確定度評(píng)定方法，本次恒溫槽5個(gè)溫度點(diǎn)的均勻性測(cè)量結(jié)果的最大擴(kuò)展不確定度為0.005 ℃（k=2）。

3 集成化恒溫槽應(yīng)用示例

利用設(shè)計(jì)的高精度集成化便攜恒溫槽對(duì)一體化溫度變送器進(jìn)行了校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，并與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室用大型校準(zhǔn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析對(duì)比[6]。

該一體化溫度變送器為02級(jí)與Pt100熱電阻配用，測(cè)量范圍為0～300℃（本實(shí)驗(yàn)中實(shí)測(cè)溫度范圍為100～300℃），輸出電流為4～20 mA。

3.1 一體化溫度變送器的現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

連接被檢供電模塊與一體化溫度計(jì)，并將標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)和被校一體化溫度計(jì)與多功能電測(cè)儀表相連。設(shè)定所需溫度，由控溫鉑電阻和控溫模塊對(duì)恒溫槽溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)利用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻反饋的測(cè)量數(shù)據(jù)判定溫場(chǎng)條件符合校準(zhǔn)規(guī)范的要求（實(shí)測(cè)與設(shè)定溫差，且10分鐘內(nèi)溫度變化）后，通過(guò)I/O數(shù)據(jù)接口，將數(shù)據(jù)寫入計(jì)算機(jī)預(yù)定程序進(jìn)行分析處理，并給出校準(zhǔn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)還利用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室用大型一體化溫度變送器校準(zhǔn)裝置（由實(shí)驗(yàn)室用大型恒溫槽、體積較大的24 V供電電源、大型測(cè)阻儀表和標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻構(gòu)成，該校準(zhǔn)系統(tǒng)接線復(fù)雜，且不便移動(dòng)，只能用于溫度計(jì)的室內(nèi)檢測(cè)。）對(duì)相同的被校一體化溫度變送器進(jìn)行了測(cè)量。兩套校準(zhǔn)系統(tǒng)的溯源絕對(duì)誤差曲線與校準(zhǔn)溫度點(diǎn)的關(guān)系如圖3所示。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的集成化便攜恒溫槽校準(zhǔn)系統(tǒng)的傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室大型校準(zhǔn)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果基本一致，其性能指標(biāo)可以滿足量值傳遞的精度要求。兩套系統(tǒng)均在200℃校準(zhǔn)點(diǎn)溯源誤差較小，在最高溫度校準(zhǔn)點(diǎn)300℃溯源誤差最大。這應(yīng)該與系統(tǒng)的可靠性，特別是工作介質(zhì)硅油的溫度特性有關(guān)。

3.2 測(cè)量結(jié)果不確定度分析

測(cè)量結(jié)果不確定度主要包括被校一體化溫度變送器計(jì)數(shù)重復(fù)性引入的u（T），在200℃溫度校準(zhǔn)點(diǎn)，其值為4.3 mK；此外，還包括標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻、電阻測(cè)量、電流測(cè)量和恒溫溫場(chǎng)引入的不確定度，其值依次為u（b）=42mK、u（Ω）=289mK、u（I）=54mK和u（t）=124mK。計(jì)算可得一體化溫度變送器在200℃校準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果擴(kuò)展不確定度U=0.07（k=2）。同樣，可以計(jì)算出在100、150、250和300校準(zhǔn)點(diǎn)的擴(kuò)展不確定依次為0.07、0.07、0.07、0.08和0.08（k=2）。因此，該裝置測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度U=0.08（k=2）。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種新型的高精度集成化便攜式恒溫槽，采用側(cè)攪拌技術(shù)設(shè)計(jì)方案，保證了恒溫槽溫度均勻性和波動(dòng)性，且將工作腔的有效工作深度增加至200 mm。區(qū)域控溫設(shè)計(jì)減少了高溫環(huán)境對(duì)集成儀器儀表的影響，從而減少了計(jì)量器具檢定或校準(zhǔn)時(shí)的干擾。實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究了恒溫槽溫場(chǎng)條件，包括波動(dòng)性和均勻性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，恒溫槽溫場(chǎng)的上水平最大溫差優(yōu)于0005℃、下水平面最大溫差優(yōu)于0.005℃、均勻性優(yōu)于0.01℃，波動(dòng)性優(yōu)于0.03℃/10min。最后，利用設(shè)計(jì)的高精度集成化恒溫槽對(duì)一體化溫度變送器進(jìn)行了校準(zhǔn)試驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)的校準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的新型便攜式恒溫槽校準(zhǔn)系統(tǒng)的擴(kuò)展不確定度優(yōu)于0.08℃（k=2），可以滿足一體化溫度變器的現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)校準(zhǔn)需要。更換相關(guān)電測(cè)設(shè)備后，該集成化便攜式恒溫槽還可以應(yīng)用于如工業(yè)熱電阻和中溫?zé)犭娕嫉扔?jì)量器具的現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)檢定或校準(zhǔn)。

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資助基金項(xiàng)目：天津市市場(chǎng)和質(zhì)量監(jiān)督管理委員會(huì)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016W08）

作者簡(jiǎn)介：余松林（1982），男，天津人，博士，工程師，主要從事熱工計(jì)量方面的研究。