高精度高穩(wěn)定度鐘房恒溫控制研究*

李蔭康

(中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南 昆明 650011)

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673

高精度高穩(wěn)定度鐘房恒溫控制研究*

李蔭康

(中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南 昆明 650011)

為了減小環(huán)境溫度變化對(duì)原子鐘性能的影響，必須對(duì)鐘房進(jìn)行恒溫控制。提出一種鐘房恒溫控制的新方法，在普通室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了密閉小環(huán)境的高精度和高穩(wěn)定度溫度控制，使鐘房(面積5～9 m2， 高2.2～2.5 m)的溫度波動(dòng)長(zhǎng)期調(diào)控在特定溫度的±0.3～0.5 ℃范圍內(nèi)。實(shí)踐證明該方法效果好，具有較高的實(shí)用價(jià)值，目前已成功應(yīng)用于昆明站，并已推廣到三亞和盱眙等觀測(cè)站。關(guān)鍵詞：鐘房；恒溫；控制

原子鐘是時(shí)間這個(gè)基本物理量的重要載體，其基本功能是守時(shí)和授時(shí)。在信息時(shí)代，約80%的信息和導(dǎo)航定位有關(guān)，定位能力的高低與原子鐘精度直接相關(guān)，而溫度變化對(duì)原子鐘的穩(wěn)定度產(chǎn)生極大的影響，±1 ℃的溫度變化一般可以使原子鐘的穩(wěn)定度降低一個(gè)數(shù)量級(jí)[1]。為此，所有原子鐘要求運(yùn)行環(huán)境溫度波動(dòng)必須控制在±0.5 ℃的范圍內(nèi)。查閱昆明地區(qū)氣溫變化方面的資料*http://www.weather.com.cn/cityintro/101290101.shtml，昆明地區(qū)年極端溫度達(dá)32 ℃，平均晝夜溫差±10 ℃，加上晴天、陰天、雨天以及雪天等影響，對(duì)一個(gè)長(zhǎng)年連續(xù)開機(jī)的設(shè)備，所需的工作環(huán)境溫度必須每時(shí)每刻保持在±0.5 ℃范圍內(nèi)，要求極高，實(shí)現(xiàn)技術(shù)難度大。

當(dāng)前對(duì)于鐘房恒溫來說有兩套成熟可靠的方法：(1)采用地下自然恒溫的方法，在地下幾十米處建設(shè)鐘房[2]；(2)采用進(jìn)口的專用高精度實(shí)驗(yàn)室空調(diào)，配備相應(yīng)的熱工設(shè)計(jì)空間，實(shí)現(xiàn)熱工設(shè)計(jì)的費(fèi)用相當(dāng)于高精度實(shí)驗(yàn)室空調(diào)的費(fèi)用，例如，上海天文臺(tái)的守時(shí)鐘房*www.bjhtjb.com，上海天文臺(tái)原子鐘房恒溫濕系統(tǒng) (工程案例)，花泰建邦 (北京) 機(jī)電設(shè)備有限公司。這兩種方法的造價(jià)高昂，維護(hù)管理困難。為了節(jié)省經(jīng)費(fèi)，減少對(duì)高精度儀器的依賴，提出一種嶄新的方案。

1 溫度調(diào)控原理

采用一般家用變頻空調(diào)作為鐘房的溫度調(diào)控設(shè)備無法達(dá)到±0.5 ℃的要求，甚至±3 ℃都難以實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過分析主要有如下4方面的原因：(1)加熱方式不對(duì)，熱風(fēng)太熱，冷風(fēng)太冷；(2)加熱和制冷均出自一口，不符合對(duì)流原理；(3)空調(diào)的溫控點(diǎn)采用間隔控制方式，實(shí)測(cè)溫度變化大于±2 ℃，精度不夠，結(jié)果造成熱慣性、溫度梯度太大，溫度分布混亂；(4)在季節(jié)變換時(shí)，溫控點(diǎn)選擇困難。

本文通過研究小空間的氣溫變化規(guī)律及相關(guān)因素，得到新的設(shè)計(jì)思路和解決方案，并在實(shí)驗(yàn)過程中加以驗(yàn)證。新的思路是利用溫度傳導(dǎo)慢，輻射、對(duì)流快的特性，從粗到精，分層次地解決外界溫度激烈變化的影響。首先通過機(jī)房墻壁的隔離，使室外溫度變化得到阻滯，同時(shí)空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)與室外通過墻面?zhèn)鲗?dǎo)的溫度在室內(nèi)空間進(jìn)行融合(空調(diào)的預(yù)設(shè)溫控值略低于鐘房預(yù)設(shè)溫控值)，形成一個(gè)小氣候空間，把較大的溫度變化(如晝夜、季節(jié)的溫度變化)進(jìn)一步化解。鐘房建在這個(gè)空間里，它是一個(gè)獨(dú)立的密閉空間(含保溫層和電磁隔離層)，室外溫度波動(dòng)的影響得到了更進(jìn)一步的隔離與阻滯，在此基礎(chǔ)上鐘房?jī)?nèi)設(shè)置了溫度補(bǔ)償裝置，以輻射和對(duì)流的方式對(duì)鐘房的溫度進(jìn)行精密校正補(bǔ)償，達(dá)到靜態(tài)恒溫[3]的控制效果，使其空間溫度達(dá)到溫度控制點(diǎn)±0.5 ℃以內(nèi)。

2 鐘房土建設(shè)計(jì)

圖1中，房間A為普通房間，要求門窗密閉，面積大于鐘房；空調(diào)為普通家用空調(diào)，其功率適合相應(yīng)面積，考慮室內(nèi)可能有其他發(fā)熱設(shè)備，應(yīng)適當(dāng)增加空調(diào)的功率；房間B為放置原子鐘的房間，面積為3～9 m2(1.8～2 m)，由保溫、電磁屏蔽層構(gòu)成，門盡可能小，不設(shè)窗。其中5個(gè)面不能和房間的墻接觸，離墻、離頂1～2 m。需要被恒溫控制的原子鐘放置于房間B中。

具體實(shí)施方法需要注意以下兩點(diǎn)：

圖1 恒溫控制方案布局圖

Fig.1 Illustration of the layout of the rooms for thermostatic control (including an atomic-clock room)

(1)土建部分的合理布局，把外界溫度的影響變得最小，其原則是鐘房墻面沒有一個(gè)面同室外連接(包括鐘房的頂部，并對(duì)外保持有一定的氣溫交流循環(huán)空間(1～2 m)，減少室外氣溫的直接影響，這看似簡(jiǎn)單，但極其關(guān)鍵。鐘房可以由普通磚墻+屏蔽層+一般粉刷即可，但鐘房門必須完全密封。

(2)在鐘房地面鋪設(shè)加熱板，其面積等同鐘房的面積，形成無空白、無死角的均衡對(duì)流，有效降低了溫度梯度。

3 溫控裝置研發(fā)

基于以上的布局，獨(dú)立研發(fā)了溫控裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐘房溫度的連續(xù)調(diào)控。溫控裝置的精度決定整個(gè)系統(tǒng)的精度，也就是鐘房溫度的穩(wěn)定程度。溫控裝置必須做到適時(shí)、適量和連續(xù)，這完全不同于普通溫度控制器。

溫控裝置由電源、單片機(jī)、溫度傳感器和顯示、帶隔離的功率驅(qū)動(dòng)單元組成，如圖2?？刂瞥绦蛴肅語(yǔ)言編寫。溫控裝置的靈敏度為0.2 ℃，根據(jù)溫控點(diǎn)的溫度(如23 ℃)的偏差值通過電熱板進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償大小由偏差確定，降低了熱慣性，提高了鐘房?jī)?nèi)的溫度穩(wěn)定性。

由于鐘房是電磁屏蔽的特殊環(huán)境，不允許有任何電磁干擾，溫控裝置有相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

4 結(jié)果與分析

圖2 恒溫控制系統(tǒng)組成

Fig.2 A block diagram of the thermostatic-control system

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明(見圖3和圖4)，本文的方案和所研發(fā)的控制器可以實(shí)現(xiàn)小空間范圍內(nèi)高穩(wěn)定度(±0.5 ℃)的恒溫。即用簡(jiǎn)單的技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)高精度的控制，效果等同于投資幾十萬采用專用高穩(wěn)定度空調(diào)的方法，且操作簡(jiǎn)便，平時(shí)無需人工干預(yù)。本文所述方案的突出特點(diǎn)為：(1)高精度，高穩(wěn)定度(實(shí)測(cè)±0.2 ℃～±0.4 ℃)，完全滿足原子鐘的環(huán)境溫度要求；(2)由于沒有風(fēng)機(jī)、風(fēng)道設(shè)計(jì)，所以熱慣性小，溫度梯度?。?3)溫度控制值設(shè)置靈活，操作簡(jiǎn)便，平時(shí)無需人工干預(yù)；(4)造價(jià)低廉，為其他方法的十分之一；(5)維護(hù)成本低，無需專業(yè)人員。

目前云南天文臺(tái)(昆明站)、紫金山天文臺(tái)(盱眙站)和國(guó)家授時(shí)中心( 三亞站)均采用該項(xiàng)技術(shù)，已完成了鐘房建造，驗(yàn)收合格并投入使用，測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3、圖4和圖5。

圖3為昆明站鐘房的溫度測(cè)試數(shù)據(jù)，從圖中可知鐘房溫度基本控制在25.03 ℃，變化在±0.5 ℃范圍內(nèi)。圖4為三亞站鐘房的溫度測(cè)試數(shù)據(jù)，從圖中可知鐘房溫度基本控制在22.73 ℃，變化在±0.5 ℃范圍內(nèi)。圖5為盱眙站鐘房的溫度測(cè)試數(shù)據(jù)，從圖中可知鐘房溫度基本控制在22.66 ℃，變化亦在± 0.5 ℃范圍內(nèi)。對(duì)24 h的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，它們的均方根(RMS)約為0.02 ℃。圖中凸起較高部分是由于將溫控計(jì)取出讀取數(shù)據(jù)導(dǎo)致，小的波動(dòng)則是由于手工記錄溫度打開鐘房門所致。

恒溫是對(duì)某一物質(zhì)(固體、液體、汽體)在特定的溫度點(diǎn)上，用人工或自動(dòng)控制方法保持溫度值的恒定不變。所設(shè)定的溫度值不受其它因素的影響，也使初期設(shè)定的溫度與任何時(shí)刻的溫度相同或者相近似*http://baike.baidu.com/。因而這種控制必須是適時(shí)的，適量的。加熱或制冷的溫度越接近設(shè)定溫度，產(chǎn)生的溫度梯度和熱慣性越小，恒溫精度越高。

圖3 昆明鐘房溫度測(cè)試報(bào)告

Fig.3 Measurements of temperatures of the atomic-clock room in Kunming for test

圖4 三亞鐘房溫度測(cè)試報(bào)告

Fig.4 Measurements of temperatures of the atomic-clock room in Sanya for test

圖5 盱眙鐘房溫度測(cè)試報(bào)告

Fig.5 Measurements of temperatures of the atomic-clock room in Xuyi for test

致謝：感謝伏紅林和何超在實(shí)驗(yàn)過程中的大力協(xié)助。

[1] 楊軍, 李世光, 徐月青, 等. 環(huán)境溫度對(duì)氫原子鐘性能的影響[J]. 測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, 28(2): 93-97. Yang Jun, Li Shiguang, Xu Yueqing, et al. Effect of temperature on hydrogen maser performance[J]. Journal of Test and Measurement Technology, 2014, 28(2): 93-97.

[2] 安衛(wèi), 劉春俠, 王改霞. HIROSS空調(diào)在守時(shí)鐘房試運(yùn)行中存在的問題及改進(jìn)[J]. 陜西天文臺(tái)臺(tái)刊, 2001, 24(2): 147-151. An Wei, Liu Chunxia, Wang Gaixia. Problem and improvement of HIROSS air-conditioner systems in CSAO′s time keeping rooms[J]. Publications of the Shanxi Astronomical Observatory, 2001, 24(2): 147-151.

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A Study of a New Method of Thermostatic Control of an Atomic-ClockRoom with High Precision and High Stability

Li Yinkang

(Yunnan Observatories, Chinese Academy of Sciences, Kunming 650011, China, Email: 1275359335@qq.com)

In order to reduce influences of variations of environmental temperatures on the performance of an atomic clock, it is necessary to put the atomic-clock room (the room hosting the atomic clock,) under thermostatic control. In this paper we present a new method of thermostatic control of an atomic-clock room. We have used this method to achieve thermostatic control of a usual small insulated room with high precision and high stability. Particularly, the method can achieve long-term temperature stability for an insulated atomic-clock room of an area of 5m2to 9m2, with the deviation of the room temperature from a desired temperature controlled within a level of 0.3℃ to 0.5℃. Our experiments show that the method is feasible, can achieve satisfactory results, and is practically highly valuable. After having been successfully used for an atomic-clock room in Kunming, this method and related equipments are being used for atomic-clock rooms in Sanya and Xuyi.

Atomic-clock room; Thermostatic condition; Control

國(guó)家自然科學(xué)基金 (U1431116) 資助.

2014-10-12；修定日期：2014-11-02

李蔭康，男，工程師. 研究方向：電子線路設(shè)計(jì)、制作，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用. Email: 1275359335@qq.com

TM924.13

A

1672-7673(2015)02-0243-04