高精度干式温度计量炉关键问题研究

摘要

温度测量和控制是化工、医疗、制药、炼油、钢铁等生产领域的一个重要指标，其测量精度严重影响生产系统的性能和产品质量。根据科学的统计表明，由于温度测量装置热变形引起的超精密加工误差可达到总误差的40%～70%。使用高精度的干式计量炉对温度传感器进行定期的现场计量和校准，是保证温度传感器测量精度的一个重要手段。研制高性能的干式计量炉，对于提高工业温度传感器的计量校准水平，进而提高相关产品质量具有重要意义。本文针对干式计量炉温度控制中的准确度、稳定度、迟滞轴向均匀性、负载影响等几项关键点展开研究，主要工作包括： 1、高精度的温度控制模型：分析了半导体制冷片（TEC）的工作特性和恒温插块的热效应与传热机理，将半导体制冷片工作过程中由自身温度变化引起的电气特性改变与恒温插块温度的变化同时纳入控制环节，建立了温度-电流双闭环温度控制模型，该模型可以有效减小TEC工作中的不确定度，提高了系统温度控制的准确度和稳定度；为了克服反馈控制固有的滞后特性，在双闭环控制的基础上引入了前馈补偿控制环节，提高了系统响应速度，减少了系统迟滞影响。基于以上，建立了基于TEC的高精度、大范围温度控制算法模型。 2、分段温度控制方案：由于被检测的温度检测传感器在构造和长度上会存在一定的差异性，为保证每一种温度传感器的检测准确性，就必须考虑恒温插块的轴向均匀性。根据干式计量炉标定指南EA-10/13中对于恒温插块轴向均匀性的规定，设计了分段控制方案，该方案可以较好实现的恒温插块的轴向均匀性。 3、高精度温度控制系统硬件电路设计：提高系统控制的冗余量，增大TEC的驱动功率，是减小系统负载影响的有效方法之一。系统采用4片大功率MOS管搭建H桥驱动电路，结合全桥驱动芯片HIP4082实现了大功率TEC驱动模块，可减小负载变化对系统温度控制造成的影响。基于惠斯登电桥设计了高精度的温度采集模块，利用霍尔传感器设计了电流反馈模块。结合以上模块，设计并完成了电路板的制作与调试。结合电路板编写了上位机与下位机控制程序，人机交互接口采用嵌入式WinCe触摸屏，上下位机的通信接口采用RS485通信总线，结合以上模块最终完成了高精度干式计量温度控制系统。 实验结果表明：本系统在-30～130℃的温度范围内，可以迅速稳定在任一设定的温度点，其控温精度优于±0.002℃，系统控温稳定后两个小时内的控温稳定度优于±0.002℃，被控恒温插块的轴向均匀性优于±0.004℃，系统负载效应良好，且对于异常环境具有较好的鲁棒性，满足了预期的设计目标。

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