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高精度恒温槽设计与试验-​上海博迅实业有限公司医疗设备厂

[导读]​为了满足高精度温度计量器具检定和校准的需求,上海博迅实业有限公司医疗设备厂设计了一种高精度恒温槽,在结构设计上,优化恒温槽内筒结构,内筒采用上搅拌式结构,搅拌腔和工作腔分开,由上下连通结构连为一体

为了满足高精度温度计量器具检定和校准的需求,设计了一种高精度恒温槽,在结构设计上,优化恒温槽内筒结构,内筒采用上搅拌式结构,搅拌腔和工作腔分开,由上下连通结构连为一体,设计了整流格栅和工作介质循环系统,确保筒内工作介质循环和热交换的稳定进行,提高温场分布的均匀性和稳定性。在温度控制算法上,采用增量式PID(Proportion integration d-ifferentiation)算法,利用粒子群算法自整定PID系数,通过闭环负反馈PID结构实现恒温槽温度精确控制。利用自主研发的软件实现对恒温槽性能的测试,试验结果表明,所设计的恒温槽能够实现快速降温和升温过程,-10 ℃时温场稳定性为0.011 ℃/10min,工作腔中的上水平面最大温差仅为0.0034 ℃,下水平面最大温差为0.0020 ℃,内筒工作腔最大温差为0.0034 ℃,整个系统自动化程度高,控温稳定,符合国家规定的性能要求。

恒温槽在高精度温度计量器具的检定和校准工作中是非常关键的检定和校准设备[1,2,3,4],能够给被测体提供一个稳定且均匀的恒温环境。恒温槽在化工、航空航天、医疗卫生、农业等领域应用十分广泛[5,6,7],在农业生产中,经常遇到温度控制问题,如菌种发酵、温室作物培育、农副产品运输等[8,9,10,11],它对保证产品质量,提高生产效率起着重要的作用。农用温度计量器具的准确与否将直接对农业生产产生影响,恒温槽能够给各类温度传感器提供一个稳定均匀的温度环境,供温度传感器进行检定校准。

目前国内用于检定和校准温度计量器具的恒温槽主要有干体炉、热管恒温槽和液体介质恒温槽。干体炉和热管恒温槽在使用上受到限制,并且控温精度较低,温度场稳定性较差。随着恒温槽应用场合的不断增加,国内学者对其进行了大量的研究。吴江涛等[12]设计了一种双级控温低温恒温槽,通过模糊比例积分微分实现对温度的控制,温度控制范围为193~333K,最小波动度为±5mK。沈文杰等研制了一种侧搅拌结构的便携恒温槽,克服了磁力搅拌技术对测量仪器插入深度的影响。王海涛等[13]通过对热管恒温槽增加辅助金属环的方式,提高传热效率,提高测量准确度,降低对被测温度计浸没深度的要求。陈龙祥[14]课题组开发了一套能精确测量纯工质PVT性质的实验平台,其可测温度范围为:233-453K,总不确定度为±5mK。胡芃等[15]研制了制冷工质PVT实验用精密低温恒温槽,最小控温精度可达±3mK。然而,传统恒温槽普遍存在工作范围有限、控温精度低、温场不稳定、自动化程度不高等问题[16,17,18,19],不能满足高精度计量器具的检定和校准。

为解决上述存在的问题,依据北京市计量检测科学研究院JJF1030—2010型恒温槽技术性能测试规定[20],设计一种高精度恒温槽。

1 恒温槽工作原理与结构设计

1.1 工作原理

恒温槽采用上搅拌式结构,内筒搅拌腔和工作腔分开,呈中心对称分布,由上下连通结构连为一体,类似连通器的结构原理。内筒搅拌腔中的工作介质经加热器加热或压缩机降温,在搅拌器的作用下,从底部通道经整流格栅整流后进入内筒工作腔,工作腔中的工作介质从顶部经整流格栅整流进入搅拌腔,以此往复循环,两个腔体内工作介质进行充分的混合与热交换,最终达到稳定均匀状态。采用增量式PID算法进行稳定控温,利用粒子群算法自整定PID系数,通过闭环负反馈PID结构实现恒温槽高精度均匀控温。在温度控制系统的控制下,整个内筒中的工作介质达到预先设定的稳定温度,并且使内筒中各处的工作介质温度保持稳定。

1.2 整机结构

恒温槽主要由内筒、工作介质、保温层、制冷装置、加热装置、油路循环系统、搅拌装置和温度控制系统等组成,整机结构如图1所示。将高精度恒温槽内筒设计为上搅拌式结构,内筒工作腔为温度计量器具的检定和校准提供均匀且稳定的温度环境;内筒搅拌腔用于对工作介质的搅拌、加热和制冷;搅拌装置为恒温槽中经加热或降温后的工作介质在搅拌腔和工作腔之间的循环流动提供动力,加速工作介质之间的热交换过程;制冷装置和加热装置分别用来实现工作介质的降温和加热。制冷装置中的压缩机组和水箱置于内部结构的最下方,这种结构布局符合制冷原理,并且可以减小整机体积、提高设备的结构稳定性、节省空间。恒温槽的电源及其控制电路装配在内筒结构的侧面,方便与各部件之间的连接。


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