李世岗 陈流芳 陈 菡 吴裕远
(西安交通大学低温工程研究所 710049)
摘要 组建了一套低温下高精度热电偶自动标定系统。该系统结构简单,方便可靠,控温精度为0.01K。
主题词 热电偶标定 高精度 自动测控
1 简介
众所周知,温度越低,冷量品质越高,越需尽量避免冷损。所以在低温实验中,常需对温度进行精确测控。测控系统的首要部件就是温度传感器。由于热电偶具有制作简便、测温范宽、准确度高、热惯性小、便于测量温差等优点,故常选用热电偶(如铜—康铜热电偶)作温度计。但热电偶[1]的测温精度受很多因素影响,如热电偶丝内部有机械应力造成局部晶格异常;化学组分不均匀;熔焊时结点以外部分过热,导致高温下再结晶而引起性能变化等等。而低温换热器的换热温差一般仅为几K,若使用厂商提供的热电偶分度曲线或用普通低精度标定系统分度热电偶,必将产生很大误差,降低测量可信度。因此,实现高精度标定是很必要的,并且也是测温系统高精度的首要保证。为此,本文组建了一套低温下微机高精度热电偶温度计标定系统。系统(图1)分三大部分:控温、恒温、数采。
2 控温部分
控温部分(图2)包括经改造的DWT—702温控仪、可控硅执行器以及作为温度传感器的特制硅二极管温度计(以下简称M.D.T.)。
DWT—702温控仪由毫伏定值器、微伏放大器、PID调节器及可控硅触发器四部分组成(图2虚线框内)。被控对象的温度由M.D.T.传出,该输出电压与毫伏定值器给出的代表所设定温度的毫伏值比较,若有偏差则说明恒温器温度偏离给定值。此偏差值经微伏放大器放大后,送入PID调节器进行PID运算,输出具有PID调节规律的0～10mA信号进入可控硅触发器。可控硅触发器采用单结管驰张振荡器输出移相脉冲,触发可控硅执行器,从而控制加热功率,消除偏差,达到控温目的。原控温精度为0.5K,量程为99.999mV。
为进一步提高控温精度,对它作了以下改进:(1)将原定值器电路(图3)中的线绕精密电阻R用一精密十圈可调电位器(R=10kΩ)代替,从而使量程扩为2V,且使改动后的网络输出电压的最小单位为0.02mV而M.D.T.的分辨率为2mV,从而最小可调控制温度为0.01K; (2)M.D.T.的高分辨率相当于增加了控制环路中的前向增益倍数,在电路的其它参数不变时,系统会发生振荡而不能稳定。故将微分电容由25V、220μF增为25V、1000μF,积分电容由16V、330μF增为16V、1000μF。(3)图2中从M.D.T.向右看去,其等效负载为放大器与定值器的输入阻抗, 100kΩ级。而M.D.T.在液氮温区下通以50μA恒流时,输出电压约1.03V,其等效内阻约20kΩ。故需在M.D.T.后加电压跟随器(图4)进行阻抗隔离,从而使被隔离的电压在闭环情况下可精确地保持在开路值的99.9%以上。(4)PID反馈控制具有滞后效应,克服干扰不够及时,在原反馈控制的基础上加入前馈控制。即将加热电压按比例前馈到可控硅触发器输入端(图2),从而形成“复合控制”。改进后的控温系统控温精度为0.01K,且过渡时间缩短为5～7min。
可控硅元件可以用很小的控制极电流去控制很大的阳极电流,同时又是静止的固体元件,使用可靠,导通和断开时间很短,本身损耗很小,因此得到了广泛应用。本文采用的可控执行器电路如图5,其中可控硅SCR选用型号为3CT102E 3A/400V; S01、S02为限流器(3A),R 1、R 2为限流电阻,阻值均为24Ω;隔离电阻R 0和电容C 0分别为24Ω和0.01μF。
特制硅二极管温度计[2](即M.D.T.)选用国产硅三极管3DG6的管芯芯片的c—b结(b—e结短接,c—b结则等效为二极管)作为传感器,因芯片较小(0.15×0.5mm)故采用真空镀膜结合烧银浆焊法将其装在含Al2O399.98%～99.99%的α—Al2O3单晶材料上。用金线以热压焊方法将基极引至衬底。两根细铜丝以锡焊焊在衬底上,作为输出引线(如图6)。M.D.T.外形尺寸为2×2×0.2mm,液氮温区下热响应时间约10μs[9]。经陕西计量所鉴定,主要性能指标如下: 77K温区下,输出电压1.03V左右,分辨率2mV/K,线性度<1%,线性良好。测量前后在液氮中的示值无明显变化。
3 恒温部分
传统上校验低温温度计时多采用真空绝热恒温器,一般情况下恒温器的受干扰因素有:
(1)恒温器内气体的导热及对流换热; (2)辐射换热; (3)恒温器各构件的热传导,导线及温度计本身的焦耳热。经计算[3,4],气体导热在漏热总量中占很大比例,因此采用真空绝热技术保持恒温。但这种恒温器需要配以庞大复杂的真空辅助设备,对连接处及封口的密封要求也十分严格,且过渡时间为1～2h。
本文的简易补偿式恒温器的原理是:由暂态导热理论[5]可知,等温块与周围环境之间的热阻越大,等温块最终达到热平衡并建立稳定的温度场所需时间越长,所以传统恒温器的过渡时间过长。本恒温器保留气体导热,以求降低等温块与周围环境之间的传热热阻,这样可缩短过渡时间,尽快达到热平衡;同时尽量消除恒温器内的气体对流,以防止温度场产生波动。从而避免了采用高真空绝热恒温器时难以避免的一套复杂真空系统。当然这是以消耗冷剂为代价的。但实际操作过程证明,液氮消耗量每小时不超过1L。
图7是其结构简图。恒温器的中间部分是由Φ55mm的紫铜块制成的等温块。它具有良好的导热性和足够大的热容,足以获得均匀的温度。在其中央开有一Φ6mm、深70mm的孔,用来安装作为标准的硅二极管温度计。沿等温块周向均匀开有6个Φ7mm、深70mm的孔,用来安装被标定的热电偶。孔中需预置真空油脂,当冷却到液氮温度时,将变成固态,导热性能良好。等温块下部车有螺纹,其上用无感双绕法绕有加热丝(为Φ0.2mm,涂有绝缘漆的康铜丝),等温块靠此加热丝加热升温。对流挡板可避免气体对流引起的温度波动,等温屏可防止热辐射对等温块的影响。恒温器的所有焊接处均采用银焊,保证致密性及低温下的韧性
4 数采部分
数采部分包括IMP(Isolated Measurement Pod)分散式数据采集器和Compeq386微机。IMP的主要技术指标如下:输入阻抗4MΩ,采样频率约10Hz,灵敏度16bit(0.025%),分辨力1μV。外接铜—康铜热电偶时IMP引入的绝对误差小于1μV。
5结束语
本文组建了一套低温下微机高精度热电偶温度计标定系统。系统结构简单,使用方便可靠,控温精度达0.01K。实际使用证明,经本系统标定过的热电偶是低温实验中高精度温度检测系统较理想的温度传感器。
参 考 文 献
1 吕崇德,姜学智等.热工参数测量与处理.清华大学出版社, 1990
2 Y Y WU, Ph D. Thesis of uNIversity of Southampton, P85—89, 1984
3 G K怀特著,洪朝生译.低温物理实验技术.北京:科学出版社, 1978
4 陈国翔.一种简便的补偿式低温恒温器.科学技术报告, 1980
5 杨世铭.传热学.北京:高等教育出版社, 1989
