一种浅式微型温度校验炉及校验方法
【专利摘要】本发明涉及温度检测元件校准，属于测量校准领域。一种浅式微型温度校验炉，其特征在于包括圆柱体炉芯，炉芯内设置有安装待测温度检测元件的插入孔，围绕插入孔的为均温块，环绕炉芯外圆周套装有陶瓷电热管，所述陶瓷电热管外套装有环形炉膛，在所述炉膛内环绕炉芯均匀设置有多个小型加热棒，所述炉膛外包裹着保温层，在炉芯和炉膛下方还设置有监测用温度传感器安装板，用来安装控温的铠装铂电阻，炉芯内有从下往上的控温孔，铠装铂电阻从底部往上伸入到炉芯的控温孔内，在所述保温层外有炉体外壳，上面设置有上盖，铂电阻安装板下方安装有下盖，下盖中间有风孔，下盖下方为炉体底座，所述炉体底座内设置有风扇。
【专利说明】一种浅式微型温度校验炉及校验方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及温度检测元件校准，尤其涉及一种浅式微型温度校验炉及校验方法。

【背景技术】
[0002]随着工业生产自动化程度的不断提高，工业生产企业对现场校准的需求日显突出。现场测温校准装置被越来越多地用于工业温度现场校准。在许多行业中需要对温度进行检测与控制。常用的温度检测元件为铂电阻、热电偶温度计，检定/校准时通常使用水浴或油浴等恒温槽作为恒温场，这类恒温槽的温度均匀性较好稳定度高，受外界温度影响小，但这类恒温槽的体积都较庞大，温度稳定时间较长，无法满足现场快速检定或校准的需要。
[0003]目前，国外已研制成功用于现场快速校准的各类干体温度校验炉。温度校验炉主要包括高准确性干井校验器、工业用干井校验器、热电偶校验器等几大类型。其温度测试范围从-45°C到1200°C ;温场准确性一般为±0.1°C左右；温场波动度一般为±0.01°C左右；温场均匀度一般为±0.05°C左右。它以空气作为校准介质，体积小、重量轻，因此被越来越多地应用于现场校准工作。
[0004]但是，现场校验有一些特殊尺寸的温度传感器，例如短支(40-50)mm的铂电阻或热电偶传感器，以及短支的或直角的热敏电阻温度传感器等都无法使用温度校验炉作为校准配套设备来使用，因为，现在所有的温度校验炉基本都是将控温精度保持在炉心底部。只有被检温度传感器能插入至温度校验炉底部，才能保证计量的准确性。而目前世界上最小的温度校验炉的井深为102mm，当被检温度传感器的长度低于102mm时，目前就无法对该传感器进行现场温度的校准。
[0005]比如目前在线校验的石油用开口 /闭口闪点测定仪、自动蒸馏仪、冷凝仪、空调实验平台，实验室及车间环境温度检测系统，甚至包括飞机发动机实验平台及核电项目的温度传感器都是尺寸很短，规格特殊(有些是直角的)的PTlOO或是热电偶，这些传感器都装配在设备上，无法拆卸，只能对其传感头进行在线校准。特别是石油用开口/闭口闪点测定仪，属于量大面广的仪器，与石油相关的生产及检测企业都配备了至少两台的闪点仪，该种仪器是通过对温度的精密检测，间隔时间点火扫描来测量油液的闪点。其温度传感器尺寸短，最长的不过60mm，因此用现有设备我们无法对该种仪器进行准确和便捷的现场测量。还仍然使用标准油液样品对闪点仪进行检测，但此种方法测量不确定度相当高，温度点固定，无法对闪点仪使用温度全范围进行校准，且标准油液样品不易保存，使用有效期相当短(一般只有一年时间)。


【发明内容】

[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种浅式微型温度校验炉及校验方法，解决现在恒温槽的体积都较庞大，温度稳定时间较长，无法满足现场快速检定或校准的需要，而温度校验炉的控温精度在炉心底部且井深固定，无法对一些特殊测温元件进行校验的缺陷。
[0007]技术方案
[0008]一种浅式微型温度校验炉，其特征在于:包括圆柱体炉芯，炉芯内设置有安装待测温度检测元件的插入孔，围绕插入孔的为均温块，环绕炉芯外圆周套装有陶瓷电热管，所述陶瓷电热管比炉芯稍长，部分底部包住炉芯，所述陶瓷电热管外套装有环形炉膛，在所述炉膛内环绕炉芯均匀设置有多个小型加热棒，所述炉膛外包裹着保温层，在所述炉芯和炉膛下方还设置有监测用温度传感器安装板，用来安装作为监测用温度传感器的铠装铂电阻，炉芯内有从下往上的控温孔，所述铠装铂电阻安装在监测用温度传感器安装板上，从底部往上伸入到炉芯的控温孔内，在所述保温层外以炉体外壳将从内至外的炉芯、陶瓷电热管、炉膛和保温层均包裹起来，上面设置有上盖，铂电阻安装板下方安装有下盖，下盖中间有风孔，下盖下方为炉体底座，所述炉体底座内设置有风扇。
[0009]所述炉芯内插入孔的井深小于等于60mm，所述控温孔的井深大于等于40mm。
[0010]所述均温块采用多块可替换均温块拼接，使炉芯内插入孔具有多种直径，均温块采用紫铜材质制作。
[0011]所述陶瓷电热管的功率为500W，所述小型加热棒的功率为25W，所述小型加热棒以炉芯的中心点为圆心等角度配置有6个，在所述加热棒的放置孔旁，近炉膛圆心位置还设置有半圆的从上至下的导风槽。
[0012]所述陶瓷电热管、小型加热棒和风扇均通过高温导线与温度控制仪电连接，所述铠装铂电阻也与温度控制仪电连接，温度控制仪接收铠装铂电阻传送的温度信号，控制陶瓷电热管、小型加热棒和风扇使炉芯内的温度快速达到和维持在需要的温度上。
[0013]所述温度控制仪包括用于设定测试校准温度点的温度设定模块和控温模块，所述控温模块采用PID控制，根据设定的校准温度和铠装铂电阻传送的实时温度变化分别控制连接的陶瓷电热管或/和小型加热棒的加热功率，以及降温控制模块，控制连接的风扇的转速。
[0014]一种应用上述的浅式微型温度校验炉进行温度检测元件校验的方法，其特征在于包括以下步骤:(1)将待测温度检测元件插入到所述炉芯内的插入孔中；(2)将一根AA级PT100铠装铂电阻作为监测用温度传感器从底部往上伸入到炉芯的控温孔内；(3)所述温度控制仪按照设定的校准温度点，校准温度点应在50-300°C范围内进行选取，不少于三个温度点，温度控制仪的控温模块选择以小型加热棒加热，或者陶瓷电热管和小型加热棒同时加热，同时风扇启动，以较低的转速运转；(4)当铠装铂电阻传送的实时温度接近校准温度点时，控温模块降低陶瓷电热管输出功率或者小型加热棒实时降低加热功率，同时陶瓷电热管以较小输出功率间歇式加热，使整个温控过程平稳；(5)待温度达到稳定后，分别记录待测温度检测元件的显示值和铠装铂电阻的测量值，记录时间不少于10分钟，测量速度为每分钟一次，在每一个校准点上进行两次测量，在改变校准点设定时，在设定温度上升时测量一次，在设定温度下降时进行另一次测量。
[0015]当校准温度点设定在50_100°C时，采用小型加热棒加热，陶瓷电热管停止或以较小的输出功率间断性进行加热工作，当校准温度点设定在100-300°C范围内工作时，陶瓷电热管和小型加热棒两种加热方式同时进行实时调整加热功率。
[0016]校验炉开机时，风扇就会启动，以较低的转速运转，当铠装铂电阻监测的实时测定温度与设定温度点的比例差值过大时，通过开关电源调整电压，使风扇全速运转，通过强制对流降温的方式，使实际温度迅速接近修正值。
[0017]在所述步骤4中，当接近校准温度点温度振荡时，振荡趋向设定温度点时，控温模块减小PID参数值，降低控制强度，减少超调和振荡；振荡偏离设定温度点时，加大PID的参数值，增强控制作用，更快的将温度拉回到校准温度点。
[0018]有益效果
[0019]本发明的浅式微型温度校验炉和校验方法以两种温控结构组合和分段式控温方法，且采用多档风扇控制降温，能使在井深小于等于60_时，很快使校验炉内部的温场达到平衡，便于进行测试，提高测试精度，不仅能用于短支温度检测传感器的校准及现场在线校准，而且校准的精度很高；采用能够更换的均温块设计，在炉芯上下增加上下盖，能够对特殊尺寸的温度传感器进行替换校验。

【专利附图】

【附图说明】
[0020]图1为本发明的浅式微型温度校准炉的内部结构示意图。
[0021]图2为本发明的炉芯的俯视示意图。
[0022]图3为本发明的炉膛的俯视示意图。
[0023]图4为图3炉膛的A-A剖视示意图。
[0024]图5为本发明的控制框图示意。
[0025]图6为本发明的电路连接示意图。
[0026]其中:1-炉芯，2-插入孔，3-陶瓷电热管，4-炉膛，5-保温层，6-监测用温度传感器安装板，7-控温孔，8-炉体外壳，9-上盖，10-下盖，11-底座，12-小型加热棒安装孔，13-导风槽，14-安装孔。

【具体实施方式】
[0027]下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。
[0028]现在小型温度校验炉基本上采用底部加热的方式，而对于短支(40-50)mm的铂电阻或热电偶传感器需要检测校验的炉芯深度只能有45mm左右，故采用底部加热的方式完全无法到达需要的控温准确度和波动度要求。
[0029]研发过程中，借鉴了高温温度校验炉的加热方式将500W的加热丝布置在均温块圆周方向，但是，通过实验发现控温效果不理想，温度波动度很差。因此在炉膛四周再均匀打6个孔，插入2-6根25w的加热棒，降低温度波动度，有效控制升降温过程中出现的温度过冲或过降的问题。
[0030]完善设计后的浅式微型温度校验炉，包括圆柱体炉芯，炉芯内设置有安装待测温度检测元件的插入孔，围绕插入孔的为均温块，环绕炉芯外圆周套装有陶瓷电热管，所述陶瓷电热管比炉芯稍长，部分底部包住炉芯，所述陶瓷电热管外套装有环形炉膛，在所述炉膛内环绕炉芯均匀设置有多个小型加热棒，所述炉膛外包裹着保温层，在所述炉芯和炉膛下方还设置有监测用温度传感器安装板，用来安装控温的铠装铂电阻，炉芯内有从下往上的控温孔，所述铠装铂电阻安装在所述监测用温度传感器安装板上，从底部往上伸入到炉芯的控温孔内，在所述保温层外以炉体外壳将从内至外的炉芯、陶瓷电热管、炉膛和保温层均包裹起来，上面设置有上盖，铂电阻安装板下方安装有下盖，下盖中间有风孔，下盖下方为炉体底座，所述炉体底座内设置有风扇。如附图1所示为内部结构示意。
[0031]所述炉芯内插入孔的井深小于等于60mm，附图1的结构实施例中采用45mm。因为现场校验温度传感器时，经常遇见直径不同的传感器，所以本项目设计的温度校验炉的炉芯内插入孔的直径尺寸从3.2mm-6.5mm,见附图2示意，而且均温快可以更换，采用多块可替换均温块拼接，并采用紫铜材质制作。所述陶瓷电热管的功率为500W，所述小型加热棒以炉芯的中心点为圆心等角度配置有6个，每个小型加热棒的功率为25W，在所述加热棒的放置孔靠圆心位置还设置有半圆的从上至下的导风槽，风扇吹出的空气能通过导风槽自下而上的排出炉芯，起到对流的作用，附图3和4为炉膛结构示意。
[0032]在均温块的底部是放置控温用温度传感器的。在设计初，将控温用温度传感器的插入深度定为20_，结果发现温控温度与实际温度有3-4度的差异。通过反复试验发现:因为控温用传感器在均温块中插入深度过浅，与外界热交换频繁，所以显示的温度与实际温度相去甚远。附图1中将控温传感器的插入深度调整为40_，则温控检测温度与实际温度几乎吻合。
[0033]本温度校验炉是采用电加热的电加热炉，电加热炉通过电阻丝加热，冷却时依靠风扇与自然冷却相结合的方式，因而升温与降温过程表现出截然不同的动态特性，这就要求在加热和冷却的控制策略上也应具有相应的不对称性。所述陶瓷电热管、小型加热棒和风扇均与温度控制仪电连接，所述安装在监测用温度传感器安装板上的铠装铂电阻也与温度控制仪电连接，温度控制仪接收铠装铂电阻传送的温度信号，控制陶瓷电热管、小型加热棒和风扇使炉芯内的温度快速达到和维持在需要的温度上。
[0034]所述温度控制仪包括温度用于设定测试校准温度点的设定模块和控温模块，由于本发明需要对校验炉的炉体的温度进行快速、准确地控制，所以对超调量及稳定时间的控制要求很高，因此所述控温模块采用PID模糊控制，根据设定的校准温度点和铠装铂电阻传送的实时温度变化分别控制连接的陶瓷电热管或/和小型加热棒的加热功率，以及降温控制模块，控制连接的风扇的转速。如附图5为PID控制框图示意，附图6为电路接线示意图。
[0035]进行校验时按照以下步骤进行:首先将待测温度检测元件插入到所述炉芯内的插入孔中；然后将一根AA级PT100铠装铂电阻作为监测用温度传感器从底部往上伸入到炉芯的控温孔内；所述温度控制仪按照设定的校准温度点，校准温度点应在50-300°C范围内进行选取，不少于三个温度点，温度控制仪的控温模块选择以小型加热棒加热，或者陶瓷电热管和小型加热棒同时加热，同时风扇启动，以较低的转速运转；当校准温度点设定在50-100°C时，采用小型加热棒加热，陶瓷电热管停止或以较小的输出功率间断性进行加热工作，当校准温度点设定在100-300°C范围内工作时，陶瓷电热管和小型加热棒两种加热方式同时进行实时调整加热功率；当铠装铂电阻传送的实时温度接近校准温度点时，控温模块降低陶瓷电热管输出功率或者小型加热棒实时降低加热功率，同时陶瓷电热管以较小输出功率间歇式加热，使整个温控过程平稳；待温度达到稳定后，分别记录待测温度检测元件的显示值和铠装铂电阻的测量值，记录时间不少于10分钟，测量速度为每分钟一次，在每一个校准点上进行两次测量，在改变校准点设定时，在设定温度上升时测量一次，在设定温度下降时进行另一次测量。
[0036]校验炉开机时，风扇就会启动，以较低的转速运转，这样可以增加温场均匀性及将热量从顶部吹出，使炉膛下面元器件不至于温度过高损坏，保证安全性。当测定温度与设定温度点的比例差值过大时，通过开关电源调整电压，使风扇全速运转，通过强制对流降温的方式，使实际温度迅速接近修正值。
[0037]在传统的PID控制系统中，常产生较大的超调，而且伴有阻尼振荡。即使采用积分分离的方案也不能很好地改善，而简单的积分分离法又常常由于系数选取不当，在达到积分区前就己稳定，很难实现有效控制。在动态连续可调控系统研制中，振荡趋向设定温度点时，温度变化是逼近设定点的。这时减小PID参数值，降低控制强度，以便减少超调和振荡。在振荡偏离设定温度点时，温度的变化是远离设定点的。这时加大PID的参数值，增强其控制作用以便更快的将温度拉回到所需的平衡点，尽快达到平衡。
[0038]本校准炉不仅能用于短支温度检测传感器的现场校准，而且经过实测和仿真，温度场均匀，测试的结果的扩展不确定度可以达到u = 0.03°C。
【权利要求】
1.一种浅式微型温度校验炉，其特征在于:包括圆柱体炉芯，炉芯内设置有安装待测温度检测元件的插入孔，围绕插入孔的为均温块，环绕炉芯外圆周套装有陶瓷电热管，所述陶瓷电热管比炉芯稍长，部分底部包住炉芯，所述陶瓷电热管外套装有环形炉膛，在所述炉膛内环绕炉芯均匀设置有多个小型加热棒，所述炉膛外包裹着保温层，在所述炉芯和炉膛下方还设置有监测用温度传感器安装板，用来安装作为监测用温度传感器的铠装铂电阻，炉芯内有从下往上的控温孔，所述铠装铂电阻安装在监测用温度传感器安装板上，从底部往上伸入到炉芯的控温孔内，在所述保温层外以炉体外壳将从内至外的炉芯、陶瓷电热管、炉膛和保温层均包裹起来，上面设置有上盖，铂电阻安装板下方安装有下盖，下盖中间有风孔，下盖下方为炉体底座，所述炉体底座内设置有风扇。
2.如权利要求1所述的浅式微型温度校验炉，其特征在于:所述炉芯内插入孔的井深小于等于60皿，所述控温孔的井深大于等于40皿。
3.如权利要求1所述的浅式微型温度校验炉，其特征在于:所述均温块采用多块可替换均温块拼接，使炉芯内插入孔具有多种直径，均温块采用紫铜材质制作。
4.如权利要求1所述的浅式微型温度校验炉，其特征在于:所述陶瓷电热管的功率为5001，所述小型加热棒的功率为251，所述小型加热棒以炉芯的中心点为圆心等角度配置有6个，在所述加热棒的放置孔旁，近圆心位置还设置有半圆的从上至下的导风槽。
5.如权利要求1所述的浅式微型温度校验炉，其特征在于:所述陶瓷电热管、小型加热棒和风扇均通过高温导线与温度控制仪电连接，所述铠装铂电阻也与温度控制仪电连接，温度控制仪接收铠装铂电阻传送的温度信号，控制陶瓷电热管、小型加热棒和风扇使炉芯内的温度快速达到和维持在需要的温度上。
6.如权利要求5所述的浅式微型温度校验炉，其特征在于:所述温度控制仪包括用于设定测试校准温度点的温度设定模块和控温模块，所述控温模块采用控制，根据设定的校准温度点和铠装铂电阻传送的实时温度变化分别控制连接的陶瓷电热管或/和小型加热棒的加热功率，以及降温控制模块，控制连接的风扇的转速。
7.—种应用如权利要求5所述的浅式微型温度校验炉进行温度检测元件校验的方法，其特征在于包括以下步骤:(1)将待测温度检测元件插入到所述炉芯内的插入孔中；(2)将一根-级？1100铠装铂电阻作为监测用温度传感器从底部往上伸入到炉芯的控温孔内；(3)所述温度控制仪按照设定的校准温度点，校准温度点应在50-3001:范围内进行选取，不少于三个温度点，温度控制仪的控温模块选择以小型加热棒加热，或者陶瓷电热管和小型加热棒同时加热，同时风扇启动，以较低的转速运转；(4)当铠装铂电阻传送的实时温度接近校准温度点时，控温模块降低陶瓷电热管输出功率或者小型加热棒实时降低加热功率，同时陶瓷电热管以较小输出功率间歇式加热，使整个温控过程平稳；(5)待温度达到稳定后，分别记录待测温度检测元件的显示值和铠装铂电阻的测量值，记录时间不少于10分钟，测量速度为每分钟一次，在每一个校准点上进行两次测量，在改变校准点设定时，在设定温度上升时测量一次，在设定温度下降时进行另一次测量。
8.如权利要求7所述的进行温度检测元件校验的方法，其特征在于:当校准温度点设定在50-1001:时，采用小型加热棒加热，陶瓷电热管停止或以较小的输出功率间断性进行加热工作，当校准温度点设定在100-3001:范围内工作时，陶瓷电热管和小型加热棒两种加热方式同时进行实时调整加热功率。
9.如权利要求7所述的进行温度检测元件校验的方法，其特征在于:校验炉开机时，风扇就会启动，以较低的转速运转，当铠装铂电阻监测的实时测定温度与设定温度点的比例差值过大时，通过开关电源调整电压，使风扇全速运转，通过强制对流降温的方式，使实际温度迅速接近修正值。
10.如权利要求7所述的进行温度检测元件校验的方法，其特征在于:在所述步骤4中，当接近校准温度点温度振荡时，振荡趋向设定温度点时，控温模块减小参数值，降低控制强度，减少超调和振荡；振荡偏离设定温度点时，加大？10的参数值，增强控制作用，更快的将温度拉回到校准温度点。
【文档编号】G01K15/00GK104502000SQ201410838546
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月26日 优先权日:2014年12月26日
【发明者】朱晨彬, 姚丽芳, 朱欣赟, 陈宇 申请人:上海市计量测试技术研究院