一種可調(diào)節(jié)升降溫速率的恒溫槽

李杰 耿榮勤 邢寒雪 / 河北省計(jì)量監(jiān)督檢測研究院

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度計(jì)量儀表不僅僅作為溫度測量儀表使用，同時廣泛參與系統(tǒng)的自動化控制，如帶有電氣接點(diǎn)裝置、可輸出溫度開關(guān)控制信號的儀器儀表。對于這類溫度儀表，相關(guān)的規(guī)程（JJG 226-2001《雙金屬溫度計(jì)》和JJG 310-2002《壓力式溫度計(jì)》檢定規(guī)程）均明確規(guī)定了恒溫槽的溫度變化在1 ℃/min以內(nèi)。目前各計(jì)量單位所用的恒溫槽一般升溫采用電加熱，制冷采用一級或二級壓縮機(jī)，較難實(shí)現(xiàn)溫度變化在1 ℃/min以內(nèi)的要求。特別在恒溫槽溫度在45 ℃以上時，為了保護(hù)壓縮機(jī)，無法啟動壓縮機(jī)制冷。如果單純采用自然降溫，降溫速率較慢，嚴(yán)重影響工作效率，因此，研制一種升降溫速率可調(diào)的恒溫槽就顯得尤為重要。

1 工作原理

該雙制冷恒溫槽與常規(guī)的制冷槽的主要區(qū)別為具有兩套獨(dú)立的制冷系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)升降溫速率的調(diào)節(jié)。依靠電加熱器方式升溫，降溫有兩種方式，分別為直接制冷和冷媒制冷，兩種方式相互獨(dú)立，直接制冷主要用于20～45 ℃，冷媒制冷主要用于45～120 ℃。直接制冷是利用包括壓縮機(jī)在內(nèi)的制冷系統(tǒng)產(chǎn)生冷量，對槽液進(jìn)行制冷，以此實(shí)現(xiàn)對恒溫槽工作區(qū)域溫度的控制；冷媒制冷是通過另一套獨(dú)立的制冷系統(tǒng)，采用儲液罐中的冷液為介質(zhì)進(jìn)行制冷。當(dāng)使用冷媒制冷時，打開循環(huán)泵，通過調(diào)節(jié)恒溫槽參數(shù)和浮子流量計(jì)控制進(jìn)入恒溫槽周圍交換系統(tǒng)的冷液量，當(dāng)冷液溫度低于恒溫槽液溫度時，冷液流經(jīng)恒溫槽周圍交換系統(tǒng)時，會帶走一部分熱量，以此起到對恒溫槽工作區(qū)域的制冷作用，實(shí)現(xiàn)降溫速率的可調(diào)節(jié)。

2 技術(shù)方案

該雙制冷恒溫槽控溫范圍為20～120 ℃，采用攪拌方式，恒溫介質(zhì)為油槽專用硅油。在使用冷媒制冷前，提前開啟媒體制冷，對冷液進(jìn)行降溫。升溫方式是依靠電加熱器進(jìn)行，通過調(diào)節(jié)恒溫槽參數(shù)和利用冷媒循環(huán)分段控制來實(shí)現(xiàn)升溫速率的調(diào)節(jié)；降溫通過壓縮機(jī)制冷降溫和冷媒循環(huán)分段控制來實(shí)現(xiàn)降溫速率的調(diào)節(jié)。在降溫速率沒有要求的情況下，可以通過調(diào)節(jié)浮子流量計(jì)，加大制冷液流量，以達(dá)到快速降溫的目的，提高工作效率。

該恒溫槽的工作原理如圖1所示。冷媒循環(huán)系統(tǒng)中的冷液儲運(yùn)于冷媒箱中，恒溫槽工作時，打開循環(huán)泵，輸送壓力將冷液循環(huán)起來，冷媒回流閥和冷媒制冷閥均用于冷媒流量的粗調(diào)。浮子流量計(jì)用于調(diào)節(jié)和監(jiān)測冷媒的流量，并用于冷媒流量的細(xì)調(diào)。通過粗調(diào)和細(xì)調(diào)，控制流經(jīng)冷媒管的流量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)恒溫槽的降溫速率的可調(diào)節(jié)。

圖1 恒溫槽工作原理

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)分析，最終得出通過調(diào)節(jié)恒溫槽各參數(shù)，即最大加熱功率的百分比（OPH）和利用冷媒循環(huán)分段控制升降溫速率相結(jié)合的方案，實(shí)現(xiàn)升降溫速率的調(diào)節(jié)，并使升降溫速率控制在1.0 ℃/min以內(nèi)。

3.1 升溫速率的調(diào)節(jié)

1）45 ℃以下，將OPH設(shè)置為60，即只允許最大60%滿量程的加熱功率。

2）45 ℃到100 ℃，滿功率加熱，利用冷媒循環(huán)控制升溫速率。

3）100 ℃以上，將OPH設(shè)置為40，即只允許最大40%滿量程的加熱功率，利用冷媒循環(huán)控制升溫速率。

升溫速率試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 升溫速率試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1表明，通過調(diào)節(jié)恒溫槽參數(shù)OPH和利用冷媒循環(huán)分段控制，可以將升溫速率控制在1.0 ℃/min以內(nèi)。

3.2 降溫速率的調(diào)節(jié)

對于降溫速率，恒溫槽45 ℃以下通過壓縮機(jī)制冷降溫，45 ℃以上通過小流量0～100 mL/min的冷卻液循環(huán)制冷，即可滿足要求。降溫速率試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 降溫速率試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2表明，通過壓縮機(jī)制冷降溫和利用冷媒循環(huán)分段控制，可以將降溫速率控制在1.0 ℃/min以內(nèi)。

3.3 工作區(qū)域性能指標(biāo)

依據(jù)JJF 1030-2010恒溫槽技術(shù)性能測試規(guī)范的要求，對研制的恒溫槽工作區(qū)域進(jìn)行校準(zhǔn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表3。

表3 工作區(qū)域性能指標(biāo)

表3表明，研制的恒溫槽工作區(qū)域性能指標(biāo)均符合JJG 226-2001和JJG 310-2002的要求，可以用于開展相關(guān)的計(jì)量檢定和校準(zhǔn)工作。

4 結(jié)語

研制的雙制冷恒溫槽與傳統(tǒng)的恒溫槽的主要區(qū)別為采用兩套獨(dú)立的制冷系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)恒溫槽參數(shù)和浮子流量計(jì)實(shí)現(xiàn)在20～120 ℃范圍，恒溫槽升降溫速率可控制在1.0 ℃/min以內(nèi)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)快速降溫，提高了工作效率。