基于液氮冷源控制的超低温校准恒温槽的设计

田莉丽

摘  要：本文提出了一种基于液氮冷源控制的超低温校准恒温槽设计的技术方案，温控范围为（-190～-80）℃，基于业内铂热电阻超低温计量特性没有可行的校准途径，提出一种新的超低温恒温槽温控设计的解决方案，对于工作在-80℃以下低温环境下的铂热电阻的符合性判断具有重大的研究意义。

关键词：液氮冷源;超低温;恒温槽

中图分类号：TB942     文献标识码：A

引言

低温试验箱的铂热电阻，按照JJG 229-2010《工业铂、铜热电阻检定规程》的要求，进行了0℃和100℃时的电阻值测量，求出其实际电阻温度系数，而实际电阻温度系数的符合性，规程仅仅只按上限温度进行判定，未按下限温度进行判定。（-190～-80）℃校准装置的研究，能够根据客户需求测量铂热电阻在（-190～-80）℃环境下不同温度点的实际电阻值，根据实际电阻温度系数计算得到其在该温度点的理论电阻值，实现低温环境下工作的铂热电阻进行温度下限的符合判定。

目前，国内的低温槽已经取得了很大的发展和进步，从控温程序的升级到控温精度的提高，到仪器材质的选用都有很大程度的提升。国内绝大多数的计量单位，其低温连续计量能力最多可达到-80℃。对于-80℃以下的设备（产品）计量，目前的主流技术是在固定点进行检定，比如检定标准铂电阻温度计时，低温会在氩三相点（-189.3442℃）等固定点进行检定，通过计算的方式确定其它温度点的标准值，不能进行可靠的、连续的-190℃～-80℃之间计量。该类设备主要应用于低温条件下的产品试验，在计量领域，包括热学一级站-北京长城计量测试技术研究所在内的单位也在进行相关研究。

1校准恒温槽总体设计

1.1 液氮冷源+加热装置恒温槽校准装置设计

校准恒温槽由三部分组成：液氮罐、恒温槽、温控系统;液氮罐作为冷源实现恒温槽到达所需的低温点，由电磁阀控制恒温槽内液氮的输入量;恒温槽作为校准的工作区域，为铂热电阻的校准提供稳定的温场;温控系统通过控制液氮管路上的电磁阀的通断时间，以及恒温槽上的加热电阻丝的加热时间，使恒温槽内温场的均匀度和波动度满足铂热电阻的校准技术要求。其校准装置原理如图1所示。

由基于液氮冷源控制的超低温校准恒温槽设计原理图可知，采用校准装置校准工业铂热电阻时，打开电磁阀，液氮罐里的液氮通过管路进入恒温槽，使恒温槽里的温度达到所校准的温度点，通过温控系统控制电磁阀的通断时间和电阻丝的加热时间，逐渐使恒温槽的温场满足所需要的技术指标要求，将工业铂热电阻与标准铂电阻温度计置入恒温槽相近的工作区域，标准铂电阻温度计显示温度值作为标准温度点，测量该标准温度点下铂热电阻的电阻值，根据实际电阻温度系数计算得到其在该温度点的理论电阻值，进行符合判定，完成对铂热电阻的校准。

1.2 温控系统设计

（1）技术指标

作为恒温控温的校准装置，保证量值传递的准确性，对校准装置提出以下技术指标要求：

测量范围：（-190～-80）℃;

温度均匀度：不大于1.0℃;

温度波动度：≤0.5℃/10min;

校准稳定时间：10min。

（2）自整定智能PID控制

PID控制是控制系统中最常见也是最重要的一个控制方法，由于其结构简单、鲁棒性强、可靠性高等优点被广泛用于各种控制系统中。采用增量式PID控制调节，可以使温度调节过程平稳、迅速。恒温槽温度自整定PID控制结构如图2所示：

为了使恒温槽内的温度达到所需要的低温点，需要开启电磁阀向保温罐内不断充入氮气，在将要到达低温度点附近时，关闭电磁阀。待温度稳定后，由保温层上测温元件测量恒温槽里的实际温度，当温度低于温度点时，保温层上的加热电阻丝开始工作，使温度上升;当温度高于温度点时，电磁阀开启，充入氮气使温度降低，直到满足其技术指标要求。然而，这种控温不可能通过人为控制，人为控制耗时费力，建立输入输出数学模型，采用自整定智能PID控制，能够使系统快速达到所需温度并维持恒温槽稳定。

2恒温槽设计

2.1结构设计

恒温槽的结构、材料和尺寸直接决定了控温效果，恒温槽工作区域过大，控温难度越大，工作区域内的温度均匀性和波动性就越大;恒温槽工作区域过小，微小的冷源输入或热源输入会对工作区域造成较大的温度影响。

为了避免单层恒温槽难以抗拒环境温度变化的影响，校准装置采用双层恒温槽的设计，恒温槽结构设计图如图3。拟设计的恒温槽由保温罐、保温层和外壳三部分组成，将槽体设计为圆柱体，便于仪器的安装，其传热基本均匀，能够满足使用时的对温场的技术指标要求。虽然槽体为球体时温度场分布最均匀，恒温效果最好，但球体不易加工，安装不便。保温层附着在保温罐的外表面，加热电阻丝位于保温层与保温罐之间，双线绕制紧密贴合在保温罐上并喷上绝缘胶，保证加热电阻丝和保温罐之间绝缘;液氮通过电磁阀流入保温罐，由液氮冷源和加热电阻维持保温罐内的温度恒定。

通过查阅相关文献资料，在恒温槽为圆柱体的条件下，保证保温罐有足够的热容量，拟设计内外保温罐厚度为5mm，内保温层厚度为20mm，外保温层厚度设计为25mm。恒温槽结构设计俯视图如图4所示：

2.2材料选择

恒温槽中保温罐和保温层的材料直接影响了恒温槽的工作性能，恒温槽本身相当于一个热滤波器，可以减少或消除温度的波动，为了使恒温槽的温场均匀分布，保温罐材料应选择导热系数高的金属。传递热量一定的情况下，选用热容量大的材料能够使恒温槽温度波动小，通过比较以下几种常用材料的导热系数和比热有关性能中（见表1常用材料有关性能），保温罐和外壳的材料应选铝。

为有效维持内外保温罐内的温度恒定，内外保温层的材料选用导热系数小的材料—76#硬质聚氨酯泡沫，其导热系数仅为（0.022～0.033）W/（m*K），其质量轻、强度高、易于加工，能有效隔绝外部温场对保温罐内温场的影响。

理想的加热电阻丝特点是：电阻率高，温度系数小，电阻值稳定。加热电阻丝材料有合金材料和纯金属材料两类。合金材料的电阻率高，价格低廉，纯金属材料绕曲性能好，但电阻率较低。综上考虑，铂热电阻（-190～-80）℃校准装置拟采用康铜合金或者镍铬合金制作而成的电阻丝。

3结束语

本文通过研究以液氮作为冷源的校准装置恒温槽结构设计和材料选择，研究校准装置的温控系統，采用自整定智能PID控制，提出了一种基于液氮冷源控制的超低温校准恒温槽设计的技术方案，保证校准装置恒温槽的温度均匀度和温度波动度符合相应的技术指标要求，以此实现铂热电阻在（-190～-80）℃条件下的连续性校准，基于液氮冷源控制的超低温校准恒温槽设计的研究，可填补JJG 229-2010《工业铂、铜热电阻检定规程》的未按下限温度进行实际电阻温度系数符合性判定的空白，对业内铂热电阻超低温计量具有重大的研究意义。

参考文献

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[2]  国家质量技术监督局.JJG229-2010工业铂、铜热电阻检定规程[M].中国计量出版社，2010;

[3]  国家质量技术监督局.JJF1030-2010 恒温槽技术性能测试规范[M].中国计量出版社，2010;

[4]  李尧.高精度恒温槽控制系统设计与实现[J].西安工程大学，2015。