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用于温度传感器原位在线校准的水三相点自动复现控制系统

乔志刚 高德辛 张牧子 赵姗姗 巫佳利 苏娟 陈胜功 景超 刘海玲 杨博 吴锜

乔志刚, 高德辛, 张牧子, 赵姗姗, 巫佳利, 苏娟, 陈胜功, 景超, 刘海玲, 杨博, 吴锜. 用于温度传感器原位在线校准的水三相点自动复现控制系统[J]. 红外与激光工程, 2024, 53(4): 20240096. doi: 10.3788/IRLA20240096
引用本文: 乔志刚, 高德辛, 张牧子, 赵姗姗, 巫佳利, 苏娟, 陈胜功, 景超, 刘海玲, 杨博, 吴锜. 用于温度传感器原位在线校准的水三相点自动复现控制系统[J]. 红外与激光工程, 2024, 53(4): 20240096. doi: 10.3788/IRLA20240096
Qiao Zhigang, Gao Dexin, Zhang Muzi, Zhao Shanshan, Wu Jiali, Su Juan, Chen Shenggong, Jing Chao, Liu Hailing, Yang Bo, Wu Chi. Metal water-triple-point automatic reproduction control system for in-situ online calibration of temperature sensors[J]. Infrared and Laser Engineering, 2024, 53(4): 20240096. doi: 10.3788/IRLA20240096
Citation: Qiao Zhigang, Gao Dexin, Zhang Muzi, Zhao Shanshan, Wu Jiali, Su Juan, Chen Shenggong, Jing Chao, Liu Hailing, Yang Bo, Wu Chi. Metal water-triple-point automatic reproduction control system for in-situ online calibration of temperature sensors[J]. Infrared and Laser Engineering, 2024, 53(4): 20240096. doi: 10.3788/IRLA20240096

用于温度传感器原位在线校准的水三相点自动复现控制系统

doi: 10.3788/IRLA20240096
基金项目: 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)基金项目(GML2021GD0808)
详细信息
    作者简介:

    乔志刚,男,硕士生,主要从事金属水三相点瓶复现系统方面的研究

    吴锜,男,教授,博士生导师,博士,主要从事海洋传感器方面的研究

  • 中图分类号: O436

Metal water-triple-point automatic reproduction control system for in-situ online calibration of temperature sensors

Funds: Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou)(GML2021GD0808)
  • 摘要: 温度传感器在长时间温度测量中会出现性能漂移导致测量误差,为现场实时校准温度传感器实现长期稳定的高精度测量,需要基于国际温标ITS-90规定的温度固定点,对传感器进行无人自主原位校准。水三相点是水、冰、气三相平衡共存的温度点,其温度为国际温标中的0.01 ℃固定点,是对传感器进行校准的最常用的固定温度点。水三相点瓶是再现水三相点的关键装置。相较于传统的玻璃外壳水三相点瓶,金属外壳的水三相点瓶更为耐用,更适用于自动原位校准。为了实现水三相点的自动浮现,根据高纯水自发相变原理,设计了一种基于半导体帕尔贴效应快速稳定复现水三相点的自动控制系统及其控制方法。利用热电制冷器(TEC)和温度控制器为金属水三相点瓶提供过冷环境,在基于模型的制冷调度算法控制下,实现了较长时间保持稳定的水三相点状态。实验室测试表明,该控制系统可以在150 min内达到0.01 ℃的温坪,并保持稳定的三相点温度20 min及温度波动度±1 mK。温度原位在线自动校准系统可以为深海、深空及偏远地区的高精度温度测量提供校准服务。
  • 图  1  (a) 金属水三相点瓶自动控制系统示意图 (TEC:热电制冷器,Pt:铂电阻,NTC:负温度系数热敏电阻);(b) 小型化金属水三相点瓶

    Figure  1.  (a) Schematic diagram of the metal-water triple point cell system (TEC: Thermoelectric cooler, Pt: Platinum resistance, NTC: Negative temperature coefficient thermistor); (b) Miniaturized metal-water triple point cell

    图  2  金属水三相点瓶温度复现。 (a)金属三相点瓶自发相变试验过程(红线和黑线分别代表瓶内及瓶外温度的变化); (b) 稳定后金属水三相点瓶内温度波动情况

    Figure  2.  Reproduction of the metal-water triple point temperature in a metal bottle. (a) The spontaneous phase transition experiment of the metal triple point bottle (The red and black lines represent the changes in temperature inside and outside the bottle, respectively); (b) Temperature fluctuations inside the metal-water triple point bottle after stabilization

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出版历程
  • 收稿日期:  2024-02-08
  • 修回日期:  2024-03-11
  • 网络出版日期:  2024-04-25
  • 刊出日期:  2024-04-25

用于温度传感器原位在线校准的水三相点自动复现控制系统

doi: 10.3788/IRLA20240096
    作者简介:

    乔志刚,男,硕士生,主要从事金属水三相点瓶复现系统方面的研究

    吴锜,男,教授,博士生导师,博士,主要从事海洋传感器方面的研究

基金项目:  南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)基金项目(GML2021GD0808)
  • 中图分类号: O436

摘要: 温度传感器在长时间温度测量中会出现性能漂移导致测量误差,为现场实时校准温度传感器实现长期稳定的高精度测量,需要基于国际温标ITS-90规定的温度固定点,对传感器进行无人自主原位校准。水三相点是水、冰、气三相平衡共存的温度点,其温度为国际温标中的0.01 ℃固定点,是对传感器进行校准的最常用的固定温度点。水三相点瓶是再现水三相点的关键装置。相较于传统的玻璃外壳水三相点瓶,金属外壳的水三相点瓶更为耐用,更适用于自动原位校准。为了实现水三相点的自动浮现,根据高纯水自发相变原理,设计了一种基于半导体帕尔贴效应快速稳定复现水三相点的自动控制系统及其控制方法。利用热电制冷器(TEC)和温度控制器为金属水三相点瓶提供过冷环境,在基于模型的制冷调度算法控制下,实现了较长时间保持稳定的水三相点状态。实验室测试表明,该控制系统可以在150 min内达到0.01 ℃的温坪,并保持稳定的三相点温度20 min及温度波动度±1 mK。温度原位在线自动校准系统可以为深海、深空及偏远地区的高精度温度测量提供校准服务。

English Abstract

  • 水的三相点指的是水、冰和蒸汽三种物态同时存在的状态,其平衡温度为273.16 K(0.01℃)。在国际温标中,水的三相点是定义热力学温度单位开尔文的唯一基准点,也是ITS-90国际温标中最为重要的温度固定点之一[1-2]。水的三相点的热力学温度复现对于实际温度测量具有至关重要的意义[3]

    水的三相点复现是通过水三相点瓶内冻制冰套来实现。ITS-90国际温标指南中广泛使用的是硼硅玻璃或熔融二氧化硅外壳的水三相点瓶。传统的复现方法包括冰盐混合物制冷法、干冰制冷法和液氮制冷法等,这些方法都需要通过干冰、液氮或其他低温介质对水三相点瓶进行冷却,在瓶内的高纯水结冰后,再将其放入冰槽中保存。这些传统方法的复现精度高,效果良好,但复杂度高,操作难度大,对操作人员和环境要求较高,不便于现场校准和集成应用[2-3]。针对传统水三相点瓶和复现方法在现场原位应用中的局限性,如深海中对温度传感器的原位校准,文中基于自主研制的小型金属水三相点瓶,研究了适用于温度传感器自动校准的小型化三相点复现控制系统。

    该控制系统利用了金属水三相点容器中高纯水的自发相变原理,结合基于半导体帕尔贴效应的热电制冷器(TEC)和温度控制电路,实现了水三相点的自动复现和保持。通过使用热敏电阻和温度检测电路实现温度相变监测,利用双热敏电阻和TEC构成闭环控制,根据反馈电阻的温度差来调节TEC的驱动功率,从而实现水三相点的自动复现和保持。

    图1(a) 和 (b) 分别为金属水三相点瓶自动复现系统控制原理图和金属水三相点瓶实物图。研究采用小型化金属水三相点瓶、 利用高纯水自发相变原理、 采用基于半导体帕尔贴效应的热电冷却器(TEC) 和温度控制电路实现了对水三相点的复现和保持。利用灵敏度较高的热敏电阻结合温度检测电路,实现高纯水相变监测;利用双热电阻和TEC构成闭环控制,根据反馈电阻的温度差,研究高纯水相变对制冷量需求,并建立三相点瓶制冷系统热力学模型,合理调节TEC的驱动功率,实现了水三相点状态的复现和较长时间保持。图2中的测量结果表明,在实验室过程中,观察到了金属水三相点瓶内的高纯水有明显的过冷现象,其在液固相变平衡温度(0 ℃)时仍然没有发生相变,当其温度达到相变温度(约−7.3 ℃)时,处于亚稳态的高纯水突然发生相变,内阱温度骤升,并且在骤升后趋于稳定,稳定时间20 min,期间波动度±1 mK。分析实验表明,基于金属水三相点瓶的小型化三相点温度自动复现系统可以实现高纯水的自发相变,并且能够保持一定时间的稳定温坪状态,实现对温度传感器的高精度原位温度校准。

    图  1  (a) 金属水三相点瓶自动控制系统示意图 (TEC:热电制冷器,Pt:铂电阻,NTC:负温度系数热敏电阻);(b) 小型化金属水三相点瓶

    Figure 1.  (a) Schematic diagram of the metal-water triple point cell system (TEC: Thermoelectric cooler, Pt: Platinum resistance, NTC: Negative temperature coefficient thermistor); (b) Miniaturized metal-water triple point cell

    图  2  金属水三相点瓶温度复现。 (a)金属三相点瓶自发相变试验过程(红线和黑线分别代表瓶内及瓶外温度的变化); (b) 稳定后金属水三相点瓶内温度波动情况

    Figure 2.  Reproduction of the metal-water triple point temperature in a metal bottle. (a) The spontaneous phase transition experiment of the metal triple point bottle (The red and black lines represent the changes in temperature inside and outside the bottle, respectively); (b) Temperature fluctuations inside the metal-water triple point bottle after stabilization

    研究表明:将金属水三相点瓶与合理布置的温度监控传感器、TEC制冷系统和制冷控制电路与算法相结合,可以自动复现并保持高纯水三相点状态20 min及温度波动度±1 mK,为温度传感器原位校准提供了一个准确、稳定、可持续的环境,服务于深海、深空高精度温度原位校准。

参考文献 (3)

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