试差控温法在低温恒温恒压测试系统中的应用

耿亚璋 曹建 尚宇(北京航天试验技术研究所，北京 100074)

0 引言

在化工行业的生产实践中，不仅需要参考各类流体的热物性数据[1-2]，还需要研究各类工业传感器在实际工作环境下的数据测量情况[3]，以提高化工生产的安全性和可靠性。恒温槽是一种常用的测试设备[4]，恒温槽的性能直接影响着流体或器件在某一特定环境温度下测试数据的精度和可信度。本文采用了国内外先进的恒温和恒压设备，根据低温高压工作环境的实际需要，利用PID控制结合试差控制原理[5]，研制了温度范围为5～120K、压力范围为0.1～20MPa(绝压)的低温恒温恒压测试系统。实际运行结果表明，该低温恒温恒压测试容器在液氢温区时，温度波动范围小于0.2K，压力波动范围小于0.3%，可较好地满足测试需求。

1 测试系统

1.1 测试系统组成

低温恒温恒压测试系统主要由以下若干部分组成：低温杜瓦及低温介质、真空机组、恒压源、温控仪、测试容器、数据采集控制系统等。测试系统结构示意图如图1所示。该系统在实际运行过程中，可根据测试用户需求调节系统内测试容器的温度和压力，还可以根据要求调节温度变化的速率，针对流体及传感器元器件开展的低温性能测试效率得到了明显提升。

该测试系统中，可采用液氦、液氢或液氮作为低温介质，以提供测试容器所需的冷量。为了降低低温介质的消耗速率，在测试容器及加热丝之外，套装了一个密封的腔体，在工作时保持腔体为真空状态，降低测试容器与低温介质的传热速率。

为了实现测试用户预设温度的恒温调节，本测试系统中在测试容器外部缠绕了加热丝，通过加热丝输入一定的热量，使测试容器在低温环境中保持温度恒定。本系统选用美国Lake Shore公司的MODEL 350型温控仪，连接加热丝后，对测试容器的内腔温度进行PID控制。但是由于PID调节模式对于系统设定值与实测值偏差具有高敏感性，其鲁棒性不强，只适用于本系统单独控温的情况。在恒压同时恒温的条件下，利用LabVIEW软件自编了数据采集及控温程序[6]。

图1 低温恒温恒压测试系统结构示意图

1.2 试差控温方法

本系统采用试差法控温，此时测试容器内气体压力为一恒定值，由恒压源采用PID方法动态控制，气体温度采用自编LabVIEW程序控制，控制输出的加热功率由试差法得到。LabVIEW数据采集及温度控制程序界面如图2所示，试差法程序流程图如图3所示。

图2 LabVIEW软件前面板程序界面

选择试差法的原因在于，测试容器内所充装的气体压力与温度受气体状态方程约束，存在相关性，气体压力的PID调节会造成温度的频繁波动，而这种频繁的温度波动如果仍采用PID调节，会导致温度和压力双重PID调节的耦合和滞后，甚至出现失调或超调现象[7]。试差法控温程序如图3所示，其主要步骤包括：将测试容器及真空腔浸没在低温介质中，测试容器温度稳定后，确定低温恒温温度T0，且T0需要大于低温介质沸点，以液氢介质为例，即T0＞20.3K；确定恒温温度后，利用加热电源输入加热功率，使测试容器升温，初始加热功率为一经验值W0，确保测试容器温度T处于单调上升状态，并根据公式(1)计算此时的升温速率kr(K/s)。

式中：k为升温或者降温速率(K/s)；n为时间和温度数据点的编号总数，n为自然数，一般取值范围为3～4；ti为时间数据(s)；Ti为温度数据(K)；i为数据点序号，i=0，1，2，……，n。

图3 试差法程序流程图

当T＞T0时，关闭加热电源，此时加热功率为0，由于热惯性，T不会立即下降，而会持续上升一段时间之后，才开始下降，记录温度下降区间多个点的数据，按照(1)式，计算得出此时的温度下降速率kd(K/s)。根据拉格朗日中值定理，此时必然存在某一加热功率WS，如(2)式所示，且WS＜W0，使得温度T在T0值时随时间的变化率在一定精度范围内趋于0，即达到测试容器的恒温状态。如果进行多次试差迭代，可以将测试系统恒温精度不断提高。

式中：kr为升温速率(K/s)；kd为降温速率(K/s)；W0为初始加热功率(W)；WS为恒温加热功率(W)。

2 测试系统运行结果

恒温恒压测试系统需要对其温度波动度进行实测标定。为此，在测试系统低温杜瓦中首先加注了液氢介质，在温度稳定后，输入加热功率W0，得到温度场平均温度的上升曲线并计算升温速率；再关闭加热电源，得到温度下降曲线，并计算降温速率。最后根据试差法计算得到恒温功率WS，实现了测试容器在50K时的恒温过程。测试容器温度传感器温度的上升、下降及恒温变化情况如图4所示。

图4 测试容器内温度测点在50K的控温情况

3 结语

本文中研究设计了低温恒温恒压测试系统，压力和温度的控制分别采用了CPC8000恒压源及Module 350型温控仪的PID控制模式，同时还开发了试差法温度控制模式，实现了测试容器中压力和温度的同时自动控制，拓展了传统低温恒温槽的应用领域，明显提高了恒温恒压测试系统的控温精度，控制温度范围为5～120K、压力范围为0.1～20MPa(绝压)，满足了化工行业中低温流体或传感器元器件的高精度热物性测量要求，为今后进一步提高低温测试水平提供了技术支持。