[发明专利]大容量高精度高温恒温槽

说明书

技术领域：

本发明属于流体热物性研究领域，特别涉及高温高精度流体热物理性质研究。大容量高精度高温恒温槽就是为流体热物理性质研究提供恒定的高温环境的实验设备。

背景技术：

恒温槽是指温度可以调节并能恒定在某一设定温度的实验设备。各种恒温槽广泛使用于生物工程、精细化工、医药食品、冶金、石油、农业等领域，是高等院校、研究院及质检部门等理想的恒温设备。本文研究适用于流体热物性的实验测量的恒温槽。

由于恒温的温度范围不同，恒温槽可分为标准恒温槽(一般是-100℃～300℃)、高温恒温槽(300℃以上)，本文所研制的高温恒温槽温度范围为200℃～500℃。恒温槽又可根据恒温槽内部介质不同进行分类，例如，在0℃～100℃内恒温介质用水，通常称为水槽，而又因为100℃以上的恒温介质不能用水而用油，通常又称为油槽。恒温槽一般都是通过电阻丝来加热、压缩机制冷，配有控温系统控制恒温槽恒定在一个目标温度，从而达到实验的温度要求。

为了满足科学研究和工程的需要，流体热物性研究的温度和压力范围在不断扩展。压力的扩展比起温度扩展要容易的多，目前的研究很容易获得高压下的热物性数据。温度的扩展可以向低温和高温两个方向进行，低温可以用制冷的方法获得，高温可以用加热的方法获得。

通过电加热很容易实现高温，但高温下的温度的稳定和恒温介质的选择是实现高温测量的关键难题。测量高温下流体的热物理性质，对于实验装置及其装置中的各种部件、装置的密封、测量元件、测量导线等都提出了更高的要求。正是由于这些原因，使得目前高温下的流体热物性数据非常稀少。

高温恒温槽的研制有两个关键问题：一是高温恒温槽的恒温介质，二是温度的控制系统及控制方式。

目前，国内外研制的恒温槽的温度上限主要保持在550K以下，这主要是受恒温介质的限制，因为常用的高温恒温槽介质为甲基硅油，最高恒温上限为573K(300℃)。有些气体也可作为高温时的恒问介质，但是稳定波形比较大，不能满足流体热物性测量的稳定度要求。导热溶盐具有良好的热力学特性和稳定性，它可以用于200℃～550℃的温度范围恒温槽的恒温介质，但在温度较高时，它会缓慢的产生热分解，最终导致温度场的稳定性和均匀性下降。另外，它具有很强的吸湿性，必须放置在干燥的地方防止潮解对于热物性测量中，恒温介质应具有良好的理化特性和热力学特性，以便能提供一个理想的、稳定性的温度场和温度范围。对可作为高温恒温介质的侯选物质进行分析比较，目前比较有希望的恒温介质是盐溶液，但盐溶液在温度较高时，会缓慢地产生热分解，最终导致温度场的稳定性和均匀性下降。另外，它具有很强的吸湿性，必须放置在干燥的地方防止潮解。盐溶液有很多种物质，必须对其进行分析比较，筛选出高温恒温槽的恒温介质，筛选时应考虑介质的比热容、导热性、热扩散系数、粘度、体积膨胀系数、闪点、挥发度、焦化时间、凝固点等参数，这些参数往往决定了介质的可用温度范围和所能形成的温度场的稳定性，在此基础上，还应考虑介质的安全性、毒性及经济性。若无纯质介质可供选用，再考虑混合介质或加少量添加剂作为恒温介质，最终得到可用于200～500℃温度范围的恒温槽的恒温介质。本文在高温恒温槽的介质选择上有了很大的突破。

恒温槽的温度控制系统及控制方式直接关系到恒温槽最终的温度的稳定性，高精度的恒温槽对温度控制系统的要求就更加的高，而温控系统却具有非线性，延时大，多干扰，动态和分布变化等特点，这些往往使温度控制系统成为高精度恒温槽研制中的关键问题。众多温度控制方式中，PID温控、模糊控制、模糊控制与PID结合及遗传算法在温度控制中的应用是目前最主要的几种温度控制方式。这些控制方式各有优缺点，在恒温槽的研制过程中，应该主要根据恒温槽的温度波动度标准、恒温槽所处的实验环境以及研制恒温槽的成本等具体问题来考虑温度控制方式的选取。其中，PID温控被广泛的应用，PID温控具备了结构简单、稳定、可靠、易调整、廉价等优点。但是早先的PID控制会有很多问题，其中最主要问题是超调现象，还有作为高温恒温槽的温度控制系统，高温恒温槽的PID参数整定十分困难，恒温槽的参数确定有一定难度。本文选用人工智能温度调节器，它主要采用PID控制与参数自整定相结合的算法，很好的解决了先前PID温控的一些问题，达到了很好的效果。