CN113375839A - 一种精确控温的小流量循环水负载系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种精确控温的小流量循环水负载系统，属于功率测量技术领域，包括流量计、流入口温度计、流出口温度计、水泵、储水罐、制冷机、PID温度控制器、半导体控温器、加热部件和风冷部件；储水罐中的水在水泵的驱动下，依次流经制冷机、水泵、PID温度控制器、流量计、半导体控温器、加热部件和风冷部件后，回到储水罐；流入口温度计和流出口温度计分别设置在加热部件的入口和出口处。与现有技术相比，可测量变温范围大、控温精确度高，解决了现有技术存在的问题，具有突出的实质性特点和显著的进步。

Description

一种精确控温的小流量循环水负载系统

技术领域

本发明属于功率能量测试技术领域，具体涉及一种精确控温的小流量循环水负载系统。

背景技术

水负载常见用于中大功率的测试与应用，用于消耗或吸收注入水体中的电功率。根据工作形式的不同，水负载可分为开放式和密闭式。密闭式水负载较常见的是循环流动工作方式，通过封闭在管道中、循环流动的水体来消耗注入或传到水体的电功率。

如图1所示，是现有技术中流量式量热计的技术方案，冷却液储箱1内的液体在水泵6的驱动下，依次流经流量计2、流入口温度计3、负载4、流出口温度计5、水泵6和热交换器7后，回到冷却液储箱1，其中负载4为电功率加热部件，流量计2测量流量m、流入口温度计3和流出口温度计5分别测量水流在电功率加热部件的入口温度T₁和出口温度T₂，测得的流量m、入口温度T₁和出口温度T₂经信号转换后输入到CPU，CPU通过显示器实时显示T₁、T₂、m等结果，通过串行或并行接口与上位机进行通信。

精确测量出水流在电功率加热部件的入口温度T₁和出口温度T₂的差值，以及流量m的大小，就可按(1)式计算得到水负载吸收电功率的大小，从而用于对直流、低频甚至微波等电功率的精确测量。

P＝cm(T₂-T₁) (1)

式中，c为水的比热容，单位焦耳每克·开尔文(J/g.K)，m为水的质量流量，单位为克每秒(g/s)，T₂与T₁分别为测温传感器在电功率加热部件出口和入口冷却液所测温度，单位是开尔文(K)，推导可以得到式中P的单位为瓦(W)。

美国Bird公司的6091P量热计是准确度较高的一款典型微波中功率量热计产品，出厂说明书给出其采用图1所示的冷却液循环流量式微波负载测量交流和微波功率的大小，功率测范围是10W～200W，最高准确度是±(3％～1.25％)。其采用的冷却液流体是一种混合液体，工作流量范围是(0.284～0.473)L/min，流入、流出口的温差应用范围是(0.38～7.61)℃。6091P量热计在采用精密体积流量计的基础上，通过应用高准确度的热敏电阻温度计精确测量出T₁、T₂，从而依据(1)式测量得到微波功率。没有资料说明6091P量热计对加热部件的冷却液入口温度T₁进行了精确控温，其控温稳定性也未给出量化指标。

综上，现有量热计的流量式循环冷却液负载，存在可测量变温范围小、未做精密控温等问题，限制了微波功率测量精度的进一步提高，需要进行改进。

发明内容

本发明提出一种精确控温的小流量循环水负载系统，目的是解决现有流量式量热计循环冷却液负载的测量变温范围小、微波功率测量准确度不能满足需求的问题。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

由(1)式知：功率的测量准确度受到水的比热容c、质量流量m、以及温差大小(T₂-T₁)的准确性影响。由于水的比热容c随温度是小幅变化的，T₂的大小也随输入电功率P、质量流量m、T₁大小变化，因此为了适用长时间测试和提高功率的准确度，可采用控温系统把水负载的初始温度T₁恒定为某一温度值，这样既可以保证入水口的水的特性如比热容c等参数保持基本一致，又能使系统保持处于一个较稳定热平衡状态，减少不可修正的热量损耗大小，从而提高电功率测量的准确度。具体技术方案如下：

一种精确控温的小流量循环水负载系统，包括流量计、流入口温度计、流出口温度计、水泵、储水罐、制冷机、PID温度控制器、半导体控温器、加热部件和风冷部件；储水罐中的水在水泵的驱动下，依次流经制冷机、水泵、PID温度控制器、流量计、半导体控温器、加热部件和风冷部件后，回到储水罐；流入口温度计和流出口温度计分别设置在加热部件的入口和出口处；经过电功率加热部件后的水流通过风冷部件进行散热、降温再回流至储水罐，储水罐的水在水泵的驱动下流入制冷机，制冷机通过冷媒对水进行制冷；然后通过PID温度控制器把制冷机流出的冷却水的水温调整至接近预先设定的温度值，最后水流在流量计的作用下流入半导体控温器进行精准控温。

进一步地，小流量循环水负载系统还包括调压器，调压器设置在水泵的出口和储水罐的入口之间。

进一步地，小流量循环水负载系统还包括保温管，保温管设置在半导体控温器出水口和加热部件的流入端口之间。

进一步地，流量计采用流量稳定性优于0.2％的精密质量流量控制器。

进一步地，流入口温度计和流出口温度计均采用浸入水体的精密热敏电阻温度传感器，温度分辨率优于0.01℃，准确度不低于±0.03℃，并经过误差一致性筛选。

进一步地，半导体控温器采用具有PID自整定功能的半导体精密控温模块，半导体控温器的控温稳定性不低于±0.02℃。

进一步地，制冷机的制冷温度设置值低于期望值温度(5～15)℃。

进一步地，PID温度控制器具有自整定功能，PID温度控制器把水温稳定控制在比期望值温度低(1～4)℃的范围内。

进一步地，储水罐中的水量不低于1L。

进一步地，电功率加热部件是一种具有液体流入、流出口的腔体结构形式的吸热、换热部件，并采取了隔热措施减少环境温度对其影响。

本发明所取得的有益技术效果是：

采用本发明提出的技术方案，可以把流量为20g/min～240g/min的小流量循环水负载系统的加热部件流入口温度恒定为室温附近温度，温度波动性优于±0.02℃；在加热部件出入水口的温差变化(0～10℃)范围内，能使温差测量的稳定性达到±0.02℃，为流量式量热计精密测量电功率实现0.5％的标准测量不确定度提供了关键技术保证。

与现有技术相比，该精确控温小流量循环水负载系统可测量变温范围大、控温精确度高，解决了现有技术存在的问题，具有突出的实质性特点和显著的进步。

附图说明

图1是现有技术中流量式量热计的原理示意图；

图2是本发明其中一种具体实施例的系统结构示意图；

附图标记：1、冷却液储箱；2、流量计；3、流入口温度计；4、负载；5、流出口温度计；6、水泵；7、热交换器；21、储水罐；22、制冷机；23、调压器；24、PID温度控制器；25、半导体控温器；26、保温管；27、加热部件；28、风冷部件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域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，都属于本发明要求保护的范围。

如图2所示，一种精确控温的小流量循环水负载系统的具体实施例，包括流量计2、流入口温度计3、流出口温度计5、水泵6、储水罐21、制冷机22、调压器23、PID温度控制器24、半导体控温器25、保温管26、加热部件27和风冷部件28。

本具体实施例中采用密闭式水循环，储水罐21中的水在水泵6的驱动下，依次流经制冷机22、水泵6、PID温度控制器24、流量计2、半导体控温器25、保温管26、加热部件27和风冷部件28后，回到储水罐21。

本具体实施例中储水罐21中的水量不小于1L。经过加热升温后的水通过风冷部件28散热后流入储水罐21，储水罐21中原有水体因显著多于流入的热水体积，对较高温差的流入热水有降温作用。

本具体实施例中储水罐21中的水在水泵6的驱动下流出并进入制冷机22，制冷机22的制冷温度设置值低于期望值温度即T，本具体实施例中制冷机22的制冷温度设置值比T低(5～15)℃左右。

本具体实施例中在水泵6出水口后设置有调压器23，目的是给后端流量计2提供合适的工作压力，并把多余的水回流至储水罐21，加速水温控制，实现大温差调控目标。

本具体实施例中采用具有自整定功能的PID温度控制器24把水温稳定控制在比T略低的温度值，本具体实施例中控制在比T低(1～4)℃的范围内。

本具体实施例中调压器23设置在水泵6的出口和储水罐21的入口之间，流入口温度计3和流出口温度计5分别设置在加热部件27的入口和出口处。流量计2测量流量m'、流入口温度计3和流出口温度计5分别测量水流在加热部件27处的入口温度T₁'和出口温度T₂'。

本具体实施例中流量计2采用流量稳定性优于0.2％的精密质量流量控制器，目的是确保流入加热部件27入口的水流质量保持一个比较稳定的状态。本具体实施例中流入口温度计3和流出口温度计5采用浸入水体的精密热敏电阻温度传感器，温度分辨率优于0.01℃，准确度不低于±0.03℃，并有较好的误差一致性。

经过电功率加热部件27后的水流通过风冷部件28进行散热、降温再回流至储水罐21，储水罐21的水在水泵6的驱动下流入制冷机22，制冷机22通过冷媒对水进行制冷；然后通过PID温度控制器24把制冷机22流出的冷却水的水温调整至接近预先设定的温度值T，最后水流在精密质量流量控制器流量计2的作用下以精密的流量流入精密半导体控温器25进行精准控温。从精密半导体控温器25流出的冷水再经过一小段采取了隔热措施的保温管26后流入加热部件27的入口，从而实现了电功率加热部件27入口处水温T₁'的具有较高的稳定性。

本具体实施例中精密半导体控温器25采用具有PID自整定功能的半导体精密控温模块进行最后控温，控温值设定为T，控温稳定性不低于±0.02℃。

本具体实施例中在精密半导体控温器25出水口与电功率加热部件27流入端口之间设置了采取完善隔热措施的保温管26，目的是减少热量损耗和外部温度对入口温度干扰。

本具体实施例中对电功率加热部件27采取了包覆保温材料等隔热措施，目的是减少环境温度对其影响。

本具体实施例中先采用粗略制冷把经过电功率加热部件27后升温的水温降至期望的加热部件27入口温度值附近，然后采用精密控温部件把流水温度精确控制为期望的温度值，最后采取良好的隔热措施来确保加热部件27入口水流的温度波动不大于±0.02℃。

本具体实施例取得了如下有益技术效果：

采用本具体实施例所述技术方案，可以把流量为20g/min～240g/min的小流量循环水负载系统的加热部件流入口温度恒定为室温附近温度，温度波动性优于±0.02℃；在加热部件出入水口的温差变化(0～10℃)范围内，能使温差测量的稳定性达到±0.02℃，为流量式量热计精密测量电功率实现0.5％的标准测量不确定度提供了关键技术保证。

与现有技术相比，可测量变温范围大、控温精确度高，为流量式量热计精密测量电功率实现0.5％的标准测量不确定度提供了关键技术保证，解决了现有技术存在的问题，具有突出的实质性特点和显著的进步。

Claims (10)

1.一种精确控温的小流量循环水负载系统，其特征在于，包括流量计(2)、流入口温度计(3)、流出口温度计(5)、水泵(6)、储水罐(21)、制冷机(22)、PID温度控制器(24)、半导体控温器(25)、加热部件(27)和风冷部件(28)；

所述储水罐(21)中的水在水泵(6)的驱动下，依次流经制冷机(22)、水泵(6)、PID温度控制器(24)、流量计(2)、半导体控温器(25)、加热部件(27)和风冷部件(28)后，回到储水罐(21)；

所述流入口温度计(3)和流出口温度计(5)分别设置在加热部件(27)的入口和出口处；经过电功率加热部件(27)后的水流通过风冷部件(28)进行散热、降温再回流至储水罐(21)，储水罐(21)的水在水泵(6)的驱动下流入制冷机(22)，制冷机(22)通过冷媒对水进行制冷；然后通过PID温度控制器(24)把制冷机(22)流出的冷却水的水温调整至接近预先设定的温度值，最后水流在流量计(2)的作用下流入半导体控温器(25)进行精准控温。

2.根据权利要求1所述的一种精确控温的小流量循环水负载系统，其特征在于：所述精确控温的小流量循环水负载系统还包括调压器(23)，所述调压器(23)设置在水泵(6)的出口和储水罐(21)的入口之间。

3.根据权利要求2所述的一种小流量循环水负载的精确控温系统，其特征在于：所述精确控温的小流量循环水负载系统还包括保温管(26)，所述保温管(26)设置在半导体控温器(25)出水口和加热部件(27)的流入端口之间。

4.根据权利要求3所述的一种精确控温的小流量循环水负载系统，其特征在于：所述流量计(2)采用流量稳定性优于0.2％的精密质量流量控制器。

5.根据权利要求4所述的一种精确控温的小流量循环水负载系统，其特征在于：所述流入口温度计(3)和流出口温度计(5)均采用浸入水体的精密热敏电阻温度传感器，温度分辨率优于0.01℃，准确度不低于±0.03℃，并经过误差一致性筛选。

6.根据权利要求5所述的一种精确控温的小流量循环水负载系统，其特征在于：所述半导体控温器(25)采用具有PID自整定功能的半导体精密控温模块，所述半导体控温器(25)的控温稳定性不低于±0.02℃。

7.根据权利要求6所述的一种精确控温的小流量循环水负载系统，其特征在于：所述制冷机(22)的制冷温度设置值低于期望值温度(5～15)℃。

8.根据权利要求7所述的一种精确控温的小流量循环水负载系统，其特征在于：所述PID温度控制器(24)具有自整定功能，所述PID温度控制器(24)把水温稳定控制在比期望值温度低(1～4)℃的范围内。

9.根据权利要求8所述的一种精确控温的小流量循环水负载系统，其特征在于：所述储水罐(21)中的水量不低于1L。

10.根据权利要求9所述的一种精确控温的小流量循环水负载系统，其特征在于：所述电功率加热部件(27)是一种具有液体流入、流出口的腔体结构形式的吸热、换热部件，并采取了隔热措施减少环境温度对其影响。

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