CN113551795B - 一种标准电阻恒温槽用温度滤波装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提出了一种基于热管技术的标准电阻恒温槽用温度滤波装置，所述标准电阻恒温槽用温度滤波装置包括蒸发段、绝热段、冷凝段、抽真空/充注管、保温盖和工质。本申请将热管技术用于标准电阻器用恒温槽，与传统恒温槽相比，将显著提高标准电阻器温度的稳定性和均匀性，温度稳定性可提高一个数量等级。标准电阻器温度温度稳定性和均匀性的提高，可显著提高交流/交流精密电桥在温度测量过程中的精确性。同时，该标准电阻恒温槽用温度滤波装置，具有结构简单，尺寸易调整，成本低廉，使用方便等特点，具有广阔的应用前景。

Description

一种标准电阻恒温槽用温度滤波装置
技术领域
本发明涉及一种温度滤波装置,用于精密电桥温度测量中标准电阻器的恒温源。
背景技术
根据ITS-90规定，标准铂电阻温度计作为内插仪器用于-259.3467℃到961.78℃的温度复现。故在此温度区间内，温度的测量取决于电阻的测量。在ITS-90规定的温度固定点校准标准铂电阻温度计时，国家级标准计量部门常采用高精密的直流或者交流电阻对比电桥。根据电桥的测量原理可知，电桥在运行过程中，需要将标准电阻器的阻值作为对比参考。标准电阻器和一定温度下标准铂电阻温度计的电阻值的函数关系为：Rs(t)＝Rref[1+α(t-tref)+β(t-tref)2]，其中α，β为温度系数，Rref为在校准温度tref时的电阻值。从公式可以看出，电阻测量值对温度系数和温度变化有一定的敏感性。因此，标准电阻温度的稳定性对保证温度的高精密测量至关重要。
目前，常见的标准电阻恒温装置主要有油槽、空气槽和保温良好的恒温器。控制温度通常设在20℃和23℃。在我国，标准电阻器的控制温度为20℃。为了实现温度稳定控制在室温范围，恒温槽通常设置加热和冷却两套系统，为了提高温度的均匀性，通常采用搅拌。为了提高恒温槽的温度控制精度，常采用价格昂贵的温度控制器，这显著增加了恒温槽的制造成本。因而，如何加工制造控温精度高且价格便宜的恒温槽，是亟待解决的现实问题。
在温度测量校准领域，热管技术常被用于高温炉和黑体辐射炉的炉衬，以此来提高电加热路温场的均匀性。但是，将热管技术用于标准电阻恒温槽，仍不见有报道。
发明内容
为了提高标准电阻恒温槽温度的稳定性，本发明设计了一种基于热管技术的标准电阻恒温槽用温度滤波装置。
所述标准电阻恒温槽用温度滤波装置包括蒸发段、绝热段、冷凝段、抽真空/充注管、保温盖和工质。
其中，蒸发段包括外筒体下端盖、外筒体的下部和外筒体吸液芯。所述外筒体吸液芯设置在外筒体下部的内壁和外筒体下端盖的上表面上。
所述绝热段包括上端盖和外筒体的上部，绝热段的内表面未加工吸液芯结构。
所述冷凝段包括内筒体、内筒体下端盖和内筒体吸液芯，所述内筒体吸液芯设置在内筒体的外壁和内筒体下端盖的下表面上,所述外筒体和内筒体的上部通过上端盖密封。
所述蒸发段、绝热段和冷凝段通过焊接的方式依次连通，所述外筒体的内壁、外筒体下端盖的上表面、内筒体的外壁、内筒体下端盖和上端盖围成温度滤波装置的工作腔，构成了封闭空间。所述内筒体吸液芯和外筒体吸液芯可采用单一吸液芯和复合吸液芯，所述单一吸液芯包括丝网结构、槽道结构、烧结结构，所述复合吸液芯包括以上多种形式组合的复合结构。抽真空/充注管的位置可选择地设置在外筒体、外筒体下端盖、上端盖等位置。充注的工质可以为去离子水、酒精、丙酮等中温用热管工质。
所述内筒体中部具有中空等温腔体，用于放置标准电阻，所述等温腔体的上部设置有保温盖，所述保温盖用于隔绝所述等温腔体与外界的热交换。
优选地，本申请的温度滤波装置选用去离子水作为工质。
优选地，所述温度滤波装置由金属材料(如不锈钢、铜、钛合金等)加工而成，内筒体和外筒体的壁厚均为2mm，外径分别为115mm和150mm，高度分别为179mm和238mm。内筒体下端盖和外筒体下端盖的厚度分别为5mm，外径分别为115mm和150mm。上端盖厚度5mm，内径和外径分别为115mm和150mm。抽真空/充注管的壁厚为1mm，外径为6mm。所有的金属零件采用焊接组装。保温盖为20mm厚直径为115mm的保温塑料圆盘，其中心开有直径为10mm的中心孔，所述中心孔用保温棉堵塞。装置组装完成后，通过抽真空/充注管对装置进行抽真空处理，待腔体内部不凝性气体充分排出，直至达到热管充注要求后，方可充注约180ml的去离子水，充注后，腔体内液柱高度越为10mm，然后对抽真空/充注管进行焊接密封。
所述蒸发段吸液芯和冷凝段吸液芯均为三层200目的不锈钢丝网，所述丝网通过点焊的方式焊接在蒸发段和冷凝段的内壁面。所述内筒体下端盖与外筒体下端盖之间的距离为h，充液高度为0.5h。
本申请将热管技术用于标准电阻器用恒温槽，与传统恒温槽相比，将显著提高标准电阻器温度的稳定性和均匀性，温度稳定性可提高一个数量等级。标准电阻器温度温度稳定性和均匀性的提高，可显著提高交流/交流精密电桥在温度测量过程中的精确性。同时，该标准电阻恒温槽用温度滤波装置，具有结构简单，尺寸易调整，成本低廉，使用方便等特点，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为根据本发明的标准电阻恒温槽用温度滤波装置的整体结构示意图；
图2为本发明标准电阻恒温槽用温度滤波装置两种不同结构示意图；
图3为不锈钢材质加工的标准电阻恒温槽用温度滤波装置实物图
图4为采用该标准电阻恒温槽用温度滤波装置后，标准电阻器温度稳定性的测量结果。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明进行进一步说明。
图1为本发明的标准电阻恒温槽用温度滤波装置的整体结构示意图，所述温度滤波装置包括蒸发段1、绝热段2、冷凝段3、抽真空/充注管4、保温盖5、工质10，其形成一个热管结构。
其中，蒸发段1包括外筒体下端盖11、外筒体7的下部和外筒体吸液芯13。所述外筒体吸液芯13设置在外筒体7下部的内壁和外筒体下端盖11的上表面上，所述外筒体吸液芯13的设计有利于热管的启动。
所述绝热段2包括上端盖6和外筒体7的上部，绝热段2的内表面未加工吸液芯结构。
所述冷凝段3包括内筒体8、内筒体下端盖9和内筒体吸液芯12，所述内筒体吸液芯12设置在内筒体8的外壁和内筒体下端盖9的下表面上,所述内筒体吸液芯12可有效提高内筒体8的外壁和内筒体下端盖9的下表面上工作液膜的均匀性，并以此有效提高本申请温度滤波装置的温度均匀性。同时，液膜厚度的增加，也增强了本装置抵抗外界温度波动干扰的能力。所述外筒体7和内筒体8的上部通过上端盖6密封。
所述蒸发段1、绝热段2和冷凝段3通过焊接的方式依次连通，所述外筒体7的内壁、外筒体下端盖11的上表面、内筒体8的外壁、内筒体下端盖9和上端盖6围成温度滤波装置的工作腔，构成了封闭空间。所述内筒体吸液芯12和外筒体吸液芯13可采用单一吸液芯和复合吸液芯，所述单一吸液芯包括丝网结构、槽道结构、烧结结构，所述复合吸液芯包括以上多种形式组合的复合结构。抽真空/充注管4的位置可选择地设置在外筒体7、外筒体下端盖11、上端盖6等位置。充注的工质可以为去离子水、酒精、丙酮等中温用热管工质。
所述内筒体8中部具有中空等温腔体，用于放置标准电阻，所述等温腔体的上部设置有保温盖5，所述保温盖5用于隔绝所述等温腔体与外界的热交换。
为了解决恒温槽对标准电阻器温度不均匀性的影响，采用温度滤波器将标准电阻器和恒温槽导热工质隔开，避免恒温槽内温度不均匀的流动工质直接和标准电阻器接触，从而减小恒温槽内温场的不均匀性对标准电阻器的影响。由热管运行原理可知，在热管高度较小且整体传热量不大的情况下，空腔内蒸汽在垂直方向上因重力引起的压差和蒸汽沿流动方向引起的压差均可忽略不计，空腔内蒸汽压力处处相等，所以内筒体内壁温度处处相等，从而有效提高了内筒体内液体温度的均匀性。
为了解决恒温槽对标准电阻器温度不稳定性的影响，本申请采用相变传热和调整热流输入密度的方案。相变传热具有较大的汽化潜热，且在相变过程中能够保持温度恒定，因而具有很强的蓄热能力，在一定程度上相当于增强了标准电阻器整体的热容。内筒体腔内和标准电阻器外的工质，也在一定程度上起到了增大标准电阻器热容的作用。特别是热管蒸发段液态工质通过外筒体下端面及外筒体浸润部分与恒温槽流动工质换热，换热面积明显小于冷凝段内筒体和内筒体下端面总表面积，所以，在蒸发段从恒温槽输入的热流密度在传递过程至冷凝段表面时被分散降低，在一定程度上抑制了恒温槽温度波动的影响。非浸润的外筒体上部内壁没有设置吸液芯，其与蒸汽工质相接触，传热能力较差，特别是在蒸汽密度较低时，在一定程度上起到了杜瓦瓶的作用。
优选实施例中，本申请的温度滤波装置选用去离子水作为工质，工质选用去离子水有以下优势：去离子水在标准电阻器常用控温20℃和23℃适用，且价格便宜易获得、安全稳定性能好。与其它适用工质相比，水工质具有更大的相变潜热，对恒温槽的温度波动具有更好的吸收消纳，从而进一步降低恒温槽温度波动对标准电阻温度的影响。此外，水蒸汽压力、密度更低，其导热或自然对流传热系数更低，绝热段可表现出更好的保温性能。
在本实施例中，如图2所示，整个温度滤波装置由金属材料(如不锈钢、铜、钛合金等)加工而成，内筒体8和外筒体7的壁厚均为2mm，外径分别为115mm和150mm，高度分别为179mm和238mm。内筒体下端盖9和外筒体下端盖11的厚度分别为5mm，外径分别为115mm和150mm。上端盖6厚度5mm，内径和外径分别为115mm和150mm。抽真空/充注管4的壁厚为1mm，外径为6mm。所有的金属零件采用焊接组装。保温盖为20mm厚直径为115mm的保温塑料圆盘，中心开孔直径为10mm，在使用过程中，中心孔用保温棉堵塞。装置组装完成后，通过抽真空/充注管4对装置进行抽真空处理，待腔体内部不凝性气体充分排出，直至达到热管充注要求后，方可充注约180ml的去离子水，充注后，腔体内液柱高度越为10mm，然后对抽真空/充注管4进行焊接密封。
本申请的温度滤波装置中的工质的充灌量是非常重要的，工质过多或过少都会影响温度滤波装置的均温性能，实验表明，充液过少，传热性能降低；充液过多，液体上部将与内筒体下端盖9连通，液体工质作为液桥，将恒温槽的温度波动很快传至标准电阻器，致使标准电阻器的温度稳定性下降。
如图3所示，其为根据图1设计加工的不锈钢温度滤波装置，蒸发段吸液芯13和冷凝段吸液芯12均为三层200目的不锈钢丝网，丝网通过点焊的方式焊接在不锈钢内壁面。所述内筒体下端盖9与外筒体下端盖11之间的距离为h，实验表明，充液高度为0.5h时，温度滤波装置具有较好的性能。图4为充液高度为0.5h时的实验结果，从图中可以看出，采用不锈钢温度滤波装置后，标准电阻用恒温槽17小时内的温度稳定性由±0.5℃提高到±0.004℃。
本领域技术人员可以理解，以上仅为本申请优选的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可想到变化或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于热管技术的标准电阻恒温槽用温度滤波装置，其特征在于，
所述标准电阻恒温槽用温度滤波装置包括蒸发段、绝热段、冷凝段、抽真空/充注管、保温盖和工质；
所述蒸发段包括外筒体下端盖、外筒体的下部和外筒体吸液芯，所述外筒体吸液芯设置在外筒体下部的内壁和外筒体下端盖的上表面上；
所述绝热段包括上端盖和外筒体的上部，绝热段的内表面未加工吸液芯结构；
所述冷凝段包括内筒体、内筒体下端盖和内筒体吸液芯，所述内筒体吸液芯设置在内筒体的外壁和内筒体下端盖的下表面上,所述外筒体和内筒体的上部通过上端盖密封；
所述蒸发段、绝热段和冷凝段通过焊接的方式依次连通，所述外筒体的内壁、外筒体下端盖的上表面、内筒体的外壁、内筒体下端盖和上端盖围成温度滤波装置的工作腔，构成了封闭空间；
所述内筒体中部具有中空等温腔体，用于放置标准电阻，所述等温腔体的上部设置有保温盖，所述保温盖用于隔绝所述等温腔体与外界的热交换。
2.如权利要求1所述的标准电阻恒温槽用温度滤波装置，其特征在于，
所述内筒体吸液芯和外筒体吸液芯可采用单一吸液芯或复合吸液芯，所述单一吸液芯包括丝网结构、槽道结构或烧结结构，所述复合吸液芯包括以上至少两种单一吸液芯组合的复合结构。
3.如权利要求1所述的标准电阻恒温槽用温度滤波装置，其特征在于，所述抽真空/充注管的位置设置在外筒体、外筒体下端盖或上端盖上。
4.如权利要求1所述的标准电阻恒温槽用温度滤波装置，其特征在于，充注的工质为去离子水、酒精或丙酮。
5.如权利要求1所述的标准电阻恒温槽用温度滤波装置，其特征在于，所述温度滤波装置由不锈钢、铜或钛合金加工而成，内筒体和外筒体的壁厚均为2mm，外径分别为115mm和150mm，高度分别为179mm和238mm；内筒体下端盖和外筒体下端盖的厚度分别为5mm，外径分别为115mm和150mm；上端盖厚度5mm，内径和外径分别为115mm和150mm；抽真空/充注管的壁厚为1mm，外径为6mm；所有的零件采用焊接组装；保温盖为20mm厚直径为115mm的保温塑料圆盘，其中心开有直径为10mm的中心孔，所述中心孔用保温棉堵塞；装置组装完成后，通过抽真空/充注管对装置进行抽真空处理，待腔体内部不凝性气体充分排出，直至达到热管充注要求后，充注180ml的工质，充注后，腔体内液柱高度为10mm，然后对抽真空/充注管进行焊接密封。
6.如权利要求1所述的标准电阻恒温槽用温度滤波装置，其特征在于，所述蒸发段吸液芯和冷凝段吸液芯均为三层200目的不锈钢丝网，所述丝网通过点焊的方式焊接在蒸发段和冷凝段的内壁面；所述内筒体下端盖与外筒体下端盖之间的距离为h，充液高度为0.5h。
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