高穩定性大型空氣溫度校準試驗箱的研究

徐含青，徐華太

(1.蘇州市計量測試院，江蘇 蘇州215128；2.濟南長峰國正科技發展有限公司，山東 濟南250031)

0 引言

目前，數字式溫度計、冷鏈記錄儀等環境溫度采集儀器廣泛應用于計量、醫療、物流、食品、藥品、環保等各個行業。溫度采集儀通常由測溫傳感器和顯示儀表組成(分體式、一體式)，用于監測周圍環境空氣溫度，測量范圍一般為-30～70 ℃[1]。

現有的溫度試驗箱或溫濕度檢定箱控溫精度、溫度波動度和均勻度等指標不滿足溫度采集儀的校準要求，因此，采用恒溫槽作為溫度源，將傳感器放入其中，以二等標鉑作為標準器，實現溫度采集儀的校準[2]。此方法有一定的局限性，僅適用于校準測溫傳感器與顯示儀表分離的測溫儀，而一體式測溫儀無法放入恒溫槽中進行校準。

再加上，溫度采集儀器的送檢量與日俱增，為滿足社會日益增長的校準需求，彌補原有方法不足之處，本文研制了高穩定性大型空氣溫度校準試驗箱。此試驗箱溫度精度、波動度和均勻度等指標均滿足國家校準規范要求，配合精密露點儀，可以方便、快速的完成工作環境溫度采集儀的校準。

1 研究思路

由于空氣的導熱性能比液體差，要實現在600 L工作區空間內溫度波動度≤±0.03 ℃/30 min、溫度均勻度≤0.05 ℃，需要解決空氣熱循環慢、熱擾動大等問題，相比常規空氣溫度試驗箱，在箱體結構、精確控溫和熱傳遞等方面都需要進一步優化。

1.1 箱體結構

從加強箱體保溫、提高熱交換效率和提升工作區空氣循環性能等方面著手，從結構和原理上優化箱體設計。在箱體下部設計密閉恒溫槽，采用無機硅油作為循環介質，通過加熱器和制冷壓縮機控制介質溫度；在工作區四壁安裝盤管加熱器，盤管與恒溫槽通過管道連接，介質在恒溫槽和盤管中循環流動，通過盤管換熱來調節工作區空氣溫度；工作區箱體內裝有變頻風機，工作區四壁設置空氣導流風道，以促進盤管熱交換，并加速空氣循環流動。箱體結構如圖1所示。

圖1 箱體結構設計示意圖

1)為減少工作區與外界的熱交換，箱體外殼加厚，工作區四周均包覆150 mm的厚硬質聚氨酯保溫材料，箱門與工作區連接部分采用隔熱板制成，可有效降低工作區箱體及箱門的熱量損失，保證工作區溫度恒定。

2)為提高熱交換效率、降低熱擾動，箱體內設計密閉恒溫槽，采用無機硅油作為介質，通過加熱器和制冷壓縮機調節槽內介質溫度，在工作區上下左右四面安裝盤管換熱器，盤管與恒溫槽通過管道密閉連接，通過變頻循環泵控制介質循環速度，通過盤管換熱來調節工作區空氣溫度。

3)因試驗箱工作區體積大，控溫范圍寬(-30～70 ℃)，為保證降溫速度、降低溫度波動，制冷系統采用獨創的兩級復疊式制冷壓縮機和輔助壓縮機結合的方式，通過PLC自動控制壓縮機工作，降溫時開啟全部壓縮機，實現快速降溫；恒溫時關閉輔助壓縮機，降低溫度波動，提高制冷效率。

4)為提高工作區空氣循環，在工作區后部安裝變頻風機，工作區上下左右四面與后部均設置空氣導流風道，空氣通過導流風道可直接經過盤管換熱器。這種設計促進了空氣循環流動，提高了換熱效率，提升了工作區溫度均勻性[3]。

5)為保證測量準確性，將準確度為±0.01 ℃的精密鉑電阻分別安裝在恒溫槽和工作區內，用于測量液體溫度和工作區空氣溫度。并通過軟件算法優化控溫，提高控溫可靠性，降低溫度波動度。

1.2 精確控溫

為提高控溫精度，控制部分采用工業觸屏和PLC結合方式，并通過精密鉑電阻測溫，控制部分結構如圖2所示。

圖2 控制系統設計示意圖

工業觸屏內嵌Win CE操作系統，采用VC++設計人機交互程序，實現溫度設定、參數設置功能，并顯示設備運行參數和溫度曲線。觸屏軟件將用戶操作命令發送給PLC，由PLC控制壓縮機、加熱器、循環泵、變頻風機等設備工作，再通過精密鉑電阻采集循環介質溫度和工作區溫度，采用模糊PID控制方式，形成完整的控制、反饋系統，實現對試驗箱工作區溫度的準確控制。

1.3 熱模擬分析

對箱體內熱交換和空氣溫場建立數學模型并進行分析，通過熱模擬研究提供理論依據，指導設計方案，優化設計參數。

1)數學模型

為方便數學模型建立和計算,可認為加熱過程為三維非穩態傳熱，忽略空氣在箱體內部的輻射換熱，忽略物性隨溫度的變化，在連續性的前提下[4]，三維流動時傳熱所符合的動量方程為

(1)

蛇形盤管所符合的熱量傳遞方程為

(2)

空氣流動時所符合的能量方程為

(3)

箱體內的換熱過程，所符合的k方程和ε方程分別如式(4)和式(5)所示。

(4)

式中：ux,uy,uz為空氣在x,y,z方向上的分速度，m/s；ui為x，y，z上的分速度(i=1，2，3)；p為壓強,Pa；ρ為密度,kg/m3；t為溫度, ℃；α為對流傳熱系數,W/(m2· ℃)；ν為動力粘度，m2/s；kd為導熱系數W/(m2·K)；ε為耗散率；k為湍動能,J。

2)熱模擬研究

以液體介質流經蛇形盤管加熱工作區內空氣為例，進行熱模擬研究。整個計算區域采用非結構網格劃分，網格采用四面體與六面體混合形式。在形狀規則的箱體內部采用Submap的六面體網格，在盤管與空氣流道內采用Tet/Hybrid的四面體網格。由于蛇形盤管與空氣流動區域的尺度相差較大，為了在有限的網格數內更準確的計算整個空氣溫度校準試驗箱內加熱與降溫情況，在蛇形盤管中采用局部加密。由于蛇形盤管管壁受內部液體介質與外部空氣共同的影響，為使模擬結果更接近實際情況，采用流固耦合算法[5]?？諝庖詫α鞯姆绞脚c盤管進行換熱，故對流參數可按照相關文獻取值[6]。輸入參數為液體介質進口速度、進口溫度、外界溫度及對流換熱系數，輸出參數為以整個箱體內空間的最高、平均與最低溫度。設置求解器為PISO算法[7]，并設定為二階迎風差分格式。

整個模擬過程為：系統升溫時，對恒溫槽內循環介質進行加熱，介質通入盤管中，使工作區的空氣受熱升溫，當工作區達到設定溫度時，恒溫槽停止加熱進入恒溫控制階段，介質仍在盤管中繼續循環流動。此時，通過控制介質溫度，使工作區溫度逐漸達到穩定，將溫度波動限制在很小的范圍內。

當達到設定溫度時，箱體內空氣的溫度場和速度場分別如圖3和圖4所示。

圖3 達到設定溫度時箱體內空氣的溫度場

圖4 達到設定溫度時箱體內空氣的速度場

從圖3和圖4可以看出，達到設定溫度后停止加熱介質，工作區空氣流動的平均速度在0.3～0.4 m/s之間。在升溫過程中，箱體內原有的低溫空氣在風機的抽吸作用下被輸送到背面風道，先同背面的盤管進行對流換熱，再經過上下兩側的風道，與其內部的盤管進一步換熱。由于背面的盤管與空氣的換熱溫差較大，而與上下兩側的溫差較小，故背面盤管相對于其它盤管溫度較低。被加熱的空氣通過試驗箱左側的通道流入內部，故整個箱體內溫度梯度沿水平方向分布，且從左到右溫度逐漸降低。

在剛達到設定的溫度時，箱體內部存在較大的溫度梯度，在此時進行溫度傳感器的校準會出現較大的誤差。在達到設定溫度后，關閉風機以避免熱量損失，進入恒溫控制階段，并利用箱體內部的自然對流來減小工作區的溫度梯度。溫度穩定30 min后，箱體內空氣的溫度場和速度場分別如圖5和圖6所示。

圖5 溫度穩定30 min后箱體內空氣的溫度場

圖6 溫度穩定30 min后箱體內空氣的速度場

由圖5和圖6可以看出，試驗箱工作區的溫度分布已經十分均勻，整體溫度維持在30 ℃左右，相對于加熱結束時未出現較大的衰減，高溫區域主要出現在流道附近，溫度梯度主要出現在風道與內部空間的接觸界面上。上述結果證明試驗箱在穩定30 min后的過程中溫度分布逐漸均勻、溫度梯度減小，同時保溫效果良好、溫度未有大幅的衰減。由于恒溫階段關閉了風機，故整個試驗箱內部主要以浮升力驅動的自然對流為主，與加熱過程中的速度分布有較大差別。在恒溫階段，箱體內部空氣區域的平均速度較低，除了在靠近風機處受到后側風道內部空氣自然對流的影響速度較大外，平均速度在0.03 m/s以下。

圖7為試驗箱在達到設定溫度后30 min內，最高、平均與最低溫度變化情況。從圖中可以得到，升溫結束時，試驗箱內溫度最高值與最低值相差較大，平均溫度為30.02 ℃。但隨著恒溫時間的增加，短時間內最高溫度快速下降，最低溫度逐漸提升，溫度逐漸接近，原因是試驗箱內的自然對流使冷熱空氣相互混合，在短時間內使空氣溫度分布逐漸均勻。在30 min時，試驗箱內最高、平均、最低溫度分別為30.02，29.99，29.98 ℃。

根據熱模擬試驗，30 min時工作區溫度波動度為±0.03 ℃，溫度均勻度為0.04 ℃。證明本文設計的空氣溫度試驗箱的溫場波動度和溫場均勻性均優于傳統的溫度試驗箱，符合高精度溫度采集儀的校準要求。

圖7 恒溫過程中試驗箱體內空氣溫度變化

2 測試與驗證

采用測量不確定度U=0.01 ℃(k=2)的高精度智能并行溫度巡檢儀，依據JJF 1564-2016《溫濕度標準箱校準規范》要求，在箱體工作區范圍內按9點分布測溫，對溫場的溫度波動度和溫度均勻性進行測試。

1)溫度波動度

在-30，0，70 ℃設定點，經過一系列實驗得到得到30 min波動度數據，如表1所示。

表1 溫度波動度實驗數據

2)溫度均勻性

在-30，0，70 ℃設定點，經過一系列實驗得到30 min的均勻度數據，如表2所示。

表2 溫度均勻度實驗數據

通過以上測試數據可以看出，試驗箱在-30～70 ℃溫度區間內，工作區溫場溫度波動度小于±0.03 ℃/30 min，均勻度小于0.05 ℃，證明試驗箱技術指標符合設計要求。

3 結論

研制高穩定性大型空氣溫度校準試驗箱，以滿足溫度采集儀的校準需求。經實驗證明，其溫度波動度和溫場均勻性均優于傳統的溫度試驗箱，且操作簡便，符合高精度溫度采集儀的校準要求，值得推廣應用。

在接下來的工作中，將進一步深入開展理論研究，拓展大型空氣溫度校準試驗箱的控溫區范圍，集中對-80～150 ℃溫區進行科研攻關，并結合濕度參數，整體提升溫濕度場設備性能，進一步解決高精度溫濕度傳感器、高精度溫濕度變送器、高精度溫濕度記錄器、WBGT熱指數儀等各類儀器的長期校準難題。在設備實際應用方面，未來將繼續深入研究恒溫介質的溫變反應，提升升降溫速率，并進一步完善此類設備的校準規范，為溫濕度專業計量能力提升做出更好的示范及探索。