0 引　言

根据国际计量委员会CIPM的提议，从1990年1月1日开始，在世界范围内启用直流量子化霍尔电阻基准^[1]，直流电阻的量值溯源不再以实物电阻为基准，受量子霍尔电阻复现条件苛刻的影响，由其复现的电阻量值仍然要由实物电阻作为传递标准逐级向下传递，因此实物电阻的稳定性就显得格外重要。进行国际比对前，标准电阻要运往不同国家，想要保持传递电阻阻值高度稳定，不仅要求电阻的制作材料及制造工艺优良，而且要在运输过程中为电阻提供高度稳定的温度环境。国际比对中也明确要求了在测量过程中，标准电阻置于(23±0.05) ℃的温度环境中。这就要求恒温箱具有较高的稳定性和便携性。运输过程中必然要使用移动设备为恒温箱供电，因此恒温箱功耗要尽可能小，以满足长时间运输的需要。此外，为了避免对量值传递造成干扰，恒温箱还应具有良好的噪声性能。

最初用恒温油槽为实物标准电阻提供稳定的温度环境，但是恒温油槽便携性较差，且容易污染电阻。目前所用的高精度电阻传递标准体积较大，而国际上此种大容量便携式空气恒温箱产品较少^[2]。

基于此现状，文章设计了一款高精度可携式空气恒温箱，系统采用自整定模糊 PID算法，动态性能较好。通过实验对恒温箱的功率消耗、噪声性能以及稳定性能进行了测试分析。实验结果表明，该恒温箱功耗低、噪声小、便携性强、稳定性高，满足标准电阻的存放和量值传递的要求。

1 温度控制系统 1.1 温度控制系统原理

温度控制系统由温度采集模块和温度控制模块构成，系统结构如图1所示。系统以单片机为核心，通过Pt100温度传感器获取恒温箱内腔温度，功率电阻作为执行元件。由于恒温箱工作温度高于环境温度，所以功率电阻一直处于加热状态。

随着内腔温度变化，Pt100阻值发生改变导致电桥的差分电压变化，差分电压经过调理放大后由 A/D转换芯片转换成数字信号，再由单片机处理后计算出当前温度，通过液晶屏显示温度值，也可以通过串口将温度数据传送给上位机。单片机记录温度偏差值和温度变化率，将它们进行模糊PID运算后在线调整输出值，通过控制D/A转换芯片的输出电压，来调节PWM波占空比，PWM波通过驱动电路改变功率电阻的电流，使其发热量改变^[3-5]。

1.2 智能控制模块

模糊PID控制将模糊理论的灵活性和PID控制的精确性特点相结合，可以在线修改参数，控制精度高，满足精密温度控制的需要^[6-7]。系统采用模糊PID控制，通过闭环负反馈结构实现对温度的精确控制，在没有人工干预的情况下，可以根据系统的响应，利用模糊逻辑实时调节PID参数，使系统有更好的动态性能。

1.3 温度采集模块

铂电阻Pt100是一种精度高、稳定性强的测温标准传感器。为减小引线电阻对测量带来的影响，采用了三线制接法。温度采集电路如图2所示。

将Pt100温度传感器和3个精密线绕电阻组成惠斯通电桥，利用铂电阻的阻值对温度敏感的特性探测恒温箱内腔温度。四臂电桥产生的不平衡信号比较微弱，需要经过仪表放大器AD620差分放大，由于AD620失调漂移较小、精密度高，被广泛应用于微弱信号的放大。

由于Pt100传送到电桥的电信号要经过较长距离的引线，可能会受到交变磁场的干扰。因此，在仪表放大器后添加Sallen-key结构的二阶有源低通滤波器，以消除高频噪声。被放大后的温度信号经过低通滤波后，进入模数转换模块。

1.4 驱动模块

功率电阻驱动电路如图3所示，N沟道增强型MOS管高电平导通起到开关的作用。脉宽调制输出经过限流电阻R1连接到MOS管栅极。系统通过PWM波高低电平来控制开关的通断，进而控制功率电阻的工作时间。下拉电阻R2用来确保脉宽调制输出为低电平时，栅极保持低电位，即场效应管处于截止状态。

1.5 上位机模块

为掌握恒温箱内腔温度变化趋势，了解恒温箱的控温性能，通过LabVIEW软件编写了上位机程序。Pt100获取内腔温度数据后被转化为数字信号，单片机对信号进行处理后，通过RS-232串口完成与上位机的通信^[8]。上位机根据设置的采样间隔显示内腔温度，并用LabVIEW波形图表显示控件将温度实时显示，可以显示内腔温度的变化趋势^[9]。同时，将温度数据保存到LabVIEW自动创建的以当前日期命名的文本文件中。

2 恒温箱结构分析

恒温箱箱体结构如图4所示，整个箱体尺寸为57 cm×57 cm×55 cm，质量约35 kg。箱体由内箱体和外箱体构成，内外箱体都是由5 mm厚的铝板制成，保证了箱子的便携性。内箱体作为均温层，可以改善温度均匀性。

铝壳电阻尺寸小、精度高，其外壳由铝制成，散热性强，适用于精密温度测控领域。在箱体的每个面均匀固定铝壳电阻，每个电阻与面之间涂抹导热硅脂，以保证功率电阻发热能及时传递到内箱体，从而对内腔温度进行紧密控制。内箱体每个面的功率与面积相匹配，如式（1），任意3个面上电阻功率之比等于面积之比。因此该恒温箱结构上是比较对称的，可以认为温度场近似均匀。

其中S为恒温箱内箱体某一面的面积；P为恒温箱内箱体某一面上电阻的功率。

聚苯乙烯泡沫塑料质量轻、导热系数小、具有良好的缓冲作用^[10]。内外箱体之间填充8 cm厚的泡棉作为绝热层，这是防止内箱体与外界环境之间热传递的基本保证，同时还可以起到温度滤波的作用，滤除短时间温度变动的影响。

3 性能分析 3.1 电源噪声分析

量值传递时，要求标准电阻存放的温度环境高度稳定，同时外界对量值传递设备造成的电磁干扰要尽量小。因此，作为标准电阻的储存环境，恒温箱不仅控温性能要稳定，还应具有良好的噪声性能。

开关电源发热量小、转换效率高。但其输出的直流电叠加较大的纹波，内部电流和电压的快速变化也会造成谐波干扰和尖峰干扰^[11]。图5是标准电阻量值传递实验一个周期的数据，曲线1是在外界无明显电磁干扰下，使用开关电源为系统供电时电桥不平衡电压的测量值。在受到开关电源的干扰后，电桥不平衡电压出现了较大幅度的波动，峰峰值达到90 nV，实验数据出现较大的偏差。

恒温箱的运行，需要36 V直流电源为控制器和控制电路（功率电阻）同时供电。由于电池输出电压稳定、纹波噪声小，为了改善恒温箱的噪声性能，将3块电压为12 V的铅酸电池串联成36 V可充电电源为系统供电。曲线2是在电池供电时电桥不平衡电压的测量值，此时实验数据比较平稳，峰峰值为13 nV。因此，采用电池供电完全满足要求，而开关电源对量值传递干扰较强，不适合应用于此种用途的恒温箱。

恒温箱在实验室内存放电阻时，市电作为恒温箱电能来源，若市电停止供电，36 V电池能实现恒温箱的不间断供电。考虑到充电时电池输出的直流电仍叠加纹波，因此在量值传递时，电池仅处于放电状态，避免造成额外干扰。用电池供电噪声小，可实现不间断供电，而且提高了恒温箱的便携性，使标准电阻在运输过程中保持恒定温度成为可能。

3.2 稳定性分析

恒温箱内腔温度的稳定性是很重要的参数，直接影响标准电阻阻值的稳定。为此，对恒温箱的短期稳定性和长期稳定性分别进行了测试。实验条件为实验 室室温（19.5±0.5） ℃，目标温度设定在23.000 ℃。

在一天内每隔20 min记录下室温和恒温箱内腔温度，以测试恒温箱的短期稳定性。温度波动如图6所示，在实验室室温条件下，内腔温度数据一天内分散性较小，控温点在23.000 ℃时，温度波动小于±0.004 ℃，稳定性优于1 mK/d。

为测试恒温箱的长期稳定性，对恒温箱进行了连续30天的考察，每天记录一次室温以及恒温箱内腔温度，温度波动如图7所示，虽然室温波动达±1.5 ℃，内腔温度依然长期稳定在23.000 ℃附近，月稳定性优于1 mK，这表明恒温箱抗干扰能力以及控温性能较为出色。

图8为量子化霍尔电阻与存放于恒温箱中的标准电阻SR102进行比对的数据，相对差值为当前测量比值与129.064的差值。经过数据分析，数据的离散性为6.87×10⁻⁹，说明标准电阻阻值在恒温箱内非常稳定，也证实了恒温箱内腔温度的稳定性非常高，满足标准电阻的存放及高精度量值传递的要求。

3.3 功率消耗分析

恒温箱控温过程大致分为3个阶段：1)温度上升期，即内腔温度从室温（19.5 ℃）上升至设定温度（23 ℃）附近的过程。此过程控制器控制功率电阻持续以全功率发热，使温度快速上升。2)温度调整期，即内腔温度在设定温度附近（23±0.1）℃波动的状态。此过程控制器不断改变功率电阻电流，改变其发热量，从而实现温度调整。3)温度稳定期，即内腔温度稳定在设定温度的状态。此阶段控制器控制功率电阻提供一个基础加热功率，发热量非常小。

控温过程内腔温度的变化曲线如图9所示。系统动态性能较好，4.5 h可达到稳态，其中上升期持续时间约2 h，调整期持续时间约2.5 h。

NI PXI-5922是可实现多种动态测试功能的高速数据采集卡，其分辨率可变^[12]。将PXI-5922与LabVIEW软件相结合，可以实现频率为1 kS/s的高分辨率采样。

本系统中，功率电阻和控制器都存在功率损耗。将一个1 Ω的电阻串联到控制器电路中，用万用表测量1 Ω电阻两端电压近似得到控制器回路电流；另一个1 Ω电阻串联到控制电路（功率电阻）中，分别在温度上升期、调整期、稳定期3个阶段用PXI-5922对1 Ω电阻两端的电压进行采样，得到功率电阻电流的大小和PWM波形。通过式（2）可以得到某一时间段功率电阻电流的平均值

其中I_max为功率电阻全功率加热时的电流大小；α为PWM波在某一时间段的平均占空比。

整个控温过程控制器回路电流较稳定，约为74.83 mA。本系统中PWM波周期为956 ms，对温度上升期和调整期各取20个周期的数据进行分析。由于温度上升期功率电阻处于全功率加热状态，因此，此阶段功率电阻电流平均值即I_max约112.5 mA。

在量值传递时，存放电阻的恒温箱处于稳定状态，电池一直在放电。因此，分析室温下稳定期的功率消耗对于量值传递更具实际意义。同时，也为运输过程中恒温箱的工作时间提供了依据。

将20 min内测得的稳定期功率电阻电流数据按时间先后分为60组，每组数据包含20个PWM波周期。根据各组数据的平均PWM波占空比可得到每组数据的平均电流，其随时间的变化曲线如图10所示，从而得到功率电阻电流测量结果的标准偏差为0.62 mA。数据表明，在实验室温度下，恒温箱稳定期功率电阻的平均电流变化较小，采用高精度波形采样方法分析稳定期的功率消耗，可靠性高。

3个阶段的系统功率消耗计算值如表1所示。在实验室室温条件下，容量为4.5 Ah的36 V电池可以维持稳定状态下的恒温箱工作(49.8±0.3) h。经过5次实测，平均时间约49.5 h，能与理论数据相吻合。实验结果表明，恒温箱功耗较低，满足量值传递及远距离运输的要求。

4 结束语

文章设计了一款高精度空气恒温箱。恒温箱的动态品质较好，长期稳定性优于1 mK/月。电池作为电能来源，噪声小且便于携带。通过高精度波形采样方法评价系统的功率消耗，得到系统在稳定期的功率电阻电流测量结果的标准偏差为0.62 mA，36 V电池可在室温下为其持续供电(49.8±0.3) h。实验结果表明，恒温箱功耗低、噪声小、便携性强、稳定性高，满足标准电阻的存放和量值传递的要求。