水平钾热管比较温度源的制作方法

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1.本发明涉及一种高稳定性、高均匀性的钾热管比较温度源，用于温度计量中400℃至700℃温区的温度传感器校准。


背景技术：

2.在温度校准领域，干体式校准炉是为热电阻、热电偶等温度传感器提供温度源的设备，使用金属均温块可降低校准炉内温度梯度，具有工作温度精度较高、稳定性较好及使用方便等特点，可供分度检定各类温度传感器。干体式校准炉提供了接近液体恒温槽的性能，却不需要昂贵的恒温槽液体。干体式校准炉达到预定温度点并且稳定的时间比恒温槽快5到10倍。然而干体式校准炉的稳定性及均匀性在高温段较差，400℃以上时稳定性最好为
±
10mk、轴向温度均匀性为
±
200mk，无法满足高精度温度量值传递的需求。


技术实现要素：

3.为了克服背景技术中干体校准炉在高温下稳定性及均匀性较低的问题，本发明设计了一种基于钾热管技术的高精度比较温度源，该钾热管比较校准温度源包括水平三段加热炉、水平运行钾热管和计阱均温块。
4.所述水平三段加热炉中部具有中空加热段，水平运行钾热管置于水平三段加热炉的中空加热段中，所述水平三段加热炉的中空加热段的两侧用保温材料封堵，其中一侧的保温材料开设有供温度传感器插入的孔。所述水平运行钾热管呈管状环柱体，所述管状环柱体的中部具有圆柱体中空均温腔，所述计阱均温块置于水平运行钾热管中部的圆柱体中空均温腔中。
5.所述水平运行钾热管包括热管外管壳、内管壳、环形顶板、圆形底板、内管壳底板、充液管承载台、充液管、保护帽、高纯钾工质、外管壳吸液芯、内管壳吸液芯、花瓣状吸液芯。其中，外管壳与内管壳同轴布置，二者通过左侧的环形顶板连接，内管壳的右侧利用内管壳底板封堵，外管壳的内壁面与内管壳的外壁面之间形成夹层空腔，该空腔内部即为热管的工作腔，外管壳右侧采用圆形底板封堵，圆形底板中部焊接了充液管承载台，充液管承载台上焊有充液管。通过所述充液管对水平运行钾热管的内腔体进行真空除气及高纯工质钾的充灌，充灌完成后在充液管的合适位置进行冷焊密封，最后将保护帽拧至充液管承载台外部的螺纹之上。
6.所述充液管为镍管，水平运行钾热管的其它部件均使用inconel600耐高温合金制成。所述水平运行钾热管的各部件采用真空电子束焊接。
7.在所述水平运行钾热管的外管壳内壁面加工有等间距径向螺旋沟槽，同时在内管壳外壁面加工有等间距轴向的沟槽。
8.所述外管壳的内壁面上紧密铺设多层外管壳吸液芯，在内管壳的外壁面上紧密铺设单层内管壳吸液芯，并在外管壳的内壁面和内管壳外壁面之间铺设多层花瓣状吸液芯，所述花瓣状吸液芯分别与内管壳吸液芯和外管壳吸液芯均具有等距的n个接触点，使花瓣
状吸液芯能够与内管壳吸液芯和外管壳吸液芯紧密接触。所述外管壳吸液芯、内管壳吸液芯和花瓣状吸液芯均优选用80目的inconel600丝网。
9.特别地，所述花瓣状吸液芯具有6片叶瓣，花瓣状吸液芯15与外管壳吸液芯具、内管壳吸液芯分别有6个等距接触点，各个接触点分别为外管壳和外管壳的圆内接正六边形顶点，花瓣状吸液芯与外管壳吸液芯、内管壳吸液芯的接触点之间的部分为平滑曲面。
10.优选地，所述计阱均温块为五计阱均温块。在该均温块的中心位置处有供参考温度计放置的中心温度计阱，其四周对称设计四个温度计阱，可放置待检定的温度传感器。
11.依赖于本发明设计的特殊管壳表面结构及吸液芯方案，该钾热管除了可在垂直放置时正常运行，此钾热管在水平放置时亦可良好运行，在热管内部获得高稳定性、均匀性、准确性的温度场，可以应用到温度传感器检定、校准系统中，相比传统检定系统其温度场稳定性、均匀性、计阱间温差得到大幅度提升。
附图说明：
12.图1为本发明水平运行钾热管比较温度源总体结构示意图；
13.图2为本发明钾热管结构示意图；
14.图3为本发明钾热管花瓣状吸液芯布置截面图；
15.图4为五计阱比较均温块示意图；
16.图5为使用用高精度铂电阻温度计，采用双探针法消除炉温波动后测量的本发明钾热管比较温度源的温度稳定性；
17.图6为使用用高精度铂电阻温度计，采用双探针法测量的本发明钾热管比较温度源的温度均匀性。
具体实施方式：
18.图1为本发明的水平运行钾热管比较温度源的总体结构示意图，在该实施例中，所述装置包括水平三段加热炉1、水平运行钾热管2、计阱均温块3。所述水平三段加热炉1中部具有中空加热段，水平运行钾热管2置于水平三段加热炉1的中空加热段中，所述水平三段加热炉1的中空加热段的两侧用保温材料封堵，其中一侧(图中为左侧)的保温材料开设有供温度传感器插入的孔，所述孔的位置按照计阱均温块3的尺寸而设计。所述水平运行钾热管2呈管状环柱体，环柱体的中部具有圆柱体中空均温腔，所述计阱均温块3置于水平运行钾热管2中部的圆柱体中空均温腔中。
19.如图2所示，所述水平运行钾热管2包括热管外管壳4、内管壳5、环形顶板6、圆形底板7、内管壳底板8、充液管承载台9、充液管10、保护帽11、高纯钾工质12、外管壳吸液芯13、内管壳吸液芯14、花瓣状吸液芯15。其中，外管壳4与内管壳5同轴布置，二者通过左侧的环形顶板6连接，内管壳5的右侧利用内管壳底板8封堵，外管壳4的内壁面与内管壳5的外壁面之间形成夹层空腔，该空腔内部即为热管的工作腔，外管壳4右侧采用圆形底板7封堵，圆形底板7中部焊接了充液管承载台9，充液管承载台9上焊有充液管10，通过所述充液管10对水平运行钾热管2的内腔体进行真空除气及高纯工质钾12的充灌，充灌完成后在充液管10的合适位置进行冷焊密封，最后将保护帽11拧至充液管承载台9外部的螺纹之上，至此，所述水平运行钾热管2制作完成。
20.进一步地，为了保证热管的密封性，所述充液管13使用延展性良好的镍管，水平运行钾热管2的其它部件均使用inconel600耐高温合金制成。为保证热管内壁及吸液芯的洁净，防止焊接造成管壁氧化从而污染高纯钾工质、或在高温运行中释放不凝性气体，所述水平运行钾热管2的各部件采用真空电子束焊接。
21.进一步地，为了使高纯钾充分浸润热管内壁，提高其分布均匀性，在所述水平运行钾热管2的外管壳7内壁面加工有等间距径向螺旋沟槽，同时在内管壳8外壁面加工有等间距轴向的沟槽。经过对比实验，本技术这种外管壳7内壁面和内管壳8外壁面采用不同的形状的沟槽非常适合水平三段加热炉1和水平运行钾热管2的组合，所述外管壳7内壁面的等间距径向螺旋沟槽能够使得水平三段加热炉1对水平运行钾热管2进行加热的过程中，水平运行钾热管2中的高纯钾能够迅速、均匀地沿着径向螺旋沟槽浸润整个外管壳7的内壁面，从而加速高纯钾的汽化，而内管壳8外壁面的等间距轴向的沟槽能够钾蒸汽在内管壳8外壁面液化放热后，沿着轴向的沟槽流到水平运行钾热管2的两端并回到热管的工作腔下部的液态钾中，促进整个钾工质在热管内部的热循环，进一步提高了热管的均温效果。
22.为了使高纯工质钾12充分润湿热管的内表面，本技术设计了一种新的吸液芯铺设方式：在外管壳4的内壁面上紧密铺设3层外管壳吸液芯13，在内管壳5的外壁面上紧密铺设1层内管壳吸液芯14，并在外管壳4的内壁面和内管壳5外壁面之间铺设2层6等分的花瓣状吸液芯15，所述花瓣状吸液芯15分别与内管壳吸液芯14和外管壳吸液芯13均具有等距的六个接触点，使花瓣状吸液芯15能够与内管壳吸液芯14和外管壳吸液芯13紧密接触，从而使液态下的钾工质能够通过毛细作用力从外管壳吸液芯13到达内管壳吸液芯14。所述吸液芯13、14、15优选用80目的inconel600丝网。
23.特别地，图2
‑
3示出了本发明钾热管花瓣状吸液芯15的截面形状，在一个实施例中，所述花瓣状吸液芯15具有6片叶瓣，其中a1至a6为花瓣状吸液芯15与外管壳吸液芯13的接触点，b1至b6为花瓣状吸液芯15与内管壳吸液芯14的接触点，各个接触点分别为外管壳和外管壳的圆内接正六边形顶点，可采用插值法数值模拟得到具体形状，花瓣状吸液芯15与外管壳吸液芯13、内管壳吸液芯14的接触点之间的部分为平滑曲面。经过多次实验对比，本技术的钾热管采用正六边形截面形状的花瓣状吸液芯比采用正三、四、五边形结构的温度均匀性高5至10mk左右。截面形状的顶点增多对温度均匀性、稳定性的提高较小，并且顶点较多时加工难度更大，难以保证吸液芯与壁面接触位置平滑。
24.由于热管极高的导热性，本技术的温度源内部可以产生稳定性、均匀性较高的温场。本发明可以减小环境和加热炉温度波动对该比较温度源的影响，其温度稳定性、垂直温场均匀性及计阱间温差得到大幅度提升。
25.图4为本发明针对水平运行钾热管2设计的计阱均温块3的示意图，在本实施例中，所述计阱均温块3为五计阱均温块。在该均温块的中心位置处有供参考温度计放置的中心温度计阱，其四周对称设计四个温度计阱，可放置待检定的温度传感器。该均温块进一步提高热管圆柱形均温腔内的温场均匀性，提升温度源比较校准水平。
26.图5、图6为采用高精度铂电阻温度计测量本发明钾热管比较温度源温场的稳定性和均匀性。实验过程中同时使用两支温度计进行测量，虽然两支温度计分别放置在对称位置的测温点处，但每支温度计的测量数据都包含了同一时刻加热炉温度的波动情况，将两支温度计在相同时刻采集到的温度数据做差值，即可消除加热炉温度波动的影响。从图中
的数据可以看出，消除炉温波动后温度稳定性在
±
5mk范围内波动，温度均匀性为
±
25mk。
27.应当理解，上述实施例的技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域的技术人员,可以很容易在此实现的原理和方法上,采取不同的实施手段实现各种变形和改进，这些变形和改进并不脱离本发明的保护范围。