朱晨彬　姚麗芳　朱欣赟　陳 宇 / 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

淺式微型溫度校驗(yàn)爐

朱晨彬姚麗芳朱欣赟陳 宇 / 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

介紹的淺式微型溫度校驗(yàn)爐其插入深度僅為45 mm，測溫范圍為50～300 ℃。通過ansys軟件進(jìn)行溫場仿真，確定加熱方式。該校驗(yàn)爐通過500 W的加熱器與6根25 W加熱棒相結(jié)合的方式，采用動(dòng)態(tài)PID溫控技術(shù)，有效地控制溫度過沖現(xiàn)象。該裝置升降溫速度快，溫度波動(dòng)度小，均溫快孔間誤差小，滿足現(xiàn)場校驗(yàn)短支溫度傳感器的要求。

溫度校驗(yàn)爐；溫場仿真；雙段溫控；動(dòng)態(tài)溫控；雙段風(fēng)速調(diào)節(jié)

0　引言

溫度校驗(yàn)爐是通過內(nèi)置均溫塊的均溫作用來保證插入均溫塊的被校溫度計(jì)與參考標(biāo)準(zhǔn)溫度保持一致。隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度的不斷提高，工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)對(duì)現(xiàn)場校準(zhǔn)的需求日顯突出。與恒溫槽相比，溫度校驗(yàn)爐便于攜帶，升降溫速度快，所以它也被越來越多地用于工業(yè)溫度現(xiàn)場校準(zhǔn)［1-2］。

現(xiàn)在現(xiàn)場校驗(yàn)一些特殊尺寸的溫度傳感器，例如短支40 ～ 50 mm的鉑電阻或熱電偶傳感器，以及短支或直角的熱敏電阻溫度傳感器等都無法使用溫度校驗(yàn)爐作為校準(zhǔn)配套設(shè)備來使用。目前大部分的小型溫度校驗(yàn)爐基本都是使用單段控溫，即其控溫精度保持在爐心底部。只有被檢溫度傳感器能插入至溫度校驗(yàn)爐底部，才能保證計(jì)量的準(zhǔn)確性，表1為在70 ℃溫度點(diǎn)時(shí)改變標(biāo)準(zhǔn)器與井底之間的距離對(duì)溫場準(zhǔn)確性的影響［3］。

從表1中可以看到當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)器不是插入到溫度校驗(yàn)爐等溫塊底部時(shí)，其溫度梯度變化沒有規(guī)律性。目前世界上最小的溫度校驗(yàn)爐其井深為102 mm，當(dāng)被檢溫度傳感器的長度低于102 mm時(shí)，就無法對(duì)該傳感器進(jìn)行現(xiàn)場溫度的校準(zhǔn)。而且爐心插孔尺寸固定，無法更換，對(duì)特殊粗細(xì)尺寸的溫度傳感器也無法進(jìn)行校準(zhǔn)［4］。淺式微型溫度校驗(yàn)爐研制的成功，將會(huì)滿足對(duì)現(xiàn)場特殊尺寸溫度傳感器校準(zhǔn)的要求。

表1　標(biāo)準(zhǔn)器與井底之間的不同距離的溫場 單位℃

1　工作原理

淺式微型溫度校驗(yàn)爐的工作原理如圖1所示。系統(tǒng)主要由控制器、功率調(diào)節(jié)器、恒溫加熱器、保溫加熱器、冷卻裝置和監(jiān)測用溫度傳感器六部分組成。從過程控制系統(tǒng)的角度分析，設(shè)備自身構(gòu)成一個(gè)溫度控制系統(tǒng)，被控對(duì)象為加熱爐體，導(dǎo)熱性能良好的紫銅作為均溫塊，用插入均溫塊的AA級(jí)PT100溫度傳感器測量腔體溫度并實(shí)時(shí)與設(shè)定值進(jìn)行比較，得出偏差值，根據(jù)偏差的大小與特性，控制器按PID最優(yōu)控制算法產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，功率調(diào)節(jié)器根據(jù)該控制信號(hào)產(chǎn)生功率輸出，用來控制校驗(yàn)爐溫度［5］。

圖1　 系統(tǒng)示意圖

1.1溫場仿真

目前溫度校驗(yàn)爐基本上采用底部加熱的方式，本文所述研制的校驗(yàn)爐其爐芯深度只有45 mm，故采用底部加熱的方式可能達(dá)不到需要的控溫要求。借鑒高溫溫度校驗(yàn)爐的加熱方式，將500 W的加熱絲均勻布置在爐膛圓周方向。通過有限元軟件進(jìn)行兩種500 W加熱方式的仿真，確定加熱方式。

有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。有限元分析軟件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四個(gè)，其中 ANSYS是商業(yè)化比較早的一個(gè)軟件，有結(jié)構(gòu)、流體、熱分析，功能十分強(qiáng)大。

1.1.1按規(guī)定參數(shù)創(chuàng)建集合模型

本方案中，為了保證離散域的近似程度和計(jì)算結(jié)果的精確性，單元的設(shè)置越小越好（網(wǎng)格越細(xì)越好），同時(shí)考慮到相應(yīng)的計(jì)算量及誤差都將增大，因此求解域的離散化設(shè)置如下：MSHKEY，0，自由網(wǎng)格劃分。離散化網(wǎng)格圖如圖2。

1.1.2原理和邊界條件設(shè)置

瞬態(tài)傳熱過程是指一個(gè)系統(tǒng)的加熱或冷卻過程。在這個(gè)過程中系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條件以及系統(tǒng)內(nèi)能都隨時(shí)間有明顯變化。根據(jù)能量守恒原理，瞬態(tài)熱平衡可以以矩陣表達(dá)為

式中：［C］ — 比熱矩陣；

｛T｝ — 溫度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)ANSYS利用模型幾何參數(shù)、材料熱性能參數(shù)以及所施加的邊界條件，分別生成了［K］、［C］、｛T｝及｛Q ｝。

1.1.3加載求解

加載類型為瞬態(tài)求解（Transient Full全優(yōu)化求解）子步數(shù)目為20，計(jì)算終止時(shí)長為600 s。

1.1.4仿真結(jié)果

通過圖3、圖4可以看出，爐膛四周加熱方式的升溫速率為1.6℃/s，底部加熱方式的升溫速率為0.4 ℃/s。而且爐膛四周加熱方式能獲得更為平滑的升溫曲線。因此得出仿真結(jié)果：500 W加熱絲均勻布置在爐膛四周的加熱方式其效果明顯優(yōu)于爐底加熱的方式，且更高效優(yōu)良。圖5為升溫120 s的均溫塊溫度場云圖。圖6為升溫600 s的均溫塊溫度場云圖，從中可以看到，采用爐膛四周加熱方式在升溫時(shí)間到達(dá)10 min后整個(gè)均溫塊已整體均勻受熱。

圖2　離散化網(wǎng)格圖

圖3　爐壁四周加熱的溫度時(shí)間曲線

圖4　爐底加熱的溫度時(shí)間曲線

圖5　120 s時(shí)溫度場云圖

圖6　600 s 時(shí)的溫度場云圖

1.2加熱爐芯的機(jī)械設(shè)計(jì)

加熱爐芯外形設(shè)計(jì)主要根據(jù)溫度傳感器現(xiàn)場校準(zhǔn)的要求，其質(zhì)量及外形尺寸都需以使用方便、操作便捷為原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)以往在線校驗(yàn)溫度傳感器經(jīng)驗(yàn)，手持式溫度校驗(yàn)爐采用分體設(shè)計(jì)，即恒溫爐體與溫控儀表分開，當(dāng)中通過高溫導(dǎo)線連接，這樣既可保證校驗(yàn)爐外形尺寸盡可能的小，在有限的操作空間使用，也可方便手持，質(zhì)量方面也可有效控制［6］。圖7為加熱爐芯總體裝配圖。

1.3控溫系統(tǒng)研制

1.3.1雙段控溫

通過先前的仿真，確定了500 W加熱絲均勻分布在爐膛四周的加熱方式比爐膛底部加熱方式更有效，但在50 ～ 100 ℃溫度區(qū)間內(nèi)，使用500 W加熱器會(huì)導(dǎo)致溫度過沖現(xiàn)象嚴(yán)重，延長穩(wěn)定時(shí)間。以50 ℃為例，其溫度過沖達(dá)到了10 ℃左右。所以考慮把6根25 W的小加熱器均勻分布在爐膛的四周，當(dāng)目標(biāo)溫度設(shè)定50 ～ 100 ℃時(shí)，只有6×25 W加熱器工作，500 W加熱器間歇開啟。在100 ～ 300 ℃范圍內(nèi)工作時(shí)，兩種加熱方式實(shí)時(shí)調(diào)整加熱功率，達(dá)到最優(yōu)控制。

通過一根插入底部的AA級(jí)PT100作為監(jiān)測用溫度傳感器，同時(shí)控制500 W加熱器和6×25 W加熱器。通過實(shí)驗(yàn)表明，使用雙段控溫，效果明顯，有效控制了溫度過沖現(xiàn)象，縮短穩(wěn)定時(shí)間［7］。

圖7　總體裝配圖

1.3.2動(dòng)態(tài)溫度控制

裝置采用實(shí)時(shí)整定功能：設(shè)置于系統(tǒng)特性相匹配的控制參數(shù)（PID參數(shù)）來達(dá)到最優(yōu)孔控制效果。過程值穩(wěn)定在設(shè)定點(diǎn)處，形成一條波動(dòng)小的直線。在外部擾動(dòng)造成偏差時(shí)能迅速恢復(fù)。整定的過程包括計(jì)算和設(shè)置PID參數(shù)。實(shí)時(shí)控制兩種加溫方式的開啟和關(guān)閉及加熱功率的輸出，以保證實(shí)際溫度快速、平滑地到達(dá)目標(biāo)溫度，同時(shí)有效降低當(dāng)達(dá)到目標(biāo)溫度后的溫度過沖現(xiàn)象［8-9］。

1.3.3雙檔風(fēng)扇調(diào)速

開機(jī)時(shí)，風(fēng)扇就會(huì)啟動(dòng)，以較低的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣可以增加溫場均勻性及將熱量從頂部吹出，使?fàn)t膛下面的元器件不至于因溫度過高而損壞，保證安全。當(dāng)設(shè)定溫度與目標(biāo)溫度的比例差值過大時(shí)，通過開關(guān)電源將電壓調(diào)整至12 V，使風(fēng)扇全速運(yùn)轉(zhuǎn)，通過強(qiáng)制對(duì)流降溫的方式，使實(shí)際溫度迅速接近目標(biāo)值［10］。

2　測試方案及測試結(jié)果

2.1測試結(jié)果匯總（表2）

如圖8所示，室溫～ 300 ℃升溫時(shí)間為9 min，300 ℃穩(wěn)定時(shí)間為7 min，300 ～ 100 ℃降溫時(shí)間為12 min。

表2　淺式微型溫度校驗(yàn)爐原始記錄匯總

圖8　淺式微型溫度校驗(yàn)爐升降溫曲線

2.2測量不確定度

2.2.1數(shù)學(xué)模型

式中：Δt — 校驗(yàn)爐溫度偏差；

tc— 校驗(yàn)爐顯示溫度；

ts— 通過參考溫度計(jì)獲得的測量區(qū)溫度；

δtx— 測量方法、手段和過程帶來的偏差

不確定度來源，主要來自所使用的參考溫度計(jì)校準(zhǔn)值u（ts）、參考溫度計(jì)的漂移u（x1）、校驗(yàn)爐控溫器顯示分辨力u（x2）、孔間溫度差u（x3）、遲滯效應(yīng)u（x4）、均溫塊負(fù)載u（x5）、溫度的波動(dòng)度u（x6）。

2.2.2合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度 （見表3）

表3　不確定度匯總

300 ℃時(shí)，合成不確定度 uc= 0.116 ℃

2.2.3擴(kuò)展不確定度

取置信概率p = 95%時(shí)，干體爐測量的擴(kuò)展不確定度為

U = 2×0.116 = 0.233≈0.3 ℃ （k = 2）

3　結(jié)語

淺式微型溫度校驗(yàn)爐各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到先進(jìn)水平。本裝置通過不斷地實(shí)驗(yàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)和溫控進(jìn)行不斷地修改之后，控溫準(zhǔn)確度高，升降溫速度快，溫度曲線平滑，整體操作簡單易學(xué)，滿足短支溫度傳感器現(xiàn)場校驗(yàn)的要求。

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The research of shallow micro temperature block calibrator

Zhu Chenbin，Yao Lifang，Zhu Xinyun，Chen Yu （Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

The temperature block calibratior ranges from 50 ℃ to 300 ℃，and the Immersion depth is only 45 mm. The heat method is dependent on ANSYS，which simulate the temperature field. The calibratior is heated by a 500 W heater and six 25 W heat rods. Through the dynamic PID control technology，effectively control temperature overshoot phenomenon. After all，the temperature block calibratior can meet the demand of calibrating short temperature sensor in field environment，since the high heating and high cooling，stability and radial uniformity.

temperature block calibratior； temperature field simulation；dual-zone control； dynamic temperature control； Two-stage speed adjustment programming