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方案，溫控范圍為（-190～-80）℃，基于業內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℃以下低溫環境下的鉑熱電阻的符合性判斷具有重大的研究意義。

關鍵詞：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《工業鉑、銅熱電阻檢定規程》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，而實際電阻溫度系數的符合性，規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，能夠根據客戶需求測量鉑熱電阻在（-190～-80）℃環境下不同溫度點的實際電阻值，根據實際電阻溫度系數計算得到其在該溫度點的理論電阻值，實現低溫環境下工作的鉑熱電阻進行溫度下限的符合判定。

目前，國內的低溫槽已經取得了很大的發展和進步，從控溫程序的升級到控溫精度的提高，到儀器材質的選用都有很大程度的提升。國內絕大多數的計量單位，其低溫連續計量能力最多可達到-80℃。對于-80℃以下的設備（產品）計量，目前的主流技術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、連續的-190℃～-80℃之間計量。該類設備主要應用于低溫條件下的產品試驗，在計量領域，包括熱學一級站-北京長城計量測試技術研究所在內的單位也在進行相關研究。

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;液氮罐作為冷源實現恒溫槽到達所需的低溫點，由電磁閥控制恒溫槽內液氮的輸入量;恒溫槽作為校準的工作區域，為鉑熱電阻的校準提供穩定的溫場;溫控系統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，使恒溫槽內溫場的均勻度和波動度滿足鉑熱電阻的校準技術要求。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指標要求，將工業鉑熱電阻與標準鉑電阻溫度計置入恒溫槽相近的工作區域，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，根據實際電阻溫度系數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 溫控系統設計

（1）技術指標

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;

校準穩定時間：10min。

（2）自整定智能PID控制

PID控制是控制系統中最常見也是最重要的一個控制方法，由于其結構簡單、魯棒性強、可靠性高等優點被廣泛用于各種控制系統中。采用增量式PID控制調節，可以使溫度調節過程平穩、迅速。恒溫槽溫度自整定PID控制結構如圖2所示：

為了使恒溫槽內的溫度達到所需要的低溫點，需要開啟電磁閥向保溫罐內不斷充入氮氣，在將要到達低溫度點附近時，關閉電磁閥。待溫度穩定后，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，建立輸入輸出數學模型，采用自整定智能PID控制，能夠使系統快速達到所需溫度并維持恒溫槽穩定。

2恒溫槽設計

2.1結構設計

恒溫槽的結構、材料和尺寸直接決定了控溫效果，恒溫槽工作區域過大，控溫難度越大，工作區域內的溫度均勻性和波動性就越大;恒溫槽工作區域過小，微小的冷源輸入或熱源輸入會對工作區域造成較大的溫度影響。

為了避免單層恒溫槽難以抗拒環境溫度變化的影響，校準裝置采用雙層恒溫槽的設計，恒溫槽結構設計圖如圖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的溫度恒定。

通過查閱相關文獻資料，在恒溫槽為圓柱體的條件下，保證保溫罐有足夠的熱容量，擬設計內外保溫罐厚度為5mm，內保溫層厚度為20mm，外保溫層厚度設計為25mm。恒溫槽結構設計俯視圖如圖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和比熱有關性能中（見表1常用材料有關性能），保溫罐和外殼的材料應選鋁。

為有效維持內外保溫罐內的溫度恒定，內外保溫層的材料選用導熱系數小的材料—76#硬質聚氨酯泡沫，其導熱系數僅為（0.022～0.033）W/（m*K），其質量輕、強度高、易于加工，能有效隔絕外部溫場對保溫罐內溫場的影響。

理想的加熱電阻絲特點是：電阻率高，溫度系數小，電阻值穩定。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結束語

本文通過研究以液氮作為冷源的校準裝置恒溫槽結構設計和材料選擇，研究校準裝置的溫控系統，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指標要求，以此實現鉑熱電阻在（-190～-80）℃條件下的連續性校準，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《工業鉑、銅熱電阻檢定規程》的未按下限溫度進行實際電阻溫度系數符合性判定的空白，對業內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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