攪拌式高精度恒溫槽設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張開興 李 科 張開峰 徐震震 許方鵬 劉賢喜,4

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，泰安 271018； 2.中國電力建設(shè)集團(tuán)核電工程有限公司，濟(jì)南 250102；3.泰安磐然測(cè)控科技有限公司，泰安 271018； 4.山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程實(shí)驗(yàn)室，泰安 271018)

0 引言

在高精度溫度計(jì)量器具的檢定和校準(zhǔn)工作中，恒溫槽是非常關(guān)鍵的檢定和校準(zhǔn)設(shè)備[1-4]，它能夠給被測(cè)體提供一個(gè)穩(wěn)定、均勻的恒溫環(huán)境。恒溫槽在化工、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛[5-7]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,經(jīng)常遇到諸如菌種發(fā)酵、溫室作物培育、農(nóng)副產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)萚8-11]溫度控制問題，農(nóng)用溫度計(jì)量器具的準(zhǔn)確與否將直接對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生影響，恒溫槽可保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

目前，國內(nèi)用于檢定和校準(zhǔn)溫度計(jì)量器具的恒溫槽主要有干體爐、熱管恒溫槽和液體介質(zhì)恒溫槽。干體爐和熱管恒溫槽在使用上受到限制，并且控溫精度較低，溫度場(chǎng)穩(wěn)定性較差。隨著恒溫槽應(yīng)用場(chǎng)合的不斷增加，國內(nèi)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。吳江濤等[12]設(shè)計(jì)了一種雙級(jí)控溫低溫恒溫槽，通過模糊比例積分微分實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的控制，溫度控制范圍為193～333 K，最小波動(dòng)度為±5 mK。王海濤等[13]通過對(duì)熱管恒溫槽增加輔助金屬環(huán)的方式，提高了傳熱效率和測(cè)量準(zhǔn)確度，降低了被測(cè)溫度計(jì)浸沒深度的要求。陳龍祥[14]開發(fā)了一套能精確測(cè)量純工質(zhì)PVT性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其可測(cè)溫度范圍為233～453 K，總不確定度為±5 mK。胡芃等[15]研制了制冷工質(zhì)PVT實(shí)驗(yàn)用精密低溫恒溫槽，其最小控溫精度可達(dá)±3 mK。然而，傳統(tǒng)恒溫槽普遍存在工作范圍有限、控溫精度低、溫場(chǎng)不穩(wěn)定、自動(dòng)化程度低等問題[16-19]，不能滿足高精度計(jì)量器具的檢定和校準(zhǔn)要求。

為解決上述問題，依據(jù)北京市計(jì)量檢測(cè)科學(xué)研究院JJF 1030—2010《恒溫槽技術(shù)性能測(cè)試規(guī)范》[20]，本文設(shè)計(jì)一種高精度恒溫槽。

1 工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

恒溫槽采用上攪拌式結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒攪拌腔和工作腔分開，呈中心對(duì)稱分布，由上下連通結(jié)構(gòu)連為一體，類似連通器的結(jié)構(gòu)原理。內(nèi)筒攪拌腔中的工作介質(zhì)經(jīng)加熱器加熱或壓縮機(jī)降溫，在攪拌器的作用下，從底部通道經(jīng)整流格柵整流后進(jìn)入內(nèi)筒工作腔，工作腔中的工作介質(zhì)從頂部經(jīng)整流格柵整流進(jìn)入攪拌腔，以此往復(fù)循環(huán)，兩個(gè)腔體內(nèi)工作介質(zhì)進(jìn)行充分的混合與熱交換，最終達(dá)到穩(wěn)定均勻狀態(tài)。采用增量式PID算法進(jìn)行穩(wěn)定控溫，利用粒子群算法自整定PID系數(shù)，通過閉環(huán)負(fù)反饋PID結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)恒溫槽高精度均勻控溫。在溫度控制系統(tǒng)的控制下，整個(gè)內(nèi)筒中的工作介質(zhì)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的穩(wěn)定溫度，并且使內(nèi)筒中各處的工作介質(zhì)溫度保持穩(wěn)定。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

恒溫槽主要由內(nèi)筒、工作介質(zhì)、保溫層、制冷裝置、加熱裝置、油路循環(huán)系統(tǒng)、攪拌裝置和溫度控制系統(tǒng)等組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。將高精度恒溫槽內(nèi)筒設(shè)計(jì)為上攪拌式結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒工作腔為溫度計(jì)量器具的檢定和校準(zhǔn)提供均勻且穩(wěn)定的溫度環(huán)境；內(nèi)筒攪拌腔用于對(duì)工作介質(zhì)的攪拌、加熱和制冷；攪拌裝置為恒溫槽中經(jīng)加熱或降溫后的工作介質(zhì)在攪拌腔和工作腔之間的循環(huán)流動(dòng)提供動(dòng)力，加速工作介質(zhì)之間的熱交換過程；制冷裝置和加熱裝置分別用來實(shí)現(xiàn)工作介質(zhì)的降溫和加熱。制冷裝置中的壓縮機(jī)組和水箱置于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的最下方，這種結(jié)構(gòu)布局符合制冷原理，并且可以減小整機(jī)體積、提高設(shè)備的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、節(jié)省空間。恒溫槽的電源及其控制電路裝配在內(nèi)筒結(jié)構(gòu)的側(cè)面，方便與各部件之間的連接。

1.3 內(nèi)筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

內(nèi)筒是恒溫槽的主要工作區(qū)域，將內(nèi)筒設(shè)計(jì)為兩個(gè)連通腔體，其中內(nèi)筒工作腔尺寸為(150 mm×150 mm×450 mm)，攪拌腔尺寸為(132 mm×132 mm×450 mm)，上下連通結(jié)構(gòu)尺寸為(132 mm×50 mm×85 mm)，其三維結(jié)構(gòu)如圖2a所示。攪拌電機(jī)主軸、槳葉、加熱器、壓縮機(jī)盤管蒸發(fā)器和鉑電阻傳感器均安裝于內(nèi)筒攪拌腔中；整流格柵置于工作腔中，用于對(duì)工作介質(zhì)的阻流以確保筒內(nèi)介質(zhì)循環(huán)和熱交換的穩(wěn)定進(jìn)行?？紤]到內(nèi)筒熱量散失對(duì)整機(jī)的恒溫效果的影響，選擇導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容均比較小的厚度1.5 mm的不銹鋼作為內(nèi)筒的材料，同時(shí)選擇厚度6 mm、密度100～200 kg/m3的納米氣凝膠氈作為內(nèi)筒外部的保溫材料，纏繞在內(nèi)筒外壁，形成性能良好的保溫層，如圖2b所示。

1.3.1整流格柵

傳統(tǒng)恒溫槽內(nèi)筒工作腔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有單個(gè)腔體，正常工作時(shí)不利于工作介質(zhì)的循環(huán)與攪拌，容易在攪拌器周圍形成渦流，導(dǎo)致工作介質(zhì)流動(dòng)方向雜亂，造成工作腔溫度場(chǎng)不均勻、不穩(wěn)定，且不利于熱交換的充分進(jìn)行。為解決上述問題，設(shè)計(jì)了一種整流格柵，其上下兩端各開導(dǎo)流槽，腔體四面皆有，導(dǎo)流槽長度設(shè)計(jì)為10 mm，寬度5 mm，各導(dǎo)流槽間距為5 mm，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

區(qū)別于傳統(tǒng)的內(nèi)筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)本研究設(shè)計(jì)的工作腔內(nèi)置整流格柵，克服了由于攪拌器攪拌而造成工作介質(zhì)流動(dòng)方向雜亂的問題，經(jīng)過攪拌腔循環(huán)的工作介質(zhì)在整流格柵的作用下先被阻流，后在工作腔內(nèi)均勻混合，為沒有充分混合和熱交換的工作介質(zhì)的循環(huán)起到滯后作用，降低工作腔內(nèi)溫場(chǎng)的波動(dòng)，使工作介質(zhì)在攪拌腔和工作腔之間形成一個(gè)穩(wěn)定的循環(huán)流動(dòng)。整流格柵的設(shè)計(jì)使進(jìn)入工作腔內(nèi)的工作介質(zhì)流動(dòng)均勻且穩(wěn)定，圖4a和圖4b分別為工作介質(zhì)正面速度矢量圖和側(cè)面速度矢量圖。由圖4可知，在無整流格柵作用的攪拌腔內(nèi)，攪拌器附近流場(chǎng)流動(dòng)均勻性極差，攪拌器周圍工作介質(zhì)流向雜亂，而經(jīng)整流格柵整流后進(jìn)入工作腔中的工作介質(zhì)的流動(dòng)速度均勻、穩(wěn)定，在工作腔內(nèi)形成一個(gè)均勻穩(wěn)定的流場(chǎng)。

1.3.2加熱裝置

采用絕緣電熱棒作為加熱器。選用鎧裝的加熱絲，由導(dǎo)線、發(fā)熱絲、耐高溫不銹鋼管套等組成。加熱棒內(nèi)部填充絕緣材料，外層是保護(hù)管，末端為英制4分螺紋，如圖5所示。電熱棒作為加熱器，其絕緣性較好，安裝和拆卸比較方便，而且在工作時(shí)，加熱棒表面溫度高于加熱絲，能保證快速升溫，由此也提高了升溫效率。

所選的絕緣電熱棒產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)如表1所示。本設(shè)計(jì)所選功率為2 000 W，采取3支串聯(lián)的工作方式。電機(jī)安裝板上焊接英制4分螺母，安裝電熱棒。

表1 絕緣電熱棒產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical indicators of insulated electric heating rod products

1.3.3制冷裝置

本設(shè)計(jì)選用SIKELAN生產(chǎn)的變排量壓縮機(jī)，QDZH65G型壓縮機(jī)排量可調(diào)，選用R134a作為制冷劑，壓縮機(jī)運(yùn)行功率為120 W，極限轉(zhuǎn)速3 500 r/min時(shí)制冷量為210 W，具有體積小、質(zhì)量小、震動(dòng)小、效率高、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。壓縮機(jī)組回路銅管直徑設(shè)計(jì)為8 mm，毛細(xì)管長度為1.7 m，直徑0.5 mm。盤管蒸發(fā)器長度設(shè)計(jì)為6.8 m，盤14圈，自上而下自然排列，間距在30 mm左右，最后再自下而上返回入口處，與入口的管口平行，盤管蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

1.4 恒溫槽控制電路設(shè)計(jì)

高精度恒溫槽的溫度控制系統(tǒng)的硬件部分由數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、顯示模塊、輸出控制模塊和MCU微控制單元等組成，如圖7所示。

MCU微控制單元以STM32單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。數(shù)據(jù)采集模塊將標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻傳感器采集的電流信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算。通信模塊由RS485、RS232兩路通信串口組成，RS485串口用來與數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行通信，每隔1 s將采集的溫度數(shù)據(jù)送至控制中心；RS232串口與觸摸屏模塊進(jìn)行通信，完成觸摸屏參數(shù)的調(diào)整與顯示。輸出控制模塊由DAC電路和繼電器組成，MCU微控制單元將處理好的模擬信號(hào)送入繼電器，通過控制其通斷來驅(qū)動(dòng)電熱棒，以實(shí)現(xiàn)恒溫槽溫場(chǎng)熱平衡。

2 溫度控制

2.1 粒子群自整定PID算法

恒溫槽各機(jī)構(gòu)協(xié)同工作，對(duì)導(dǎo)熱工作介質(zhì)進(jìn)行制冷或加熱，實(shí)現(xiàn)溫度的改變。由電機(jī)總成實(shí)現(xiàn)對(duì)工作介質(zhì)的攪拌和循環(huán)，通過控溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒溫槽的溫度控制。恒溫槽的溫度控制算法采用增量式PID控制算法，傳統(tǒng)的PID控制算法是一種基于過程參數(shù)的控制算法，相對(duì)簡(jiǎn)單，只能用在普通領(lǐng)域，當(dāng)反應(yīng)條件復(fù)雜、介質(zhì)多變時(shí)，存在控制精度低和可控性差的問題，很難達(dá)到溫度的精確控制。模擬PID的控制算法為

(1)

式中u(t)——PID控制器輸出信號(hào)

Kp——比例系數(shù)

Td——微分時(shí)間常數(shù)

Ti——積分時(shí)間常數(shù)t——時(shí)間

e(t)——控制器偏差信號(hào)

由于設(shè)計(jì)的溫度控制是一套數(shù)字系統(tǒng)，STM32單片機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，無法進(jìn)行連續(xù)的PID控制，需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行離散化處理，以取樣時(shí)刻點(diǎn)kT(k=0,1,2,…)代替連續(xù)時(shí)間t，以增量代替微分項(xiàng)，以和式代替積分項(xiàng)，以數(shù)字差分方程代替連續(xù)微分方程，得到數(shù)字型PID算法表達(dá)式為

(2)

式中u(k)——第k次的控制器輸出信號(hào)

此表達(dá)式為位置型PID控制算法，第2項(xiàng)累加和增加了運(yùn)算量，會(huì)占用較多的存儲(chǔ)單元，因此采用相鄰采樣時(shí)刻的增量

Δu(k)=u(k)-u(k-1)=
Ae(k)+Be(k-1)+Ce(k-2)

(3)

其中

通過確定采用周期T，調(diào)節(jié)A、B、C3個(gè)參數(shù)，即可確定最優(yōu)的控制量。PID控制器的參數(shù)整定常采用工程整定法，由于被控系統(tǒng)精度要求高，與真實(shí)系統(tǒng)存在較大的差異。設(shè)計(jì)一種基于粒子群的PID參數(shù)整定方法，將A、B、C3個(gè)參數(shù)作為三維空間的一個(gè)矢量解，對(duì)應(yīng)算法中的一個(gè)粒子，為了使控制系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度，適應(yīng)度函數(shù)為

(4)

式中σ——權(quán)重系數(shù)

M——系統(tǒng)生產(chǎn)的超調(diào)量

通過粒子群算法自整定PID系數(shù)的原理框圖如圖8所示，通過調(diào)整權(quán)重系數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)性能，最終尋找一組最優(yōu)參數(shù)使得適應(yīng)度函數(shù)的值最小。

2.2 溫度控制原理

溫度控制系統(tǒng)的原理圖如圖9所示，在溫度調(diào)控系統(tǒng)下，數(shù)據(jù)采集模塊完成溫度的數(shù)據(jù)采集，將其送至放大電路和ADC采集電路，然后將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送至MCU，將溫度設(shè)定值與采集的溫度作差，根據(jù)偏差來確定是否采用PID控制。當(dāng)偏差超過設(shè)定范圍時(shí)，不進(jìn)行PID控制；當(dāng)偏差在設(shè)定范圍之內(nèi)時(shí)，進(jìn)行PID控制，然后信號(hào)經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換，輸出的模擬量控制電熱棒的功率，壓縮機(jī)持續(xù)制冷，電熱棒的熱功率所產(chǎn)生的熱量對(duì)制冷量予以平衡，從而平衡溫場(chǎng)的溫度。

恒溫槽在正常工作時(shí)，通過設(shè)定任意目標(biāo)溫度，能夠建立一個(gè)溫度分布均勻且穩(wěn)定的恒溫場(chǎng)，其溫度控制主要由降溫和升溫兩部分組成。恒溫槽的降溫過程由槽體下方的制冷壓縮機(jī)組實(shí)現(xiàn)。壓縮機(jī)組盤型蒸發(fā)器中的制冷劑吸收內(nèi)筒中工作介質(zhì)的熱量通過制冷循環(huán)排放到環(huán)境中，達(dá)到降溫的目的。恒溫槽的升溫過程以絕緣電熱棒作為加熱器,通過對(duì)工作介質(zhì)加熱進(jìn)行平衡熱量。當(dāng)恒溫槽內(nèi)的介質(zhì)從低溫快速升至高溫時(shí)，只需關(guān)閉冷排上的風(fēng)扇，通過冷排自然散熱補(bǔ)償熱量，并與底部水箱內(nèi)常溫介質(zhì)進(jìn)行熱交換完成快速升溫，由此完成一個(gè)“攪拌腔+工作腔→冷排→油泵→水箱→油泵→攪拌腔”的循環(huán)路線。

工作介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)原理圖如圖10所示。當(dāng)需要冷卻恒溫槽內(nèi)筒的工作介質(zhì)時(shí)，打開油泵，油泵是雙重進(jìn)出口，共4個(gè)管口。內(nèi)筒攪拌腔和內(nèi)筒工作腔內(nèi)的高溫介質(zhì)經(jīng)過放液管流至冷排，進(jìn)行充分散熱后被油泵吸入并泵入水箱，與水箱的常溫介質(zhì)進(jìn)行混合熱交換，再被油泵泵入內(nèi)筒攪拌腔，循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)恒溫槽內(nèi)的高溫介質(zhì)在短時(shí)間內(nèi)迅速降溫，提高溫度調(diào)控效率。

3 性能測(cè)試

恒溫槽性能測(cè)試包括：溫場(chǎng)穩(wěn)定性測(cè)試和溫場(chǎng)均勻性測(cè)試。要求測(cè)試過程嚴(yán)格符合國家規(guī)程，且兩項(xiàng)性能測(cè)試結(jié)果均低于國家標(biāo)準(zhǔn)。本研究設(shè)計(jì)的高精度恒溫槽性能測(cè)試系統(tǒng)的配套設(shè)備由昆明大方自動(dòng)控制科技有限公司生產(chǎn)的、靈敏度為0.1 Ω/℃的Pt25標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻、低熱電勢(shì)轉(zhuǎn)換開關(guān)、高精度數(shù)字多用表等組成，實(shí)物如圖11所示。檢測(cè)信息的傳遞路線為：恒溫槽→Pt25標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻→低熱電勢(shì)轉(zhuǎn)換開關(guān)→高精度數(shù)字多用表，最后將測(cè)得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于優(yōu)盤中。本文對(duì)所研究設(shè)計(jì)的高精度恒溫槽的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)分別進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)所得測(cè)試結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換和分析，并與國家規(guī)程技術(shù)要求進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的恒溫槽精度遠(yuǎn)高于國家規(guī)程技術(shù)要求，可以很好地滿足各類農(nóng)用溫度計(jì)量器具的檢定和校準(zhǔn)需求。

3.1 溫場(chǎng)穩(wěn)定性測(cè)試

鑒于本恒溫槽主要應(yīng)用于-10～100℃的溫度范圍，因此試驗(yàn)選取恒溫槽下限溫度-10℃、上限溫度100℃和0℃ 3個(gè)溫度作為整個(gè)溫度范圍內(nèi)的重要代表溫度分別進(jìn)行測(cè)試。在恒溫槽觸摸屏工作界面分別設(shè)定溫度參數(shù)SV為-10、0、100℃。低熱電勢(shì)轉(zhuǎn)換開關(guān)不切換通道，試驗(yàn)采用一個(gè)Pt25鉑電阻，將電阻插入深度為工作腔深度1/2處等待測(cè)試。測(cè)試時(shí)，嚴(yán)格按照國家規(guī)程要求操作，待恒溫槽達(dá)到測(cè)試溫度后穩(wěn)定至少10 min，再讀取數(shù)字多用表上的數(shù)字。在測(cè)試時(shí)保證檢測(cè)儀表上的恒溫槽的實(shí)際溫度與測(cè)試點(diǎn)溫度偏差不超過±0.2℃。以每分鐘不少于6次的均勻間隔讀數(shù)，持續(xù)讀數(shù)10 min。最終將完成3個(gè)溫度各60次恒溫槽溫場(chǎng)穩(wěn)定性測(cè)試，恒溫槽溫場(chǎng)穩(wěn)定性測(cè)試記錄如表2～4所示。

表2 -10℃時(shí)恒溫槽溫場(chǎng)穩(wěn)定性測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2 Testing readings for stability of temperature field in thermostat bath at -10℃ Ω

表3 100℃時(shí)恒溫槽溫場(chǎng)穩(wěn)定性測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.3 Test reading of temperature stability of constant temperature bath at 100℃ Ω

表4 0℃時(shí)恒溫槽溫場(chǎng)穩(wěn)定性測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.4 Test reading of temperature stability of constant temperature bath at 0℃ Ω

3個(gè)不同溫度下測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值及其對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差如圖12所示。高精度數(shù)字多用表顯示的數(shù)值單位是Ω, 需要將測(cè)試記錄數(shù)值轉(zhuǎn)為溫度。本測(cè)試系統(tǒng)使用自主研發(fā)國際90溫標(biāo)輔助換算軟件，能夠方便快捷地完成溫度、電阻之間的數(shù)值轉(zhuǎn)換，其工作界面如圖13所示。由圖13的溫標(biāo)輔助換算程序計(jì)算出-10℃時(shí)溫場(chǎng)電阻的最大差值為0.001 1 Ω。經(jīng)溫標(biāo)輔助換算程序單位換算后，得恒溫槽在-10℃時(shí)穩(wěn)定性為0.001 1℃/min，顯著低于國家規(guī)程規(guī)定的0.04℃/min，另外在0℃和100℃時(shí)穩(wěn)定性分別為0.000 13℃/min和0.001 32℃/min，也均滿足要求,恒溫槽穩(wěn)定效果優(yōu)于國內(nèi)其他水平的恒溫槽產(chǎn)品。

3.2 溫場(chǎng)均勻性測(cè)試

恒溫槽溫場(chǎng)均勻性性測(cè)試選取溫度-10℃作為代表測(cè)試點(diǎn)。測(cè)試開始后，在恒溫槽達(dá)到設(shè)定溫度至少10 min后開始讀數(shù)，并且儀表上的恒溫槽的實(shí)際溫度與測(cè)試點(diǎn)溫度偏差在±0.2℃范圍內(nèi)。

測(cè)試時(shí)，將恒溫槽內(nèi)筒工作區(qū)域分為上、下工作水平面，如圖14所示。上、下水平面各有4個(gè)典型位置：A、B、C、D和E、F、G、H。水平面溫場(chǎng)均勻性測(cè)試將一個(gè)Pt25標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)固定在參考位置點(diǎn)O，并插入內(nèi)筒工作區(qū)域1/2深度處。另一個(gè)Pt25標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)移動(dòng)式插在所選測(cè)試點(diǎn)(A)，固定鉑電阻和移動(dòng)鉑電阻在每個(gè)位置處均檢測(cè)4次，以避免偶然因素產(chǎn)生誤差，若RO(i1)、RO(i2)、RO(i3)、RO(i4)和R(i1)、R(i2)、R(i3)、R(i4)分別表示固定鉑電阻和移動(dòng)鉑電阻4次的檢測(cè)誤差，其中i為A、B、C、D、E、F、G，則測(cè)試點(diǎn)相對(duì)點(diǎn)O溫度差值為

Ri-O=Riavg-ROavg

(5)

式中ROavg——固定鉑電阻4次測(cè)量的平均值

Riavg——移動(dòng)鉑電阻4次測(cè)量的平均值

恒溫槽溫場(chǎng)均勻性測(cè)試上、下水平面測(cè)試結(jié)果如表5、6所示。

表5 -10℃時(shí)恒溫槽溫場(chǎng)均勻性測(cè)試上水平面數(shù)據(jù)Tab.5 Horizontal data in temperature field uniformity testing of constant temperature bath at -10℃ Ω

表6 -10℃時(shí)恒溫槽溫場(chǎng)均勻性測(cè)試下水平面數(shù)據(jù)Tab.6 Horizontal data under temperature field uniformity test of constant temperature bath at -10℃ Ω

圖15為固定鉑電阻和移動(dòng)鉑電阻在不同檢測(cè)位置處的平均值，圖16為固定鉑電阻與移動(dòng)鉑電阻檢測(cè)數(shù)值之間的相對(duì)誤差。從圖15、16可以看出，上下水平面檢測(cè)位置處的溫度平均變化相對(duì)穩(wěn)定，固定鉑電阻與移動(dòng)鉑電阻檢測(cè)數(shù)值之間的相對(duì)誤差最大僅為0.38%，表明恒溫槽產(chǎn)生的溫場(chǎng)具有良好的均勻性。經(jīng)過整合及單位換算可得，恒溫槽工作溫度為-10℃時(shí)，工作區(qū)域中上水平面最大溫差為0.003 4℃，恒溫槽內(nèi)筒工作區(qū)域下水平面最大溫差為0.002 0℃，恒溫槽內(nèi)筒整體工作區(qū)域最大溫差為0.003 4℃。國家規(guī)程規(guī)范的技術(shù)要求為：水平溫場(chǎng)不大于0.01℃；垂直溫場(chǎng)不大于0.02℃。以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)均符合標(biāo)準(zhǔn)。

恒溫槽工作腔上層溫差比下層溫差大，原因?yàn)楹銣夭蹆?nèi)筒的介質(zhì)循環(huán)方式是自下而上，所以工作區(qū)域下層的介質(zhì)混合比上層均勻，且換熱體積小，但是整體溫場(chǎng)均勻性并未改變，控溫精度沒有改變。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)溫度傳感器檢定和校準(zhǔn)需求，設(shè)計(jì)了一種用于檢定和校準(zhǔn)農(nóng)用溫度傳感器的高精度恒溫槽。優(yōu)化內(nèi)筒結(jié)構(gòu)，攪拌腔和工作腔呈中心對(duì)稱設(shè)計(jì)，由上下連通結(jié)構(gòu)連為一體；內(nèi)筒采用上攪拌式結(jié)構(gòu)，改進(jìn)了整流結(jié)構(gòu)，從而提高溫場(chǎng)分布的均勻性和穩(wěn)定性。

(2)采用增量式PID算法進(jìn)行系統(tǒng)的溫度控制，通過粒子群算法自整定PID系數(shù)，通過閉環(huán)負(fù)反饋PID結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)恒溫槽溫度精確控制。依據(jù)北京市計(jì)量檢測(cè)科學(xué)研究院JJF 1030—2010《恒溫槽技術(shù)性能測(cè)試規(guī)范》開發(fā)了相關(guān)的溫度測(cè)量和檢驗(yàn)軟件。

(3)該恒溫槽系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制精度高，在-10℃時(shí)，恒溫槽工作腔中的上水平面最大溫差為0.003 4℃，下水平面最大溫差為0.002 0℃，恒溫槽內(nèi)筒工作區(qū)最大溫差為0.003 4℃，其溫場(chǎng)穩(wěn)定性為0.001 1℃/min，能夠滿足高精度溫度計(jì)量器具的檢定校準(zhǔn)需求。