晶体管恒温炉

longshort · 发表于 2013-10-13 11:50:12

找到一篇资料：http://wenku.baidu.com/view/cff2e6f2ba0d4a7302763a27.html

文中长期稳定性的典型实验数据为：在400℃时持续300小时，0℃时的最大温度漂移为0.02℃。从300小时折合到一年，按时间的方根算，大约42ppm，这确实是很小的。

longshort · 发表于 2013-10-13 11:52:38

youngliu 发表于 2013-10-13 11:41
LM35、18B20的1000小时老化都是在最高温度125度下的吧，常温或者 65度下，老化要低得多。优质的NTC，厂家 ...

这是个确认有老化但其值不稳定的数据，考虑它的影响时我只能取最大温度下的数据。

youngliu · 发表于 2013-10-13 12:07:57

longshort 发表于 2013-10-13 11:50
找到一篇资料：http://wenku.baidu.com/view/cff2e6f2ba0d4a7302763a27.html

文中长期稳定性的典型实验 ...

0.02度就已经77ppm了，这是300小时的，一年是8760小时，按公式算应该有420ppm，不是42ppm。当然，这是400度温度持续8760小时，0度时的漂移量

longshort · 发表于 2013-10-13 12:24:10

哈，我居然把pt100的老化去除以pt1000的老化。。。。
看来老化也很可观啊。

kangning · 发表于 2013-10-13 22:07:18

longshort 发表于 2013-10-13 07:42
第一：晶体管本身通过热阻产生的热量可以在保温措施的支持下快速累积。
第二：晶体管是可控的，在负反馈 ...

楼主的意思是可以把晶体管的内阻控制在一个适当的水平，然后作为热源加热吗？

kangning · 发表于 2013-10-13 22:19:44

kripac 发表于 2013-10-13 00:23
谢谢楼主的文章，看来需要将温度传感器尽量贴近加热源，而被加热器件可以稍微远一些，如此加热器的温度变化 ...

电阻丝同时作加热和测温元件的话，可能会引起测量电路与加热电路的互扰，估计控温精度不会太好。

kripac · 发表于 2013-10-13 23:43:30

本帖最后由 kripac 于 2013-10-13 23:46 编辑

kangning 发表于 2013-10-13 22:19
电阻丝同时作加热和测温元件的话，可能会引起测量电路与加热电路的互扰，估计控温精度不会太好。

我也是想起了以前看过的 LT1013/LT1014 文档中的热线式风速计(Hot Wire Anemometer)的原理图而想到这点的，看其原理图我认为其发热的电阻丝是始终保持恒温工作的，加热测量同时进行，但不清楚其温度的稳定性。

longshort · 发表于 2013-10-14 06:45:34

kangning 发表于 2013-10-13 22:07
楼主的意思是可以把晶体管的内阻控制在一个适当的水平，然后作为热源加热吗？

是的。

youngliu · 发表于 2013-10-14 15:00:03

本帖最后由 youngliu 于 2013-10-14 15:01 编辑

longshort 发表于 2013-10-13 09:23
你的结论对我有参考作用。
１．我的两个单核基准已经运行了一年多的时间，前些日子拆开取出两个轴向引出 ...

严重不同意第二点！
测温电桥稳定工作时大致上是处于平衡状态的，微小的失衡电压经放大器放大推动加热器改变加热功率以适应环境温度变化。假设桥路供电电压10V，NTC臂电压5V，直流放大器增益120dB，加热器电压摆幅10V，则桥路失衡电压最多就10uV，10uV相对5V也就是20ppm，相当于温度波动0.5mK（对应环境温度变化应该至少有几十度了）。恒温槽槽壁达到这么低温度波动并不容易。

youngliu · 发表于 2013-10-14 15:04:51

你的假设成立的前提是绝热足够，可以忽略散热，但你的实作绝热远远不够理想，不应忽视环境温度波动对目标的影响。

longshort · 发表于 2013-10-14 16:30:56

youngliu 发表于 2013-10-14 15:00
严重不同意第二点！
测温电桥稳定工作时大致上是处于平衡状态的，微小的失衡电压经放大器放大推动加热 ...

呵呵，不同意没关系，就象我也不同意你的不同意一样。
理想的“绝热”是不存在的，即使在真空中也会有黑体放热产生，“绝热”这个词未免过于绝对，所以我从来不用，我只用“隔热”，那是分隔两种不同温度环境的表达，说明两边的温差是存在的，自然隔热材料就有热泄漏的问题。
在热泄漏没有达到引起基准器件电压波动的时候，放大器就开始下一次动作，这是允许忽略散失热量的基本理由，只要动作所补充的热量和散失的热量保持平衡，稳定的要求就达到了。你不能用“绝热”这样的说法来证明因为不理想而必定有大的波动，任何分析都必须限定在现实的范围内，这样才能产生实践的可行性。
实际上恒温炉在安装到小板子上以后再装入屏蔽盒中，这就产生了附加的防风效果，整个屏蔽盒子在上电六小时后的温升是4摄氏度，12小时以后是6摄氏度，并且以后一直保持这个温度。偶尔打开机箱盖子的时间即使超过了十分钟，两台机器背靠背连接的显示都不会改变超过一个字。
手头没有八位半，也没有分辨率能够达到1mK的温度计，否则结论肯定会有些区别，这都是今后要做的事。

longshort · 发表于 2013-10-14 16:42:13

youngliu 发表于 2013-10-14 15:04
你的假设成立的前提是绝热足够，可以忽略散热，但你的实作绝热远远不够理想，不应忽视环境温度波动对目标的 ...

假设成立的前提是允许可以忽略的误差，这个上面已经说了。
我记得坛里比较流行以增加热沉的质量来加大温度均衡稳定性的趋势，并且这种增加热沉质量的想法似乎有加强的趋势。条件允许的情况下这无可非议，并且也可以提倡。但是这样做所消耗的人工、材料、电力等等资源几乎成三次方增长，而且在实验中要进行一点小的调整会很困难，我的小炉子在调整1摄氏度只需要100多秒，而一个大质量论公斤的大炉子就难说了。

youngliu · 发表于 2013-10-14 16:54:26

本帖最后由 youngliu 于 2013-10-14 17:23 编辑

老实说，我现在作的N个恒温槽也是用的相似电路，有一个去年5月份做的测温电桥用了四颗100k 单端玻封NTC，槽体就是老唐的（25*25*50mm），OP用了LTC1150，桥臂电阻是S102C 塑料块。在槽内也安放了一颗同型号同批的100k NTC。保温条件比你的要好N倍。到现在有1年4个半月了，电阻从最初的45.608k增大到45.681k，一天内的阻值波动0.Xohm。
前几天又调了一个，槽体是旧国产恒温晶振的直径25mm左右的紫铜槽，原本是配杜瓦瓶的，不完全封口，后来用铝板做成完全封闭了。电桥平衡时，NTC阻值是60k，对应恒温温度36.8度左右，在环境温度28度左右时，加热功率0.18W。恒温槽表面积大约65平方厘米按你的折算方法，大概相当于0.32mW/cm^2/K。环境温度波动比较小时，加热电压波动在0.02V（加热电阻43ohm，加热电压2.78V左右）

longshort · 发表于 2013-10-14 19:57:17

很高兴看到你的成果，加热功率只有0.18W值得羡慕！
所有的元件全封装在一个恒温槽里，在恒温温度较低时完全可行，而且此时的加热功率会同步降低。我的基准除四个核位于恒温炉中之外，外围的相关元件和核心一同封闭在屏蔽盒中，在这个小环境中的温度变化范围比机箱外部的环境要小得多，一方面是小盒本身有一定的温升，另一方面到了冬天可以在小盒上附加保温棉（位置已经留出来了），小盒内预计的温度变化范围可以控制到28~40C之间，而这个范围正是几个关键元件温度系数曲线比较平缓的一段，这比直接加热到45C要好得多，那个温度下的曲线都是比较陡的。
我的恒温炉看起来比较费一点电，在炉子的平均电流为7mA的情况下，耗电为126mW，这相当于12.6mW/cm^2的保持功率，这比以前的两个基准使用的恒温炉效率要高不少。在我的情况中，电源电压全部加在恒温炉上，相比较你的作品，我想0.18W加热功率可能还额外需要0.597W的功率来推动它，如果使用12V电源的话。这样算下来，你的功耗是我的恒温炉的整整6倍出头。
其实恒温炉所施加的功率稍大一些没什么坏处，抗环境温度变化的能力会强一些。我的炉子的导通和截止周期在环境温度分别为33C和26C有比较明显的区别，33C下导通与截止之比达到30几，而26C下大约8左右。关键是平衡，稳定目的和电耗达到一个满意的结合，是比较理想的结果。

kangning · 发表于 2013-10-14 21:23:35

kripac 发表于 2013-10-13 23:43
我也是想起了以前看过的 LT1013/LT1014 文档中的热线式风速计(Hot Wire Anemometer)的原理图而想到这点 ...

热丝式风速仪一般是在加热丝的两侧各有一个感温丝，通过测量两侧感温丝的温差来确定风速和风向

shj117 · 发表于 2013-10-15 12:26:36

写得太好了，条例清晰、通俗易懂。

youngliu · 发表于 2013-10-15 15:00:34

longshort 发表于 2013-10-12 14:42
控制电路
控制电路总的形式不是很多，大体上可分为负反馈式、通断式两种。Thy888曾经在一篇文章[2]中提到 ...

楼主，测温电桥供电没稳压？

longshort · 发表于 2013-10-15 15:07:46

youngliu 发表于 2013-10-15 15:00
楼主，测温电桥供电没稳压？

测温电桥当然稳压了，但加热管是不稳压的。

youngliu · 发表于 2013-10-15 15:08:12

HP10811A OCXO的恒温电路，就是用晶体管加热的，用了两个达林顿管

longshort · 发表于 2013-10-15 15:50:31

这个图有点复杂化了，要看着发一会儿呆才能反应过来。
U3是负反馈放大器，直接驱动Q6和Q8；U1A其实是个等功率保持电路，它使Q7上的压降与Q8上的压降相等。

youngliu · 发表于 2013-10-15 16:08:00

一个铷钟谐振腔恒温槽，也用了两个三极管JE802加热
铷钟1.JPG

kripac · 发表于 2013-10-16 12:20:17

kangning 发表于 2013-10-14 21:23
热丝式风速仪一般是在加热丝的两侧各有一个感温丝，通过测量两侧感温丝的温差来确定风速和风向

我没见过这种风速计的实物，都是通过资料了解的，一直以为只是一个发热丝呢，保持发热丝恒温然后通过测量发热丝的热功率换算风速。

youngliu · 发表于 2013-10-16 12:56:08

本帖最后由 youngliu 于 2013-10-16 12:57 编辑

今天上午采集的前几天调试的恒温槽数据

较平坦部分细节图

Y轴一格相当于0.4mK（NTC标称阻值10k@25度）

longshort · 发表于 2013-10-16 16:08:11

电阻丝加热的恒温槽，槽壁任一部位的温度波动估计差不多。
手头正在做的一个转移基准，设计用的是MF58做传感器控温，LM35做温度检测读出指示。另外有远端温度检测的MF58和LM35单独引出。东西大了点，最早大概也要到年底前竣工。

youngliu · 发表于 2013-10-16 17:26:19

longshort 发表于 2013-10-16 16:08
电阻丝加热的恒温槽，槽壁任一部位的温度波动估计差不多。
手头正在做的一个转移基准，设计用的是MF58做传 ...

我这个测试，10k NTC是放在恒温槽内部空腔中，与槽壁不接触，波动会比较大（NTC 电阻体与恒温的槽壁热阻比较大，通过引线向外部环境传热，受外环境温度波动影响比较大）。若与槽壁接触或者加长引线，引线在槽壁上绕几圈做热锚，估计波动幅度还会大幅降低。

kangning · 发表于 2013-10-16 22:45:43

youngliu 发表于 2013-10-16 12:56
今天上午采集的前几天调试的恒温槽数据
较平坦部分细节图

这个结果还是比较牛的！

longshort · 发表于 2013-10-17 06:49:11

youngliu 发表于 2013-10-16 17:26
我这个测试，10k NTC是放在恒温槽内部空腔中，与槽壁不接触，波动会比较大（NTC 电阻体与恒温的槽壁热阻 ...

若要通过引线向外传热并产生可观察到的结果，那么引线的截面积必定能和恒温槽表面积相比较。我觉得这点波动不会是引线散失热量的结果。

youngliu · 发表于 2013-10-17 07:55:52

本帖最后由 youngliu 于 2013-10-17 08:47 编辑

如果引线或者NTC本体与槽壁之间热阻很大，而NTC通过铜导线向外传热的热阻不太大，则NTC本体的温度必然受外环境影响大。就如同稳压电源一样，内阻大而负载小，内阻上的压降就不会太小，若负载还串接一个AC电压源，则内阻压降也必然迭加上一个AC电压。热锚的作用就是使NTC到槽壁热阻尽量小，这样经引线向外的传热就不主要来自NTC本体，而是来自槽壁，NTC的温度受外环境影响就会很小。
NTC散热分析等效电路如下图：
未命名1.JPG

longshort · 发表于 2013-10-17 10:36:08

“热锚”的表达很到位，将原本偏差不定的漂移拉到一个能够控制的范围内，这其实也是我用热沉对基准均温的动机。基准在空气中和在导热能力大大超过空气的金属中的均温效果是不同的，这是最逼近用液体均温的途径。

cdm21088 · 发表于 2013-10-17 12:21:04

希望多看到这样文章

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