摘要：恒温槽可以为计量器具的检定或校准提供温度基准环境，但传统恒温槽的不便携带和低集成化已不能满足一些计量器具的现场自动检定或校准。针对这一问题，设计了一种集成了多功能电测仪器和温度控制模块、可实现现场自动检定或校准的高精度便携式恒温槽。首次在便携恒温槽中采用侧面搅拌技术设计，保证了温场的高质量，并使恒温工作区域的有效工作深度提高至200 mm，克服了被检计量器具因插入深度不足对计量结果造成的影响。采用局部控温散热设计，减少了高温环境时对仪器仪表的影响，提高了检定或校准的精度。实验结果表明，恒温槽工作温场范围为50℃～300℃，水平最大温差优于0.005℃，均匀性优于0.01℃，波动性优于0.03℃/10 min.。利用该集成化恒温槽实现了一体化温度变送器的现场自动校准，其扩展不确定度优于0.08℃（k=2）。此外，该集成化恒温槽在中温热电偶和热电阻的现场自动校准和检定中也极具应用前景。
关键词：温度计量；恒温槽；集成化；侧搅拌；均匀性；波动性
中图分类号：TH811TB942文献标志码：A
恒温槽可以提供稳定可靠的温度基准环境，以满足各种温度计量器具检定或校准的需要[1， 2]。实验室所使用的恒温槽主要有超低温液氮槽、低温酒精槽、水浴恒温槽、硅油恒温槽、硝盐恒温槽和碳硅管槽等。随着集成电路和仪器仪表自动控制技术的发展，越来越多的计量仪器实现的自动检定或校准，结束了人工计算大量数据的历史。同时，为了减少运输对于计量器具的性能造成的影响，在某些特定的应用场合，需要计量器具的现场检定或校准。在这种情况下，便携式恒温槽获得广泛推广应用[3]。
目前现场检定或校准使用的恒温设备主要有便携式恒温槽和干体式恒温校准器。现有便携式恒温槽多采用磁耦合搅拌的方式，搅拌扇叶位于恒温工作腔的底部，限制了计量器具的插入深度，最终影响到仪器的计量精度。干体式恒温校准器以空气为介质，受空气介质热力学性质和环境温度影响，其轴向和径向热传导等都降低了温场的质量，在一些高精度计量器具的检定或校准应用中受到限制。因此，研制一种新型的高精度、高度集成化的便携式恒温槽是实现一些计量器具现场自动检定或校准的趋势要求。
研制出一种基于侧面搅拌技术设计和局部控温散热技术的高精度、集成化便携式恒温槽。首次将侧面搅拌技术应用于便携式恒温槽，即保证了温场具有良好的均匀性和波动性，同时将工作腔的有效工作深度延深至200 mm，避免了被检计量器具传感器因插入深度不足对测量结果带来的影响[4]。同时，集成了多功能电测仪表和被检计量器具的供电模块，可以实现其现场的自动检定或校准。依据《恒温槽技术性能测试规范》测量了所设计的恒温槽的温馨均匀性和波动性，均达到较高水平。研究还以一体化温度变送器为例，进行了校准实验，其扩展不确定度不亚于实验室的大型校准系统[5]。该高精度集成化便携式恒温槽在工业热电阻和中温热电偶的现场自动检定或校准中也极具前景。
1 集成化便携恒温槽结构设计
集成化的恒温槽结构示意图如图1所示。该恒温槽集成了多功能电测仪表、被检计量器具的供电模块和恒温工作区域的温控模块。首次在便携式恒温槽中采用侧面搅拌技术，保证温场高质量的同时，延深了工作腔体的有效工作深度。采用区域控温和散热技术，隔热层有效阻隔了恒温工作区域向电测仪表区的热传递，使电测仪表区的环境温度维持在合理水平，保证了其测量精度。
如图1所示，恒温工作区域的温场由温控模块分析处理控温铂电阻所采集的数据来完成控制。设定所需温度点后，温控模块通过加热电阻丝来升高工作区域的温度。同时，搅拌电机开始工作，以保证工作区域温场的均匀性和波动性符合要求。由标准铂电阻温度计和温控模块实现温场条件的自动判定，标准铂电阻将测量数据送往温度模块进行分析，当其符合检定或校准条件后，多功能电测仪表将实时处理和显示标准铂电阻温度计和被检计量器具的测量数据，并通过I/O数据接口送往计算机中的预设程序进行分析处理，给出最终检定或校准结果。设计的恒温槽采用硅油作为工作介质，可以提供50～300℃范围内的基准温度（最佳工作温度范围为80～250℃时，温场条件较佳），可实现一些计量器具的现场自动高精度检定或校准，能够满足量值传递过程对标准裝置较高的性能要求。
集成化便携式恒温槽具体参数如下：
外形尺寸：43cm×25cm×50cm；直径为55mm、工作深度为200mmm；恒温工作腔体尺寸：；恒温工作区域容积：约1.2 L；自重15 kg；总功率：1 kW；温度设定分辨率：0.001℃；升温速率：10℃ /min.；降温速率：平均约2℃/min.。
1.1 侧面搅拌技术设计
如图2所示，恒温工作区域主要包括控温铂电阻、侧面搅拌结构（由加热电阻、搅拌电机和搅拌扇叶构成）和恒温工作腔体（包括腔体外壁、孔状内壁顶部孔状封盖）。搅拌扇叶在电机带动下，促使加热电阻丝附近的工作介质和恒温工作腔体中的工作介质通过孔状内壁和底部连通口流动交换，从而使温场达到一个稳定状态。
本研究在便携式恒温槽中采用了侧面搅拌技术设计，与现有的便携式恒温槽所采用的磁力搅拌技术相比，扇叶搅拌增强了搅拌力度，使工作介质流动和交换更为充分，有助于提高恒温工作区域温场波动性性能指标。更为重要的是，搅拌结构安装于恒温工作腔体的侧面，使工作腔体有效工作深度延深至200 mm，克服了被检计量器具因插入深度不足对计量结果造成的影响。
1.2 局部控温和散热设计
如图1所示，由于恒温槽将电测仪表等仪器设备与恒温工作区域集成于一体，而电测仪表受温度影响环境较大，特别是工作腔体温度较高时（最高工作温度为300℃）。为克服这一难题，在恒温工作区域外部设计了包裹保温外壁，以实现局部控温。保温外壁由多层介质构成，自内至外以次是泡沫保温层、真空层、纳米陶瓷保温层和外泡沫保温层。保温层设计不仅有效阻隔了恒温工作区域向电测仪表区域的热传递，而且还可以减少恒温工作区域与外部环境的热传递，有助于将温场保持在一个较为稳定的状态，有助于提高其波动性技术性能。此外，恒温工作区域底安装了风冷散热系统，可快实现多余热量的有效排放。实验结果表明，当恒温工作区域设定温度为300℃，连续工作30 min时，电测仪表区的温度不高于50℃。
2 恒温槽技术性能测试
依据JJF 10302010 《恒温槽技术性能测试规范》对设计的集成化恒温槽的温场技术性能进行测试。测试项目主要包括波动性和均勻性，其中均匀性还包括上水平面温差、下水平面温差和工作区域最大温差。测试温度点包括100℃、150℃、200℃、250℃和300℃。
2.1 温度波动性测试
将电测仪表开机预热30 min，使恒温槽处于正常工作状态，且工作介质液面处于规定位置。待恒温工作区域达到设定温度10 min后，且标准器读取的实际温度会值与设定测试点温度偏离不超过±0.02℃时，开始读数。读数频率为6/min，持续10 min。读取数值的最大值与最小值的温度差值即为设定测试点的温度波动性，测量结果如下表1所示。在测试温度点100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃和300 ℃，每10 min.的波动性依次为0.02℃、0.02℃、0.02℃、0.03℃和0.03℃。
因此，该恒温槽的温度波动性优于0.03℃/10min。此外，依据JJF 1030—2010测试规范的不确定度评定方法，本次恒温槽5个温度点的波动性测量结果的最大扩展不确定度为0.006℃（k=2）。
2.2 温度均匀性测试
温度均匀性测试包括上水平面最大温差、下水平面最大温差和工作区域最大温差。依据JJF 1030—2010测试规范选择测量位置，并固定好两支测量温度计的位置。待恒温工作区域达到设定温度10 min后，且标准器读取的实际温度会值与设定测试点温度偏离不超过±0.02 ℃时，按照测试规范的要求开始交替读数，取相同位置4次读数的平均值作为计算数值。5个测试温度点的均匀性测试结果如表2所示。5个温度点的上水平面的最大温差、下水平的最大温差和工作区域的最大温差（垂直温差）分别为0.005℃、0.005℃和0.01℃。因此，恒温槽的温度均匀性优于0.01℃。此外，依据JJF 1030—2010测试规范的不确定度评定方法，本次恒温槽5个温度点的均匀性测量结果的最大扩展不确定度为0.005 ℃（k=2）。
3 集成化恒温槽应用示例
利用设计的高精度集成化便携恒温槽对一体化温度变送器进行了校准实验，并与传统实验室用大型校准系统的实验结果进行了分析对比[6]。
该一体化温度变送器为02级与Pt100热电阻配用，测量范围为0～300℃（本实验中实测温度范围为100～300℃），输出电流为4～20 mA。
3.1 一体化温度变送器的现场自动校准实验
连接被检供电模块与一体化温度计，并将标准铂电阻温度计和被校一体化温度计与多功能电测仪表相连。设定所需温度，由控温铂电阻和控温模块对恒温槽温度进行调节，同时利用标准铂电阻反馈的测量数据判定温场条件符合校准规范的要求（实测与设定温差，且10分钟内温度变化）后，通过I/O数据接口，将数据写入计算机预定程序进行分析处理，并给出校准结果。
实验还利用传统的实验室用大型一体化温度变送器校准装置（由实验室用大型恒温槽、体积较大的24 V供电电源、大型测阻仪表和标准铂电阻构成，该校准系统接线复杂，且不便移动，只能用于温度计的室内检测。）对相同的被校一体化温度变送器进行了测量。两套校准系统的溯源绝对误差曲线与校准温度点的关系如图3所示。结果表明，设计的集成化便携恒温槽校准系统的传统的实验室大型校准系统的测量结果基本一致，其性能指标可以满足量值传递的精度要求。两套系统均在200℃校准点溯源误差较小，在最高温度校准点300℃溯源误差最大。这应该与系统的可靠性，特别是工作介质硅油的温度特性有关。
3.2 测量结果不确定度分析
测量结果不确定度主要包括被校一体化温度变送器计数重复性引入的u（T），在200℃温度校准点，其值为4.3 mK；此外，还包括标准铂电阻、电阻测量、电流测量和恒温温场引入的不确定度，其值依次为u（b）=42mK、u（Ω）=289mK、u（I）=54mK和u（t）=124mK。计算可得一体化温度变送器在200℃校准点的测量结果扩展不确定度U=0.07（k=2）。同样，可以计算出在100、150、250和300校准点的扩展不确定依次为0.07、0.07、0.07、0.08和0.08（k=2）。因此，该装置测量结果的扩展不确定度U=0.08（k=2）。
4 结论
设计了一种新型的高精度集成化便携式恒温槽，采用侧搅拌技术设计方案，保证了恒温槽温度均匀性和波动性，且将工作腔的有效工作深度增加至200 mm。区域控温设计减少了高温环境对集成仪器仪表的影响，从而减少了计量器具检定或校准时的干扰。实验测量研究了恒温槽温场条件，包括波动性和均匀性。实验结果表明，恒温槽温场的上水平最大温差优于0005℃、下水平面最大温差优于0.005℃、均匀性优于0.01℃，波动性优于0.03℃/10min。最后，利用设计的高精度集成化恒温槽对一体化温度变送器进行了校准试验，并将实验结果与传统的校准设备进行了对比分析。结果表明，设计的新型便携式恒温槽校准系统的扩展不确定度优于0.08℃（k=2），可以满足一体化温度变器的现场自动校准需要。更换相关电测设备后，该集成化便携式恒温槽还可以应用于如工业热电阻和中温热电偶等计量器具的现场自动检定或校准。
参考文献：
[1]吴江涛，刘志刚，王凤坤，等.一种新的高精度流体热物性测试用低温恒温槽的研制[J].西安交通大学学报，2004，38（5）：504507.
[2]张克，王建科.标准恒温槽的应用与研究[C].中国北京：第五届全国温度测量与控制技术学术会议，2007.
[3]王涛，李艾华，王旭平，等.一种小型化便携式恒温槽的设计[J].计量与测试技术，2012，39（8）：34.
[4]沈文杰，蒋静，田昀，孙浩，余松林.温场均匀的便携式恒温槽[P].中国专利CN204485896U， 2015.
[5]蒋静，田昀，沈文杰，孙浩，余松林.一体化温度变送器现场自动校准装置[P].中国专利 CN204485896U，2015.
[6]李颖.一体化温度变送器校准方法及不确定度分析[C].中国北京：第五届全国温度测量与控制技术学术会议，2007.
资助基金项目：天津市市场和质量监督管理委员会科技计划项目（2016W08）
作者简介：余松林（1982），男，天津人，博士，工程师，主要从事热工计量方面的研究。