試差控溫法在低溫恒溫恒壓測試系統中的應用

耿亞璋 曹建 尚宇(北京航天試驗技術研究所，北京 100074)

0 引言

在化工行業的生產實踐中，不僅需要參考各類流體的熱物性數據[1-2]，還需要研究各類工業傳感器在實際工作環境下的數據測量情況[3]，以提高化工生產的安全性和可靠性。恒溫槽是一種常用的測試設備[4]，恒溫槽的性能直接影響著流體或器件在某一特定環境溫度下測試數據的精度和可信度。本文采用了國內外先進的恒溫和恒壓設備，根據低溫高壓工作環境的實際需要，利用PID控制結合試差控制原理[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。實際運行結果表明，該低溫恒溫恒壓測試容器在液氫溫區時，溫度波動范圍小于0.2K，壓力波動范圍小于0.3%，可較好地滿足測試需求。

1 測試系統

1.1 測試系統組成

低溫恒溫恒壓測試系統主要由以下若干部分組成：低溫杜瓦及低溫介質、真空機組、恒壓源、溫控儀、測試容器、數據采集控制系統等。測試系統結構示意圖如圖1所示。該系統在實際運行過程中，可根據測試用戶需求調節系統內測試容器的溫度和壓力，還可以根據要求調節溫度變化的速率，針對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。

該測試系統中，可采用液氦、液氫或液氮作為低溫介質，以提供測試容器所需的冷量。為了降低低溫介質的消耗速率，在測試容器及加熱絲之外，套裝了一個密封的腔體，在工作時保持腔體為真空狀態，降低測試容器與低溫介質的傳熱速率。

為了實現測試用戶預設溫度的恒溫調節，本測試系統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境中保持溫度恒定。本系統選用美國Lake Shore公司的MODEL 350型溫控儀，連接加熱絲后，對測試容器的內腔溫度進行PID控制。但是由于PID調節模式對于系統設定值與實測值偏差具有高敏感性，其魯棒性不強，只適用于本系統單獨控溫的情況。在恒壓同時恒溫的條件下，利用LabVIEW軟件自編了數據采集及控溫程序[6]。

圖1 低溫恒溫恒壓測試系統結構示意圖

1.2 試差控溫方法

本系統采用試差法控溫，此時測試容器內氣體壓力為一恒定值，由恒壓源采用PID方法動態控制，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數據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，測試容器內所充裝的氣體壓力與溫度受氣體狀態方程約束，存在相關性，氣體壓力的PID調節會造成溫度的頻繁波動，而這種頻繁的溫度波動如果仍采用PID調節，會導致溫度和壓力雙重PID調節的耦合和滯后，甚至出現失調或超調現象[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中，測試容器溫度穩定后，確定低溫恒溫溫度T0，且T0需要大于低溫介質沸點，以液氫介質為例，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驗值W0，確保測試容器溫度T處于單調上升狀態，并根據公式(1)計算此時的升溫速率kr(K/s)。

式中：k為升溫或者降溫速率(K/s)；n為時間和溫度數據點的編號總數，n為自然數，一般取值范圍為3～4；ti為時間數據(s)；Ti為溫度數據(K)；i為數據點序號，i=0，1，2，……，n。

圖3 試差法程序流程圖

當T＞T0時，關閉加熱電源，此時加熱功率為0，由于熱慣性，T不會立即下降，而會持續上升一段時間之后，才開始下降，記錄溫度下降區間多個點的數據，按照(1)式，計算得出此時的溫度下降速率kd(K/s)。根據拉格朗日中值定理，此時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值時隨時間的變化率在一定精度范圍內趨于0，即達到測試容器的恒溫狀態。如果進行多次試差迭代，可以將測試系統恒溫精度不斷提高。

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 測試系統運行結果

恒溫恒壓測試系統需要對其溫度波動度進行實測標定。為此，在測試系統低溫杜瓦中首先加注了液氫介質，在溫度穩定后，輸入加熱功率W0，得到溫度場平均溫度的上升曲線并計算升溫速率；再關閉加熱電源，得到溫度下降曲線，并計算降溫速率。最后根據試差法計算得到恒溫功率WS，實現了測試容器在50K時的恒溫過程。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 測試容器內溫度測點在50K的控溫情況

3 結語

本文中研究設計了低溫恒溫恒壓測試系統，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，同時還開發了試差法溫度控制模式，實現了測試容器中壓力和溫度的同時自動控制，拓展了傳統低溫恒溫槽的應用領域，明顯提高了恒溫恒壓測試系統的控溫精度，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，為今后進一步提高低溫測試水平提供了技術支持。