低温下微机高精度热电偶温度计标定系统

　　1　简介

　　众所周知,温度越低,冷量品质越高,越需尽量避免冷损。所以在低温实验中,常需对温度进行精确测控。测控系统的首要部件就是温度传感器。由于热电偶具有制作简便、测温范宽、准确度高、热惯性小、便于测量温差等优点,故常选用热电偶(如铜—康铜热电偶)作温度计。但热电偶[1]的测温精度受很多因素影响,如热电偶丝内部有机械应力造成局部晶格异常;化学组分不均匀;熔焊时结点以外部分过热,导致高温下再结晶而引起性能变化等等。而低温换热器的换热温差一般仅为几K,若使用厂商提供的热电偶分度曲线或用普通低精度标定系统分度热电偶,必将产生很大误差,降低测量可信度。因此,实现高精度标定是很必要的,并且也是测温系统高精度的首要保证。为此,本文组建了一套低温下微机高精度热电偶温度计标定系统。系统(图1)分三大部分:控温、恒温、数采。

　　2　控温部分

　　控温部分(图2)包括经改造的DWT—702温控仪、可控硅执行器以及作为温度传感器的特制硅二极管温度计(以下简称M.D.T.)。

　　DWT—702温控仪由毫伏定值器、微伏放大器、PID调节器及可控硅触发器四部分组成(图2虚线框内)。被控对象的温度由M.D.T.传出,该输出电压与毫伏定值器给出的代表所设定温度的毫伏值比较,若有偏差则说明恒温器温度偏离给定值。此偏差值经微伏放大器放大后,送入PID调节器进行PID运算,输出具有PID调节规律的0～10mA信号进入可控硅触发器。可控硅触发器采用单结管驰张振荡器输出移相脉冲,触发可控硅执行器,从而控制加热功率,消除偏差,达到控温目的。原控温精度为0.5K,量程为99.999mV。

　　为进一步提高控温精度,对它作了以下改进:(1)将原定值器电路(图3)中的线绕精密电阻R用一精密十圈可调电位器(R=10kΩ)代替,从而使量程扩为2V,且使改动后的网络输出电压的最小单位为0.02mV而M.D.T.的分辨率为2mV,从而最小可调控制温度为0.01K; (2)M.D.T.的高分辨率相当于增加了控制环路中的前向增益倍数,在电路的其它参数不变时,系统会发生振荡而不能稳定。故将微分电容由25V、220μF增为25V、1000μF,积分电容由16V、330μF增为16V、1000μF。(3)图2中从M.D.T.向右看去,其等效负载为放大器与定值器的输入阻抗, 100kΩ级。而M.D.T.在液氮温区下通以50μA恒流时,输出电压约1.03V,其等效内阻约20kΩ。故需在M.D.T.后加电压跟随器(图4)进行阻抗隔离,从而使被隔离的电压在闭环情况下可精确地保持在开路值的99.9%以上。(4)PID反馈控制具有滞后效应,克服干扰不够及时,在原反馈控制的基础上加入前馈控制。即将加热电压按比例前馈到可控硅触发器输入端(图2),从而形成“复合控制”。改进后的控温系统控温精度为0.01K,且过渡时间缩短为5～7min。