设计了一种便携式低温恒温槽。采用微型压缩机制冷和侧搅拌技术, 提高了设备便携性, 扩展了工作区有效插入深度。其控制温度范围为-4095℃, 有效工作区域为液面下70220 mm, 在095℃范围内温度均匀性达到10 m K量级。在-40℃时, 温度均匀性优于0.06℃, 可用于短型温度传感器的现场校准。

近年来, 在工业生产及科学研究过程中, 各类传感器的需求量不断增大, 使用者对其性能要求也在不断提高。许多传感器由于形状复杂、难以拆卸、送检工期较长, 特别是一些感温段短小、准确度要求较高的短型温度传感器[1], 现场校准的需求日益迫切。因此, 研制一种携带轻便、性能稳定的恒温热源具有重要的实际意义。

干体式校验炉和恒温槽作为常用的两种现场恒温源在性能和使用便利性方面各具优势。干体式校验炉便于携带, 但其传热效果较差, 且均匀温区与炉口距离较远, 不适于短型温度传感器校准。常规恒温槽具有波动度小、温差好、热传导效果好等性能优点, 但体积、重量较大, 制约了其现场校准的使用, 而且传统的磁力搅拌设计, 影响了计量器具插入深度。提高恒温槽的便携性是一个重要的研究方向[2,3], 近年来国内很多技术人员, 根据不同的原理和实际需求研制了各类恒温槽, 但在便携性或性能方面还不能完全满足现场需求。

本文采用微型压缩机制冷, 结合侧搅拌的设计, 研制了一种便携式低温恒温槽, 能够提供一个温度均匀且稳定的环境, 在满足现场校准指标要求的基础上, 缩小了设备体积, 提高了设备的便携性, 可以解决- 40 ~ 95℃ 温度区间内短型温度传感器现场校准问题。

1 结构与原理

便携式低温恒温槽主要由槽体、搅拌系统、控温系统、加热系统和制冷系统组成, 如图1 所示。

槽体分混合区与工作区, 槽体内腔及面板都选用不锈钢材料, 有效地避免了腐蚀、生锈等现象。混合区的作用是通过布置在其侧面的冷却蒸发器和加热棒对介质调温, 并经特殊设计的结构使其混合均匀。工作区具有很好的均匀度, 用于校准温度传感器。

恒温槽采用侧搅拌设计, 将搅拌电机置于工作腔体的侧面, 槽体内介质经过叶轮搅拌器的推动, 使介质从混合区顶端向下流动, 在蒸发器及加热棒的作用下, 将介质在混合区充分混合并达到合适的温度, 通过强烈搅拌, 推动介质从底部流出, 导流送入工作区, 加快了介质的对流。由于工作区底部介质的流速与温度均高于工作区上部, 会推动上部介质再次进入混合区, 不断往复, 可在工作区内得到一个温度稳定、温场均匀的液体空间。这种方式可以避免恒温槽采用原有磁力搅拌技术引起的温场不均匀、波动性大, 以及槽体底部搅拌扇叶影响计量器具的插入深度等问题。

控温系统选用0.1级温控仪及精密Pt100 铂电阻传感器进行温度控制, 将控温传感器置于工作介质中, 实时反馈介质温度, 通过温度变化, 控制加热系统和制冷系统工作, 达到控温效果。装配前对控温传感器进行性能筛选, 确保准确度满足要求, 稳定性好。

加热系统采用螺旋加热棒加热, 增加了热传递的接触面积。能够覆盖整个液体的混合区, 通过控制加热棒输出功率, 最终达到设定温度。

制冷系统选用滚动转子式微型压缩机, 余隙容积小、容积效率较高, 并配有缓冲装置, 可以减小外部环境对制冷系统干扰, 既保证了冷源的平稳输出, 又大大缩小了制冷系统的体积。

通过以上优化设计, 可以大大减小整机外形尺寸和重量。

2 确定便携式低温恒温槽有效工作区上、下水平面

在工作区内插入一支标准铂电阻温度计, 深度为液面下1 /2 处, 固定在参考位置O, 使用另一支标准铂电阻温度计作为移动温度计, 以工作腔液面下方60 mm处作为起始平面, 在以10 mm为间隔的平面上测试不同温度下各个平面的温差Rt ( i) ( i表示移动温度计感温端头部与工作腔液面的距离) , 选择该平面在不同温度点下温差最大值作为该平面均匀性R ( i) , 试验过程及标准铂电阻布置如图2 所示, 测量温度点为- 40, 0, 20, 95 ℃ 。