高精度恒温槽设计

　　重力仪是一种非常精密的仪器,对工作环境的温度有苛刻的要求。恒温槽是仪器中的重要部分。

　　1　恒温槽的总体结构设计

　　重力仪的精密温控由恒温槽,测温元件,温控电路,加热电阻四部分组成。恒温槽槽体由保温罐,保温层,外壳三部分组成,并且加热电阻,测温元件也置于其中。因此保温罐及保温层的厚度,加热电阻大小及放置位置,测温元件放置位置均为恒温槽设计的关键。恒温槽的恒温效果和槽体内温度场分布均匀性成正比,当槽体形状为球体时其温度场分布最均匀,恒温效果最好,但球体不易加工,且和重力仪圆柱形的形状不吻合,不利于仪器的安装。柱体形结构其尺寸沿半径相互对称,且同半径的区间是等温层,圆柱体形的恒温槽传热基本均匀。所以设计决定采用温度场分布均匀性仅次于球形的圆柱体形作为恒温槽的结构形状。

　　因为单层恒温槽没有中间层的缓冲,很难抗拒环境温度变化的影响,所以设计采用双层恒温槽设计。就双层恒温槽而言,其内恒温槽的外壳即为外恒温槽的保温罐。加热电阻丝分别绕制在内保温罐和外保温罐的外面。测温元件嵌在内保温罐的内侧壁上,其测量的温度反映了重力仪的实际工作温度,也即恒温槽的控制温度。

　　本设计中,外保温层温度暂设为45℃,精度为0.1℃;内保温层温度(重力仪工作温度)为50℃,精度为0.01℃。恒温精度鉴定方法为:若测温元件灵敏度为0.19℃,则测试电桥输出的波动在1.9mV范围内即可,改变环境温度选几个不同的温度测试点进行测量。槽总体结构如图1。

　　2　恒温槽的材料选择

　　恒温槽各部分的材料性能直接影响着恒温槽最终的工作性能,本节主要从保温罐及外壳,保温层,加热电阻丝三方面考虑材料的选型。

　　2.1　内外保温罐及外壳的材料选择

　　首先,为了使加热电阻丝的加热热量能迅速分布均匀,保温罐材料应选传热性能好的,即导热系数高的金属。其次,由于恒温槽本身相当于一个热滤波器,它的平滑作用可以减小或消除控制温度的波动,以确保控制温度的恒温精度。为使恒温槽温度波动小,在传递热量一定的情况下,宜选用热容量大的材料。最后,从轻便角度考虑,材料的密度应该较小。

　　现把几种常用材料有关性能列举如下:

　　综上几点考虑,选择铝为保温罐和外壳的材料。

　　2.2　内外保温层的材料选择

　　保温层应选用导热系数小的材料。从整个仪器的加工,安装,工艺性能及仪器重量要求等出发,选用目前最好的绝热材料76#硬质聚氨酯泡沫,它质量轻,强度高,可以根据要求的尺寸做成模子直接发泡成形,或者用原材料车削成型。