高稳定性大型空气温度校准试验箱的研究

徐含青，徐华太

(1.苏州市计量测试院，江苏 苏州215128；2.济南长峰国正科技发展有限公司，山东 济南250031)

0 引言

目前，数字式温度计、冷链记录仪等环境温度采集仪器广泛应用于计量、医疗、物流、食品、药品、环保等各个行业。温度采集仪通常由测温传感器和显示仪表组成(分体式、一体式)，用于监测周围环境空气温度，测量范围一般为-30～70 ℃[1]。

现有的温度试验箱或温湿度检定箱控温精度、温度波动度和均匀度等指标不满足温度采集仪的校准要求，因此，采用恒温槽作为温度源，将传感器放入其中，以二等标铂作为标准器，实现温度采集仪的校准[2]。此方法有一定的局限性，仅适用于校准测温传感器与显示仪表分离的测温仪，而一体式测温仪无法放入恒温槽中进行校准。

再加上，温度采集仪器的送检量与日俱增，为满足社会日益增长的校准需求，弥补原有方法不足之处，本文研制了高稳定性大型空气温度校准试验箱。此试验箱温度精度、波动度和均匀度等指标均满足国家校准规范要求，配合精密露点仪，可以方便、快速的完成工作环境温度采集仪的校准。

1 研究思路

由于空气的导热性能比液体差，要实现在600 L工作区空间内温度波动度≤±0.03 ℃/30 min、温度均匀度≤0.05 ℃，需要解决空气热循环慢、热扰动大等问题，相比常规空气温度试验箱，在箱体结构、精确控温和热传递等方面都需要进一步优化。

1.1 箱体结构

从加强箱体保温、提高热交换效率和提升工作区空气循环性能等方面着手，从结构和原理上优化箱体设计。在箱体下部设计密闭恒温槽，采用无机硅油作为循环介质，通过加热器和制冷压缩机控制介质温度；在工作区四壁安装盘管加热器，盘管与恒温槽通过管道连接，介质在恒温槽和盘管中循环流动，通过盘管换热来调节工作区空气温度；工作区箱体内装有变频风机，工作区四壁设置空气导流风道，以促进盘管热交换，并加速空气循环流动。箱体结构如图1所示。

图1 箱体结构设计示意图

1)为减少工作区与外界的热交换，箱体外壳加厚，工作区四周均包覆150 mm的厚硬质聚氨酯保温材料，箱门与工作区连接部分采用隔热板制成，可有效降低工作区箱体及箱门的热量损失，保证工作区温度恒定。

2)为提高热交换效率、降低热扰动，箱体内设计密闭恒温槽，采用无机硅油作为介质，通过加热器和制冷压缩机调节槽内介质温度，在工作区上下左右四面安装盘管换热器，盘管与恒温槽通过管道密闭连接，通过变频循环泵控制介质循环速度，通过盘管换热来调节工作区空气温度。

3)因试验箱工作区体积大，控温范围宽(-30～70 ℃)，为保证降温速度、降低温度波动，制冷系统采用独创的两级复叠式制冷压缩机和辅助压缩机结合的方式，通过PLC自动控制压缩机工作，降温时开启全部压缩机，实现快速降温；恒温时关闭辅助压缩机，降低温度波动，提高制冷效率。

4)为提高工作区空气循环，在工作区后部安装变频风机，工作区上下左右四面与后部均设置空气导流风道，空气通过导流风道可直接经过盘管换热器。这种设计促进了空气循环流动，提高了换热效率，提升了工作区温度均匀性[3]。

5)为保证测量准确性，将准确度为±0.01 ℃的精密铂电阻分别安装在恒温槽和工作区内，用于测量液体温度和工作区空气温度。并通过软件算法优化控温，提高控温可靠性，降低温度波动度。

1.2 精确控温

为提高控温精度，控制部分采用工业触屏和PLC结合方式，并通过精密铂电阻测温，控制部分结构如图2所示。

图2 控制系统设计示意图

工业触屏内嵌Win CE操作系统，采用VC++设计人机交互程序，实现温度设定、参数设置功能，并显示设备运行参数和温度曲线。触屏软件将用户操作命令发送给PLC，由PLC控制压缩机、加热器、循环泵、变频风机等设备工作，再通过精密铂电阻采集循环介质温度和工作区温度，采用模糊PID控制方式，形成完整的控制、反馈系统，实现对试验箱工作区温度的准确控制。

1.3 热模拟分析

对箱体内热交换和空气温场建立数学模型并进行分析，通过热模拟研究提供理论依据，指导设计方案，优化设计参数。

1)数学模型

为方便数学模型建立和计算,可认为加热过程为三维非稳态传热，忽略空气在箱体内部的辐射换热，忽略物性随温度的变化，在连续性的前提下[4]，三维流动时传热所符合的动量方程为

(1)

蛇形盘管所符合的热量传递方程为

(2)

空气流动时所符合的能量方程为

(3)

箱体内的换热过程，所符合的k方程和ε方程分别如式(4)和式(5)所示。

(4)

式中：ux,uy,uz为空气在x,y,z方向上的分速度，m/s；ui为x，y，z上的分速度(i=1，2，3)；p为压强,Pa；ρ为密度,kg/m3；t为温度, ℃；α为对流传热系数,W/(m2· ℃)；ν为动力粘度，m2/s；kd为导热系数W/(m2·K)；ε为耗散率；k为湍动能,J。

2)热模拟研究

以液体介质流经蛇形盘管加热工作区内空气为例，进行热模拟研究。整个计算区域采用非结构网格划分，网格采用四面体与六面体混合形式。在形状规则的箱体内部采用Submap的六面体网格，在盘管与空气流道内采用Tet/Hybrid的四面体网格。由于蛇形盘管与空气流动区域的尺度相差较大，为了在有限的网格数内更准确的计算整个空气温度校准试验箱内加热与降温情况，在蛇形盘管中采用局部加密。由于蛇形盘管管壁受内部液体介质与外部空气共同的影响，为使模拟结果更接近实际情况，采用流固耦合算法[5]。空气以对流的方式与盘管进行换热，故对流参数可按照相关文献取值[6]。输入参数为液体介质进口速度、进口温度、外界温度及对流换热系数，输出参数为以整个箱体内空间的最高、平均与最低温度。设置求解器为PISO算法[7]，并设定为二阶迎风差分格式。

整个模拟过程为：系统升温时，对恒温槽内循环介质进行加热，介质通入盘管中，使工作区的空气受热升温，当工作区达到设定温度时，恒温槽停止加热进入恒温控制阶段，介质仍在盘管中继续循环流动。此时，通过控制介质温度，使工作区温度逐渐达到稳定，将温度波动限制在很小的范围内。

当达到设定温度时，箱体内空气的温度场和速度场分别如图3和图4所示。

图3 达到设定温度时箱体内空气的温度场

图4 达到设定温度时箱体内空气的速度场

从图3和图4可以看出，达到设定温度后停止加热介质，工作区空气流动的平均速度在0.3～0.4 m/s之间。在升温过程中，箱体内原有的低温空气在风机的抽吸作用下被输送到背面风道，先同背面的盘管进行对流换热，再经过上下两侧的风道，与其内部的盘管进一步换热。由于背面的盘管与空气的换热温差较大，而与上下两侧的温差较小，故背面盘管相对于其它盘管温度较低。被加热的空气通过试验箱左侧的通道流入内部，故整个箱体内温度梯度沿水平方向分布，且从左到右温度逐渐降低。

在刚达到设定的温度时，箱体内部存在较大的温度梯度，在此时进行温度传感器的校准会出现较大的误差。在达到设定温度后，关闭风机以避免热量损失，进入恒温控制阶段，并利用箱体内部的自然对流来减小工作区的温度梯度。温度稳定30 min后，箱体内空气的温度场和速度场分别如图5和图6所示。

图5 温度稳定30 min后箱体内空气的温度场

图6 温度稳定30 min后箱体内空气的速度场

由图5和图6可以看出，试验箱工作区的温度分布已经十分均匀，整体温度维持在30 ℃左右，相对于加热结束时未出现较大的衰减，高温区域主要出现在流道附近，温度梯度主要出现在风道与内部空间的接触界面上。上述结果证明试验箱在稳定30 min后的过程中温度分布逐渐均匀、温度梯度减小，同时保温效果良好、温度未有大幅的衰减。由于恒温阶段关闭了风机，故整个试验箱内部主要以浮升力驱动的自然对流为主，与加热过程中的速度分布有较大差别。在恒温阶段，箱体内部空气区域的平均速度较低，除了在靠近风机处受到后侧风道内部空气自然对流的影响速度较大外，平均速度在0.03 m/s以下。

图7为试验箱在达到设定温度后30 min内，最高、平均与最低温度变化情况。从图中可以得到，升温结束时，试验箱内温度最高值与最低值相差较大，平均温度为30.02 ℃。但随着恒温时间的增加，短时间内最高温度快速下降，最低温度逐渐提升，温度逐渐接近，原因是试验箱内的自然对流使冷热空气相互混合，在短时间内使空气温度分布逐渐均匀。在30 min时，试验箱内最高、平均、最低温度分别为30.02，29.99，29.98 ℃。

根据热模拟试验，30 min时工作区温度波动度为±0.03 ℃，温度均匀度为0.04 ℃。证明本文设计的空气温度试验箱的温场波动度和温场均匀性均优于传统的温度试验箱，符合高精度温度采集仪的校准要求。

图7 恒温过程中试验箱体内空气温度变化

2 测试与验证

采用测量不确定度U=0.01 ℃(k=2)的高精度智能并行温度巡检仪，依据JJF 1564-2016《温湿度标准箱校准规范》要求，在箱体工作区范围内按9点分布测温，对温场的温度波动度和温度均匀性进行测试。

1)温度波动度

在-30，0，70 ℃设定点，经过一系列实验得到得到30 min波动度数据，如表1所示。

表1 温度波动度实验数据

2)温度均匀性

在-30，0，70 ℃设定点，经过一系列实验得到30 min的均匀度数据，如表2所示。

表2 温度均匀度实验数据

通过以上测试数据可以看出，试验箱在-30～70 ℃温度区间内，工作区温场温度波动度小于±0.03 ℃/30 min，均匀度小于0.05 ℃，证明试验箱技术指标符合设计要求。

3 结论

研制高稳定性大型空气温度校准试验箱，以满足温度采集仪的校准需求。经实验证明，其温度波动度和温场均匀性均优于传统的温度试验箱，且操作简便，符合高精度温度采集仪的校准要求，值得推广应用。

在接下来的工作中，将进一步深入开展理论研究，拓展大型空气温度校准试验箱的控温区范围，集中对-80～150 ℃温区进行科研攻关，并结合湿度参数，整体提升温湿度场设备性能，进一步解决高精度温湿度传感器、高精度温湿度变送器、高精度温湿度记录器、WBGT热指数仪等各类仪器的长期校准难题。在设备实际应用方面，未来将继续深入研究恒温介质的温变反应，提升升降温速率，并进一步完善此类设备的校准规范，为温湿度专业计量能力提升做出更好的示范及探索。