高精度高稳定度钟房恒温控制研究*

李荫康

(中国科学院云南天文台，云南 昆明 650011)

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673

高精度高稳定度钟房恒温控制研究*

李荫康

(中国科学院云南天文台，云南 昆明 650011)

为了减小环境温度变化对原子钟性能的影响，必须对钟房进行恒温控制。提出一种钟房恒温控制的新方法，在普通室内实现了密闭小环境的高精度和高稳定度温度控制，使钟房(面积5～9 m2， 高2.2～2.5 m)的温度波动长期调控在特定温度的±0.3～0.5 ℃范围内。实践证明该方法效果好，具有较高的实用价值，目前已成功应用于昆明站，并已推广到三亚和盱眙等观测站。关键词：钟房；恒温；控制

原子钟是时间这个基本物理量的重要载体，其基本功能是守时和授时。在信息时代，约80%的信息和导航定位有关，定位能力的高低与原子钟精度直接相关，而温度变化对原子钟的稳定度产生极大的影响，±1 ℃的温度变化一般可以使原子钟的稳定度降低一个数量级[1]。为此，所有原子钟要求运行环境温度波动必须控制在±0.5 ℃的范围内。查阅昆明地区气温变化方面的资料*http://www.weather.com.cn/cityintro/101290101.shtml，昆明地区年极端温度达32 ℃，平均昼夜温差±10 ℃，加上晴天、阴天、雨天以及雪天等影响，对一个长年连续开机的设备，所需的工作环境温度必须每时每刻保持在±0.5 ℃范围内，要求极高，实现技术难度大。

当前对于钟房恒温来说有两套成熟可靠的方法：(1)采用地下自然恒温的方法，在地下几十米处建设钟房[2]；(2)采用进口的专用高精度实验室空调，配备相应的热工设计空间，实现热工设计的费用相当于高精度实验室空调的费用，例如，上海天文台的守时钟房*www.bjhtjb.com，上海天文台原子钟房恒温湿系统 (工程案例)，花泰建邦 (北京) 机电设备有限公司。这两种方法的造价高昂，维护管理困难。为了节省经费，减少对高精度仪器的依赖，提出一种崭新的方案。

1 温度调控原理

采用一般家用变频空调作为钟房的温度调控设备无法达到±0.5 ℃的要求，甚至±3 ℃都难以实现。经过分析主要有如下4方面的原因：(1)加热方式不对，热风太热，冷风太冷；(2)加热和制冷均出自一口，不符合对流原理；(3)空调的温控点采用间隔控制方式，实测温度变化大于±2 ℃，精度不够，结果造成热惯性、温度梯度太大，温度分布混乱；(4)在季节变换时，温控点选择困难。

本文通过研究小空间的气温变化规律及相关因素，得到新的设计思路和解决方案，并在实验过程中加以验证。新的思路是利用温度传导慢，辐射、对流快的特性，从粗到精，分层次地解决外界温度激烈变化的影响。首先通过机房墙壁的隔离，使室外温度变化得到阻滞，同时空调运转与室外通过墙面传导的温度在室内空间进行融合(空调的预设温控值略低于钟房预设温控值)，形成一个小气候空间，把较大的温度变化(如昼夜、季节的温度变化)进一步化解。钟房建在这个空间里，它是一个独立的密闭空间(含保温层和电磁隔离层)，室外温度波动的影响得到了更进一步的隔离与阻滞，在此基础上钟房内设置了温度补偿装置，以辐射和对流的方式对钟房的温度进行精密校正补偿，达到静态恒温[3]的控制效果，使其空间温度达到温度控制点±0.5 ℃以内。

2 钟房土建设计

图1中，房间A为普通房间，要求门窗密闭，面积大于钟房；空调为普通家用空调，其功率适合相应面积，考虑室内可能有其他发热设备，应适当增加空调的功率；房间B为放置原子钟的房间，面积为3～9 m2(1.8～2 m)，由保温、电磁屏蔽层构成，门尽可能小，不设窗。其中5个面不能和房间的墙接触，离墙、离顶1～2 m。需要被恒温控制的原子钟放置于房间B中。

具体实施方法需要注意以下两点：

图1 恒温控制方案布局图

Fig.1 Illustration of the layout of the rooms for thermostatic control (including an atomic-clock room)

(1)土建部分的合理布局，把外界温度的影响变得最小，其原则是钟房墙面没有一个面同室外连接(包括钟房的顶部，并对外保持有一定的气温交流循环空间(1～2 m)，减少室外气温的直接影响，这看似简单，但极其关键。钟房可以由普通砖墙+屏蔽层+一般粉刷即可，但钟房门必须完全密封。

(2)在钟房地面铺设加热板，其面积等同钟房的面积，形成无空白、无死角的均衡对流，有效降低了温度梯度。

3 温控装置研发

基于以上的布局，独立研发了温控装置，实现对钟房温度的连续调控。温控装置的精度决定整个系统的精度，也就是钟房温度的稳定程度。温控装置必须做到适时、适量和连续，这完全不同于普通温度控制器。

温控装置由电源、单片机、温度传感器和显示、带隔离的功率驱动单元组成，如图2。控制程序用C语言编写。温控装置的灵敏度为0.2 ℃，根据温控点的温度(如23 ℃)的偏差值通过电热板进行补偿，补偿大小由偏差确定，降低了热惯性，提高了钟房内的温度稳定性。

由于钟房是电磁屏蔽的特殊环境，不允许有任何电磁干扰，温控装置有相应的设计。

4 结果与分析

图2 恒温控制系统组成

Fig.2 A block diagram of the thermostatic-control system

由实验数据表明(见图3和图4)，本文的方案和所研发的控制器可以实现小空间范围内高稳定度(±0.5 ℃)的恒温。即用简单的技术也可以实现高精度的控制，效果等同于投资几十万采用专用高稳定度空调的方法，且操作简便，平时无需人工干预。本文所述方案的突出特点为：(1)高精度，高稳定度(实测±0.2 ℃～±0.4 ℃)，完全满足原子钟的环境温度要求；(2)由于没有风机、风道设计，所以热惯性小，温度梯度小；(3)温度控制值设置灵活，操作简便，平时无需人工干预；(4)造价低廉，为其他方法的十分之一；(5)维护成本低，无需专业人员。

目前云南天文台(昆明站)、紫金山天文台(盱眙站)和国家授时中心( 三亚站)均采用该项技术，已完成了钟房建造，验收合格并投入使用，测试数据结果如图3、图4和图5。

图3为昆明站钟房的温度测试数据，从图中可知钟房温度基本控制在25.03 ℃，变化在±0.5 ℃范围内。图4为三亚站钟房的温度测试数据，从图中可知钟房温度基本控制在22.73 ℃，变化在±0.5 ℃范围内。图5为盱眙站钟房的温度测试数据，从图中可知钟房温度基本控制在22.66 ℃，变化亦在± 0.5 ℃范围内。对24 h的测量数据进行处理，它们的均方根(RMS)约为0.02 ℃。图中凸起较高部分是由于将温控计取出读取数据导致，小的波动则是由于手工记录温度打开钟房门所致。

恒温是对某一物质(固体、液体、汽体)在特定的温度点上，用人工或自动控制方法保持温度值的恒定不变。所设定的温度值不受其它因素的影响，也使初期设定的温度与任何时刻的温度相同或者相近似*http://baike.baidu.com/。因而这种控制必须是适时的，适量的。加热或制冷的温度越接近设定温度，产生的温度梯度和热惯性越小，恒温精度越高。

图3 昆明钟房温度测试报告

Fig.3 Measurements of temperatures of the atomic-clock room in Kunming for test

图4 三亚钟房温度测试报告

Fig.4 Measurements of temperatures of the atomic-clock room in Sanya for test

图5 盱眙钟房温度测试报告

Fig.5 Measurements of temperatures of the atomic-clock room in Xuyi for test

致谢：感谢伏红林和何超在实验过程中的大力协助。

[1] 杨军, 李世光, 徐月青, 等. 环境温度对氢原子钟性能的影响[J]. 测试技术学报, 2014, 28(2): 93-97. Yang Jun, Li Shiguang, Xu Yueqing, et al. Effect of temperature on hydrogen maser performance[J]. Journal of Test and Measurement Technology, 2014, 28(2): 93-97.

[2] 安卫, 刘春侠, 王改霞. HIROSS空调在守时钟房试运行中存在的问题及改进[J]. 陕西天文台台刊, 2001, 24(2): 147-151. An Wei, Liu Chunxia, Wang Gaixia. Problem and improvement of HIROSS air-conditioner systems in CSAO′s time keeping rooms[J]. Publications of the Shanxi Astronomical Observatory, 2001, 24(2): 147-151.

[3] 刘宏良, 柯熙政. 钟房控温的一种方法及结果分析[J]. 陕西天文台台刊, 1998, 21(1): 42-45. Liu Hongliang, Ke Xizheng. A method of controling temperature for clock room[J]. Publications of the Shanxi Astronomical Observatory, 1998, 21(1): 42-45.

A Study of a New Method of Thermostatic Control of an Atomic-ClockRoom with High Precision and High Stability

Li Yinkang

(Yunnan Observatories, Chinese Academy of Sciences, Kunming 650011, China, Email: 1275359335@qq.com)

In order to reduce influences of variations of environmental temperatures on the performance of an atomic clock, it is necessary to put the atomic-clock room (the room hosting the atomic clock,) under thermostatic control. In this paper we present a new method of thermostatic control of an atomic-clock room. We have used this method to achieve thermostatic control of a usual small insulated room with high precision and high stability. Particularly, the method can achieve long-term temperature stability for an insulated atomic-clock room of an area of 5m2to 9m2, with the deviation of the room temperature from a desired temperature controlled within a level of 0.3℃ to 0.5℃. Our experiments show that the method is feasible, can achieve satisfactory results, and is practically highly valuable. After having been successfully used for an atomic-clock room in Kunming, this method and related equipments are being used for atomic-clock rooms in Sanya and Xuyi.

Atomic-clock room; Thermostatic condition; Control

国家自然科学基金 (U1431116) 资助.

2014-10-12；修定日期：2014-11-02

李荫康，男，工程师. 研究方向：电子线路设计、制作，嵌入式系统应用. Email: 1275359335@qq.com

TM924.13

A

1672-7673(2015)02-0243-04