浅式微型温度校验炉

朱晨彬　姚丽芳　朱欣赟　陈 宇 / 上海市计量测试技术研究院

浅式微型温度校验炉

朱晨彬姚丽芳朱欣赟陈 宇 / 上海市计量测试技术研究院

介绍的浅式微型温度校验炉其插入深度仅为45 mm，测温范围为50～300 ℃。通过ansys软件进行温场仿真，确定加热方式。该校验炉通过500 W的加热器与6根25 W加热棒相结合的方式，采用动态PID温控技术，有效地控制温度过冲现象。该装置升降温速度快，温度波动度小，均温快孔间误差小，满足现场校验短支温度传感器的要求。

温度校验炉；温场仿真；双段温控；动态温控；双段风速调节

0　引言

温度校验炉是通过内置均温块的均温作用来保证插入均温块的被校温度计与参考标准温度保持一致。随着工业生产自动化程度的不断提高，工业生产企业对现场校准的需求日显突出。与恒温槽相比，温度校验炉便于携带，升降温速度快，所以它也被越来越多地用于工业温度现场校准［1-2］。

现在现场校验一些特殊尺寸的温度传感器，例如短支40 ～ 50 mm的铂电阻或热电偶传感器，以及短支或直角的热敏电阻温度传感器等都无法使用温度校验炉作为校准配套设备来使用。目前大部分的小型温度校验炉基本都是使用单段控温，即其控温精度保持在炉心底部。只有被检温度传感器能插入至温度校验炉底部，才能保证计量的准确性，表1为在70 ℃温度点时改变标准器与井底之间的距离对温场准确性的影响［3］。

从表1中可以看到当标准器不是插入到温度校验炉等温块底部时，其温度梯度变化没有规律性。目前世界上最小的温度校验炉其井深为102 mm，当被检温度传感器的长度低于102 mm时，就无法对该传感器进行现场温度的校准。而且炉心插孔尺寸固定，无法更换，对特殊粗细尺寸的温度传感器也无法进行校准［4］。浅式微型温度校验炉研制的成功，将会满足对现场特殊尺寸温度传感器校准的要求。

表1　标准器与井底之间的不同距离的温场 单位℃

1　工作原理

浅式微型温度校验炉的工作原理如图1所示。系统主要由控制器、功率调节器、恒温加热器、保温加热器、冷却装置和监测用温度传感器六部分组成。从过程控制系统的角度分析，设备自身构成一个温度控制系统，被控对象为加热炉体，导热性能良好的紫铜作为均温块，用插入均温块的AA级PT100温度传感器测量腔体温度并实时与设定值进行比较，得出偏差值，根据偏差的大小与特性，控制器按PID最优控制算法产生相应的控制信号，功率调节器根据该控制信号产生功率输出，用来控制校验炉温度［5］。

图1　 系统示意图

1.1温场仿真

目前温度校验炉基本上采用底部加热的方式，本文所述研制的校验炉其炉芯深度只有45 mm，故采用底部加热的方式可能达不到需要的控温要求。借鉴高温温度校验炉的加热方式，将500 W的加热丝均匀布置在炉膛圆周方向。通过有限元软件进行两种500 W加热方式的仿真，确定加热方式。

有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。有限元分析软件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC四个，其中 ANSYS是商业化比较早的一个软件，有结构、流体、热分析，功能十分强大。

1.1.1按规定参数创建集合模型

本方案中，为了保证离散域的近似程度和计算结果的精确性，单元的设置越小越好（网格越细越好），同时考虑到相应的计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化设置如下：MSHKEY，0，自由网格划分。离散化网格图如图2。

1.1.2原理和边界条件设置

瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能都随时间有明显变化。根据能量守恒原理，瞬态热平衡可以以矩阵表达为

式中：［C］ — 比热矩阵；

｛T｝ — 温度对时间的导数ANSYS利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件，分别生成了［K］、［C］、｛T｝及｛Q ｝。

1.1.3加载求解

加载类型为瞬态求解（Transient Full全优化求解）子步数目为20，计算终止时长为600 s。

1.1.4仿真结果

通过图3、图4可以看出，炉膛四周加热方式的升温速率为1.6℃/s，底部加热方式的升温速率为0.4 ℃/s。而且炉膛四周加热方式能获得更为平滑的升温曲线。因此得出仿真结果：500 W加热丝均匀布置在炉膛四周的加热方式其效果明显优于炉底加热的方式，且更高效优良。图5为升温120 s的均温块温度场云图。图6为升温600 s的均温块温度场云图，从中可以看到，采用炉膛四周加热方式在升温时间到达10 min后整个均温块已整体均匀受热。

图2　离散化网格图

图3　炉壁四周加热的温度时间曲线

图4　炉底加热的温度时间曲线

图5　120 s时温度场云图

图6　600 s 时的温度场云图

1.2加热炉芯的机械设计

加热炉芯外形设计主要根据温度传感器现场校准的要求，其质量及外形尺寸都需以使用方便、操作便捷为原则进行设计。根据以往在线校验温度传感器经验，手持式温度校验炉采用分体设计，即恒温炉体与温控仪表分开，当中通过高温导线连接，这样既可保证校验炉外形尺寸尽可能的小，在有限的操作空间使用，也可方便手持，质量方面也可有效控制［6］。图7为加热炉芯总体装配图。

1.3控温系统研制

1.3.1双段控温

通过先前的仿真，确定了500 W加热丝均匀分布在炉膛四周的加热方式比炉膛底部加热方式更有效，但在50 ～ 100 ℃温度区间内，使用500 W加热器会导致温度过冲现象严重，延长稳定时间。以50 ℃为例，其温度过冲达到了10 ℃左右。所以考虑把6根25 W的小加热器均匀分布在炉膛的四周，当目标温度设定50 ～ 100 ℃时，只有6×25 W加热器工作，500 W加热器间歇开启。在100 ～ 300 ℃范围内工作时，两种加热方式实时调整加热功率，达到最优控制。

通过一根插入底部的AA级PT100作为监测用温度传感器，同时控制500 W加热器和6×25 W加热器。通过实验表明，使用双段控温，效果明显，有效控制了温度过冲现象，缩短稳定时间［7］。

图7　总体装配图

1.3.2动态温度控制

装置采用实时整定功能：设置于系统特性相匹配的控制参数（PID参数）来达到最优孔控制效果。过程值稳定在设定点处，形成一条波动小的直线。在外部扰动造成偏差时能迅速恢复。整定的过程包括计算和设置PID参数。实时控制两种加温方式的开启和关闭及加热功率的输出，以保证实际温度快速、平滑地到达目标温度，同时有效降低当达到目标温度后的温度过冲现象［8-9］。

1.3.3双档风扇调速

开机时，风扇就会启动，以较低的转速运转，这样可以增加温场均匀性及将热量从顶部吹出，使炉膛下面的元器件不至于因温度过高而损坏，保证安全。当设定温度与目标温度的比例差值过大时，通过开关电源将电压调整至12 V，使风扇全速运转，通过强制对流降温的方式，使实际温度迅速接近目标值［10］。

2　测试方案及测试结果

2.1测试结果汇总（表2）

如图8所示，室温～ 300 ℃升温时间为9 min，300 ℃稳定时间为7 min，300 ～ 100 ℃降温时间为12 min。

表2　浅式微型温度校验炉原始记录汇总

图8　浅式微型温度校验炉升降温曲线

2.2测量不确定度

2.2.1数学模型

式中：Δt — 校验炉温度偏差；

tc— 校验炉显示温度；

ts— 通过参考温度计获得的测量区温度；

δtx— 测量方法、手段和过程带来的偏差

不确定度来源，主要来自所使用的参考温度计校准值u（ts）、参考温度计的漂移u（x1）、校验炉控温器显示分辨力u（x2）、孔间温度差u（x3）、迟滞效应u（x4）、均温块负载u（x5）、温度的波动度u（x6）。

2.2.2合成标准不确定度 （见表3）

表3　不确定度汇总

300 ℃时，合成不确定度 uc= 0.116 ℃

2.2.3扩展不确定度

取置信概率p = 95%时，干体炉测量的扩展不确定度为

U = 2×0.116 = 0.233≈0.3 ℃ （k = 2）

3　结语

浅式微型温度校验炉各项技术指标均达到先进水平。本装置通过不断地实验，对结构和温控进行不断地修改之后，控温准确度高，升降温速度快，温度曲线平滑，整体操作简单易学，满足短支温度传感器现场校验的要求。

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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