（光学工程专业论文）电阻传递标准用可携式高精度空气控温箱.pdf

摘要摘要随着量子霍尔化电阻和低温电流比较仪技术的发展，我们可以建立具有不确定度为l o 。9 量级甚至更低的电阻标准。在比对中保持电阻环境温度的高稳定性就成为基本的要求。实际的测量活动显示可携式高精度空气控温箱可以满足这种需求，特别是在不同实验室之间的相互比对中发挥了相当大的作用。高稳定度的空气控温箱最初是用来保存标准电池。标准电池的体积很小，所以所需的控温箱体积也不大。而标准电阻的体积比较大，同时有些高精度电阻在制作时，往往采用多段温度系数不同的电阻丝组合而成，互相弥补以达到较低的总体温度系数。显然温度的不均匀性会破坏电阻的温度特征。本工作针对以前大容积空气控温箱内腔温度不均匀性大的缺点，采用现代控制理论的方法，设计了一种具有多传感器多加热器的新型控温箱结构。此控温箱在理论上利用矩阵正交化，对控制系统的各个部分进行解耦，使三个加热部分接近相互独立，从而使控制系统得到了较大的简化；在结构上，其内腔铝壳表面均匀绕有加热丝，内腔与控温箱外壳之间填充泡沫塑料作为绝热层，外形尺寸为5 0 4 0 4 6 c m ，内腔的尺寸为5 0 4 0 4 6 c m ，1 可放入一只s r l 0 2 型电阻或两只t i n s l e y5 6 8 5 型电阻。控温箱的总重量约为1 5 千克，仍然是可以携带的。它的最突出的特性是内腔顶部与底部的温度不均匀性被自动调节，并且减少至i m k 。同时决定控温箱内腔总体温度的调节系统与在内腔顶部与底部的温度不均匀性调节系统是互相独立的。这种高精度空气控温箱在标准电阻的保存和在不同实验室之间电阻的比对将发挥重要作用。关键词控温箱；温度不均匀性；大容积a b s t r a c tap o r t a b l ep r e c i s i o ne n c l o s u r ew i t hh i g ht e m p e r a t u r eh o m o g e n e i t yf o rt h es t a n d a r dr e s i s t o ra b s t r a c tt h ed e v e l o p m e n to fq h ra n dc c ct e c h n i q u eg i v e st h ep o s s i b i l i t yt oe s t a b l i s har e s i s t a n c es t a n d a r dw i t hu n c e r t a i n t yo f1 0 一o rl e s s t ok e e pt h ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r eo ft h er e s i s t o rt ob ec o m p a r e d ：i nh i g hs t a b i l i t yb e c o m e sa ne s s e n f i a lr e q u i r e m e n t t h ep r a c t i c a lm e a s u r e m e n ta c t i v i t ys h o w st h a tt h ep o r t a b l ea i re n c l o s u r eo fh i g hp r e c i s i o ni sa na d e q u a t ea p p a r a t u sf o rt h i sp u r p o s e ，w h i c he s p e c i a l l yh a v eac o n s i d e r a b l ee f f e c to nt h ec a s ei nw h i c ht h ei n t e r - c o m p a r i s o nb e t w e e nd i f f e r e n tl a b o r a t o r i e s t h eh i g hs t a b i l i t ye n c l o s u r ew a sf i r s t l yd e v e l o p e dt om a i n t a i ns t a n d a r dc e l l s t h es i z eo f t h es t a n d a r dc e l li ss m a l l ，s ot h ei n n e rs p a c es i z eo f t h ee n c l o s u r eu s e dt ok e e pi ti sn o tv e r yl a r g et o o ，w h i l et h es i z eo fs t a n d a r dr e s i s t o r si sm u c hl a r g e r s o m er e s i s t o r so fh i g hq u a l i t yc o n s i s to fs e v e r a lp i e c e sw i t hs l i g h t l yd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n ta n dt h e s ep i e c e sc o m p e n s a t ee a c ho t h e rt og e tv e r yl o wt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n tt o t a l l y o b v i o u s l yt h ei n h o m o g e n e i t yo ft e m p e r a t u r ew i l ld e t e r i o r a t et h et e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i co f t h er e s i s t o ni nt h ef a c eo ft h es h o r t c o m i n go fl a r g ec a p a c i t ye n c l o s u r e ，w h i c ht h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nb o t t o ma n dt o po f i u n e rs p a c eo f t h ee n c l o s u r ei sl a r g e ，a ne n c l o s u r ei n c l u d i n gm u l t i s e n s o ra n dm u l t i - h e a t e ri sd e s i g n e da c c o r d i n gt om o d e mc o n t r o lt h e o r y i nt h e o r y , o r t h o g o n a l i z a t i o no ft h em a t r i xt od e c o u p l et h et h r e ep a r t sm a k et h ec o n t r o ls y s t e ms i m p l ea n de a s yt or t m ；i nc o n s t r u c t i o n ，h e a t i n gw i r ei sw o u n do i lt h es u r f a c eo ft h ea l u m i n u mc h a m b e re v e n l y f o a mi sp l a c e db e t w e e no u t e ra n da l u m i n u mc h a m b e ra st h e r m a li n s u l a t i o n t h eo u t e rd i m e n s i o ni s5 0 x 4 0 x 4 6 c ma n dt h ei n n e rs p a c ei s3 5 x 2 5 x 3 l c m ，w h i c hf i t so n es r1 0 2t y p er e s i s t o ro rt w ot i n s l e y5 6 8 5t y p er e s i s t o r s t h et o t a lw e i g h to ft h ee n c l o s u r ei sa b o u t15k g ，w h i c hi ss t i l lap o r t a b l eo n e i t so u t s t a n d i n gf e a t u r ei st h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt o pa n db o t t o mi sr e g u l a t e da b s t r a c ta u t o m a t i c a l l ya n dd e c r e a s e dw i t h i n1m ka tt h es a m et i m e ，t h er e g u l a t i n go p e r a t i o nd e t e r m i n i n gt h et e m p e r a t u r eo fi n n e rs p a c eo ft h ee n c l o s u r ea n dt h er e g u l a t i n go p e r a t i o no ft h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nb o t t o ma n dt o pi si n d e p e n d e n tf r o me a c ho t h e lt h i se n c l o s u r ei su s e f u lf o rt h em a i n t e n a n c eo fr e s i s t a n c es t a n d a r da n df o rt h ec o m p a r i s o nb e t w e e nd i f f e r e n tl a b o r a t o r i e s k e yw o r d st e m p - e n c l o s u r e ；i n h o m o g e n e i t y ；l a r g ec a p a c i t y河北大学工学硕士论文第1 章绪论1 1 量子基准代替实物基准传递的意义人们为了把客观世界的特性用数量表达，就需要进行测量。测量过程实质上是一种比较的过程。例如，我们用步长去测量某一段距离，就是用自己的跨步去与此段距离作比较，确定此段距离是步长的多少倍。当然此例中的测量过程比较粗糙，步长也因人而异，所以测量准确度不高。随着近代大规模机械生产的发展，对零件提出了互换性要求，这就要有统一的几何量标准。贸易活动的日益扩大也提出了建立统一的质量( m a s s ) 标准的要求。一旦这些标准建立了起来，由不同人在不同时间、地点进行的测量过程就有了统一的依据，测量的数值结果可以相互比较。也就是说，测量过程可以溯源到统一的标准。这种可以溯源到统一标准的测量就称为计量，而统一的标准就是计量标准“。“1 。计量标准一般先在一个国家的范围取得统一，以促进该国的生产和贸易的发展。秦始皇首次统一中国的计量标准( 统一度量衡) 是历史上我国对计量事业的重要贡献。1 8 世纪以后由于世界性的工业革命以及国际贸易的发展，首先在欧洲形成了一种国际性的计量单位制一米制，确定了以米、千克、秒为最基本的计量单位。经过一百多年，此种单位制已发展成为目前国际上一致公认的国际单位制s i 。其中规定了米、千克、秒、安培、开尔文、坎德拉、摩尔7 个基本单位，其他各种单位则由这7 个基本单位导出。由于7 个基本单位的重要第1 章绪论性，国际单位制中给出了它们的严格定义及准确复现单位的方法。用于保存和复现基本单位的装置就是准确度等级最高的计量标准一计量基准。1 9 世纪下半叶到2 0 世纪上半叶，各国建立起了经典的计量基准”1 。这些计量基准一般是根据经典物理学的原理，用某种特别稳定的实物来实现，故称为实物基准。例如一个保存在巴黎国际计量局( b i 刚) 的铂铱合金圆柱一千克原器砝码的质量就定义为质量单位千克，按爿型铂铱合金米尺的刻线间距离定义长度单位米，用组饱和式韦斯顿标准电池的端电压的平均值保持电压单位伏特，用一组标准电阻线圈的电阻平均值保持电阻单位等等。计量基准是保证整个计量工作准确度的基础。但也正是由于其重要性，不能轻易使用。为了使产业界能够使用准确的计量量值，需要建立一种量值传递检定网。以最常见的称重计量为例，最高等级的质量计量基准是保存在巴黎国际计量局的铂铱合金千克砝码原器。每数年一次各国的中央计量机构把它们的国家基准千克砝码运到巴黎与砝码原器进行比对以得到各国基准砝码的准确量值，然后再由各国自行向下传递质量量值。我国则已建立了国家、省、市( 县)等各级计量机构。这些计量机构都保存着它们的标准砝码，并按照国家级一省级一市、县级一企业的金字塔式的计量量值传递检定系统依次向下传递量值，开展日常的计量检定工作。1 9 世纪以来，各国的计量量值传递检定系统给产业界提供了计量服务确实在帮助产业界提升产品品质的工作中做出了贡献。但是，随着科技及工农业的发展，这样的传统计量量值传递检定系统已不能满足现代工业和科学技术河北大学工学硕士论文对计量准确度日益提高的要求。由于量值传递系统溯源的是实物基准，而实物基准的缺点正是在于它们是一些具体的宏观实物。由于一些不易控制的物理和化学过程的影响，实物基准所保存的量值会发生缓慢的变化，如果只从改善材料稳定性和制作工艺的方向努力，己很难大幅度提高实物基准的准确度。随着2 0 世纪量子物理学的飞速发展，建立量子基准以代替传统的实物基准已经成为可能，并在初步的尝试中得到了精确度较高的计量基准。量子物理学阐明了各种微观粒子的运动规律，特别是微观粒子的态和能级的概念“。“1 。按照量子物理学，宏观物体中的微观粒子如果处于相同的微观态，其能量有相同的确定值，也就是处于同一能级上。当粒子在不同能级之间发生量子跃迁时，将伴随着吸收或发射能量等于能级差4 f 的电磁波能量子，也就是光子。而且电磁波频率屿4 占之间满足普朗克公式，即两者之间成正比，其比例系数为普朗克常数由。也就是说，电磁波的频率反映了能级差的数量。值得注意的是，宏观物体中基本粒子的能级结构与物体的宏观参数，如形状、体积、质量等等并无明显关系。因此，即使物体的宏观参数随时间发生了缓慢变化，也不会影响物体中微观粒子的量子跃迁过程。这样，如果利用量子跃迁现象来复现计量单位，就可以从原则上消除各种宏观参数不稳定产生的影响，所复现的计量单位不再会发生缓慢漂移，计量基准的稳定性和准确度可以达到空前的高度。更重要的一点是量子跃迁现象可以在任何时间、任何地点用原理相同的装置重复产生，不像实物基准是特定的物体，一旦由于事故而毁伤，就不可能再准确复制。因此用量子跃迁复现计量单位对于保持计量基准量值的高度连续性具有重大的第1 章绪论价值。1 2 复现电阻单位的技术发展概况电阻单位是电磁量单位中最重要的单位之一”3 。国际单位制s i 的7 个基本单位中与电磁量有关的基本单位是电流单位安培。但在实际工作中要长期维持高度稳定的电流作为计量标准来使用是相当不容易的，而电压单位和电阻单位则可以用标准电池与标准电阻作为实物基准来进行保存，对于开展日常检定工作也很方便。另一方面，有了电压单位和电阻单位，就可用适当的实验方法导出所有的电磁量单位供实际工作使用。因此，各国的计量实验室均把电压单位和电阻单位作为保存和复现电磁量单位的实际手段。由于电阻单位的实际重要性，从1 9 世纪起，科学家们已花了不少精力来探讨建立既科学而又实用的电阻单位的方法。第一个被国际承认并且实际采用的用于复现电阻单位的标准装置是“水银柱电阻标准”。人们为这种标准规定了合理的复现条件，可在各国的标准实验室复现统一的电阻单位，因此曾为各国的国家标准实验室广泛采用为复现电阻单位的标准量具。但亦应指出，用水银柱电阻标准复现的电阻单位并不是严格的m e s a 单位制( 后来发展成为s i 国际单位制) 中的电阻单位，后来查明两者之间存在万分之几的差别。所以一般把水银柱电阻标准复现的电阻单位称为“国际欧姆”，表明这是一种被国际上承认并采用的实用电阻单位，而把真正符合m e s a 单位制中的单位定义的电阻单位称为“绝对欧姆”。随着生产和科学研究的发展，对电阻单位的准确性及严格性提出了越来越高的要求，因此1 9 3 3 年的第八届国际计量大会决定采用绝对欧姆代替河北大学工学硕士论文当时通用的国际欧姆，以保证整个m k s a 单位制的一致性及严格性。由于战争等原因，此决议未被及时执行。到1 9 4 8 年的第九届国际计量大会，再一次确认用绝对电单位代替“国际电单位”的原则，并要求在m k s a 单位制基础上发展一种国际统一的科学单位制，即后来逐步形成的国际单位制s i 。但是，复现绝对电阻单位是一件相当困难的工作。在5 0 年代，广泛采用“可计算电感法”复现绝对电阻单位，其主要内容是制作一个几何尺寸高度准确的自感线圈或互感线圈。由于在m l ( s a 单位制或s i 制中规定了真空磁导率必为一个等于4 z x1 0 _ 7 亨利脒的无误差常数，因此可以从线圈尺寸的测量数据用电磁学公式计算出其自感或互感。再利用一个平衡方程为国l = - r 的电桥，即可从自感或互感量以及频率量导出绝对电阻单位来。这一方法构思巧妙，但在试图提高其测量准确度时遇到了困难。主要问题是线圈的几何形状相当复杂，要将其各方面的几何尺寸均准确地测量出来是极不容易的。尽管经过了不少人的努力用“可计算电感法”复现绝对电阻单位时准确度始终停留在1 0 1 到1 0 1 量级。与此相比较，当时制作高稳定电阻的工艺已相当进步，可制造年稳定性优于1 0 。量级的电阻器。这样，人们就倾向于把保存在一组高稳定电阻器上的电阻量值作为保存的电阻单位，而各国的保存电阻单位间的一致性则通过国际比对来实现。国际计量局要求各国的国家标准实验室每三年一次把本国的保存电阻单位送到巴黎相互比较，结果以公报的形式公布。当然，用“可计算电感法”复现绝对电阻单位的实验也在多个国家实验室进行过，以观测保存电阻单位与绝对电阻单位之间有无重大差别。但由于“可计算电感法”的不确定度只能达到l o 第1 章绪论到1 0 “量级，对改进保存电阻单位准确度的作用不是很大，甚至要根据“可计算电感法”的实验来判断保存电阻单位的稳定性也是困难的。1 9 5 6 年以后，此种情况得到了明显的改进。这一年澳大利亚的汤普森和兰帕德两人发表了一个静电学的新定理。据此可以制作出一种高准确度的柱状电极电容器，其电容量只和电容器的轴向长度有关，但与截面形状无关。而轴向长度可以用干涉法测定得十分准确，这样就为复现高准确度的电容量单位创造了条件。人们一般把这种新型的电容器称为汤普森一兰帕德型可计算电容。用汤普森一兰帕德型可计算电容高准确地复现出s i 单位制中的电容量单位法拉后，再借助一个平衡方程为m 肜= 1 的电桥，就可从电容及频率单位导出电阻的绝对单位( 后来，绝对单位一般称作s i 单位) 。相对于前面所述的“可计算电感法”而言，“可计算电容法”是相当成功的。一些国家的国家标准实验室先后建立了类似的装置。一方面导出电容、电感等交流阻抗的s i 单位，另一方面复现电阻s i 单位。不确定度为1 0 - 7 量级。澳大利亚的国家计量实验室n m l 曾用“可计算电容法”连续监视国际计量局的标准电阻器组的量值达2 4 年，证实保存在国际计量局的电阻单位随时间线性下降，变化速率为一6 1 4 x1 0 “年。这一著名的实验结果成为后来决定量子化霍尔电阻的s i 值的重要依据之一。但是从另一方面来看，各国的国家实验室保存的标准电阻器的成组平均值的年稳定性大体都能达到1 0 “量级，相互之间的致性亦是如此。因此用“可计算电容法”复现电阻s i 单位时的1 0 _ 7 量级的不确定性还是显得大了一些，至河北大学工学硕士论文少难以据此来考察标准电阻器组在较短时间( 如数月或一年) 内的变化。所以人们继续努力探寻新的复现电阻单位的方法。1 9 8 0 年，德国的冯克里青( k v k l i t z i n g ) 教授”1 发现了量子化霍尔效应使人们在寻找复现电阻单位的新方法的道路上得到了一种更加强有力的手段。量子化霍尔效应是指在强磁场及超低温的条件下，半导体器件中的二维电子气可以完全量子化，此时的霍尔电阻为局= h ( i d )此处h 为普朗克常数，p 为基本电荷电量，j 为正整数。式( 1 1 ) 的一个重要特点是量子化后的霍尔电阻届只与基本物理常数h 及p 有关，与器件的材料及其它外界条件均无关。这是一种很理想的情况，人们可以据此复现电阻单位，不受地点、时间的限制。因此从发现之日起。各国的标准实验室投入了较大力量来建立此种“量子电阻基准”，并迅速取得了成果- 。1 。由于量子化霍尔效应这一发现的重大价值，冯克里青教授因此荣获了1 9 8 5 年诺贝尔物理学奖。关于式( 1 1 ) ，有一个重要问题必须解决。如果要用此式复现s i 制中的电阻单位，首先必须求出恒量血管的s i 值。h d 的量纲是欧姆，因而可以藉助用“可计算电容法”复现的电阻s i 单位来确定n j 的s i 值。为此，国际计量委员会号召各个有能力的国家标准实验室尽可能准确地测定肜笞的s i 值，把结果提交国际计量委员会。另一方面，恒量肌p 与量子电动力学中著名的精细结构常数口有密切关系”h 。口的定义式为瑾= f 舯( 2 h ) 。在s i 单位制中，第1 章绪论真空磁导率肚和光速岛均为无误差常数。因此如果利用在加速器中进行的量子电动力学实验求出精细结构常数口的数值，也可导出血管的s i 值来。1 9 8 8 年9 月在巴黎举行的国际计量委员会电咨询委员会( c c e ) 第1 8 次会议上，综合了各国用“可计算电容法”求得的h d 以及用量子电动力学实验求出的口这两种不同类型的各次实验结果，给出了下面的国际推荐值3 ：届22 5 8 1 2 8 0 7q( 1 2 )其中届表示式( 1 1 ) 中i = l 时的届值。根据各次用“可计算电容法”和量子电动力实验测定晟的报告的情况，式( 1 2 ) 的不确定度估计为2 1 0 。尽管最的s i 值的不确定度不算很小，但是由于用量子化霍尔效应复现的届原则上就等于恒量力厶2 ，因此是极稳定的，各国测量结果的一致性也很好。c c e 推荐式( 1 2 ) 的意图是，如果各国的标准实验室根据式( 1 2 ) 用量子化霍尔电阻来复现电阻单位，各国电阻单位的一致性会大大提高，达到1 0 “量级甚至更高。而且量子化霍尔电阻原则上没有随时间而变化的倾向，不像用标准电阻组复现和保存电阻单位时那样会由于电阻线圈的电阻值随时间变化而产生不确定性。这样的电阻单位对实用来说是非常有价值的。第1 8 次c c e 会议建议从1 9 9 0 年1 月1 日起在世界范围内启用式( 1 2 ) 作为新的电阻基准，这一建议随后得到第7 7 届国际计量委员会的批准。因此从1 9 9 0 年1 月1 日起一些己建成量子化霍尔电阻基准的国家已把其法定的国家电阻单位改变为由量子化霍尔电阻复现的电阻单位，大大增加了各国的电阻单位的一致性和可靠性。中国自1 9 8 8 年起亦己进行了建立量子化霍尔电阻标准的研河北大学工学硕士论文究课题，并于1 9 8 8 年5 月把由中国的可计算电容测定的愿的s i 值报到国际计量委员会电咨询委员会，为式( 1 2 ) 的推荐值的确定做出了自己的贡献。后来发表的公报表明，中国提供的测试值与式( 1 2 ) 的最后推荐值仅差6 x 1 0 一。但是亦应指出，尽管根据式( 1 2 ) 用量子化霍尔电阻复现电阻单位的一致性和稳定性可以达到1 0 。甚至l o 。量级，但式( 1 2 ) 本身的s i 值的不确定性仍为2 1 0 。因此从某种意义上来说，用式( 1 2 ) 复现的电阻单位有点类似于早期的“水银柱电阻标准”，是一种得到承认的“国际欧姆”，更准确的扁的s i值有可能与式( 1 2 ) 有差别。为了维护s i 单位制的一致性，c c e 及国际计量委员会号召各个有能力的国家标准实验室进一步开展复现电阻s i 单位的研究工作，求出更准确的儡的s i 值。这对s i 单位制的进一步发展是很重要的。1 3 标准电阻的结构特点以及对环境温度的要求高准确度的标准电阻在制作时，为了大幅度降低温度系数，采用多段温度系数不同的电阻组合而成。其中每段的温度系数曲线是弧形的，如图1 1 ，阻值与温度的函数关系为r 。= r 。+ c 沸( t - t 。) + 。觯( t - t 。) 2 。( 1 3 )八杈图1 1 标准电阻中一段电阻的温度曲线由图1 1 可知，标准电阻的温度益线其边缘处温度对电阻阻值的影响已达到第l 章绪论1 0 。5 o c 。如果标准电阻所处的环境温度变动在l m k 时，对阻值的影响已经可以达到1 0 1 了。由于在温度曲线t o p 点附近温度系数的一次项口值很小，所以如果把温度控制在t o p 点附近，温度不均匀性的影响就会很小。但是温度系数的二次项芦值还相当大，如果需要把工作温度偏离t o p 点温度时( 如以前按照苏联的标准把电阻工作温度定在2 0 。c ，现在按照国际标准一般用2 3 。c ) ，温度系数的一次项。就会迅速变大。为了适应越来越高的测量要求，现代的标准电阻需要把口降得很小。但对特定类型的电阻合金来说卢值主要取决于合金的成分，要大幅度降低是很困难的。上世纪八十年代以后，国际上发展了种通过组合方法来降低总体等效卢的技巧，如图1 2 、1 3 、1 4 所示。，一、f，图1 2t o p 点相差太小，等效曲线t o p 点较差、图1 - 3t o p 点相差太大，等效曲线t o p 点较差图14t o p 点相差合适，等效曲线t o p 点平坦河北大学工学硕士论文图1 2 、1 3 、1 4 分别是三种不同拼接情况下得到的等效温度曲线。图1 4为组合得较好的情况。正是因为图1 4 中的温度曲线是通过适当组合得到的其中的每一条曲线的相应点都是在相同温度的情况下测得的。因此，如果标准电阻所处环境存在温度不均匀的时候，组合出来的曲线就会随温度不均匀性的情况而发生变化，如图1 5 所示。如果组合之中有一段因为温度不均匀性而位移的话，组合出的等效曲线就会变化，电阻值也就跟着变化。这些情况已经在实验中得到了证实。图l ，5 温度不均匀性为0 ( 上) 和存在湿度不均匀性( 下) 情况下的等效曲线1 4 温度控制装置发展的历史进程精密的温度控制在许多化学和物理测量方面均很重要。差不多所有物质的宏观特性均易受温度影响，如果物质所处的环境温度不稳定，其特性的变化将不受欢迎并且在测量中产生系统误差和在精密仪器中产生噪声，因此在实验装置中许多器件被制成可以最大限度的抵抗温度波动。经典的计量工作中，最主要的电学标准是标准电池和标准电阻两种实物标第1 章绪论准。这种实物标准所处环境的温度最初是用恒温油槽提供的，最好的恒温油槽用了电子技术的帮助后一般很容易达到1 0 。的稳定性，更复杂的电子回路以及更精巧的设计一般可以实现5 0 p , 度的稳定性和t o g 度的可重复性“4 。但是恒温油槽不能在实验室之间来回移动，因此，当在不同的实验室之间进行巡回比对时，由于传递标准须放在不同的油槽中，而不同油槽的温度一致性及温度梯度又不能完全一样，这就引入了比对中的系统误差。同时由于油槽容易受到污染，它虽然可以解决电阻的发热问题，但是不适用于保存阻值较大的电阻。在国际标准局，为给微波功率的国际标准微波微测热仪表提供一个稳定的温度环境，m e h a r v e y “7 1 等制作了一个精确度极高的水槽。此水槽内部温度可在1 8 。c 一2 8 。c 之间的任何温度运行，日稳定性可以达到2 5 旷c ，但与外界环境的温差不要超过6 。c 。它比l a r s e n “”描述的最好的温度控制器提高了一到两个数量级的稳定性。由于此温度控制系统采用水作为流体，与油相比，水具有更优秀的热力学性质：较高的热导性，较低的粘度，易流动，因此通过搅拌，水槽内部温度的均匀性较好。但是该水槽必须在高于周围环境的温度下运行，目的是为了控制温度可以在外界波动下保持不变。同时由于水是导电体，所以水槽只可以保存密封后的标准电池，不可以用来保存电阻。而在同样应用领域中，d a u p h i n e e 和w o o d s “”通过早期的努力使用真空管技术达到了2 0 0 t * 度的稳定性，接着通过使用现代回路设计达到了2 0 x 1 0 6 水平的稳定性。与此同时j a yd r a t l e r 啪1 为了给试钻孔中的加速度计提供一个恒温环境，设计了一个具有1 6 8 8 立方厘米的总容积和7 千克总重量的比例均衡自动调温器，它的稳定性达河北大学工学硕士论文到1 0 “水平，当外界温度与设定点温度偏差在4 1 0 。c 以及设定点温度由1 5 。c变至3 5 。c 时，此控制器可以提供1 5 w 的最大加热功率。因此此种调温器被广泛应用于地球地理学中需要环境温度稳定的各种仪表。国内外高精度空气控温箱的研究是从保存标准电池的环境要求起步的“ 。”。美国、中国等国已研制出了小容积的高稳定性的空气控温箱，其中中国计量科学研究院1 研制的可携式空气控温箱实现了5 0 旷c 。c 的控温精度，其基本原理相当于个自动平衡的变压器电桥。其中一臂是标准电阻，另一个臂是热敏电阻，通过自动的温度调节来得到并保持电桥的平衡。温度传感器由温度敏感元件氧化物热敏电阻、变压器电桥、稳幅振荡器、交流放大器和相敏检波器构成，除温度敏感元件放置于控温区外，其他都是置于控温环境外的室温环境中的。由于是交流供电，室温的变化对对其影响很小。另一方面，这种控温箱的工作温度比环境温度高，因此湿气不易侵入，电气绝缘也很好。这样高精度的空气控温箱在进行国际巡回比对的时候起了很大的作用 2 4 o1 5 研制高精度空气控温箱的意义目前，各国陆续建立了量子化霍尔电阻标准。由于此标准一般是一套大型系统，很不容易搬运；另一方面，尽管各国的量子化霍尔电阻标准从原理上来说，可以保持量值的相互一致，但由于各国的水平差别，其量值所得到的准确度仍然不一致，因此国际计量局为了考核各国的量子化霍尔电阻标准的一致性组织了1 0 0 q 的关键量巡回比对c c e mk - 1 0 。对于电阻量值的关键量国际巡回比对，用于量值比对的电阻必须高度稳定，这一方面固然要求电阻的材料及制第1 章绪论造工艺优良，更重要的是在运输过程中保持电阻传递标准的环境温度高度稳定”。现在所用的电阻传递标准体积较大，而目前国际上尚没有适合于此种电阻传递标准的大容量可携式高精度空气控温箱产品，因此，比对中只能要求各国自备高准确度的环境温度条件。但正因为如此，各国提供的温度环境的一致性及温度的均匀性又成为比对中的一项重要误差来源。”，这已经成为此类比对要提高准确度所遇到的瓶颈问题。基于此，国际上一些工业发达国家的计量部门已经开始研制此种高精度的空气控温箱。我国的量子化霍尔电阻标准已经达到了国际先进水平，在亚太地区只有日本的水平和我们相近。亚太地区的一些国家和地区( 如澳大利亚、香港等) 已经提出希望中国能够组织亚太地区的电阻量值关键比对，因此我们国家必须研制高度稳定的空气控温箱以适应国际关键比对的要求。标准电池的体积很小，因此为标准电池研制的高精度空气控温箱内腔不大。如果要把这样的空气控温箱用于保存电阻传递标准，内腔就必须扩大。此时，箱内的温度不均匀性、控温稳定性、便携性等都会变差。实际的标准电阻在制作过程中是利用不同温度系数的各段进行补偿以达到较好的总体温度特性因此实际的标准电阻的各部分的温度系数并不一致。在存在温度不均匀性的情况下，电阻的温度特性就会变差。本论文最大的难题在于如何很好的解决可携式空气控温箱内腔腔体加大后温度不均匀性的消除，尽可能保持控温箱内腔温度的均匀，将温度对电阻标准的影响减少到最小，为电阻标准之间的传递与比对提供良好的载体。河北大学工学硕士论文第2 章高精度空气控温箱的研制2 1 控温箱的外部结构及工作原理由于任何元件均有热容和热阻，热量参数随空间分布，热量相互作用的细节很复杂，因此热传递不光依赖大量参数，还取决于几何细节，计算各种物理结构的热传递性质十分困难。另外，由于温度探测器的安装位置无法用精确的数学描述，但这一点在数学计算是十分重要的，因此计算在控温箱结构设计中价值不大。就目前发展看来，热量相互作用的性质一般均提前说明，但最后的物理构型由经验决定。由于小内腔的用于标准电池的空气控温箱，在国内外已经有多家研制成功温度的稳定性和便携性均较好，此种控温箱的热结构方面的经验本工作可以借鉴。在设计方案上我们准备采用多输入多输出的现代控制方法来解决大内腔温度不均匀性这一难题，通过在箱内安装多个温度探测器，群体控制多个加热器。这样就可以在达到较高温度稳定性的同时，减小箱内的温度不均匀性。在设计控温箱时，还必须考虑到箱体的便携性。控温箱的供电应该兼用市电和充电电池，使箱体在搬运过程中不间断供电，维持箱内的温度稳定均匀。设计反馈的自动调温电路很容易表述清楚。一个有效的自动调温电路必须有一个在规定下与设备十分匹配的加热器，而且因为自动调温电路的反馈循环要保持稳定，因此加热器必须与传感器紧密匹配。同时设备的热容使得在传感第2 章高精度控气控温箱的研制器改变加热器电流时反应时间延迟，这样很容易使控制电路失稳。这个问题解决方法之一是规范空气控温箱外部的温度。广义的说封闭物质具有低热容，其与仪器匹配相对宽松，而且其具有较低的热量泄漏，因此自动调温电路借助封闭物质容易实现稳定，可以实现满意的调整。这里所说的物理构型是采用这种设计思想构成系统的结果。2 1 1 控温箱的结构设计作为便携式空气控温箱，必须在体积适中、重量轻、良好的保温性能和均温性能折中地选择各个结构参数。本设计的特点是特别注重其控温区的温度均匀性，特别是垂直方向的均匀性。根据项目要求，我们设计了一台高精度空气控温箱样机，如图2 1 所示，其主要部件为木质的长方体外壳( 外形尺寸为5 0 0 4 0 0 4 6 0 r a m ) 、厚l o n n 的金属铝板构成的长方体均温层( 内腔尺寸为3 5 0 2 5 0 3 l o r e ) 、两者之间填充厚1 4 0 e r a 聚苯乙烯泡沫塑料作为保温层起到温度滤波的效果( 整个保温层的热导为0 0 9 5 千卡小时。c ，相当于一瓦加热功率引起9 。c 的温升) 、特殊的双绞线加热导线、控制电路以及热敏电阻。所有这些部件都可能影响空气控温箱的运行和稳定能力。在铝质长方体均温层外表面每间隔3 m m 距离均匀开槽，槽宽1 5 m m ，槽深2 n _ 】 n 。槽内缠绕加热导线，加热导线由两股电线组成，每股的电阻约为0 0 6 9 7 q , c m ，采用双绞线缠绕是为了避免外来磁场的影响。这样的加热导线以螺旋状紧紧缠绕在均温铝壳表面，提供了良好的热匹配以实现较好的控温效果。缠绕后的均温铝壳四壁总电阻约为7 0 q 左右，底部与顶部的电阻各自约为1 4 q 。河北大学工学硕士论文图2 1 控温箱结构图这样的设计可以保证在水平方向几乎没有温度不均匀性，但在垂直方向则不然。由于标准电阻是从上方开口装入的，其密封性不可避免的要受到一些破坏，加上控温区温度高，故空气重量轻，能量大而往上运动是难以避免的，所以在一般情况下总是存在一个热流由下而上穿过控温区，这个热流势必然使得控温箱内腔顶部与底部存在着温度差异。由于这个热流是不稳定的，它随着环境温度变化，从而引起控温区平均温度的变化即使这时控温点的温度是稳定的，因此我们必须想办法消除内腔顶部与底部的温度不均匀性。当这个温差最小时，这个热流就趋于零了，只有这时整个控温区的温度稳定性才接近于控温点的稳定性。2 1 2 控温箱工作原理的理论分析目前，改善大容积空气控温箱内腔温度均匀性的方法主要有三种：一种是第2 章高精度控气控温箱的研制使用较厚的均温层，但会增加重量，影响可携性；另外一种则是测出控温箱内部的温度分布，并依据测量数据改变加热丝的分布密度，但其具体操作较困难而且是一种开环补偿，适应性差；第三种方法则是多点控制法：其最简单的想法是把各块加热器分别进行单点控制。按照现代控制的概念，我们可以把设定温度作为一个目标值，传感器探测到的温度和目标值的差的平方作为目标函数，采用优化算法，同时在多个点对目标点进行逼近“”。例如我们可以把控温箱的加热器和相应的控温点，分成多个部分( 对于长方形箱体，可以分为上下前后左右6 个独立的部分) ，每个部分单独控制。当各个控制点都达到了稳定状态，并稳在同一点时，整体温度也达到了稳定。温度不均匀性也可达到比较小的程度。其控制原理的数学模型如下：口0口1 1口5 0a 5无：各控制点的温度彬：相应点的加热功率5嘶5( 2 1 )啦j ：加热功率对控制点温度的影响系数这种方法的优点是思路简单，而且各块加热器相应的控制回路基本上是独立的，相互之间的交叉项较小，控制矩阵接近对角化。缺点是线路较复杂，控啊呒吸iiiu儿瓦正疋五正河北大学工学硕士论文温箱的总体温度与每一块都有关系，每块加热器相应的控制回路发生缓慢变化时都会影响到控温箱的总体温度。因此控温箱的总体温度的稳定性会变差。另外，各块之间的动作协调也有困难，要做到总体温度均匀不太容易。在此种方案中，当改变控温点温度或者需要消除内腔温度不均匀性时，需要调节的是每段加热丝中的电流，调节细度( 分辨率) 比较粗，而且由于嘞都比较大，即当调节其中一点时，对其它加热丝的影响也比较大，因此难以调节到合适位置。实验数据表明，控温箱中的温度不均匀主要是由于热空气上升，内腔顶部空气的温度稍高而底部的温度稍低。针对第三种方案的主要缺点控温点之间相互有较强的耦合，各控制点不能独立调节，我们可把简单的各块加热器分别进行单点控制改成控制控温箱内部的总体温度和上下温度的不均匀性，利用矩阵正交化，对控制系统的各个部分进行解耦，使各个部分接近相互独立，从而使控制系统得到了很大的简化，同时保证控制温度不均匀性的操作不影响总的加热功率。在实际应用中，我们把控温箱的加热器和相应的控制点，分成多个部分把多个加热器通入同一路电流。这样，多个加热器可整体加热。把其中一个点的温度做参考点，此时控温箱的总体温度的稳定性已经可以达到要求，只是由于箱体体积较大，存在一定的温度不均匀性。因此需要微调的只是每个控温点和参考点温度的差值。同时考虑到我们设计的控温箱是长方体结构，由于前后面、左右面分别是对称的，四个面的温度不均匀性也是基本相同的。所以可把前后左右四个面看作一个整体。由于热气流的缘故，顶部与底部的温度可能与第2 章高精度控气控温箱的研制中心部分温度存在一定的差别，因此应该把顶部与底部的加热器分别看作两个独立的加热器。3 个加热器通入同一路主电流，作为主控电流。顶部与底部再分别注入一个可调小电流，用于微调温度不均匀性。为了避免互相的影响，这两路小电流必须是独立的，即由独立的电路实现。但必须有一点相连，保证有一个共同的参照点，避免浮地造成对系统的影响。在加热器的布局上，分为顶部、四壁与底部上中下三个部分，如图2 2 。令它们的加热功率分别为p 1 、p 2 、p 3 。图2 2 加热丝分布及调节温度不均匀分布的电流调节温度不均匀性的两路电流( 定流源) 分别注入顶部与底部的加热器，但是这样又将产生一个新的问题。如前所述，为了保证两路微调电流源有一个共同的参考点，两者之间需要一个连接点( 如图2 2 ) ，我们很容易看出四壁( 中段) 的加热器因此而被旁路了，这是我们不希望出现的。解决这个问题的一种有效的方案是在连接三段加热器的时候，把顶部与底部的加热器连接在一起而把四壁的加热器放在外面的一端，如图2 3 。- 图23改进后的加热丝分布及调节温度不均匀分布的电流河北大学工学硕士论文本方案己经在实验上被证实是可行的，下面对其进行理论上的分析：首先我们来证明调节控温箱内腔温度不均匀性的操作不影响总的加热功率考虑到控温箱结构的对称关系，我们不妨假设电流，和一，是用来调整顶部和底部的温度不均匀性的电流，控温箱各部分加热器消耗的功率为只= ( i - n2 届p t 艮r = ( a d2 届只。1 = 只+ 只+ r( 2 2 )( 2 3 )( 2 4 )( 2 5 )实际上，远远小于五也就是说，是，的小增量。因此得到级近似功率为只= ，2 皿一2 a z r 。p o = z 届r = ，2 尼+ 2 a i r 届只。= r 十只+ r = ，2 ( 甩+ 圮+ 尼)( 2 6 )( 2 7 )( 2 8 )( 2 9 )由式( 2 6 ) 和( 2 8 ) 可知，底部的功率随着线性增加而顶部线性减少。，的调整将改变底部和顶部的温差。同时即使，不是零，由式( 2 9 ) 可知，控温箱的总加热功率几乎保持不变。因此的调整操作决定了控温箱内腔温度，而，的调整操作仅仅调节了底部和顶部的温度差别，并不影响总的加热功率，即两者的调整操作过程对于功率来说是互相独立的。接着我们从下面的数学模型上对控制系统的各个部分进行解祸分析令上中下三个控温点的温度分别为五、正、乃，三段加热丝的加热功率为第2 章高精度控气控温箱的研制只、忍、只，则可以建立如下数学模型：强尾尾i屋：尾| 属：尾f五：各控温点的温度b 一加热功率对控制点湿度的影响系数只：主电流和微调电流的加热功率冀昱号( 2 1 0 )由于控温箱结构上的对称性，影响系数矩阵以正对角线也是近似对称的，即：j 屈，屈，l 届。“尾j 层：z 屈：旧1 z 届3( 2 1 1 )凭借这些关系矩阵等式中的元素可以部分解耦。由于在控温过程中我们最关心的箱体中心的温度和垂直方向上的温度不均匀性，为了下面的讨论，我们有必要引入一变形矩阵 d 【d 】=010三o122三。一122将变形矩阵 d 分别作用于温度矩阵和功率矩阵( 2 1 2 )河北大学工学硕士论文正1 d 】ill =l 疋j只 d 】| p 2l _lp 3 j一正+ 瓦一瓦只一十p 3p l p 39( 2 1 3 )( 2 1 4 )很容易看出经过变形后这种变化具有的明显含义，( 五+ 乃) 2 是接近顶盖与底部的平均温度值，( t 1 i 3 ) 2 表示接近顶部与底部温度差值的一半，( p l + p 3 ) 2 是顶部与底部加热功率的平均值，俨l p 3 ) 2 的含义是顶部与底部加热功率差值的一半。矩阵等式( 2 i 0 ) 变形为l正+ l正一五m = iy 2 】y