高精度恒温槽设计[1]

　　收稿日期 : 2005 - 06 　　作者简介 : 杨宇 (1981—) ,男 ,硕士研究生 ,主要从事仪器科学与技术 ,精密温度控制技术的研究。 高精度恒温槽设计 杨 　宇 ,李宏生 ,施峥嵘 (东南大学 仪器科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 系 ,江苏 南京 210096) 　　摘要 : 讨论恒温槽的理论计算 ,结构设计 ,材料选择以及加工特点。所设计的恒温槽在实际工作中控温精度达到 0. 01℃。 关键词 : 恒温槽 ;热导 ;电阻 中图分类号 : TH811　　　　　　　　文献标识码 : B　　　　　　　　文章编号 : 1006 - 2394 (2005) 05 - 0063 - 03 D esign of Prec ision Therm osta te YANG Yu, L I Hong2sheng, SH I Zheng2rong (Dep t. of Instrument Science & Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China) Abstract: The theory calculation, configuration design, stuff choice, machining characteristic of thermostate were discussed. The accu2 racy of designed thermostate achieves 0. 01℃ when it works. Key words: thermostate; thermal conductance; resistance 　　重力仪是一种非常精密的仪器 ,对工作环境的温 度有苛刻的要求。恒温槽是仪器中的重要部分。 1　恒温槽的总体结构设计 重力仪的精密温控由恒温槽 ,测温元件 ,温控电 路 ,加热电阻四部分组成。恒温槽槽体由保温罐 ,保温 层 ,外壳三部分组成 ,并且加热电阻 ,测温元件也置于 其中。因此保温罐及保温层的厚度 ,加热电阻大小及 放置位置 ,测温元件放置位置均为恒温槽设计的关键。 恒温槽的恒温效果和槽体内温度场分布均匀性成 正比 ,当槽体形状为球体时其温度场分布最均匀 ,恒温 效果最好 ,但球体不易加工 ,且和重力仪圆柱形的形状 不吻合 ,不利于仪器的安装。柱体形结构其尺寸沿半 径相互对称 ,且同半径的区间是等温层 ,圆柱体形的恒 温槽传热基本均匀。所以设计决定采用温度场分布均 匀性仅次于球形的圆柱体形作为恒温槽的结构形状。 因为单层恒温槽没有中间层的缓冲 ,很难抗拒环 境温度变化的影响 ,所以设计采用双层恒温槽设计。 就双层恒温槽而言 ,其内恒温槽的外壳即为外恒温槽 的保温罐。加热电阻丝分别绕制在内保温罐和外保温 罐的外面。测温元件嵌在内保温罐的内侧壁上 ,其测 量的温度反映了重力仪的实际工作温度 ,也即恒温槽 的控制温度。 本设计中 ,外保温层温度暂设为 45℃,精度为 0. 1℃;内保温层温度 (重力仪工作温度 )为 50℃,精度 为 0. 01℃。恒温精度鉴定方法为 :若测温元件灵敏度 为 0. 19℃,则测试电桥输出的波动在 1. 9mV范围内即 可 ,改变环境温度选几个不同的温度测试点进行测量。 槽总体结构如图 1。 图 1 2　恒温槽的材料选择 恒温槽各部分的材料性能直接影响着恒温槽最终 的工作性能 ,本节主要从保温罐及外壳 ,保温层 ,加热 电阻丝三方面考虑材料的选型。 2. 1　内外保温罐及外壳的材料选择 首先 ,为了使加热电阻丝的加热热量能迅速分布 均匀 ,保温罐材料应选传热性能好的 ,即导热系数高的 金属。其次 ,由于恒温槽本身相当于一个热滤波器 ,它 的平滑作用可以减小或消除控制温度的波动 ,以确保 控制温度的恒温精度。为使恒温槽温度波动小 ,在传 递热量一定的情况下 ,宜选用热容量大的材料。最后 , 从轻便角度考虑 ,材料的密度应该较小。 现把几种常用材料有关性能列举如下 : 材料名称 导热系数 kcal /m·h·℃ 比热 kcal/kg·℃ 密度 kg/m3 铝 175 0. 22 2670 铜 330 0. 091 8800 钢 39 0. 11 7900 —36—2005年第 5期 仪 表 技 术 　　综上几点考虑 ,选择铝为保温罐和外壳的材料。 2. 2　内外保温层的材料选择 保温层应选用导热系数小的材料。从整个仪器的 加工 ,安装 ,工艺性能及仪器重量要求等出发 ,选用目 前最好的绝热材料 76#硬质聚氨酯泡沫 ,它质量轻 ,强 度高 ,可以根据要求的尺寸做成模子直接发泡成形 ,或 者用原材料车削成型。 2. 3　加热电阻丝的材料选择 导航仪器多采用金属电加热材料 ,金属电加热材 料分合金材料和纯金属材料两类。合金材料电阻率 高 ,价格低廉 ;纯金属材料使用温度比合金材料高 ,且 绕曲性能好。理想的金属电热材料特点是 :电阻率较 高 ,温度系数要小 ,电阻值要稳定。因此本设计采用康 铜合金或者镍铬合金作为电热材料。 3　恒温槽的传热计算及结构尺寸计算 3. 1　恒温槽的传热方式 恒温槽热量从内向外传播的过程是 :热量由内保 温罐传到内保温层 ,再传到外保温罐 ,外保温层 ,最后 通过外壳散布到空间。热量从内保温罐传到外保温 罐 ,以导热为主 ,而从外保温罐传到空间中既包括导热 又包括对流。 3. 2　内恒温槽结构尺寸参数及传热计算 3. 2. 1　内保温罐 由于内保温罐的大小取决于它里面仪器的尺寸 , 故本节重点讨论的是保温罐的壁厚。为使恒温槽的温 度稳定 ,波动小 ,就要求保温罐有足够的热容量 (热容 量 =比热 3 质量 )。选用铝作为保温罐的材料 ,其比 热是定值 ,而在恒温槽几何形状为圆柱形的情况下 ,内 保温罐质量主要和其厚度有关 ,厚度越厚 ,质量越大 , 热容量越大。但对厚度的确定还应考虑两个因素 :其 一 ,它受仪器要求质量的限制 ;其二 ,如果热容量过大 , 则会形成一种热惯性 ,致使测温元件对温度变化反应 迟钝 ,温控电路不能及时地对温度做调整 ,反而影响恒 温精度。鉴于以上考虑 ,本设计中内保温罐厚度定为 4mm～6mm。 3. 2. 2　内保温层 根据热力学傅立叶定律 :“在材质一定而且均匀 的固体内部 ,当为一维温度场时 ,单位时间内 (1小时 ) 传导的热量与温度降度 ,垂直于热流方向的截面面积 成正比 ”。用 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 式表示就是 : Q =λS dTd r Q为单位时间传递的热量 , S为热传递面面积 ,λ为传 热介质导热系数。 内保温层由圆柱体壁和圆柱体两端面组成 ,根据 傅立叶定律 ,圆柱体壁和圆柱体两端面的 Q 分别计算 如下 : a. 圆柱体壁 Q =λS壁面 = dTd r =λ(2πrH内 ) dT d r 其中 H内 为内保温罐的高度 ,对 T从内保温罐温度 T1 到外保温罐温度 T2 积分 : Q内圆筒壁 = 2πλH内 In r2 r1 ( T1 - T2 ) 其中 r1 , r2 分别为内保温层的内半径和外半径。令 K1 = 2πλH内 In r2 r1 为圆柱体壁热导 ,它表征当传热介质两两 端面间温度差为 1℃时 ,每小时传递的热量。 保温层保温效果要好 ,即热导要小。在保温层形 状 ,材料一定的情况下 ,确定其保温层厚度 d = r2 - r1 就成了影响 K值大小的关键。 b. 圆柱体两端面 端面是平壁 ,壁内温度沿与表面垂直的轴向均匀 变化。所以由傅立叶公式有 : Q内两端面 = 2λS端面 T1 - T2 r2 - r1 = 2πλr22 T1 - T2 r2 - r1 则两端面的热导 K2 = 2πλr22 r2 - r1 。 所以内保温层的热导值为 : K内 = K1 + K2 = 2πλH内 In r2 r1 + 2πλr22 r2 - r1 由于 r1 已知 ,所以 K内 的大小主要取决于 r2 的 值 ,即厚度 d = r2 - r1 的值 ,代入 H内 和 r1 值可以得出 厚度 d与 K内 的关系曲线如图 2。 图 2 从图中可看出 ,壁厚为 30mm后 , K的下降量就不 十分显著了 ,另外从仪器的结构尺寸均衡角度考虑 ,壁 厚为 r2 的 1 /4较合理 ,故本设计选 20mm作为内保温 层壁厚。 3. 3外恒温槽结构尺寸参数及传热计算 外保温罐厚度分析同内保温罐 ,可取 5mm。 —46— 仪 表 技 术 2005年第 5期 外恒温槽的热量传播不仅存在热量从外保温罐传 到外保温层再传到外壳的导热传播方式 ,且存在热量 最后通过外壳散布到空间的对流传播方式 ,用公式表 示就是 Q外导热 = K外导热 ( Tc - Ta ) Q外对流 = K外对流 ( Ta - Tb ) Ta , Tb , Tc 分别为外壳 ,环境 ,外恒温槽控制温度。外 保温层导热热导 K外导热的计算同内保温层一样 : K外导热 = K外圆筒壁 + K两端面 = 2πλH外 In R2 R1 + 2πλR22 R2 - R1 对于热量从外壳到外部空间中的传播形式则以对流为 主 ,对流热导的计算如下 : Q外对流 = K外对流 ( Ta - Tb ) K外对流 =αS外壳 其中α为对流散热系数 ( kcal/h·m·℃) , S为外壳表 面的总面积 ,可由公式求得 S: S外壳 = 2πR3 H壳 + 2πR23 把 Q外导流和 Q外对流相加有 : Q外 = K外 ( Tc - Tb ) K外 = K外导热 K外对流 K外导热 + K外对流 分析计算同内保温层 ,设计取外保温层厚度为 25mm。 4　恒温槽端面设计及加热电阻丝参数计算及其放置 特点 　　恒温槽顶部的端面密合性能对恒温槽的保温性能 有着重要影响。而其端面的密合程度又受加工条件影 响。因此选择端面密合形式既使其有着良好的保温特 性 ,又有利于加工单位加工就显得尤为重要。结合以 上两点考虑 ,选择顶部端面接口为倒凹字形状。 由于热量上移 ,所以恒温槽顶部不用添加加热电 阻丝 ,只需在顶部增加保温层厚度即可。 加热电阻丝的设计参数取决于恒温槽中最大加热 量的选择。 W = P t 其中 P为加热功率 , t为槽体的启动加热时间。W 为恒温槽从初始状态加热到保温状态时所需要的能 量。它可以根据以下 2式算出 : W = (C空气 + C保温罐 )ΔT; C =m 3 c; C为热容 , m 为质量 , c为比热容。 再由公式 R =U2 / P可计算出加热电阻丝的阻值。 其中 U为恒温槽的加热电压。 加热电阻丝的放置应注意以下几点 : (1) 电阻丝的分布应该符合保温罐传导热量的 比率 ,这样才能使温度场分布均匀且稳定。 R圆筒壁 R下端面 = P下端面 P圆筒壁 = Q下端面 Q圆筒壁 = K下端面 K圆筒壁 P, Q分别为电阻丝的加热功率和恒温槽的补偿 热量。由电阻计算公式 : I = R·Sρ1 ,有 I圆筒壁 I下端面 = K下端面 K圆筒壁 (2) 要减小电阻丝通过电流时可能产生的附加 干扰磁场。可以用双线法绕制。 (3) 加热电阻丝必须紧密贴合在保温罐上 ,这样 才能使热量迅速传递给保温罐。并且加热电阻丝和保 温罐之间应该绝缘 ,可以在加热电阻丝绕制好后在其 上喷上清漆或其他绝缘胶。 (4) 加热电阻丝的安装必须注意与测温元件之 间的相对位置 ,使它们之间的分布温度滞后最小。 5　结束语 本文讨论的设计方法已在实际工程中得到验证 , 恒温槽性能满足设计要求 ,说明设计思想是正确的。 此设计方法对其他类型的恒温设备的设计也有借鉴作 用。 参考文献 : [ 1 ] 万德钧 ,等. 船舶导航仪器设计手册 [M ]. 国防工业出版 社 , 1991. [ 2 ] 叶斌. CHZ海洋重力仪恒温槽设计 [ J ].测量与地球物理集 刊 , 1984. [ 3 ] Jay D ratler, J r. . A p roportional thermostatwith 10 m icrodegree stability[ J ]. Rev. sci. instrum, 1974. (许雪军编发 ) (上接第 62页 ) 试系统具有结构简单 ,现场安装、调试方便 ,易于增减 各分机及传感器数量等优点 ,由于系统的主控机和各 分机之间采用 CAN通讯适配卡通讯 ,因此长距离信息 传输的可靠性高 ,抗干扰的能力较强。系统在某大型 军用飞机修理场运行半年 ,未发生误测、误报警等现 象 ,保证了飞机修理质量。本系统还可推广到民用各 种大型仓库对温度和湿度的实时测量。 参考文献 : [ 1 ] 林吉申 ,黄文风. 家用电器中的传感器技术 [M ]. 福州 :福 建科学技术出版社 , 1994. 42 - 59. [ 2 ] 孙育才 ,苏学成. 单片微型计算机应用系统设计与实现 [M ]. 南京 :东南大学出版社 , 1990. 272 - 290. [ 3 ] 邬宽明. CAN总线系统设计中的几个问题 [ J ]. 电子技术应 用 , 1998, (8) : 18 - 19. (许雪军编发 ) —56—2005年第 5期 仪 表 技 术