一种恒温腔的制作方法

1.本发明涉及测量校准技术领域，尤其涉及一种用于低温温度传感器校准的恒温腔。


背景技术：

2.使用传感器进行测量是人们认识客观事物的重要方法。依据被测量对象的特点，采用行之有效的方法和测量仪器来获取被测量数值的整个过程被称为测量技术。只有通过测量才能取得表征客观事物特征的定量信息。它的准确度、灵敏度和测量范围等在颇大程度上决定了科学和技术发展的水平。测量技术达到的水平越高，则科学的成就也越为深广，技术水平也越高。温度传感器测量技术，尤其是在低温温度测量领域，主要研究能量传递过程中的热物理参数的测量，研究揭示不同温度装置内部过程的动态特性并给以定量描述的方法。
3.最近二十年以来，低温温度测量技术发展迅速，主要表现在以下几方面：建立完善的低温温标，研制和开发新型低温温度计，温度测试技术的不断进步等。低温测量技术的发展趋势表现在：由一般整机性能测量发展到深入内部工作过程的测量；低温、强磁场等极端条件下，以及具有相变的瞬态过程的温度等相关参数的分布及变化；以及对各种低温传感器、测量系统和测量技术不断提出更高的要求。为了满足科学研究领域的大型低温系统对高精度低温测量的要求，各国已经开展了许多相关的研究工作。日本崎玉大学工学院(faculty of engineering,saitama university)的yasuhiro hasegawa等人采用非金属热阻的方式抑制gm制冷机二级冷头的温度波动，但实施过程较为复杂。我国华中科技大学的王钊针对低温实验过程中的温度测量与控制要求，提出在g-m制冷机内部设置加热器调节被测温度，解决低温下温度的测量控制问题，但该系统的测量精度只能达到1k。随着我国超导技术和空间科学的快速发展，势必需要提高低温温度测量的精度以满足其需求。
4.温度传感器校准的实质是将温度传感器放置在一个可调节温度的高精度恒温腔中，设定恒温腔内温度为某一恒定值，通过观察温度传感器测量得到的温度结果与恒温腔内实际的温度之间的误差来对传感器进行校准。随着温度传感器应用的越来越广，使用一款高精度的温度传感器测量温度很简单，但是如何设计一款温度波动更小、精度更高的恒温腔对温度传感器进行校准却难之又难。温度传感器校准系统的性能主要取决于恒温腔的性能，因此，提升恒温腔的温度波动过滤、传热误差抑制、导热均匀性等技术的需求日益突出，而由于制冷机本身的温度波动已经非常小且金属传热误差较低，影响温度的因素又比较多，因此，温度传感器校准一直是国内、国际上的难题。
5.恒温腔的关键在于确保其内部温度可以恒定于某一特定温度值，且波动较传感器更小。由于传热会影响测量精度，设计恒温腔装置时，内部各个连接件和底座要选择对传热影响更小的材料。另外要尽可能提高恒温腔内部介质对温度传递的均匀性。但是，实际上温度传感器校准使用的恒温腔面临着诸多问题，比如温度波动、传热误差、腔内介质的导热均匀性等都会对结果产生影响。


技术实现要素：

6.为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种恒温腔，在低温环境下校准温度传感器时可抑制温度波动、提升导热均匀性、减小腔体内外热辐射，从而提升恒温腔性能，且该结构简单、可靠。
7.为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
8.本发明提供一种恒温腔，包括：外部保护层、中间隔热层、内部恒温层、压力控制管和波纹管，
9.所述外部保护层和所述中间隔热层采用上下两段式封闭结构，所述外部保护层为双层结构；
10.所述内部恒温层设置于所述中间隔热层内的底部，所述中间隔热层设置于所述外部保护层内；
11.所述压力控制管设置于所述外部保护层的上部；
12.所述波纹管依次连接所述压力控制管、所述中间隔热层和内部恒温层；
13.所述外部保护层的双层结构内、所述外部保护层和所述中间隔热层之间以及所述中间隔热层和所述内部恒温层之间均抽为真空，工作时所述内部恒温层内注入氦气。
14.根据本发明的一个方面，所述外部保护层包括：外层上筒体、外层下筒体、外层顶部法兰、外层底部法兰和固定环，
15.所述外层上筒体和所述外层下筒体的开口拼接形成一个外层封闭筒，所述外层上筒体和所述外层下筒体具有双层结构；
16.所述外层顶部法兰设置于所述外层封闭筒的顶部，所述外层顶部法兰上设置低温真空航插；
17.所述外层底部法兰设置于所述外层封闭筒的底部；
18.所述固定环将所述外层上筒体和所述外层下筒体进行固定。
19.根据本发明的一个方面，所述外层上筒体和所述外层下筒体采用不锈钢加工焊接而成。
20.根据本发明的一个方面，所述中间隔热层包括：中间层上筒体、中间层下筒体、中间层顶部法兰和中间层底部法兰，
21.所述中间层上筒体和所述中间层下筒体的开口拼接形成一个中间层封闭筒，所述中间层顶部法兰设置于所述中间层封闭筒的顶部，所述中间层底部法兰设置于所述中间层封闭筒的底部。
22.根据本发明的一个方面，所述内部恒温层包括：柔性热管、传感器底座、内层筒体、内层顶部法兰，
23.所述柔性热管套设于所述内层筒体的外圆周侧壁，且所述内层筒体由下而上的套设直径逐渐减小；
24.所述传感器底座设置于所述内层筒体内底部；
25.所述内层顶部法兰设置于所述内层筒体的顶部，所述内层顶部法兰上设置低温真空航插，并使用铟丝密封，所述低温真空航插的一端连接被校准传感器的引出线。
26.根据本发明的一个方面，所述中间层上筒体、所述中间层下筒体和所述内层筒体采用6061铝加工而成；
27.所述低温真空航插采用玻璃熔接。
28.根据本发明的一个方面，在所述内层顶部法兰和所述外层顶部法兰之间设置热锚结构，并连接所述内层顶部法兰和所述外层顶部法兰；
29.所述外层顶部法兰和所述外层底部法兰采用o型圈密封。
30.根据本发明的一个方面，还包括：制冷机冷头和冷量分配器，
31.所述冷量分配器设置于所述内层筒体的底部并与所述内层筒体的底部连接，将所述制冷机冷头、所述内层筒体和所述中间层下筒体进行固定连接。
32.根据本发明的一个方面，还包括：加热器，所述加热器设置于所述内层筒体的底部和所述冷量分配器之间，以及所述内层筒体靠近底部的外圆周侧壁上。
33.根据本发明的一个方面，还包括：kf40焊接法兰，所述kf40焊接法兰设置在所述外部保护层的外侧壁上。
34.本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
35.根据本发明的方案，该恒温腔可应用于低温温度传感器的校准。通过该恒温腔中三层结构和预冷结构等的设计，可解决恒温腔在低温环境下的温度波动大、导热均匀性差、内外热辐射严重以及温度梯度大等问题，提升恒温腔内的导热均匀性，使得低温温度传感器校准系统实现77k到323k的温度校准范围内的高精度、低波动的温度测量校准，静态有效温度场均匀性小于10mk，静态温度准度小于10mk(调节时间小于2小时)，温变过程中有效温度场温度最大差值：(1)同时标校8支温度传感器的情况下，温变率0.5k/min，有效温度场温度最大差值小于等于0.3k；(2)同时标校4支温度传感器的情况下，温变率0.5k/min，有效温度场温度最大差值小于等于0.2k。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1示意性表示本发明实施例提供的一种恒温腔的结构图；
38.图2示意性表示本发明实施例提供的内部恒温层的结构图；
39.图3示意性表示本发明实施例提供的中间隔热层的结构图；
40.图4示意性表示本发明实施例提供的外部保护层的结构图；
41.图5示意性表示本发明实施例提供的预冷结构示意图；
42.图6示意性表示本发明实施例提供的内层顶部法兰的结构示意图；
43.图7示意性表示本发明实施例提供的冷量分配器的结构图；
44.图8示意性表示本发明实施例提供的低温真空航插和密封圈的结构图；
45.图9示意性表示本发明实施例提供的外层顶部法兰和外层底部法兰的结构示意图；
46.图10示意性表示本发明实施例提供的中间层顶部法兰和中间层底部法兰的结构示意图；
47.图11示意性表示本发明实施例提供的传感器底座的结构示意图。
具体实施方式
48.此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。
49.此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本发明保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。本发明的范围由权利要求书所界定。
50.隔热校准腔是低温温度传感器校准系统的核心组件，因此低温温度传感器校准系统的性能主要取决于隔热校准腔的性能，而恒温腔作为隔热校准腔的主要结构，其性能更是直接影响隔热校准腔的性能。本发明主要对恒温腔的性能和设计进行研究。如图1所示，本实施例公开的一种用于温度传感器校准的恒温腔。该恒温腔包括：外部保护层9、中间隔热层10、内部恒温层15、压力控制管7和波纹管8。外部保护层9和中间隔热层10采用上下两段式封闭结构，外部保护层9为双层结构。内部恒温层15设置于中间隔热层10内的底部，中间隔热层10设置于外部保护层9内。压力控制管7设置于外部保护层9的上部，波纹管8依次连接压力控制管7、中间隔热层10和内部恒温层15，可以控制腔体内的真空度和压力。外部保护层9的双层结构内为真空，可以增加外部保护层9的隔热效果。外部保护层9和中间隔热层10之间以及中间隔热层10和内部恒温层15之间均抽为真空，可以减小热辐射，隔绝热量传递，减小校准过程中的热损失。工作时内部恒温层15内注入氦气。
51.由于外界温度为室温，而恒温腔内须保持低温环境，因此需要隔绝外界热量，防止外界热量通过热辐射的方式向腔体内扩散。用于温度传感器校准的恒温腔需保持腔内低温环境，不能出现温度准度、均匀性偏离过大的情况，且尽量不改变恒温腔具体构造。对于恒温腔，虽然隔绝了与外界的接触，但是热辐射却难以避免，因此减小热辐射、提升静态温度准度和均匀性是恒温腔系统设计的技术难点之一。
52.该恒温腔采用上述三层结构设计，并增加长度以便于更好地控制温度，最外层为保护层，中间层为隔热层，内层为恒温筒。其中内层恒温筒为传感器安装的位置，工作时内层注入高导热性的氦气，充入氦气的气压为常温下0.9～1mpa，加快热量传递，并防止空气渗入恒温腔而出现结霜，影响恒温腔的温度特性的现象发生，缩短恒温时间，提高内层的温度均匀性。可解决低温环境下的温度波动大难以过滤、导热均匀性差、内外热辐射严重、温度梯度大等问题，可覆盖77k～323k的温度范围，控温准度和均匀性均小于10mk，结构设计简单可靠，突破了传统恒温腔制冷温度范围窄、精度低、均匀性差的限制。同时使得低温温度传感器校准系统实现温度波动和精度小于10mk。
53.如图4所示，外部保护层9包括：外层上筒体、外层下筒体、外层顶部法兰6、外层底部法兰19和固定环18。外层上筒体和外层下筒体的开口拼接形成一个外层封闭筒，外层上筒体和外层下筒体都具有双层结构，该双层结构内部为真空。外层顶部法兰6设置于外层封闭筒的顶部，外层顶部法兰6上设置采用玻璃熔接的低温真空航插23，如图8所示。外层底部法兰19设置于外层封闭筒的底部，固定环18将外层上筒体和外层下筒体进行固定。外层上筒体和外层下筒体采用不锈钢加工焊接而成。外层顶部法兰6和外层底部法兰19的结构示
意如图9所示。
54.如图3所示，中间隔热层10包括：中间层上筒体、中间层下筒体、中间层顶部法兰17和中间层底部法兰20。中间层上筒体和中间层下筒体的开口拼接形成一个中间层封闭筒，中间层顶部法兰17设置于中间层封闭筒的顶部，中间层底部法兰20设置于中间层封闭筒的底部，中间层顶部法兰17和中间层底部法兰20的主要作用是隔离热辐射，减小外部热辐射对内部恒温层15温度的影响。为了方便安装使用，法兰的材质选用铝，其结构示意如图10所示。中间层上筒体和中间层下筒体采用6061铝加工而成，具有隔离热辐射的作用。
55.如图2所示，内部恒温层15包括：柔性热管13、传感器底座14、内层筒体15和内层顶部法兰16。其中，如图5所示，柔性热管13套设于内层筒体15的外圆周侧壁，且内层筒体15由下而上的套设直径逐渐减小。如图11所示的传感器底座14设置于内层筒体15内底部，内层的氦气可以提高传感器底座14的温度均匀性。内层顶部法兰16设置于内层筒体15的顶部，采用不锈钢加工，如图6和图8所示，内层顶部法兰16上设置低温真空航插21，并使用铟丝密封，确保校准过程中内部恒温层15的氦气不会泄漏。低温真空航插21采用玻璃熔接，低温真空航插21的一端连接被校准传感器的引出线，另一端与待校准传感器连接。内层筒体15采用6061铝加工而成。
56.在实际校准过程中，标准铂电阻和被校准低温温度传感器放置在传感器底座14内，满载时(8支被校准低温温度传感器)从内部恒温层15内一共引出44根线。测量线焊接到内层筒体15的顶部法兰16玻璃熔接的低温真空航插，满足温度梯度要求的同时保证了密封性。同时校准多个传感器时，通过调节在传感器底座14中的不同摆放位置，第一可监测温场的均匀性，保证多个传感器的误差小于10mk；第二可监测温变速率。
57.由于校准系统的冷源位于系统下部，导致上下存在一定的温度梯度，为了使温度均匀性优于10mk，通过采用柔性热管13设计预冷结构，如图5所示，将制冷机的部分冷量由下部引入内层筒体15的上部，通过调节内层筒体15上的加热器功率进行主动控温，不仅减小被校准传感器的测量引出线引入的热量、温度误差，而且减小系统上下部的温度梯度。
58.在内层顶部法兰16和外层顶部法兰6之间设置热锚结构，该热锚结构为采用直径为0.1mm的软线在法兰的螺钉上缠绕几圈，将内层顶部法兰16和外层顶部法兰6进行连接，极细的连接线能大大减小导热性，还可充分减小热量传输，更有利于减小温度梯度。如图8所示，外层顶部法兰6和外层底部法兰19采用o型圈密封24，保证使用过程中内层筒体15和外层筒体之间的真空度。
59.低温温度传感器校准系统采用制冷机为系统提供冷量，并采用加热器作为热量来源。因此，恒温腔的底部安装制冷机。制冷机在工作时，制冷机冷头温度的稳定性与波动特性会受到冷却水系统温度波动的影响，因此制冷机冷头的温度会产生周期性的波动，其静态温度波动接近500mk，制冷机难以实现更精准的温度控制，因此提升温度波动抑制技术是恒温腔设计的技术难点之一。恒温腔需控制腔内温度波动，防止在实际测试过程中出现较大的偏差。
60.一个实施例中，该恒温腔还包括：制冷机冷头12和冷量分配器22。如图7所示，冷量分配器22设置于内层筒体15的底部并与内层筒体15的底部连接，将制冷机冷头12、内层筒体15和中间层下筒体进行固定连接。冷量分配器22的材质为铝，保证一定强度下提高热传导率，通过合理设计冷量分配器22，对尺寸和形状进行设计，实现了冷量的动态分配，减小
传递到中间层筒体的冷量，从而使大部分冷量通过内层筒体15的底部传递到传感器底座14，提高制冷效率，保证系统的降温速率和温度均匀性满足技术指标的要求。冷量分配器22抑制了制冷机冷头12的温度波动，与采用柔性热管技术的预冷结构相结合，分配部分冷量直接传导到内层筒体15的上部，实现了内层筒体15上部和底部同时降温的效果，克服了制冷机处于下部、冷量只能通过热传导来传递的缺陷，减小了温度梯度，结合三层结构，进一步提高了温度精度和均匀性。
61.一个实施例中，该恒温腔还包括加热器。该加热器设置于内层筒体15的底部和冷量分配器22之间，以及内层筒体15靠近底部的外圆周侧壁上。如此，制冷机冷头传递的冷量通过加热器到达内层筒体15的底部法兰，进而达到传感器底座14。利用冷量分配器连接内层筒体15与制冷机冷头12，作为二者之间的“热缓冲层”，通过控制加热器的热量输出，可以有效抵消冷量对传感器底座14温度的影响，抑制大部分冷源引入的温度波动，有效减小冷源温度波动对传感器底座14的影响，提高控温稳定性。
62.一个实施例中，恒温腔还包括用来抽真空的kf40焊接法兰11，该kf40焊接法兰11设置在外部保护层9的外侧壁上。
63.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。