申请/专利权人：西安航天计量测试研究所

申请日：2018-11-26

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN109724896B

主分类号：G01N11/00

分类号：G01N11/00;G05D23/32

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.12#授权;2019.05.31#实质审查的生效;2019.05.07#公开

摘要：本发明提供一种用于工作粘度液定值的恒温槽，包括槽体、温度控制器、温度传感器、加热制冷系统及搅拌循环装置；槽体内部设置搅拌桶，搅拌桶上开有流体入口及流体出口，流体入口的高度高于流体出口的高度；槽体的底端设有分流栅板；分流栅板的水平安装高度高于搅拌桶流体出口的高度；搅拌桶外壁与分流栅板围成的空间为槽体的工作区，搅拌桶内的流体通过流体出口、分流栅板进入槽体的工作区；槽体的工作区流体通过流体入口进入搅拌桶；温度传感器固定在槽体的工作区；温度控制器的输入端与输出端分别与温度传感器及加热制冷系统连接；所述加热制冷系统及搅拌循环装置固定在搅拌桶内。解决了目前恒温槽存在的温度准确性、均匀性、稳定性较差的问题。

主权项：1.一种用于工作粘度液定值的恒温槽，其特征在于：包括槽体9、温度控制器、温度传感器1、加热制冷系统及搅拌装置；所述槽体9的内部固定设置搅拌桶2，搅拌桶2上开有流体入口7及流体出口8，所述流体入口7的高度高于流体出口8的高度；所述槽体9的底端设有分流栅板6；分流栅板6的水平安装高度高于搅拌桶流体出口8的高度；搅拌桶2外壁与分流栅板6围成的空间为槽体9的工作区，搅拌桶2内的流体通过流体出口8、分流栅板6进入槽体9的工作区；槽体9的工作区流体通过流体入口7进入搅拌桶2；所述温度传感器固定在槽体9的工作区；所述温度控制器的输入端与输出端分别与温度传感器1及加热制冷系统连接；所述加热制冷系统及搅拌装置固定在搅拌桶2内；分流栅板6上流通孔的直径随与搅拌筒距离由近到远逐渐增大；所述搅拌桶2为两个，分别位于槽体9的相对两侧；所述搅拌装置转速1250rmin。

全文数据：一种用于工作粘度液定值的恒温槽技术领域本发明涉及一种恒温装置，具体涉及一种用于工作粘度液定值的恒温槽。背景技术液体的粘性来自分子引力，温度升高，分子间的距离加大，分子引力减小，内摩擦减弱，粘度减小。粘度与温度的关系非常密切，在常温常压下，当温度变化1℃时，液体的粘度变化达百分之几到十几。因此，恒温槽温度的准确性、均匀性和稳定性对工作粘度液定值非常重要。在工作粘度液定值和毛细管粘度计检定校准中，以观察液面经过毛细管粘度计计时球上下标线为计时起始点的判定，这就需要在整个过程中要尽量减小外界影响对毛细管粘度计内液体产生振动。但是，目前在大型恒温水槽中，一般都采用制冷压缩机实现降温，而制冷压缩机在工作时必然引起振动，在工作粘度液定值和毛细管粘度计检定校准中引入过量误差。发明内容为了解决目前恒温槽存在的温度准确性、均匀性、稳定性较差的问题，本发明提供一种用于工作粘度液定值的恒温槽，该恒温槽能为工作粘度液定值提供符合要求的温度环境。本发明的技术解决方案是提供一种用于工作粘度液定值的恒温槽，其特殊之处在于：包括槽体、温度控制器、温度传感器、加热制系统及搅拌装置；上述槽体内部固定设置搅拌桶，搅拌桶上开有流体入口及流体出口，上述流体入口的高度高于流体出口的高度；上述槽体底端设有分流栅板；分流栅板的水平安装高度高于搅拌桶流体出口的高度；搅拌桶外壁与栅板围成的空间为槽体工作区，搅拌桶内的流体通过流体出口、分流栅板进入槽体工作区；槽体工作区的流体通过流体入口进入搅拌桶；上述温度传感器固定在槽体工作区；上述温度控制器的输入端与输出端分别与温度传感器及加热制冷系统连接；上述加热制冷系统及搅拌装置固定在搅拌桶内。将加热制冷系统放在恒温槽工作区隔壁的混合区即搅拌桶内，冷热介质在混合区中在搅拌器的作用下混合，混合区底部为冷热介质混合流体出口，热量通过这个出口进入恒温槽工作区，通过工作区底部的分流栅，使充分混合的流体介质均匀流过工作区，消除水平和垂直的温度梯度。进一步地，为了减小分流栅板上过流通孔的介质压力对流量的影响，本发明将分流栅板上流通孔的直径设计为：随与搅拌筒距离由近到远逐渐增大，保证恒温槽具有更好的温度均匀性。进一步地，为了便于检定校准过程的监测，满足用工业相机完成对整个检定校准过程的监测要求，所述槽体为立方体，前后侧壁采用厚钢化玻璃；进一步地，为了保证工作区内介质的温度稳定和均匀，所述搅拌桶的纵轴与槽体底部垂直，在搅拌推动下，工作介质在搅拌桶内自上而下流动。进一步地，所述搅拌桶为两个，分别位于槽体的相对两侧。进一步地，所述加热制冷系统包括相互独立的加热系统及冷却系统，上述加热系统包括加热器，上述冷却系统包括制冷压缩机与冷却盘管，上述加热器与冷却盘管位于搅拌桶内，制冷压缩机位于槽体外部。进一步地，上述搅拌装置为机械搅拌，搅拌轴与搅拌桶纵轴重合。进一步地，搅拌器转速1250rmin，既不会引起震荡，影响粘度计垂直度，也可以使工作区温度尽快均匀稳定下来。进一步地，为了准确读取黏度计测量数值和精确调节黏度计垂直度，还包括设置在槽体后壁外侧的背光板及槽体后方的发光区；对光源要求：1热辐射量低，以便尽量减少光源热辐射量对工作室温度影响。2发光均匀，减少读数视觉误差。发光区由42组LED组成发光矩阵，每3颗LED为一组，由12V直流开关电源供电。在恒温槽工作区后侧上中下各安装发光矩阵，在发光区对应的恒温槽后壁上安装背光板，这样可以使整个恒温槽工作区光线均匀，更适合观察毛细管黏度计中液面的状况，同时可以消除反光和折光对观察的影响。进一步地，上述温度传感器为铂电阻温度计，固定在槽体工作区中心。本发明的有益效果是：1、本发明主要为工作粘度液定值提供稳定、均匀、准确的温度环境，本发明恒温槽温度范围：5～50℃；温度波动性：0.01℃；温度均匀性：0.01℃。该恒温槽保证了温度的均匀性与波动度的要求，结构合理可行，具有很大的推广价值。2、本发明将槽体分为相互独立的工作区与混合区，搅拌在混合区进行，搅拌引起的振动不会对毛细管粘度计内液体产生振动；且加热至冷系统均位于混合区内，冷热介质在混合区中在搅拌器的作用下混合，混合区底部为冷热介质混合流体出口，热量通过这个出口进入恒温槽工作区，通过工作区底部的分流栅，使充分混合的流体介质均匀流过工作区，消除水平和垂直的温度梯度；明显提高了恒温槽整体的均匀性和稳定性。3、本发明槽体底端的分流栅板上流通孔的直径随与搅拌筒距离由近到远逐渐增大，由搅拌器推动的介质从搅拌筒下端通过分流栅板进入恒温工作区域，根据与搅拌桶之间的距离调整流通孔的大小，使得通过各流通孔的介质压力相同，对搅拌器推动的介质进行均匀有效分流，从而可以更好地保证恒温槽工作区域温度的均匀性。4、槽体设计为立方体，能够满足同时检定校准6根工作毛细管粘度计，而且需要用工业相机完成对整个检定校准过程的监测的要求。5、本发明采用基于神经网络的模糊自适应PID温度控制器，既有神经网络控制的自学习能力和大规模并行处理能力，又具有模糊控制灵活、适用性强的优点，还具有PID控制精度高的特点，并且能实现PID参数的在线自调整功能；附图说明图1为基于神经网络的模糊自适应PID温度控制器控制原理图；图中，KP为比例系数，KI为积分系数，KD为微分系数，r为输入，y为输出，{E}为误差和误差变化量后的模糊量。图2为恒温槽槽体结构温场示意图；图中：1-温度传感器，2-搅拌桶，3-加热器，4-冷却盘管，5-搅拌装置，9-槽体，8-流体出口；图3为工作介质循环方向示意图；6-分流栅板，7-流体入口；图4为槽体底端分流栅板示意图。具体实施方式以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。恒温槽槽体结构、系统的热惯性、介质的均匀受热状况、混合体良好的流动状态及整机运转可靠性，都直接影响恒温槽的恒温效果。从硬件方面考虑，恒温槽的恒温效果与槽体内部形状有关，当槽体形状为球体时，其温度最均匀，恒温效果最好。为了满足同时检定校准6根工作毛细管粘度计，而且需要用工业相机完成对整个检定校准过程的监测的要求，如果将恒温槽提设计为球形或圆柱体，则会大幅增加其他功能部件的协同工作的难度，经综合考量，本发明将恒温槽体设计为立方体，本实施例具体结构如图2及图3所示，主要包括槽体9、位于槽体9内部的两个搅拌桶2及位于槽体底端的分流栅板6，槽体9前后侧壁部分采用10mm厚钢化玻璃，便于检定校准过程的监测；两个搅拌桶2分别靠近槽体9的相对两个左右侧壁设置，中心点放置用作温度监控的铂电阻温度计。温度控制器根据铂电阻温度计采集的温度控制加热至冷系统，使得恒温槽工作在设定温度下。目前，温度控制的方法主要有标准PID控制、改进型PID控制、智能型PID控制、模糊控制以及神经网络控制等，它们各具优缺点。在实际应用中，根据具体的应用场合、不同的加热对象、不同的控制要求和控制精度，选择不同的控制方式。为了满足高精度控温的要求，恒温槽的温度控制必须采用一些其他的控制手段和方法，如智能控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制等。本实施例选用基于神经网络的模糊自适应PID温度控制器，该温度控制器将神经网络控制、模糊自适应PID控制两者结合起来，该种基于神经网络的模糊自适应PID控制方法，既有神经网络控制的自学习能力和大规模并行处理能力，又具有模糊控制灵活、适用性强的优点，还具有PID控制精度高的特点，并且能实现PID参数的在线自调整功能。其系统结构图如图1所示。该高精度PID温度控制器有效综合了模糊控制、神经网络控制和PID控制，采用折线近似方法进行线性校正，提高了温控控制的准确度。本控制器具有五位显示，0.001℃的高分辨率；为了防止负载变化时引起的温度控制紊乱，在PID的输出上附加了功率前馈控制电路；具有增强型自动演算和隔离模拟变送输出功能；具有RS232和RS485通讯接口，方便远程控制。负工作粘度液定值和工作毛细管粘度计检定校准过程中，以观察液面与毛细管计时球的上下标线为准，因此在整个工作过程中，要尽量减小振动，以免对测试结果造成影响。目前，在大型恒温水槽中，一般都采用制冷压缩机实现降温，而制冷压缩机在工作时必然引起振动。基于以上原因的考虑，本实施例将加热制冷系统及搅拌装置均设置于两个搅拌桶内，加热制冷系统包括相互独立的加热系统及冷却系统，加热系统包括加热器3，冷却系统包括制冷压缩机与冷却盘管4，加热器3与冷却盘管4位于搅拌桶2内，制冷压缩机位于槽体9外部。本装置采用加热制冷分离处理，即将制冷作为单独工作模块分离出来，将冷液以泵流的方式引入恒温槽中，减小加热制冷过程引起的振动，对于改善恒温槽性能具有显著的作用。一般设计直接将分离的加热器和制冷蒸发器冷源放在恒温槽的容器内，容易产生水平和垂直的温度梯度。经分析，将混合区和工作区温场隔离，可明显提高恒温槽整体的均匀性和稳定性。将制冷系统和加热系统一起放在恒温槽工作区隔壁的混合区即搅拌桶内部，冷热介质在混合区中在搅拌器的作用下混合，混合区底部为冷热介质混合流体出口，热量通过这个出口进入恒温槽工作区，通过工作区底部的分流栅板，使充分混合的流体介质均匀流过工作区，从而消除了水平和垂直的温度梯度。为保证工作区内介质的温度稳定和均匀，选用侧向搅拌方案，本实施例中搅拌装置5为机械搅拌，机械搅拌装置在搅拌桶2内竖直放置，恒温槽循环系统工作原理为：在搅拌推动下，工作介质在混合区内自上而下流动，先经冷却盘管和加热器进行热交换，使工作介质达到某一合适温度后，由搅拌器进行强烈搅动，使温度不甚均匀的工作介质充分混合，进而推动工作介质从搅拌桶底部流体出口流出，再导流向上经过槽体底部的分流栅板进入工作区，并使介质具有一定的流速，搅拌器转速设计在1250rmin左右，既不会引起震荡，影响粘度计垂直度，也可以使工作区温度尽快均匀稳定下来。在流经工作区过程中，要求介质尽量减少与外界的热交换，这样才能保证工作区介质温度均匀，并为高质量温度控制创造良好的条件。此后介质再通过搅拌桶上的流体入口流进混合区，依次作重复的循环流动箭头指混合体流动方向，如图3所示。恒温槽设定温度即温度控制器显示温度在接近或低于室温时，恒温槽制冷系统投入运行，它通过在槽体中冷液进口进入的冷液冷却工作介质，实现降温。为了提高介质的降温速率，制冷量分两级可调，开始降温时，可使冷液的温度较低；在恒温或下限温度附近工作时，则令冷液的温度接近恒温槽设置温度冷液温度小于恒温槽设置温度，这样也有利于温度稳定。在恒温时，恒温槽中冷液和加热两个部分同时工作，冷液主要提供制冷量，用于降温并最终保持所要求的低温，而加热用来提供平衡热量实现温度控制。一般情况下，槽体9底部分流栅板6上均匀分布大小一致的流通孔，这种设计对于加热制冷系统放置在底部的恒温槽比较合适，它可以实现恒温槽工作区域温度的均匀性。但对于本实施例中，加热至冷系统相对位于槽体9侧壁的设计来说，这种分流栅板则有明显的弊端：由搅拌装置5推动的工作介质从搅拌筒2下端通过分流栅板6进入恒温工作区域，因为分流栅板6上的流通孔与搅拌筒2距离不一，而造成通过流通孔的介质压力不同，整体呈现因距离由近到远，压力递减的现象，就会造成通过流通孔的恒温介质的量有很大差异，从而影响恒温工作区域的整体均匀性。本发明为了使得恒温槽有更好的温度均匀性，对底部分流栅板6进行了特殊设计。从图4可以看出，底部分流栅板6的流通孔的直径随与搅拌筒距离由近到远逐渐增大，这样便可对搅拌器推动的介质进行均匀有效分流，从而可以更好地保证恒温槽工作区域温度的均匀性。

权利要求：1.一种用于工作粘度液定值的恒温槽，其特征在于：包括槽体9、温度控制器、温度传感器1、加热制冷系统及搅拌装置；所述槽体9的内部固定设置搅拌桶2，搅拌桶2上开有流体入口7及流体出口8，所述流体入口7的高度高于流体出口8的高度；所述槽体9的底端设有分流栅板6；分流栅板6的水平安装高度高于搅拌桶流体出口8的高度；搅拌桶2外壁与分流栅板6围成的空间为槽体9的工作区，搅拌桶2内的流体通过流体出口8、分流栅板6进入槽体9的工作区；槽体9的工作区流体通过流体入口7进入搅拌桶2；所述温度传感器固定在槽体9的工作区；所述温度控制器的输入端与输出端分别与温度传感器1及加热制冷系统连接；所述加热制冷系统及搅拌装置固定在搅拌桶2内。2.根据权利要求1所述的用于工作粘度液定值的恒温槽，其特征在于：分流栅板6上流通孔的直径随与搅拌筒距离由近到远逐渐增大。3.根据权利要求1所述的用于工作粘度液定值的恒温槽，其特征在于：所述槽体9为立方体，前后侧壁采用钢化玻璃。4.根据权利要求3所述的用于工作粘度液定值的恒温槽，其特征在于：所述搅拌桶2的纵轴与槽体底部垂直。5.根据权利要求4所述的用于工作粘度液定值的恒温槽，其特征在于：所述搅拌桶2为两个，分别位于槽体9的相对两侧；所述温度控制器采用基于神经网络的模糊自适应PID温度控制器。6.根据权利要求1所述的用于工作粘度液定值的恒温槽，其特征在于：所述加热制冷系统包括相互独立的加热系统及冷却系统，所述加热系统包括加热器3，所述冷却系统包括制冷压缩机与冷却盘管4，所述加热器3与冷却盘管4位于搅拌桶2内，制冷压缩机位于槽体9外部。7.根据权利要求6所述的用于工作粘度液定值的恒温槽，其特征在于：所述搅拌装置5为机械搅拌，搅拌轴与搅拌桶2纵轴重合。8.根据权利要求7所述的用于工作粘度液定值的恒温槽，其特征在于：搅拌装置转速1250rmin。9.根据权利要求1所述的用于工作粘度液定值的恒温槽，其特征在于：还包括设置在槽体后壁外侧的背光板及槽体后方的发光区。10.根据权利要求1所述的用于工作粘度液定值的恒温槽，其特征在于：所述温度传感器为铂电阻温度计，固定在槽体工作区中心。

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