CN108704675A - 一种空气温度试验箱 - Google Patents

Abstract

一种空气温度试验箱，其特征在于，包括：控制系统、箱体和设置在箱体内腔的加热器、制冷装置、介质循环装置和空气循环装置，所述介质循环装置分别与所述加热器和制冷装置相连，所述介质循环装置包括依次连接并形成闭合回路的密闭循环罐、循环泵、和换热器，所述密闭循环罐与所述制冷装置相连，所述加热器设置于密闭循环罐内，用于直接加热介质，所述空气循环装置包括变频风机和风道板，所述箱体设有工作区、工作区门、设备区和设备区门，所述换热器、变频风机和风道板设置于所述工作区内，本发明提供的空气温度试验箱的温度指标更高，升降温速度快，工作效率高，能满足各类高精度环境温度监测仪器的校准需要。

Description

一种空气温度试验箱

技术领域

本发明涉及环境试验装置技术领域，特别涉及一种空气温度试验箱。

背景技术

温度试验箱主要适用于电子器件、电子仪器仪表、高精度温度检测仪器等各种电子元气件在高低温环境下的各项性能指标检验及校准。例如，随着传感器技术的发展和生产工艺的提高，以NTC、半导体为传感器的高精度温度计不断发展，测量精度甚至能够达到MPE±0.1℃。其校准方法通常采用在液体恒温槽或空气试验箱里与标准铂电阻温度计进行比对。其中液体恒温槽精度虽然能满足环境温度监测仪器的校准需要，但许多一体化数字温度传感器无法放入恒温槽中，但它只适用于传感器与测量仪表能够分离的设备，并且受限于由于恒温槽的温腔大小和温度范围，校准效率较低，而且恒温槽也不能有效反应空气温度变化情况。

相较于液体恒槽，空气温度校准试验箱允许一体化的环境温度检测设备的校准和检验，但由于空气的导热性较差、箱体的机械结构、加工工艺、保温处理、介质循环方式、箱内空气循环、温度传感器精度以及温度自动控制等方面的原因，现有的大型空气温度试验箱的温度波动度、均匀性等指标无法达到较高精度，国内外现有的空气温度试验箱的温场波动度只能达到±0.2℃/30min，温度均匀性0.3℃，装置测量扩展不确定度超过0.2℃(k＝2)，无法满足高精度环境监测仪器或电子元件的的校准检验要求。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明的目的在于提供一种空气温度试验箱，具有大工作区空间、高温度均匀度、快速的升降温速度和低温度波动度及装置测量不确定度。

本发明提供一种空气温度试验箱，包括：控制系统、箱体和设置在箱体内腔的加热器、制冷装置、介质循环装置和空气循环装置，所述介质循环装置分别与所述加热器和制冷装置相连；所述介质循环装置包括依次连接并形成闭合回路的密闭循环罐、循环泵和换热器，所述密闭循环罐与所述制冷装置相连，所述加热器设置于密闭循环罐内；所述空气循环装置包括变频风机和风道板，所述箱体设有工作区和工作区门，所述换热器、变频风机和风道板设置于所述工作区内。

进一步地，所述控制系统包括触摸显示器、PLC和温度传感器，所述PLC的指令接收元件与触摸显示器相连，所述加热器的加热控制接口与所述PLC的控制元件相连，所述制冷装置与所述PLC的控制元件相连，所述温度传感器与PLC的数据采集元件相连，所述循环泵包括循环泵变频电机，所述循环泵变频电机与PLC的控制元件相连，所述PLC采用变量模糊PID算法实现温度控制。

优选地，所述制冷装置包括两级覆叠制冷压缩机和辅助压缩机，所述两级覆叠制冷压缩机和辅助压缩机分别与所述PLC的控制元件相连，PLC能够同时启动所述两级覆叠制冷压缩机和辅助压缩机。

进一步地，所述工作区内设有与各侧壁位置相应的风道板，所述工作区内各侧壁与风道板之间形成导流风道，所述工作区门与风道板之间存在间距，所述工作区内各侧壁与相应的风道板之间均设有换热器。优选地，所述换热器与相应的侧壁间还设置有多孔隔板，所述风道板上还具有风机孔，所述变频风机的进气端通过所述风机孔与风道板相连，所述变频风机的输出端设置于导流风道内，所述风机的进气端与所述工作区门相对。

进一步地，所述工作区的各侧壁外部均设有保温层，所述工作区门与工作区腔室相应的部分采用隔热板制成，所述工作区门与工作区壳体的接触面上设有隔热密封条。优选地，所述工作区门上还设有观察窗，所述观察窗与所述工作区门门体的连接处涂有隔热密封胶。

进一步地，所述介质循环装置中的介质为流体，所述密闭循环罐、循环泵和换热器通过管道连接，所述介质循环装置整体均设有保温层。

优选地，所述温度传感器包括第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器的温度测量元件置于介质中，所述第二温度传感器的温度测量元件设置于工作区内。

进一步地，所述温度传感器的温度测量元件为精密铂电阻温度计，所述精密铂电阻温度计包括外保护管、石英骨架、感温元件、铂引线和接线片，所述石英骨架与所述外保护管间的空隙中填充有绝缘粉末，所述石英骨架沿轴向设有两个通孔，所述感温元件弯曲成U型并设于所述通孔中，所述感温元件两端分别连接两根所述铂引线，所述铂引线另一端连接所述接线片。

优选地，所述绝缘粉末为氧化镁和石英的混合粉末，所述外保护管的外径为5-8mm，所述感温元件的长度为50-70mm，所述铂引线的长度为1500-2500mm，所述感温元件由直径为0.06-0.08mm的感温铂丝组成，所述感温铂丝绕制成螺旋状，所述接线片为紫铜接线片。

优选地，所述加热器(2)包括氧化镁加热棒和填充材料。

由于上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1.本发明提供的空气温度试验箱，工作区体积大于现有技术，利用空气为工作区的温度传导介质，能够满足一体化环境温度检测设备及不能浸入液体介质的电子元器件和材料等的性能检测和验证，适用性范围更广。

2.本发明提供的空气温度试验箱中，工作区门采用特殊的隔热设计，即在工作区腔室相应的门结构中采用隔热板、隔热密封条的设计，降低工作区门的散热性。

3.本发明提供的空气温度试验箱的制冷装置包括两级覆叠制冷压缩机和辅助压缩机，在制冷过程中，该两级覆叠制冷压缩机和辅助压缩机能够同时全功率工作，达到快速的制冷效果。

4.本发明提供的空气温度试验箱的介质循环装置采用密闭循环罐、大功率可调循环泵和换热器的闭合回路设计，介质在密闭管道内可调速循环，加热器设置于密闭循环罐内直接加热介质，制冷装置与密闭循环罐相连，介质在密闭循环罐中完成升温、降温和温度均衡的过程，使得换热器中的介质温度均匀，利于保持温场的均匀性。

5.本发明提供的空气温度试验箱的温度传感器中采用精密铂电阻温度计测量工作区和介质循环装置中介质的温度，提高了温度检测的精确度，进而提高了温度试验箱工作区内温度控制的准确度。

6.本发明提供的空气温度试验箱利用PLC采集工作区温场空气温度和介质循环装置中的介质温度，通过模糊PID控制算法，控制制冷装置、加热器、循环泵、循环风机，实现了工作区内的快速升降温和恒温。

7.本发明提供的空气温度试验箱的介质循环系统部件全部保温，工作区内各侧壁均设有换热器，受热更均匀，箱内采用风道设计，风循环更合理。

8.本发明提供的空气温度试验箱工作区的导流风道内设有多孔隔板，保证空气在导流风道中流动时与换热器直接接触，进行充分的热交换，同时避免空气流动过程中出现涡流，更利于保持温场的均匀性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明提供的空气温度试验箱的结构示意图；

图2和图3是本发明提供的空气温度试验箱的三维剖面图；

图4是精密铂电阻温度计的结构示意图；

图5是本发明提供的空气温度试验箱的PLC与各部件之间的连接示意图；

图6和图7是本发明提供的空气温度试验箱的升降温测试曲线数据图。

图中，1-箱体，2-加热器，3-制冷装置，4-介质循装置，5-空气循环装置，11-工作区，12-工作区门，13-保温层，41-密闭循环罐，42-循环泵，43-换热器，51-变频风机，52-风道板，53-导流风道，54-多孔隔板，61-外保护管，62-石英骨架，63-感温元件，64-铂引线，65-绝缘粉末，120-观察窗，520-风机孔。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

实施例

本发明提供一种空气温度试验箱，包括：控制系统、箱体1和设置在箱体1内腔的加热器2、制冷装置3、介质循环装置4和空气循环装置5，所述介质循环装置4分别与所述加热器2和制冷装置3相连，所述介质循环装置4包括依次连接并形成闭合回路的密闭循环罐5、循环泵42、和换热器43，所述密闭循环罐5与所述制冷装置3相连，所述加热器2设置于密闭循环罐5内，用于直接加热介质，所述空气循环装置5包括变频风机51和风道板52，所述箱体1设有工作区11和工作区门12，所述换热器43、变频风机51和风道板52设置于所述工作区11内。

优选地，所述工作区11容积为600L，换热器43采用金属盘管结构。

所述控制系统包括触摸显示器、PLC和温度传感器，优选地，所述触摸显示器采用wince系统工业触屏，所述PLC的指令接收元件与触摸显示器相连，所述加热器2的加热控制接口与所述PLC的控制元件相连，所述制冷装置3与所述PLC的控制元件相连，所述温度传感器与PLC的数据采集元件相连，所述循环泵42包括循环泵42变频电机，所述循环泵42变频电机与PLC的控制元件相连，能够通过调节循环泵42电机的频率控制介质的循环速度。所述PLC采用变量模糊PID算法实现温度控制。

优选地，所述制冷装置3包括两级覆叠制冷压缩机和辅助压缩机，所述两级覆叠制冷压缩机和辅助压缩机分别与所述PLC的控制元件相连，PLC的控制元件能够同时启动所述两级覆叠制冷压缩机和辅助压缩机，在制冷过程中，上述两种压缩机能够同时工作制冷，并且能够执行全功率运行，在达到一定温度范围时，自动关闭辅助制冷压缩机。

所述工作区11内设有与各侧壁位置相应的风道板52，所述工作区11内各侧壁与风道板52之间形成导流风道53，所述工作区11内各侧壁与相应的风道板52之间均设有换热器43，用于加热或制冷所述工作区11内空气。优选地，风道板52呈筒形，嵌套在工作区11内。优选地，所述换热器43与相应的侧壁间还设置有多孔隔板54，保证空气在导流风道53内流通时，与换热器43直接接触，进行充分的热交换，同时避免出现涡流，更利于温场均匀性。所述风道板52上还具有风机孔520，所述变频风机51的进气端通过所述风机孔520与风道板52相连，所述变频风机51的输出端设置于导流风道53内。优选地，所述风机的进气端与所述工作区门12相对，用于提供所述工作区11内空气循环的动力。在工作区11内，空气由变频风机51吸入导流风道53中，沿风道板52流动至靠近柜门处，再由变频风机51吸入导流风道53中，完成空气内循环。

所述工作区11的各侧壁上均设有保温层13，优选地，该侧壁厚度达到150mm，所述工作区门12与工作区11腔室相应的部分采用隔热板制成，所述工作区门12与工作区11壳体的接触面上设有隔热密封条。优选地，所述工作区门12上还设有观察窗120，所述观察窗120与所述工作区门12的连接处涂有隔热密封胶。现有的温度试验箱工作区门12一般采用金属制成，只有在门与箱体1工作区11接触的部分安装有隔热密封条，本发明中采用隔热板制造工作区门12，优选地，隔热板选用高分子材料制成，起到阻断隔热的作用，降低工作区门12的散热性。

所述温度传感器包括第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器设置于流体介质中，用于监测流体介质的温度，所述第二温度传感器设置于工作区11内，用于监测工作区11内空气温度，所述温度传感器与PLC的数据采集元件电连接，将温度数据反馈至PLC。

所述介质循环装置4中的介质为流体，所述密闭循环罐5、循环泵42和换热器43通过管道连接，优选地，所述介质循环装置4整体均设有保温棉，保温棉包覆在介质循环装置4的外部，该保温棉采用橡塑保温棉制成。

优选地，所述温度传感器包括第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器的温度测量元件置于介质中，所述第二温度传感器的温度测量元件设置于工作区11内。具体地，第一温度传感器设置在密闭循环罐5中的介质中，第二温度传感器设置在工作区11的中心位置。

所述温度传感器的温度测量元件为精密铂电阻温度计，所述精密铂电阻温度计包括外保护管61、石英骨架62、感温元件63、铂引线64和接线片，所述石英骨架62与所述外保护管61间的空隙中填充有绝缘粉末65，所述石英骨架62沿轴向设有两个通孔，所述感温元件63弯曲成U型并设于所述通孔中，所述感温元件63两端分别连接两根所述铂引线64，所述铂引线64另一端连接所述接线片。

优选地，所述绝缘粉末65为氧化镁和石英的混合粉末，所述外保护管61的外径为5-8mm，所述感温元件63的长度为50-70mm，所述铂引线64的长度为1500-2500mm，所述感温元件63由直径为0.06-0.08mm的感温铂丝组成，所述感温铂丝绕制成螺旋状，所述接线片为紫铜接线片。

优选地，感温元件63采用直径0.07mm的高纯度感温铂丝，先绕成螺旋状，然后成“U”字型嵌装在石英骨架62内孔中，感温元件63的长度为60mm，采用无应力结构设计，引线长度为2000mm。为了使铂中的碱金属、剩余的碳氢化合物以及虽处于氧化状态但欠稳定的化合物保持稳定，采用石英外保护管61密封，并在管内充入含有氧气的干燥氦气。为了在测量电阻时消除引线电阻带来的误差，确保测量精度，温度计为四端电阻器，即从感温元件63两端各引出两根引线，外引线末端焊接紫铜接线片，采用耐高温绝缘材料作为引线护套。

组成温度计的所有材料，如感温元件63、引线、石英骨架62、绝缘粉末65、石英外保护管61等，都经过严格的清洗和高温下进行焙烧，并在无尘温箱内进行组装，使其在整个有效使用温度范围内同铂不起反应，从而不污染感温铂丝。制作过程中，为消除绕制变形、震动或高温下的快速冷却而对铂丝产生严重的应力，绕制好的敏感元件先在680℃进行数百小时的退火，拉制成的温度计，再次在锡凝固点退火数百小时，使温度计的电阻值保持稳定。为防止元件分流带来误差，感温元件63、石英骨架62、引线之间，引线与外保护管61间的绝缘电阻大于50MΩ。

所述感温铂丝为PT25标准铂热电阻丝，所述精密铂电阻温度计在无尘环境下采用无应力结构制成。该精密铂电阻温度计的测量精度≤±0.05℃，具有高可靠性、稳定性。

本发明中的空气温度试验箱使用自设计的系统控制软件实现人机交互，采用VC++进行编程，用户通过系统软件设置温度点和控制参数，查看实时温度显示、温度曲线和运行参数。系统软件将用户设置参数通过RS232方式发送给PLC模块，并实时采集PLC模块信息实时显示温场温度、波动度和设备运行参数，绘制实时温度曲线，温度达到恒定值时具有自动提醒，此外，该软件中还能够实现设备的自动保护功能。

所述PLC采用变量模糊PID算法实现温度控制：所述PLC通过所述温度传感器实时采集工作区11温度和循环介质温度，通过模糊PID控制算法，控制制冷装置3、加热器2、循环泵42和变频风机51，实现箱内快速升降温和恒温。

通过高精度并行温场巡检仪，配合特制精密铂电阻温度计，在工作区11内设置9个温度点，测量工作区11的温度波动度和均匀性，参照JJF1101-2003环境试验设备温度、湿度校准规范要求，对箱内工作区11温场均匀性、波动度进行测量验证。

首先在触屏控制软件中设置需要校准的温度点，软件按照设置校准点自动控制试验箱温度，为准确体现试验箱内的温场指标，待试验箱充分稳定后，每两分钟采集一次温度数据，软件同时采集试验箱示值和巡检仪采集9个通道的温度数据，并将这些数据实时显示和绘制温度曲线，并自动保存到数据库中；触屏控制软件对温度曲线进行分析，计算温场波动度、均匀性和不确定度。

分别选择工作区11设定温度为30℃、0℃及70℃，得到温度均匀性测试结果数据，如表一至三，经计算，恒温时本发明提供的空气温度试验箱能够实现温度波动度≤±0.03℃/30min，温度均匀度≤0.05℃。

表一：设定值为30℃时，空气温度试验箱的温度均匀性和波动度测试数据。

标称温度：-30.0℃

温度偏差：-0.03℃

温度均匀度：0.05℃

温度波动度：±0.03℃

表二：设定值为0℃时，空气温度试验箱的温度均匀性和波动度测试数据。

标称温度：0.0℃

温度偏差：0.01℃

温度均匀度：0.03℃

温度波动度：±0.01℃

表三：设定值为70℃时，空气温度试验箱的温度均匀性和波动度测试数据。

标称温度：70.00℃

温度偏差：-0.01℃

温度均匀度：0.05℃

温度波动度：±0.03℃

此外，还测试了空气温度试验箱的升降温速度，如图6所示，升降温速度可达到约0.5℃/min，图6中的温度曲线是在两级覆叠制冷压缩机和辅助压缩机同时工作的条件下获得的。在另一组测试中，单独开启两级覆叠制冷压缩机进行制冷，得到该空气温度试验箱的降温速度可达0.3℃/min。

优选地，所述加热器2包括氧化镁加热棒和填充材料。

优选地，所述温度试验箱的电源装置、制冷装置3、密闭循环罐5、循环泵42设置于所述设备区内，所述触摸显示器安装于所述温度试验箱箱体1外部。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种空气温度试验箱，其特征在于，包括：控制系统、箱体(1)和设置在箱体(1)内腔的加热器(2)、制冷装置(3)、介质循环装置(4)和空气循环装置(5)，所述介质循环装置(4)分别与所述加热器(2)和制冷装置(3)相连；

所述介质循环装置(4)包括依次连接并形成闭合回路的密闭循环罐(41)、循环泵(42)和换热器(43)，所述密闭循环罐(41)与所述制冷装置(3)相连，所述加热器(2)设置于密闭循环罐(41)内；

所述空气循环装置(5)包括变频风机(51)和风道板(52)，所述箱体(1)设有工作区(11)和工作区门(12)，所述换热器(43)、变频风机(51)和风道板(52)设置于所述工作区(11)内。

2.根据权利要求1所述的空气温度试验箱，其特征在于，所述控制系统包括触摸显示器、PLC和温度传感器，所述PLC的指令接收元件与触摸显示器相连，所述加热器(2)的加热控制接口与所述PLC的控制元件相连，所述制冷装置(3)与所述PLC的控制元件相连，所述温度传感器与PLC的数据采集元件相连，所述循环泵(42)包括循环泵变频电机，所述循环泵变频电机与PLC的控制元件相连，所述PLC采用变量模糊P I D算法实现温度控制。

3.根据权利要求2所述的空气温度试验箱，其特征在于，所述制冷装置(3)包括两级覆叠制冷压缩机和辅助压缩机，所述两级覆叠制冷压缩机和辅助压缩机分别与所述PLC的控制元件相连，PLC能够同时启动所述两级覆叠制冷压缩机和辅助压缩机。

4.根据权利要求1、2或3所述的空气温度试验箱，其特征在于，所述工作区(11)内设有与各侧壁位置相应的风道板(52)，所述工作区门(12)与风道板(52)之间存在间距，所述工作区(11)内各侧壁与风道板(52)之间形成导流风道(53)，所述工作区(11)内各侧壁与相应的风道板(52)之间均设有换热器(43)，所述换热器(43)与相应的侧壁间还设置有多孔隔板(54)，所述风道板(52)上还具有风机孔(520)，所述变频风机(51)的进气端通过所述风机孔(520)与风道板(52)相连，所述变频风机(51)的输出端设置于导流风道(53)内，所述变频风机(51)的进气端与所述工作区门(12)相对。

5.根据权利要求4所述的空气温度试验箱，其特征在于，所述工作区(11)的各侧壁外部均设有保温层(13)，所述工作区门(12)与工作区(11)腔室相应的部分采用隔热板制成，所述工作区门(12)与工作区(11)壳体的接触面上设有隔热密封条，所述工作区门(12)上还设有观察窗(120)，所述观察窗(120)与所述工作区门(12)门体的连接处涂有隔热密封胶。

6.根据权利要求5所述的空气温度试验箱，其特征在于，所述介质循环装置(4)中的介质为流体，所述密闭循环罐(41)、循环泵(42)和换热器(43)通过管道连接，所述介质循环装置(4)整体均设有保温棉。

7.根据权利要求2、3、5或6所述的空气温度试验箱，其特征在于，所述温度传感器包括第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器的温度测量元件置于介质中，所述第二温度传感器的温度测量元件设置于工作区(11)内。

8.根据权利要求7所述的空气温度试验箱，其特征在于，所述温度传感器的温度测量元件为精密铂电阻温度计，所述精密铂电阻温度计包括外保护管(61)、石英骨架(62)、感温元件(63)、铂引线(64)和接线片，所述所述外保护管(61)与石英骨架(62)间的空隙中填充有绝缘粉末(65)，所述石英骨架(62)沿轴向设有两个通孔，所述感温元件弯曲成U型并设于所述通孔中，所述感温元件(63)两端分别连接两根所述铂引线(64)，所述铂引线(64)另一端连接所述接线片。

9.根据权利要求8所述的空气温度试验箱，其特征在于，所述绝缘粉末为氧化镁和石英的混合粉末，所述外保护管(61)的外径为5-8mm，所述感温元件(63)的长度为50-70mm，所述铂引线(64)的长度为1500-2500mm，所述感温元件(63)由直径为0.06-0.08mm的感温铂丝组成，所述感温铂丝绕制成螺旋状，所述接线片为紫铜接线片。

10.根据权利要求1、2、3、5、6、8或9所述的空气温度试验箱，其特征在于，所述加热器(2)包括氧化镁加热棒和填充材料。