一种超低温高指标温度检定箱的研制

赵国峰，马善泉，徐辉

（泰安哈特仪器仪表有限公司，山东泰安，271000）

摘要：文章旨在提出一种温度检定箱在-70℃~150℃温度波动度和均匀度的方法。通过对双向可调百叶、蒸发器结构及可调孔板等结构进行优化设计，以优化现有检定箱存在的温度均匀度和波动度大的问题，从而检定箱的稳定性和重复性，以便满足制造、实验室、科研领域等的相关研究。

关键词：超低温标准箱、超低温检定箱、温度、均匀度、波动度

       现有市场上温湿度检定箱对温度技术指标要求偏低，检定或校准的温度仪器比较受限制。随着被检仪器的范围的扩大，种类的增多，要求有高精度的温度检定箱来作为温度环境的发生设备，以满足计量、科研的工作需求。

1箱体结构改进设计

本文实验所用的宽范围温度检定箱的内箱尺寸为600mm×600mm×500mm，内壁材料为SUS304不锈钢，绝热保温材料为玻璃纤维棉和聚氨酯发泡结合工艺，厚度为100mm,其结构模型如下图1。

 图1    宽范围温度检定箱结构模型

       箱体采用上部送风、下部回风。变频电机位于箱体后部，电机带动离心叶轮将空气送出，依次经过可调百叶出风口、可调上层板、工作区、可调下层板、回风口、蒸发器、电加热器，再由叶轮吸收，依次循环。本温度箱的实验温度范围为-70℃~150℃，采用二元复叠式制冷系统，制冷系统流程如图2所示。

图2    制冷系统流程图

       两级系统之间采用冷凝蒸发器衔接起来，从冷凝蒸发器出来的中温制冷剂蒸汽带走低温制冷剂的冷凝热量，经过高温级制冷循环将热量传递给环境。从冷凝蒸发器出来的低温制冷剂液体，经低温级电子膨胀阀降压后，进入蒸发器吸取箱内的热量而蒸发制冷，通过对电子膨胀阀开度的调节从而获取所需的温度。当设定温度低于50℃时，同时开启制冷压缩机和电加热器，根据PID算法自动调节制冷和加热的输出量；当设定温度高于50℃时，只启用电加热器。

2设计的和难点主要集中在以下方面：

       温度检定箱的空气循环对箱内温度均匀度和波动度具有重要影响。在设计中需要考虑循环方式、双边进蒸发器，出风口可调百叶的送风角度、可调孔板送风方案等因素，以箱内温度均匀度和波动度。

2.1出风口可调百叶

      为了使温度箱在全温段保持高均匀度，首先是不同位置的温度均匀，通过可调百叶来控制箱内有效区域宽度及高度方向上的温度。可调百叶示意图见图3。

       可调百叶在水平和竖直方向旋转角度近乎180℃。竖直百叶可调节箱内宽度方向的风量，当左边的竖直百叶向左调时，左向风量大，向右调同理。水平百叶可调箱内高度方向的风量，当水平百叶向上调时，前面风量大，向下调时，后面风量大。左边部分竖直百叶偏左45°放置，右边部分竖直百叶偏右45°放置，水平百叶居中0℃放置时，温度佳。本文中尝试了不同的百叶风向组合方案，发现百叶的角度对不同温度下温度的影响非常大（见表1）。

       表1给出了不同百叶角度下的温度均匀度，为箱体在任何温度下温度均匀度达到高的指标，主要按照方案5，再微调百叶角度进行实验测试。

图4  不同百叶角度下的温度均匀度曲线图

       由图4可知，在实验稳定后，不同温度下的温度均匀度相差较大，以实验2为例，在-70℃时，温度均匀度为0.7℃，在150℃时温度均匀度为0.9℃，在-40℃~60℃范围内，温度均匀度小于0.3℃。

2.2可调孔板的设计

将上出风的底板换成整面小孔出风的底板作为一个缓冲区域，一方面使得出风再一次进行混合，另一方面可通过试验对小孔形状和密集排布方式进行确定。

       首先定做制定孔径和排布方式的上孔板，小孔形状分别为方形、圆形和椭圆形，排布方式为错排，圆形小孔间横向间隔为15mm,纵向间隔为15mm;椭圆形小孔间横向间隔为20mm,纵向间隔为15mm。图5为底板示意图。经过一系列试验，缓冲区域的椭圆形小孔出风方式优于圆形出风方式，另外，在椭圆形小孔底板上通过小孔出风排布方式的调整，找到合适的小孔出风方式。

2.3双边进蒸发器

       双边进蒸发器是指在蒸发器两侧分别对称设置进液管和回气管，避免了蒸发器一边热一边冷的情况，制冷剂从蒸发器两端同时在各通道移动过程中气化并流入回气管。根据风道的截面形状和尺寸（600mm×200mm）进行换热器选型，终选择4根φ12.7mm铜管带翅片的蒸发器（600mm×200mm×200mm）,进行加工定做。有效解决箱体在宽度方向上蒸发器通路跨度大、流程长引起的温度偏差。

       在该试验中，出风口百叶左边部分竖直百叶偏左45°放置，右边部分竖直百叶偏右45°放置，水平百叶居中0°放置，采用单边进蒸发器时箱体温度均匀度见下图5，双边进蒸发器时箱体温度均匀度见下图6。

图6  单边进蒸发器时箱体温度均匀度

图7双边进蒸发器时箱体温度均匀度

         由图7可知，在实验稳定后，箱体温度-70℃时温度均匀度小于0.4，150℃时温度均匀度小于0.7℃，0℃~50℃范围内温度均匀度小于0.1℃。该方法可有效避免温度检定箱在宽度方向的温度不均匀现象。

2.4试验论证

        本文提出的方案主要包括三个部分：将百叶改为在水平和竖直方向双向可调，采用双边进蒸发器，上下孔板做成椭圆形底板。通过以上三个方案改进进一步通过实验论证。

选用多通道温度采集仪（配AA级Pt100铂电阻）作为温度测量设备，将标定完毕的5个标准铂电阻探头放置在有效工作区的各个位置，布点位置依据规程见图8所示。

       测试温度点选取-70℃、-40℃、0℃、20℃、50℃、100℃、150℃。当温度达到设定值后，在稳定30min,然后开始记录0~4位置的温度，每隔2min记录一组数据，共记录16组数据，取各温度检定点的温度波动度中的大值作为温度箱的温度波动度。计算公式如下：

=±2┅,16)           （1）

式中：—该温度点上的温度波动度，℃;

      第n时刻中 心点位置的温度值，℃

温度箱的温度均匀度的计算公式如下：

—max(，……         （2）

=max(±2┅,16)                        （3）

式中：—该温度点上的温度均匀度，℃;

表3  方案实施后温度检定箱的校准证书

       由表2可以看出，通过将百叶改为在水平和竖直方向180°可调，采用双边进蒸发器，上下孔板做成椭圆形底板的方案后，温度箱的有效工作区的温度均匀度和波动度（-70~150）℃温区都有不同程度的提，尤其以-70℃为明显，温度均匀度从原来的0.9℃提至0.5℃，温度波动度从原来的±0.1/min提至±0.03℃/min。通过对以上方案验证，对温度箱的温度均匀度和波动度都起到明显作用。

4结束语

        宽范围温度箱温度均匀度主要是在宽度方向存在较大差异，为解决该现象，可在出风口增加可调百叶，通过对水平百叶、竖直百叶的角度调节。通过上下孔板做成椭圆形底板，出风经过缓冲区混合得加均匀。双边进蒸发器在宽度方向温度均匀，有益于设备风道内部换热，从而获得佳的温度。

经过大量实验论证，通过以上改进和优化进一步提了温度检定箱温度波动度和均匀度。