高精度标准电阻用空气恒温箱设计及优化

刘董 迟宗涛 鲁云峰 崔诗晨 李钟晓

摘要：设计一款便携式空气恒温箱并对其优化，以满足标准电阻的存放及高精度量值传递。温度控制系统以单片机为核心，通过模糊PID控制来调节PWM波占空比，进而改变功率电阻的发热量，实现温度调节;通过恒温箱不同供电方式对量值传递造成的干扰来分析和比较电源噪声;用高速采样器PXI-5922对温度控制系统在温度上升期、调整期和稳定期3个阶段的PVVM波进行采样，分析各阶段占空比进而得到实验室温度下（19.5±0.5）℃系统的功率消耗。经过数据分析，36V电池可在实验室温度下为稳定状态的恒温箱持续供电（49.8±0.3）h。实验表明，恒温箱功耗低、噪声小、便携性强、稳定性高，满足标准电阻存放和量值传递的要求。

关键词：仪器仪表技术;恒温箱;模糊PID控制;量值传递;PWM

中图分类号：TP273.4 文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2019）09-0143-06

收稿日期：2019-01-21;收到修改稿日期：2019-04-29

基金项目：国家自然科学基金资助项目（41804110）

作者简介：刘董（1995-），男，山东潍坊市人，硕士，专业方向为信号获取与传感器技术。

0 引言

根据国际计量委员会CIPM的提议，从1990年1月1日开始，在世界范围内启用直流量子化霍尔电阻基准[1]，直流电阻的量值溯源不再以实物电阻为基准，受量子霍尔电阻复现条件苛刻的影响，由其复现的电阻量值仍然要由实物电阻作为传递标准逐级向下传递，因此实物电阻的稳定性就显得格外重要。进行国际比对前，标准电阻要运往不同国家，想要保持传递电阻阻值高度稳定，不仅要求电阻的制作材料及制造工艺优良，而且要在运输过程中为电阻提供高度稳定的温度环境。国际比对中也明确要求了在测量过程中，标准电阻置于（23±0.05）℃的温度环境中。这就要求恒温箱具有较高的稳定性和便携性。运输过程中必然要使用移动设备为恒温箱供电，因此恒温箱功耗要尽可能小，以满足长时间运输的需要。此外，为了避免对量值传递造成干扰，恒温箱还应具有良好的噪声性能。

最初用恒温油槽为实物标准电阻提供稳定的温度环境，但是恒温油槽便携性较差，且容易污染电阻。目前所用的高精度电阻传递标准体积较大，而国际上此种大容量便携式空气恒温箱产品较少[2]。

基于此现状，文章设计了一款高精度可携式空气恒温箱，系统采用自整定模糊PID算法，动态性能较好。通过实验对恒温箱的功率消耗、噪声性能以及稳定性能进行了测试分析。实验结果表明，该恒温箱功耗低、噪声小、便携性强、稳定性高，满足标准电阻的存放和量值传递的要求。

1 温度控制系统

1.1 温度控制系统原理

温度控制系统由温度采集模块和温度控制模块构成，系统结构如图1所示。系统以单片机为核心，通过Pt100温度传感器获取恒温箱内腔温度，功率电阻作为执行元件。由于恒温箱工作温度高于环境温度，所以功率电阻一直处于加热状态。

随着内腔温度变化，Pt100阻值发生改变导致电桥的差分电压变化，差分电压经过调理放大后由A/D转换芯片转换成数字信号，再由单片机处理后计算出当前温度，通过液晶屏显示温度值，也可以通过串口将温度数据传送给上位机。单片机记录温度偏差值和温度变化率，将它们进行模糊PID运算后在线调整输出值，通过控制D/A转换芯片的输出电压，来调节PWM波占空比，PWM波通过驱动电路改变功率电阻的电流，使其发热量改变[3-5]。

1.2 智能控制模块

模糊PID控制将模糊理论的灵活性和PID控制的精确性特点相结合，可以在线修改参数，控制精度高，满足精密温度控制的需要[6-7]。系统采用模糊PID控制，通过闭环负反馈结构实现对温度的精确控制，在没有人工干预的情况下，可以根据系统的响应，利用模糊逻辑实时调节PID参数，使系统有更好的动态性能。

1.3 温度采集模块

铂电阻Pt100是一种精度高、稳定性强的测温标准传感器。为减小引线电阻对测量带来的影响，采用了三线制接法。温度采集电路如图2所示。

将Pt100温度传感器和3个精密线绕电阻组成惠斯通电桥，利用铂电阻的阻值对温度敏感的特性探测恒温箱内腔温度。四臂电桥产生的不平衡信号比较微弱，需要经过仪表放大器AD620差分放大，由于AD620失调漂移较小、精密度高，被广泛应用于微弱信号的放大。

由于Pt100传送到电桥的电信号要经过较长距离的引线，可能会受到交变磁场的干扰。因此，在仪表放大器后添加Sallen-key结构的二阶有源低通滤波器，以消除高频噪声。被放大后的温度信号经过低通滤波后，进入模数转换模块。

1.4 驱动模块

功率电阻驱动电路如图3所示，N沟道增强型MOS管高电平导通起到开关的作用。脉宽调制输出经过限流电阻R1连接到MOS管栅极。系统通过PWM波高低電平来控制开关的通断，进而控制功率电阻的工作时间。下拉电阻R2用来确保脉宽调制输出为低电平时，栅极保持低电位，即场效应管处于截止状态。

1.5 上位机模块

为掌握恒温箱内腔温度变化趋势，了解恒温箱的控温性能，通过LabVIEW软件编写了上位机程序。Pt100获取内腔温度数据后被转化为数字信号，单片机对信号进行处理后，通过RS-232串口完成与上位机的通信[8]。上位机根据设置的采样间隔显示内腔温度，并用LabVIEW波形图表显示控件将温度实时显示，可以显示内腔温度的变化趋势[9]。同时，将温度数据保存到LabVIEW自动创建的以当前日期命名的文本文件中。

2 恒温箱结构分析

恒温箱箱体结构如图4所示，整个箱体尺寸为57cm×57cm×55cm，质量约35吨。箱体由内箱体和外箱体构成，内外箱体都是由5mm厚的铝板制成，保证了箱子的便携性。内箱体作为均温层，可以改善温度均匀性。

铝壳电阻尺寸小、精度高，其外壳由铝制成，散热性强，适用于精密温度测控领域。在箱体的每个面均匀固定铝壳电阻，每个电阻与面之间涂抹导热硅脂，以保证功率电阻发热能及时传递到内箱体，从而对内腔温度进行紧密控制。内箱体每个面的功率与面积相匹配，如式（1），任意3个面上电阻功率之比等于面积之比。因此该恒温箱结构上是比较对称的，可以认为温度场近似均匀。

P₁：P₂：P₃=S₁：S₂：S₃（1）其中S为恒温箱内箱体某一面的面积;尸为恒温箱内箱体某一面上电阻的功率。

聚苯乙烯泡沫塑料质量轻、导热系数小、具有良好的缓冲作用[10]。内外箱体之间填充8cm厚的泡棉作为绝热层，这是防止内箱体与外界环境之间热传递的基本保证，同时还可以起到温度滤波的作用，滤除短时间温度变动的影响。

3 性能分析

3.1 电源噪声分析

量值传递时，要求标准电阻存放的温度环境高度稳定，同时外界对量值传递设备造成的电磁干扰要尽量小。因此，作为标准电阻的储存环境，恒温箱不仅控温性能要稳定，还应具有良好的噪声性能。

开关电源发热量小、转换效率高。但其输出的直流电叠加较大的纹波，内部电流和电压的快速变化也会造成谐波干扰和尖峰干扰[11]。图5是标准电阻量值传递实验一个周期的数据，曲线1是在外界无明显电磁干扰下，使用开关电源为系统供电时电桥不平衡电压的测量值。在受到开关电源的干扰后，电桥不平衡电压出现了较大幅度的波动，峰峰值达到90nV，实验数据出现较大的偏差。

恒温箱的运行，需要36V直流电源为控制器和控制电路（功率电阻）同时供电。由于电池输出电压稳定、纹波噪声小，为了改善恒温箱的噪声性能，将3块电压为12V的铅酸电池串联成36V可充电电源为系统供电。曲线2是在电池供电时电桥不平衡电压的测量值，此时实验数据比较平稳，峰峰值为13nV。因此，采用电池供电完全满足要求，而开关电源对量值传递干扰较强，不适合应用于此种用途的恒温箱。

恒温箱在实验室内存放电阻时，市电作为恒温箱电能来源，若市电停止供电，36V电池能实现恒温箱的不间断供电。考虑到充电时电池输出的直流电仍叠加纹波，因此在量值传递时，电池仅处于放电状态，避免造成额外干扰。用电池供电噪声小，可实现不间断供电，而且提高了恒温箱的便携性，使标准电阻在运输过程中保持恒定温度成为可能。

3.2 稳定性分析

恒温箱内腔温度的稳定性是很重要的参数，直接影响标准电阻阻值的稳定。为此，对恒温箱的短期稳定性和长期稳定性分别进行了测试。实验条件为实验室室温（19.5±0.5）℃，目標温度比起在23.000℃。

在一天内每隔20min记录下室温和恒温箱内腔温度，以测试恒温箱的短期稳定性。温度波动如图6所示，在实验室室温条件下，内腔温度数据一天内分散性较小，控温点在23.000℃时，温度波动小于±0.004℃，稳定性优于1mK/d。

为测试恒温箱的长期稳定性，对恒温箱进行了连续30天的考察，每天记录一次室温以及恒温箱内腔温度，温度波动如图7所示，虽然室温波动达±1.5℃，内腔温度依然长期稳定在23.000℃附近，月稳定性优于1mK，这表明恒温箱抗干扰能力以及控温性能较为出色。

图8为量子化霍尔电阻与存放于恒温箱中的标准电阻SR102进行比对的数据，相对差值为当前测量比值与129.064的差值。经过数据分析，数据的离散性为6.87×10^-9，说明标准电阻阻值在恒温箱内非常稳定，也证实了恒温箱内腔温度的稳定性非常高，满足标准电阻的存放及高精度量值传递的要求。

3.3 功率消耗分析

恒温箱控温过程大致分为3个阶段：1）温度上升期，即内腔温度从室温（19.5℃）上升至设定温度（23℃）附近的过程。此过程控制器控制功率电阻持续以全功率发热，使温度快速上升。2）温度调整期，即内腔温度在设定温度附近（23±0.1）℃波动的状态。此过程控制器不断改变功率电阻电流，改变其发热量，从而实现温度调整。3）温度稳定期，即内腔温度稳定在设定温度的状态。此阶段控制器控制功率电阻提供一个基础加热功率，发热量非常小。

控温过程内腔温度的变化曲线如图9所示。系统动态性能较好，4.5h可达到稳态，其中上升期持续时间约2h，调整期持续时间约2.5h。

NI PXI-5922是可实现多种动态测试功能的高速数据采集卡，其分辨率可变[12]。将PXI-5922与LabVIEW软件相结合，可以实现频率为1kS/s的高分辨率采样。

本系统中，功率电阻和控制器都存在功率损耗。将一个1Ω的电阻串联到控制器电路中，用万用表测量1Ω电阻两端电压近似得到控制器回路电流;另一个1Ω电阻串联到控制电路（功率电阻）中，分别在温度上升期、调整期、稳定期3个阶段用PXI-5922对1Ω电阻两端的电压进行采样，得到功率电阻电流的大小和PWM波形。通过式（2）可以得到某一时间段功率电阻电流的平均值

I=I_max·α（2）其中I_max为功率电阻全功率加热时的电流大小;α为PWM波在某一时间段的平均占空比。

整个控温过程控制器回路电流较稳定，约为74.83mA。本系统中PWM波周期为956ms，对温度上升期和调整期各取20个周期的数据进行分析。由于温度上升期功率电阻处于全功率加热状态，因此此阶段功率电阻电流平均值即I_max约112.5mA。

在量值传递时，存放电阻的恒温箱处于稳定状态，电池一直在放电。因此，分析室温下稳定期的功率消耗对于量值传递更具实际意义。同时，也为运输过程中恒温箱的工作时间提供了依据。

将20min内测得的稳定期功率电阻电流数据按时间先后分为60组，每组数据包含20个MM波周期。根据各组数据的平均PWM波占空比可得到每组数据的平均电流，其随时间的变化曲线如图10所示，从而得到功率电阻电流测量结果的标准偏差为0.62mA。数据表明，在实验室温度下，恒温箱稳定期功率电阻的平均电流变化较小，采用高精度波形采样方法分析稳定期的功率消耗，可靠性高。

3个阶段的系统功率消耗计算值如表1所示。在实验室室温条件下，容量为4.5Ah的36V电池可以维持稳定状态下的恒温箱工作（49.8±0.3）h。经过5次实测，平均时间约49.5h，能与理论数据相吻合。实验结果表明，恒温箱功耗较低，满足量值传递及远距离运输的要求。

4 结束语

文章设计了一款高精度空气恒温箱。恒温箱的动态品质较好，长期稳定性优于1mK/月。电池作为电能来源，噪声小且便于携带。通过高精度波形采样方法评价系统的功率消耗，得到系统在稳定期的功率电阻电流测量结果的标准偏差为0.62mA，36 V电池可在室温下为其持续供电（49.8±0.3）h。实验结果表明，恒温箱功耗低、噪声小、便携性强、稳定性高，满足标准电阻的存放和量值传递的要求。

参考文献

[1]张钟华，贺青.21世纪电磁计量的展望[J].现代计量测试，2001，9（3）：3-6.

[2]李正坤，张钟华，韩冰，等.解耦技术在精密控温中的应用[J].现代测量与实验室管理，2006，14（3）：3-6.

[3]楊高升，姚晓亮，周攀峰，等.冻土试验低温恒温箱温度均匀性试验研究[J].中国测试，2017，43（9）：134-138.

[4]王一帜，刘晏麟，王岩，等.便携智能恒温箱的设计[J].森林工程，2017，33（3）：58-63.

[5]戴俊珂，姜海明，钟奇润，等.基于自整定模糊PID算法的LD温度控制系统[J].红外与激光工程，2014，43（10）：3287-3291.

[6]何洪坤，夏鹏，田坤.模糊PID控制在冷冻干燥机温度控制系统中的应用[J].化工自动化及仪表，2016，43（11）：1129-1132.

[7]郝少杰，方康玲.基于模糊PID参数自整定的温度控制系统的研究[J].现代电子技术，2011，34（7）：196-198，204.

[8]刘凯，初光勇，黄海松.基于LabVIEW的温度控制系统设计研究[J].现代电子技术，2017，40（18）：164-167.

[9]聂乐乐，李丽娟，王劲松，等.基于Labview的模糊PID温度控制系统[J].长春理工大学学报（自然科学版），2011，34（4）：58-60.

[10]熊燕，卫星.聚苯乙烯隔热保温板在建筑外墙的应用[J].合成树脂及塑料，2018，35（3）：87-89，95.

[11]唐吉林，杜明星，李豹，等.基于开关电源的传导抗扰度测试方法[J].电测与仪表，2016，53（14）：90-95.

[12]齐福强，杨雁，迟宗涛，等.宽频高精度电感同步采样测量研究[J].电测与仪表，2016，53（5）：70-73，102.

（编辑：刘杨）