精密温控仪在低温技术中的应用

　　1　概述

　　DWT-702精密温度控制仪是一种偏差指示、五位十进制数字拨盘、毫伏设定、具有连续PID调节规律、移相触发脉冲输出的全电子温度调节器,配用S型或K型热电偶,调节精度可达0.1%以上,而且还具有断偶保护和冷端补偿功能,对各种电阻负载的电加热对象都能提供长时间连续的精密温度自动控制。低温传热实验研究中,我们需要经常测定液氮温区附近的温度,分析物理过程的现象,所以,热电偶的低温区标定是必须的工作之一,低温恒温器也是必须的设备之一。考虑到实验的成本和实际的温度控制精度的要求,我们以国产的DWT-702型精密温度自动控制仪为核心,根据实验室能够利用的设备、元件,组成了简易的补偿式低温恒温器,其结构如图1所示。

　　其工作原理是,由标准温度计测量的温度电压信号,与温控仪的定值器进行比较,经内部的高精度放大器放大,再由偏差表显示,并送入PID调节器进行运算,输出具有PID调节规律的0～10mA信号给可控硅触发器,控制可控硅的通断或补偿器的加热量。补偿式恒温器有一个密封的金属容器,内部置有通过绝缘处理的加热丝、恒温铜块、标准温度计(这里是有源温度传感器硅半导体温度计)和被标定的热电偶的测量端。正常工作时,金属腔置于液氮中,它从加热丝吸热的同时也向液氮放热,当加热量一定且达到热平衡时,内部温度场的分布基本恒定,某一点或小空间的温度也可认为恒定,根据需要,调整加热量就能获得需要的低温,完成热电偶的低温标定。为改善温度控制的稳定性,引入加热丝的电压负反馈,用以克服电网电压波动对加热功率的影响。

　　在该系统中,DWT-702温控仪与其设计的工作条件有两点不同:一是温控仪多用于进行常温或高温控制,而这里则用来进行低温控制;二是其输入的温度电压信号源不是S型或K型热电偶,而是经计量局标定的有源温度传感器。该传感器在40～300K的温区内线性度好,输出信号绝对值大(77K时约为1.03V),分辨率高(约2mV/K),而DWT-702是以热电偶为信号源设计的,其输出信号仅为毫伏数量级,信号源的改变不仅改变了信号的幅度,也改变了信号源的内阻。为了保证信号的正常传输和温控仪功能的充分发挥,必须对温控仪进行相应的改进。

　　2　改进与调试

　　DWT-702精密温度控制仪的改进分以下几个方面:

　　(1)定值器的改进

　　仪器本身的毫伏定值器由直流稳压电源、数模转换拨盘开关、电阻网络及冷端补偿电路组成。它能比较精确地给出直流毫伏电压,可以视为一个稳定的可调直流毫伏信号源。其每一位的定值网络如图2所示。详细的计算可知,每位开关都有0～9的递增关系,且五位之间可实现十进制进位。为了能在有源传感器这种大信号源作为输入的条件下,获得设定温度与实际温度对应的电压偏差信号,必须扩展定值器的定值范围。改进时,将原定值器中线绕精密电阻R用一精密十圈可调电位器(R=10kΩ)代替,取R=6kΩ时,其输出量程为0～2V,定值器最小单位为0.02mV,在这种条件下,控制温度的精度可达0.01K。由于有源传感器毋须冷端补偿,故将冷端补偿的电桥短接。