（控制理论与控制工程专业论文）恒温槽温场计量特性分析及仿真研究.pdf

摘要 恒温槽用于提供不同温度状态下的恒定温场，是温度计性能测试及温度仪 器仪表的检定中必用的环境温度试验设备，恒温槽的技术性能的优劣决定着计 量、校准工作的质量。本论文通过实验研究了温度计量检定规程规定的恒温槽 温场平衡条件，发现了其中规定的一些数据存在的不足，为进一步缩短检定时 间、节省人力物力的消耗、提高检定质量奠定基础。具体研究工作如下： 通过由二等标准铂电阻温度计和由微机控制实现的计量检定系统，对恒温 槽温场的温度波动( 稳定性) 性在不同的温度下、不同的插入深度下分别进行 了实验、分析研究，找出了恒温槽最佳恒温时间、最佳搅拌速度及较佳调整方 式； 通过多探头的数字式温度测试仪配合转换开关，利用在波动性中找出的最 佳搅拌速度和较佳调整方式，对恒温槽温场的温度均匀性在不同的温度下、不 同的插入位置、插入深度下进行了研究，找出了较佳插入位置： 通过对恒温槽温场仿真研究，从流体动力学角度进一步揭示温场温度分布 的不均匀性； 本文对恒温槽计量特性的分析和仿真研究，为实际以至未来检定工作和恒温 设备的生产提供有价值的参考，主要是以下三方面： 一、在保证质量的基础上，可大大缩短实际的检定操作时间，减小由于恒温区域 选择不当而造成的误差，从而提高恒温设备的应用准确度。 二、对恒温设备的生产，可通过该实验方法和仿真分析结果，做出最科学的设计 方案，同时为恒温设备的技术工艺进一步改造提供参考，从而为生产厂家增 效降耗。 三、通过对恒温槽的不确定度的分析、评定，为温度计量的量值准确传递、确保 温度测量的准确性提供有力的支持。 关键词：恒温槽； 温场：稳定性；均匀性；不确定度；仿真 a b s t r a c t t h e r m o s t a tb a t hi se n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r et e s t c o n s t a n tt e m p e r a t u r e f i e l du s e df o ri n s t r u m e n t a l e q u i p m e n tw h i c hp r o v i d e sa v e r i f i c a t i o n t h et e c h n i q u e p e r f 6 r m a n c eo ft h et h e r m o s t a tb a t hd e t e r m i n e dt h eq u a l i t yo f m e t r o l o g i c a lv e r i f i c a t i o n i n t h i ss t u d y ，t h r o u g he x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h em e t r o l o g i c a l v e r i f i c a t i o nr u l e so f o r d e rt h et e m p e r a t u r eo ft h et h e r m o s t a tb a t ht e m p e r a t u r ef i e l de q u i l i b r i u mc o n d i t i o n ， w h i c hf b u n ds o m eo ft h ep r o v i s i o n so ft h el a c ko fd a t a ，i no r d e r t of u r t h e rr e d u c et h e t e s t i n gt i m e s a v i n gt h ec o n s u m p t i o no fr e s o u r c e s ，t ol a yt h ef o u n d a t i o n t oi m p r o v e q u a l i t ya s s u r a n c e t h ec o n c r e t er e s e a r c hw o r k i sa sf o l l o w s ： t h eb e s te q u i l i b r i u mt i m e ，t h eb e s tm i x i n gs p e e da n dt h e b e t t e ra d j u s t m e n tw a y o ft h et h e 咖o s t a tb a t h ，w h i c hh a sb e e nf o u n d e dt h r o u g ht h ef l u c t u a t i o n ( s t a b i l i t y ) e x p e r i m e n tu n d e r d i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dd i f f e r e n ti n s e r tp o s m o nb yam e t r o l 0 9 1 c a i v e r i f t c a t i o ns y s t e mb a s e d o nt h es e c o n d r a t es t a n d a r dp l a t i n u m r e s i s t a n c e t h e r m o m e t e ra n dt h em i c r o c o m p u t e rc o n t r o l l i n g w i t ht h eb e s tm i x i n gs p e e da n dt h eg o o da d j u s t m e n tw a yf o u n d e do n t h e f l u c t u a t i o n ( s t a b i l i t y ) e x p e r i m e n t ，t h e b e s tp o s i t i o nf o rt h ev e r i f i c a t i o nh a sb e e n d i s c o v e r e dt h o u g hu n i f o r m i t yt e s tu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ，d i f f e r e n tp o s i t l o na n d d i f f e r e n ti n s e r tp o s i t i o nb yam u l t i - p r o b et e s t e rd i g i t a lt h e r m o m e t e rw i t hac h a n g e 。 o v e rs w i t c h t h e r n l o s t a tb a t ht h r o u g ht h es i m u l a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l d ，f l u i d d y n a m i c s 仔o mt h ep e r s p e c t i v eo ff u r t h e rr e v e a lt h ed i s t r i b u t i o n o ft e m p e r a t u r ef i e l dn o 小 u n i f o r m i t yo ft e m p e r a t u r e ； i nt h i sp a p e r ，t h em e a s u r e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so f t h e t h e r m o s t a tb a t ha n a l y s i sa n d s i m u l a t i o nr e s e a r c h ，a sw e l l a st h en e x tt e s tf o rt h ea c t u a lw o r ka n dc o n s t a n t t e m p e r a t u r ee q u i p m e n t sp r o d u c t i o n p r o v i d e av a l u a b l er e f e r e n c ef o rp r o d u c t i o n ， m a i n l yt h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ： f i r s t l v 。o nt h eb a s i so fq u a l i t yg u a r a n t e e ，t h ev e r i f i c a t i o nt i m ew o u l d b er e d u c e d ； t h ee r r o r sg e n e r a t e db yt h ei n a p p r o p r i a t ec o n s t a n tt e m p e r a t u r e f i e l ds e l e c t i o nw o u l db e r e d u c e dt o o ，s ot h ea p p l i c a t i o na c c u r a c yo ft h e t h e r m o s t a tb a t hw o u l db ee n h a n c e d s e c o n d l y t ot h e r m o s t a t i ce q u i p m e n t sp r o d u c t i o n ，m a yt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a i t e c h n i q u ea n dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s u l t ，m a k e st h em o s t s c i e n t i f i cd e s i g np r o p o s a l ， s i m u l t a n e o u s l y f u r t h e rt r a n s f o r m sf o rt h e r m o s t a t i ce q u i p m e n t 。s t e c h n i c a lc r a f t i i p r o v i d e st h er e f e r e n c e ，t h u sf a l l sf o rt h em a n u f a c t u r e re f f i c i e n c yc o n s u m e s t h i r d l y ? t h r o u g ht ot h et h e r m o s t a tu n c e r t a i n t y sa n a l y s i s ，t h ee v a l u a t i o n ，f o rt h e t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ss i z ea c c u r a t et r a n s m i s s i o n ，g u a r a n t e e dt h a tt h et e m p e r a t u r e s u r v e yt h ea c c u r a c yp r o v i d e st h ep o w e r f u ls u p p o r t k e yw o r d s ：t h e r m o s t a t b a t h t e m p e r a t u r ef i e l d s t a b i l i t yu n i f o r m i t y u n c e r t a i n t y s i m u l a t i o n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作孝虢凇仁签字脱卅年衫月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞墨鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 彩护 签字日期：5 7 年占月日 - ，氽 兹y 1 月杉“ 年 丑 名 期 签 同 币 - 子 j y 一 导 签 第一章绪论 1 1 温度 第一章绪论 温度是表征物体冷热程度的物理量，是国际单位制中7 个基本物理量之一。 它反映物体内在性质，即物体内部分子平均动能的大小。也就是说：温度是以热 平衡为基础的，是一个“内涵量”，不是外延量，因此，它不具备单位叠加性。 因此，以热力学角度去认识，温度则遵循热力学第0 定律，即如果两个系统与第 三个系统建立了热平衡关系，则称此两个系统温度相等。其实质是，一切互为热 平衡的系统都是有相同的温度。由此知：热力学第0 定律描述了温度的宏观概念， 从气体分子运动论和统计角度来看微观描述如下： 一 1 气体分子得平均动能为： s = 二m y 以 ( 1 1 ) 2 则温度可用下式描述：，= 兰y - 2( 1 2 ) 3 必 式中：l ，一分子的平均速率，l i 热力学温度( k ) ，m 一玻耳兹曼常数 由此知：理想气体的分子平均动能与v - 2 成正比，即o cv ，而r 表示物体 内部无序运动的剧烈程度。因此，具有一定的微观变化。 结论：l 、对温度的测试，其准确性是建立在传感器与被测对象充分建立热 平衡的条件下才能进行的；2 、温度的微弱变化，会引起被测对象内部分子无序 运动较大幅度的加剧。 1 2 温标 “温标”是温度的定量描述或称温度的量值表示方法；也可理解为温度的标 准描述方法。 “温标”的建立应具备三个条件：固定点、测温仪器和内插公式，即“温标。 应具备的三要素，缺一不可。 l 、固定点：物质不同相之间的可复现的平衡温度。在此状态下，温度恒定不变。 如：水的气、固、液三相点温度为2 7 3 1 6 k o 因此，可选水的三相点为同定点，并规定其数值为0 o l 。 2 、测温仪器：实现测量上述固定点及其它点的仪器。 如：水的三相点瓶复现三相点温度，用一、二等标准水银温度计测0 点温 度。 3 、内插公式 第一章绪论 由于温度为连续量，因此除定义的固定点外，对其它点的表示需用公式获得 描述，即描述固定点间的函数量公式。 例如：假定某一测温仪器的变量y 与t 的变化呈简单线性关系 少= 缸+ f ( 1 - 3 ) 则首先需确定固定点的温度数值t 1 ，t 2 ，这样k 和c 的值就可以确定了。如下式 所示：l c = - f y 2 - y 1 ) ( t 2 - t 1 ) ；c = ( y 2 一y 1 ) ( h - t 1 ) 】1 ，如此k ，c 确定之后，则可确定一下内 插方程如下式所示： t = t 1 + ( t 2 - t 1 ) ( ( y - y i ) ( y 2 y 1 )( 1 - 4 ) 由上式就可以通过测量变量y 来获得任一温度t 【l 】。 实际中，测量变量y 与t 多数呈复杂的函数关系，需经过线性校正方可达到 较理想的测量目的。 为了统一温度量值和促进各国之间的技术交流、发展贸易等，建立国际温标 十分必要，因此国际温标必须满足如下条件： ( 1 ) 尽可能接近热力学温标( 该温标是与测量的介质无关的理想温标) ( 2 ) 尽量确保温度量值的统一 ( 3 ) 复现仪器性能稳定可靠 由此确定了国际温标的基本内容： 选定固定点温度并具有较强的复现性，如：氢三相点1 3 8 0 3 3 k , 银凝固点 9 6 1 7 8 等； 在固定点间进行测量，用温度计( 插值仪器) 决定哪段用什么插值仪器； 测量仪器在同定点间测量的温度插值函数。 1 3 温场和恒温场 顾名恩义“温场”就是具有一定的面积甚至具有一定体积范围的区域性对象 的温度的状态描述。显然，仅限于上述对被测对象某个点的温度大小的测量远远 不能代表被测整体即温场的描述；而将被测对象整体范围都恒定在一个温度下即 处处相等的状态也就是“恒温场”，究竟应该达到什么样的状态? 仪器设备器件 如何设计、采用什么方法来实现，才能达到科学、准确的描述其状态，给实际应 用提供一个最佳的效果方案，这给我们提出了一个艰巨的任务。本论文就是针对 上述情况和目前国家对这一类的环境实验设备的温场检定尚无检定标准和操作 规程，只有检验技术校准规范的情况下盼34 】，根据技术规范的相关要求对检定用 恒温槽温场的计量特性进行分析和仿真研究。 1 3 11 亘温场计量特性描述指标 l 、温度均匀度 第一章绪论 指温场处于稳定状态下，温场任意点每次测试中的实际最高温度与最低温度 之差，要求满足规定技术规范要求。 2 、温度波动度 指温场处于稳定状态下，温场中心点温度随时间的变化量，要求满足规定技 术规范要求。 1 3 2 恒温场的基本测试方法 l 、特定温度点测试仪器的选取 实际中，各行各业都存在着将某个被测对象恒温在某个温度下，如人们最常 遇到的就是对居住空间的恒温问题：还有各种生产设备的恒温问题如恒温水浴 锅、冰箱、烤箱等等。这就对各种物理量单位的复现及精密测试对环境温度测量 提出了较高的要求。被测在某一温度点的测量误差要求越高，则对测试要求也就 越高。如误差要求0 0 1 0 甚至更高的准确度，这种情况下通常选用标准铂电 阻温度计，配备相应高精度的电测设备；对有的测试部位很小的场合，由于铂电 阻温度计元件偏大，从而造成结果不理想。可选用标准热敏电阻温度计进行测量。 因为热敏电阻值比铂电阻值高两个数量级，温度系数高一个数量级，由此知热敏 电阻的灵敏度比铂电阻高三个数量级。但热敏电阻温度稳定性较铂热电阻差。可 将热敏电阻经过严格的老化筛选获得理想元件。目前我国生产的热敏电阻已经接 近国际水平，在o 5 0 范围内，变化量可小于0 0 1 ，由此可实现在窄温区范 围的特定温度点如恒温点的测量。 2 、温场均匀性的基本测试方法 对冷库、保温箱、恒温槽、电炉温场等需要进行恒温的温场，其温场温度均 匀度是衡量其恒温特性的主要指标。根据精度要求和恒温范围可分别采用热电 阻、多支热电偶或多点热电偶。对用于标准恒温槽温场均匀性的测试，需选用标 准铂电阻温度计、标准热电偶等进行测试。 其基本测试方法如下图示【1 】： 图l l水平温场测试示意图图l 一2 工作区域任意两点间的温场测试示意图 3 、温场测试的基本原则 根据温场测试技术规范，一般对温场考虑如下三方面： 第一章绪论 ( 1 ) 对测试温度点的选择 一般选择温场使用范围的上限、下限及中间点三点进行测试。也可根据实 际用户需要选择常用温度点进行。 ( 2 ) 测试点位置选择 通常在温场的上、中、下三层水平面上进行选点。中层为温场的几何中心面。 上、下层测试面上的测试点距离温场四周边缘的距离应大于等于其每边长的0 1 倍( 将温场看做四边形) ，一般应大于2 c m ，其目的减小由于温场与周围器壁之 间进行热交换而引起的温场边缘温度微变波动而造成测量误差。 ( 3 ) 测试点的数量 当温场体积较小时( 一般小于2 n ) ，温度测试点可选9 个；温场体积较大 时可选1 5 个，具体位置见图l - - 3 示【5 】。 ( a ) 上层 ( b ) 中层( c ) 下层 图1 - 3 温场体积小于2 m s 时测试点位置 图l - 4 温场体积大于2 m s 时测试点位置 1 4 国内外发展状况 随着科学技术的不断发展，以及信息技术和微处理技术特别是微电脑技术 的发展，对温度传感器的要求越米越高，因此对检定温度传感器的温场的要求就 越来越高，而测试系统由开始的单一器件搭配完成，发展到由电脑完成并通过一 定的成像技术完成温场的状态成像，使得温场的状态以图像方式呈现在人面前。 同时随着高速度和高精度数据采集系统的问世，对温场的测试实现了高精度和高 4 第一章绪论 速度的在线测试1 67 8 】。 传统的对温度传感器的检定所采用的恒温槽，通常采用标准器与被检温度计 处在恒温槽中，以相应精度的电测仪表( 电桥或电位差计) ，通过一定的连接方 式组成检定系统【。1 ，根据检定规程要求进行操作完成。对恒温槽温场到达恒定温 度点后温度达到处处相等的时间间隔、温度均匀的几何最大范围、以及在升温过 程中温度搅拌器搅拌的最佳速度等，到目前为止都是笼统的一个简单的模糊要求 或设计。如：对工作用玻璃液体温度计、工作用热电阻、工作用热电偶的检定规 程要求：温场温度到达恒定温度点后，至少1 0 - 一3 0 分钟后才能进行检定读数； 标准和被检插入恒温槽的位置必须距离槽壁2 c m 以上 1 0 l l 1 2 】；恒温槽在升温的过 程中搅拌器的搅拌速度分1 4 档，具体由使用者根据实际情况去调档完成。 很显然：l 、温场温度到达恒定温度点后，达到均匀度要求的时间越短越好， 时间越长对恒温设备的稳定性要求就越高：如果根据不同的温场用某种方法对温 场进行监控，也许在低于1 0 分钟的时间内就达到要求，由此就可进入下一个环 节的操作； 2 、某个温场的温度均匀范围是与其工作介质、几何形状、体积、面积等因 素有关，因此不同的温场它的恒温的区域不同，对标准和被检的插入位置进行统 一要求边长的0 1 倍，或规程要求2 c m 以上，很可能就超出上述温场测试规范要 求的范围，就会造成检定误差； 3 、温场升温到指定检定点并恒定下来的时间长短，除了与加热速度有关外，主 要由搅拌器的搅拌速度决定，如果调整不当，很容易造成温场温度振荡或升温速 度慢，从而造成上述时间大幅度延长且难以恒定下来。 1 5 本设计的意义 通过对恒温槽计量特性的分析和研究，可对实际以至未来检定工作和恒温 设备的生产提供一个较大的发展空间，主要是以下两方面： 一、在保证质量的基础上，可大大缩短实际的检定操作时间：减小由于恒温区域 选择不当而造成的误差，从而提高恒温设备的应用准确度。 二、对恒温设备的生产，可通过该实验方法和分析结果，做出最科学的设计方案， 同时为恒温设备的技术工艺进一步改造提供具备实用价值的判定，从而为生产厂 家增效降耗提高恒温设备的精度和稳定性等，提供可靠保证。 1 6 本设计的做法 一、通过对恒温槽升温波形检测分析，找出恒温槽最佳恒温时间； 二、通过不同位置点温度变化情况和均匀度的检测分析，找出水平最大工作范围 第一章绪论 和垂直最佳插入深度范围； 三、通过对搅拌器搅拌速度的不同设置分析，找出最佳搅拌速度和较佳调整方式： 四、通过对恒温槽温场的仿真研究，找出恒温槽温场的最佳工作区域； 6 第二章恒温槽温场控制方法研究 第二章恒温槽温场控制方法研究 2 1 概述 随着科学技术的发展，各类精密产品的生产制造以及特种科学实验都要求具 有特定的工作环境，热传感器的检定前提条件就是恒温场必须满足要求，因此恒 温控制精度的高低就成为了实际检定中不可缺少的条件之一。 目前一般的恒温槽温场控制均采用p i d 控制。对温场的控制关键是温场的均 匀性和稳定性，因此对温场不同位置点的多点检测和处理成为首要解决的问题。 通常采用多支铂电阻作为感温元件，通过多点转换开关与单片机系统相连，使单 片机控制多点转换开关，实现温度的多点巡回检测，该信号再经过放大器放大、 a d 转换后送入单片机，再通过单片机将输入信号转换为温度值，经l e d 数码管 显示出来。 2 2 常用温度控制方法比较 2 2 1 常规pid 控制 其控制原理如图2 - 1 所示 图2 - 1p i d 控制系统原理图 该方法的缺点p i d 参数整定麻烦，易受外界干扰，特别是对滞后较大的对 象控制，其调节时间较长，对控制时间要求短的场合实用。其控制算法需根据被 控对象建立数学模型，但其数学模型多数是基于被控对象静态情况而且为线性系 统而建，对动态特性的影响因素很难考虑其中。但控制方式较简单、实用，性价 比较高。 2 2 2 模糊控制1 1 3 】 其控制原理如图2 - 2 所示 嘏一霎掣 l 计算 图2 2 模糊控制系统原理图 第二章恒温槽温场控制方法研究 该方法是基于模糊集合、模糊语音变量、模糊推理的计算机控制方法，而且 不需要知道被控对象的具体数学模型，因此淡化具体的被控对象特征。与传统的 p i d 方法比其响应快、超调量小、鲁棒性强。因此适用于多变量、非线性、时变 系统。 2 2 3 模糊一p l d 混合控制 其控制原理如图2 - 3 所示 y 图2 3 模糊- p i d 混合控制系统原理图 该方法是根据给定值与测量值的偏差e 选择智能控制器，根据偏差变化选 择控制方法。通常i d 或i d 时，采用p i d 控制算法，在i d 时， 采用模糊控制算法。 该方法与传统p i d 控制比明显的特点是抗干扰能力加强，与模糊控制比控制 精度更高，因此广泛应用于工业炉、槽和化工过程控制。 2 2 4 遗传pid 控制 其控制原理如图2 - 4 所示 y 图2 4 遗传p i d 控制系统原理图 该方法是利用遗传算法来整定控制器的最佳参数，优化p i d 参数，然后输 出控制量。该方法的特点是将p i d 参数串接成染色体，通过繁殖、交叉和变异遗 传操作生成新一代群体，再经过多次搜索最大适应度值的个体来进行控制。 该方法的主要特点稳定性好，不需要被控对象的任何初始信息。 2 2 5 模糊一神经网络一遗传控制 该方法是将模糊逻辑与神经网络结合，通过神经网络的离线训练好在线自 学习，使控制器具有自调整、自学习和白适应的能力，在通过遗传算法来优化控 制参数，达到模糊智能控制的目的。 该方法的特点是可根据外界干扰条件的变化，实时的调节网络和控制规律， 实现良好的温度跟踪性能。因此，该方法可使得控温过程中的升温速度及控温精 第二章恒温槽温场控制方法研究 度性能大大改善，在检定热传感器的恒温槽和检定炉控制中比较适用。 2 3 基于p c 机的温度检测控制系统 恒温槽通常在一定的温度范围内要求恒定在某个温度点上，如恒温油槽要求 在9 5 至3 0 0 范围内任意点可恒定不变该问题解决的最好方法就是利用p c 机 进行检测控制和数字显示。该方法与采用大量常规仪表测量温度，通过控制接触 器的通断时间来控制加热功率比，控制精度要高，一般可达0 1 。其温度控制 原理示意图如图2 - - 5 所示。 槽温 图2 - 5 温度控制系统原理图 控制器根据检测与转换装置送过来的实际槽温和给定值的偏差，依一定的控 制规律输出控制信号给执行器，执行器发出相应的动作控制恒温槽的加热速度， 达到调节温度的目的。 2 3 1 温度控制系统的硬件部分 主要由输入通道和输出通道组成。输入通道通常完成将槽温转换成数字信 号输出给p c 机。其主要由检测与转换装置、多路开关、a d 转换器、并行i 0 口组成。槽温由检测转换装置转换成统一的电信号，经放大送到多路转换开关， 由p c 机控制多路转换开关的选通地址，经选通的模拟信号由a d 转换器转换成 数字量后送到p c 机的i o 输入接口，经总线收发器进入p c 机的c p u 。 输出通道主要是计算机的分配系统，将数字量转换成模拟量输出。输出通道 主要由d a 转换器、多路分配器、双向可控硅控制电路组成。由c p u 计算得到的 控制信号( 数字量) ，经d a 转换器转换成模拟量送入多路分配器，由p c 机的并 行接口选定输出的一路，经过零脉冲触发器出发双向可控硅导通，从而达到控制 炉温的目的。 2 3 2 温度控制系统的控制算法 一般系统通常把减小控制系数的超调量和稳态误差为基本目的，所以一般采 用p i d 调节。其控制算法如下： 恒温槽可看做具有带延迟的一节惯性系统，其传递函数可用下式表示： h ( s ) 2 阮( 1 + 乃肛” ( 2 一1 ) 式中为滞后时间；k 。为放大倍数；t i 为时间常数。 则其p i d 控制算法的模拟表达式为： 9 第二章恒温槽温场控制方法研究 妖，) = 砟卜+ 专d 力z + 乃+ 等i 防2 ) 式中y ( t ) 为调节器的输出：e ( t ) 为调节器的偏差信号；t i 为积分时间：t d 微分时问；为便于计算机实现p i d 调节，上式离散化增量控制算式如下： 髟= 巧一一i = t ( 巳一e k _ 1 ) + k l e k + 厶( 白一2 略一l + 2 ) ( 2 3 ) 式中e k 、e k - l 、e k - 2 为第k 、k - i 、k 一2 次采样偏差值； 2 3 3 温度控制系统的软件设计 系统的软件主要完成温度信号的采集、处理、显示和键盘p i d 参数调整等， 主要由监控程序、闭环温度控制程序、和中断处理程序等。 其中监控程序主要由自检程序、温度显示程序组成。主要用于系统的自调整和被 测对象的温度显示。 闭环温度控制程序由求偏差e 、偏差的变化率、数据量化算法、增量p i d 算 法等程序块完成。主要控制可调控制器，寻找最优条件，改变p i d 参数。 中断处理程序主要由温度采样中断处理程序和单片机的i n t o 中断处理程序 组成。其中温度采样处理程序由温度采样程序、数字滤波程序、温度显示程序组 成，主要用于控制信号的放大、滤波和显示；i n t o 中断处理程序主要由键盘控 制程序、p i d 参数显示程序、传送程序组成。主要用于p i d 参数的现场调整。 系统主程序框图如2 - 6 所示。 图2 - 6 系统主程序框图 1 0 第三章恒温槽温场的影响因素分析 第三章恒温槽温场的影响因素分析 3 1 简介 我国国家标准对环境试验设备标准归类到电工电子产品环境试验设备，该 标准对环境试验条件、试验方法、试验设备、各项着火危险试验等都做了相应的 规范要求。温度试验设备也是其中的一种。该标准规定了温度( 含低温、高温和 温度变化) 试验设备在进行周期检定时的检定项目、检定用主要仪器及要求、检 定条件、测量点数量及布放位置、检定步骤、数据处理及检定结果等内容。该标 准也适用于对g b2 4 2 3 1 9 电工电子产品基本环境试验规程试验a ：低温试 验方法、g b2 4 2 3 2 _ 8 9 电工电子产品基本环境试验规程试验b ：高温试验 方法和g b2 4 2 3 2 2 8 7 电工电子产品基本环境试验规程试验n ：温度变化试 验方法所用试验设备的周期检定。 对恒温槽技术性能的评价由国家质量技术监督局1 9 9 1 年发布的，参考标准 j j g l 0 3 0 9 1 ，恒温槽技术性能测试规范中做出相关要求【1 4 】。 恒温槽是温度测试及温度控制中特别是在温度仪器仪表的检定中必用的环 境温度试验设备，用于提供不同温度状态下的恒定温场。恒温槽已经在温度计量 校准工作中得到了广泛的应用，恒温槽的技术性能的优劣决定着计量、校准工作 的质量。依据恒温槽技术性能测试规范【l 】的要求，一般主要对恒温槽温度波动性 和温度均匀性进行测试。在恒温槽的实际测试中，测量方法和计算方法的不同将 带来测量误差并影响测试速度1 1 5 1 61 71 8 】。无论采用什么测试方法和计算方法，都 要考虑温度传感器短期稳定性、电测仪表准确度及短期稳定性和温度波动的影 响。在高温测量时，还要考虑漏热的影响。另外由于恒温槽为了达到整个控温场 的温度尽量均匀，通常采用局部搅拌器进行按一定速度搅拌来达到目的，因此， 搅拌器的性能尤其是搅拌速度的大小对温场均匀性的影响也应考虑。 目前用于检定的恒温槽主要有：酒精低温槽、水恒温槽、油恒温槽。 它们依恒温介质不同而得名。其中酒精低温槽用于提供0 以下的温度温场；水 恒温槽用于提供5 9 5 的温度温场；油恒温槽用于提供9 5 3 0 0 的温度温 场。油恒温槽的介质通常采用食用油和汽缸油、硅油等。这些油介质正常情况下 绝缘电阻非常高，电热丝通电后直接将热量传导给加热介质，但这种结构存在 着很大的安全隐患，第一：电热丝通电后温度很高，至少在3 0 0 - 5 0 0 以上， 使食用油和汽缸油等加热介质极易炭化，降低加热丝和标准恒温槽外壳间绝缘 电阻，造成外壳带电。特别是二甲基硅油在使用中要注意两个问题：，一是标号 问题，二甲基硅油根据运动粘度分为5 0 厘斯、1 0 0 厘斯、2 0 0 厘斯、3 0 0 厘斯 第三章恒温槽温场的影晌因素分析 等多种类型，即5 0 号、1 0 0 号、2 0 0 号、3 0 0 号油，它们的号越大，粘度越大， 低温不易均匀恒温；号越小，粘度越小，易均匀恒温，但由于其闪点( 燃点) 低 易发生着火现象：二是具有胶化现象，即二甲基硅油长期在高温状况下使用 ( 2 0 0 以上) ，使得温场硅油会随时间延长变得越来越稠，由此使得温场控温 下限升高，控温均匀性降低，也不易恒温。所以，一般选用2 0 0 号- - 3 0 0 号的二 甲基硅油用于1 0 旺3 0 0 的恒温场，而且使用频率最好平均每周一次，不超过5 个小时，如此最多能保证一年。平时注意油的粘度变化情况，以便及时更新。有 的厂家因苯甲基硅油与二甲基硅油同族且粘度小而青睐于它，这种做法不可取。 因为苯甲基硅油在2 5 0 左右就会出现较大量( 因此时搅拌速度也要加快而造成) 烟雾挥发现象即苯挥发，造成有毒气体在室内挥发，通风不好时，造成人呼吸困 难，眼被刺激流泪；因此，苯甲基硅油不能选做加热控温介质f 1 9 】。 第二：在检测金属套管封装的温度传感器时，如果操作不当，有金属零件掉 落或传感器接触到电热丝，造成金属套管击穿甚至人身伤害事故；第- - 裸露 电热丝长期在高温状态下受各种杂质影响，经冲击和震动，容易断裂或脱落，直 接与标准恒温槽体接触，容易造成放电或漏电现象，因上述原因造成标准恒温 槽或检测仪器受损、甚至使操作人员受电击昏厥的现象在各地均有发生。 在检测过程中，由于标准器和被检温度计的热响应时间以及插入深度不同，因 此对恒温槽的温度均匀性和温度稳定性要求很高。温度稳定性主要与恒温槽控温 装置的性能、加热介质有关：均匀性主要与恒温槽的结构、加热介质及温度稳定 性有关，因此，衡量恒温槽恒温质量需从多方面综合考虑。 3 2 恒温槽的基本结构和工作原理 一、工作原理 ( 一) 结构原理如图3 一l 所示： 7 t 2 3 4 且 一 二jo ， l o o o or - i 凌 一j i ： ：蓄! 岫i 】 h 。辱丢一 j 一 6 一 图3 1 恒温油槽结构原理图 1 2 第三章恒温槽温场的影响因素分析 l 一电机2 _ 混合区卜工作区4 控温仪5 一油泵6 储油箱仁铂热电阻温度计 二、标准油槽的工作原理如图3 2 所示： 工作区 图3 2 恒温油槽工作原理图 油槽槽体中油的流动和温度控制系统在电机带动的浆叶推动下，油在混合 区经加热器加热，自上而下流动，经桨叶强烈搅动，油流充分混合，油流的温度 达到均匀一致，然后导流向上进入工作区，在工作区中油流要求有合适的流速， 良好的绝热，以保证它在工作区中温度均匀且稳定不变；此后油流再进入混合区， 依次做循环流动【2 0 】。 1 、控温仪工作原理 控温仪的感温元件铂热电阻温度计置于流体中，用于检测温度信号，使温度 控制装置根据槽温变化，以p i d 调节方式发出控制信号，控制双向可控硅导通角 的大小，调节加热器的加热功率，使槽温稳定在设定温度下 2 、供油循环系统：( 有的油槽无储油箱，需人工进行) 该系统在油槽正常工作时不启用，只有在需要注油时才工作。具体结构如下： 在油槽底部设有贮油箱，通过油泵和换向阀，将贮油箱中的油经输油管泵入油槽 中；若需清理贮油箱中的油，可通过换向阀和换油放液阀抽离贮油箱，在油槽升 温时，溢出的油通过溢流管，直接排入贮油箱，若槽温需快速下降，可打开放油 阀门，把槽中部分高温油放入贮油箱后，再用油泵将冷油经输油管泵入槽内，由 此，供油循环系统使得工作环境干净，操作人员操作较简单、高效1 2 1 2 2 2 32 4 。 3 、温度控制系统 油恒温槽，要求必须在其工作范围内、任一设定温度下，能建立一个温度分 布均匀且稳定不变的热环境，因此所配备的温度控制系统十分重要。另外，恒温 槽槽体结构、系统的热惯性、介质的均匀受热状况、混合和良好的流动状态、装 置绝热保温的优劣，以及整机运转的稳定性，都直接影响控温品质。目前较一般 第三章恒温槽温场的影响因素分析 的设备均采用数显温度控制仪与装置配合，可实现较高品质的温度控制，槽温波 动度一般可达到0 1 c 3 0 m i n ，槽温均匀度可达0 1 2 5 2 6 1 。 控温系统工作原理框图如图3 3 所示： 铂 图3 3温度控制系统工作原理图 由铂热电阻温度计测量温度信号的变化输出电阻值，经测温电桥、信号放大 器及非线性补偿器，把非线性电信号转换成线性信号，设定温度由设定器给出， 设定信号进入选择开关，测量温度或设定值温度信号经过a d 转换器分别显示 在数码管上。为减小仪表的零漂及对工作环境温度的变化进行补偿，一般设有零 位校准电路。温度控制电路将经过放大的线性信号和设定信号送入偏差放大器， 并经偏差放大器进入抗积分饱和p i d 控制单元，利用单相移相过零触发电路，以 脉冲方式输出，驱动双向可控硅工作，最后完成控制油槽中电加热器的加热功率 变化，达到恒定槽温的目的 2 ，瑚】。 三、结构组成材料及要求 1 、结构组成 恒温槽槽体通常由保温罐、保温层、外壳三部分组成，并且加热电阻( 加热 电阻丝) ，测温元件( 控温传感器) 也置于其中。因此，保温罐及保温层的厚度， 加热电阻大小及放置位置，测温元件放置位置均为恒温槽设计的关键。通常从硬 件方面考虑的话，恒温槽的恒温效果与槽体内温场分布均匀性成正比，当槽体形 状为球体时其温度场分布最均匀，恒温效果最好，但球体不易加工而往往不被采 用；柱体形结构是沿着半径对称的且同半径层区间为同温层，且传热基本均匀， 因此被常常采用。 单层恒温槽因直接外裹保温层，没有中间缓冲，使得温场温度常常受周围环 境温度变化影响( 如开窗通风处) 而不易恒定；目前常见为双层恒温槽设计( 见 上面的3 一l 图或3 2 图示) ，这样将内恒温槽的外壳做成了外恒温槽的保温罐 内层；这样将加热电阻丝绕在内恒温槽( 内保温罐) 和外保温槽( 外保温罐) 的 1 4 第三幸恒温槽温场的影响因素分析 外面，传感器探头( 感温元件) 安装在内保温槽的内壁上，这样保证了内保温槽 内工作区域的温度相对恒定( 搅拌器在外恒温槽时) 或外恒温槽内温度相对恒定 ( 搅拌器在内恒温槽) 。 2 、材料选择 恒温槽各部分的材料性能直接影响着恒温槽整体工作性能，主要包括保温 罐、保温层、外壳，加热阻丝的性能。 ( 1 ) 、保温罐和外壳 对保温罐和外壳的要求基本有两点：一是将加热电阻丝的热量迅速、均匀的 分布到感温介质中( 工作介质) ，因此需要选择导热系数高材料，则金属材料为 首选材料；二是控温过程中尽量减小温度波动，由此需要选择比热容大的材料， 综合上述情况，制作保温罐和外壳的较佳材料为铝、铜、钢材料，考虑槽体轻便， 则铝质材料较常见。上述三种材料的基本性能比较如下表示： 表3 1常见保温罐、外壳材料性能比较 ( 2 ) 、内、外保温层 基本要求有两点：一是散热慢甚至不散热；二是绝缘材料，因为恒温油槽工 作电流通常在1 0 a 以上，若绝缘不好，易造成外壳漏电，容易发生触电事故， 基于上述考虑目前采用较好的材料是7 6 号硬质聚氨酯泡沫作为填充材料形成恒 温槽的保温层。 r 3 ) 、加热电阻丝 要求其电阻率高、温度系数小的材料，因此通常采用金属材料或合金材料， 二者由于其性能稍有区别而用于不同温度范围的恒温槽中，一般较低温度如恒温 水槽可以采用金属材料，较高温度的如恒温油槽可以采用合金材料，常见有钨、 镍纯金属材料和康铜、镍铬合金材料 2 9 3 03 1 。 3 3 匾温槽的传热表达及影响因素分析 热电阻丝加热的热量在恒温槽中传递的过程如下； 电阻丝 _ 内保温罐斗内保温层外保温罐 外保温层外壳 由电阻丝到外保温层( 甚至n ； i - 壳) 间主要热交换方式是热传导即传导换热， 外壳与周围环境间以对流换热方式进行热交换。由此知外保温罐与周围环境间既 第三章恒温槽温场的影响因素分析 存在传导换热又存在对流换热方式。 一、内保温罐、保温层及影响因素 根据恒温槽对内保温罐的要求：材料必须有足够的热容量，则由热容量= 比 热x 质量知当材料一定时，其质量越大热容量越大，而决定其质量的因素主要是 材料的厚度，厚度越大，质量越大，热容量越大，但当厚度过大时易造成恒温槽 的热惯性大即热惰性增大，使得测温元件对温场温度变化热惰性加大，这是不可 取的。一般4 6 r a m 厚即可满足要求。 对保温层则符合热力学傅立叶定律：“在材质一定而且均匀的固体内部，当 为一维温度场时，单位时间内传导的热量与温度变化梯度、垂直于热流方向的截 面面积正比”，表达式如下： 夕：艚孥 ( 3 - 1 ) a r 式中q 为单位时间传递的热量，s 为热传递面积，九为保温层介质导热系数。 对圆柱体形状的介质而言考虑体壁、端面的传热方向不同得如下表达式： q = q 甜q 悟掣( 石一互) + 2 砝孝丝( 3 - 2 ) l n 垒 吒一 | ，i 式中：t 1 、t 2 为内、外保温罐的温度；九为导热系数；h 为保温层、罐的高度；r l 、r 2 为内保温层的内、外半径f 3 2 】。 由上式知：保温层的厚度越大，q 值越小，当保温层材料、高度、保温罐的 半径确定后，则根据上式做图找出q 随r 2 的变化规律，从而找出保温层较佳厚 度。一般为2 0 r a m 左右即可满足要求。 二、外保温罐、外壳及影响因素 外保温罐与外保温层间的传热方式同内保温罐和内保温层的传热方式，则表 达式同式( 3