設(shè)計(jì)了一種便攜式低溫恒溫槽。采用微型壓縮機(jī)制冷和側(cè)攪拌技術(shù), 提高了設(shè)備便攜性, 擴(kuò)展了工作區(qū)有效插入深度。其控制溫度范圍為-4095℃, 有效工作區(qū)域?yàn)橐好嫦?0220 mm, 在095℃范圍內(nèi)溫度均勻性達(dá)到10 m K量級(jí)。在-40℃時(shí), 溫度均勻性優(yōu)于0.06℃, 可用于短型溫度傳感器的現(xiàn)場校準(zhǔn)。

近年來, 在工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究過程中, 各類傳感器的需求量不斷增大, 使用者對(duì)其性能要求也在不斷提高。許多傳感器由于形狀復(fù)雜、難以拆卸、送檢工期較長, 特別是一些感溫段短小、準(zhǔn)確度要求較高的短型溫度傳感器[1], 現(xiàn)場校準(zhǔn)的需求日益迫切。因此, 研制一種攜帶輕便、性能穩(wěn)定的恒溫?zé)嵩淳哂兄匾膶?shí)際意義。

干體式校驗(yàn)爐和恒溫槽作為常用的兩種現(xiàn)場恒溫源在性能和使用便利性方面各具優(yōu)勢。干體式校驗(yàn)爐便于攜帶, 但其傳熱效果較差, 且均勻溫區(qū)與爐口距離較遠(yuǎn), 不適于短型溫度傳感器校準(zhǔn)。常規(guī)恒溫槽具有波動(dòng)度小、溫差好、熱傳導(dǎo)效果好等性能優(yōu)點(diǎn), 但體積、重量較大, 制約了其現(xiàn)場校準(zhǔn)的使用, 而且傳統(tǒng)的磁力攪拌設(shè)計(jì), 影響了計(jì)量器具插入深度。提高恒溫槽的便攜性是一個(gè)重要的研究方向[2,3], 近年來國內(nèi)很多技術(shù)人員, 根據(jù)不同的原理和實(shí)際需求研制了各類恒溫槽, 但在便攜性或性能方面還不能完全滿足現(xiàn)場需求。

本文采用微型壓縮機(jī)制冷, 結(jié)合側(cè)攪拌的設(shè)計(jì), 研制了一種便攜式低溫恒溫槽, 能夠提供一個(gè)溫度均勻且穩(wěn)定的環(huán)境, 在滿足現(xiàn)場校準(zhǔn)指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上, 縮小了設(shè)備體積, 提高了設(shè)備的便攜性, 可以解決- 40 ~ 95℃ 溫度區(qū)間內(nèi)短型溫度傳感器現(xiàn)場校準(zhǔn)問題。

1 結(jié)構(gòu)與原理

便攜式低溫恒溫槽主要由槽體、攪拌系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)組成, 如圖1 所示。

槽體分混合區(qū)與工作區(qū), 槽體內(nèi)腔及面板都選用不銹鋼材料, 有效地避免了腐蝕、生銹等現(xiàn)象?；旌蠀^(qū)的作用是通過布置在其側(cè)面的冷卻蒸發(fā)器和加熱棒對(duì)介質(zhì)調(diào)溫, 并經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)使其混合均勻。工作區(qū)具有很好的均勻度, 用于校準(zhǔn)溫度傳感器。

恒溫槽采用側(cè)攪拌設(shè)計(jì), 將攪拌電機(jī)置于工作腔體的側(cè)面, 槽體內(nèi)介質(zhì)經(jīng)過葉輪攪拌器的推動(dòng), 使介質(zhì)從混合區(qū)頂端向下流動(dòng), 在蒸發(fā)器及加熱棒的作用下, 將介質(zhì)在混合區(qū)充分混合并達(dá)到合適的溫度, 通過強(qiáng)烈攪拌, 推動(dòng)介質(zhì)從底部流出, 導(dǎo)流送入工作區(qū), 加快了介質(zhì)的對(duì)流。由于工作區(qū)底部介質(zhì)的流速與溫度均高于工作區(qū)上部, 會(huì)推動(dòng)上部介質(zhì)再次進(jìn)入混合區(qū), 不斷往復(fù), 可在工作區(qū)內(nèi)得到一個(gè)溫度穩(wěn)定、溫場均勻的液體空間。這種方式可以避免恒溫槽采用原有磁力攪拌技術(shù)引起的溫場不均勻、波動(dòng)性大, 以及槽體底部攪拌扇葉影響計(jì)量器具的插入深度等問題。

控溫系統(tǒng)選用0.1級(jí)溫控儀及精密Pt100 鉑電阻傳感器進(jìn)行溫度控制, 將控溫傳感器置于工作介質(zhì)中, 實(shí)時(shí)反饋介質(zhì)溫度, 通過溫度變化, 控制加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)工作, 達(dá)到控溫效果。裝配前對(duì)控溫傳感器進(jìn)行性能篩選, 確保準(zhǔn)確度滿足要求, 穩(wěn)定性好。

加熱系統(tǒng)采用螺旋加熱棒加熱, 增加了熱傳遞的接觸面積。能夠覆蓋整個(gè)液體的混合區(qū), 通過控制加熱棒輸出功率, 最終達(dá)到設(shè)定溫度。

制冷系統(tǒng)選用滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式微型壓縮機(jī), 余隙容積小、容積效率較高, 并配有緩沖裝置, 可以減小外部環(huán)境對(duì)制冷系統(tǒng)干擾, 既保證了冷源的平穩(wěn)輸出, 又大大縮小了制冷系統(tǒng)的體積。

通過以上優(yōu)化設(shè)計(jì), 可以大大減小整機(jī)外形尺寸和重量。

2 確定便攜式低溫恒溫槽有效工作區(qū)上、下水平面

在工作區(qū)內(nèi)插入一支標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì), 深度為液面下1 /2 處, 固定在參考位置O, 使用另一支標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作為移動(dòng)溫度計(jì), 以工作腔液面下方60 mm處作為起始平面, 在以10 mm為間隔的平面上測試不同溫度下各個(gè)平面的溫差Rt ( i) ( i表示移動(dòng)溫度計(jì)感溫端頭部與工作腔液面的距離) , 選擇該平面在不同溫度點(diǎn)下溫差最大值作為該平面均勻性R ( i) , 試驗(yàn)過程及標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻布置如圖2 所示, 測量溫度點(diǎn)為- 40, 0, 20, 95 ℃ 。