本發(fā)明涉及低溫測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種快速降溫的方法和裝置。

背景技術(shù)：

低溫測(cè)量技術(shù)是計(jì)量科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)重要研究方向，與室溫下的溫度測(cè)量相比，低溫系統(tǒng)中的要求更為嚴(yán)格。對(duì)于低溫測(cè)量而言，應(yīng)用最為廣泛的溫度傳感器是電阻式溫度計(jì)。為了挑選長(zhǎng)期穩(wěn)定、讀數(shù)精確、抗干擾的溫度計(jì)，需要對(duì)溫度計(jì)進(jìn)行冷熱循環(huán)升降溫實(shí)驗(yàn)。循環(huán)溫度為290K到4.2K，即常溫至液氦溫度。一個(gè)典型的循環(huán)持續(xù)7個(gè)小時(shí)15分鐘，分別為3個(gè)小時(shí)的降溫時(shí)間，從290K降至4.2K，然后維持4.2K一個(gè)小時(shí)，接著為3個(gè)小時(shí)的升溫時(shí)間，從4.2K升至290K，然后維持290K 15分鐘，升降溫循環(huán)沖擊共持續(xù)50個(gè)上述過(guò)程。分別在第10個(gè)循環(huán)后、第25個(gè)循環(huán)后和最后25個(gè)循環(huán)后對(duì)溫度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)際過(guò)程中溫度循環(huán)的時(shí)間和次數(shù)會(huì)根據(jù)需要進(jìn)行變化。

在材料物性測(cè)試領(lǐng)域，尤其是在測(cè)量材料熱沖擊以及熱疲勞特性時(shí)，需要對(duì)被測(cè)樣品(包括但不限于非金屬和金屬材料)進(jìn)行不同速率的高溫到低溫的冷熱循環(huán)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，比較典型的是77K～300K以及4.2～300K溫區(qū)的溫度循環(huán)。

現(xiàn)有的技術(shù)通常是用液氦或液氮作為冷源，電加熱裝置作為熱源，通過(guò)控制閥門的開(kāi)度控制液氦或液氮的流速和加熱裝置的功率，從而實(shí)現(xiàn)勻速升溫或者降溫，實(shí)現(xiàn)升降溫循環(huán)的過(guò)程。雖然這種方法可以實(shí)現(xiàn)勻速升降溫過(guò)程，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，液氦消耗量大，成本較高，升降溫過(guò)程中的線性并不好，升降溫過(guò)程波動(dòng)較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種快速降溫方法和裝置，通過(guò)應(yīng)用制冷機(jī)并結(jié)合一定的控制策略實(shí)現(xiàn)快速且勻速的升降溫過(guò)程，這種方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可通過(guò)控制制冷機(jī)和加熱裝置的啟停靈活的改變降溫速率，降溫速率穩(wěn)定可靠可控，無(wú)需消耗液氦、液氮等工質(zhì)，成本低，工作穩(wěn)定，簡(jiǎn)單易行。

一種快速降溫裝置，包括制冷機(jī)、加熱裝置、熱阻裝置和控溫對(duì)象；所述制冷機(jī)具有冷頭，所述控溫對(duì)象設(shè)置在冷頭上，所述控溫對(duì)象與冷頭通過(guò)熱阻裝置隔開(kāi)；所述控溫對(duì)象上設(shè)置有加熱裝置。

進(jìn)一步的，還包括控制模塊，所述控制模塊分別與制冷機(jī)和加熱裝置連接，所述控制模塊用以控制制冷機(jī)的制冷量，所述控制模塊用以關(guān)閉加熱裝置或調(diào)整加熱裝置功率。

更進(jìn)一步的，還包括第一溫度計(jì)，所述第一溫度計(jì)設(shè)置在控溫對(duì)象上，并與控制模塊連接，所述控制模塊根據(jù)第一溫度計(jì)采集的控溫對(duì)象溫度與目標(biāo)溫度進(jìn)行比較，根據(jù)控溫對(duì)象溫度與目標(biāo)溫度之間的差值通過(guò)PID控制加熱裝置的加熱量，繼而實(shí)現(xiàn)勻速降溫。

作為一種改進(jìn)，還包括第二溫度計(jì)，所述第二溫度計(jì)設(shè)置在冷頭上并與控制模塊連接，所述控制模塊根據(jù)第二溫度計(jì)采集冷頭的溫度控制制冷機(jī)的制冷量，所述制冷機(jī)冷頭的制冷量與冷頭溫度成反比。

作為進(jìn)一步改進(jìn)，還包括輻射屏，所述輻射屏套設(shè)在冷頭上，將熱阻裝置、控溫對(duì)象、加熱裝置、第一溫度計(jì)和第二溫度計(jì)包裹在內(nèi)。

作為更進(jìn)一步的改進(jìn)，所述控制模塊還包括存儲(chǔ)單元和時(shí)間單元，所述存儲(chǔ)單元用以存儲(chǔ)第一溫度計(jì)和第二溫度計(jì)采集的溫度值，以及通過(guò)PID反饋控制加熱裝置加熱值；所述時(shí)間單元用于控制制冷機(jī)的開(kāi)停，和控制控溫對(duì)象是降溫、升溫或者維持穩(wěn)定；還包括設(shè)置控溫對(duì)象升降溫循環(huán)次數(shù)，以及單個(gè)升降過(guò)程的持續(xù)時(shí)間。

一種快速降溫的方法，包括以下步驟：

a.在制冷機(jī)與控溫對(duì)象之間設(shè)置熱阻裝置，所述熱阻裝置為低導(dǎo)熱材料或低導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)；

b.制冷機(jī)提供冷量，制冷機(jī)冷頭蓄積冷量；

c.在所述控溫對(duì)象上設(shè)置加熱裝置進(jìn)行加熱，在冷頭和控溫對(duì)象之間形成大溫差；

d.關(guān)閉加熱裝置，實(shí)現(xiàn)控溫對(duì)象的快速降溫。

進(jìn)一步，還包括以下步驟：

e.通過(guò)控制模塊關(guān)閉加熱裝置或調(diào)整加熱裝置功率，對(duì)控溫對(duì)象的降溫速率進(jìn)行微調(diào)。

進(jìn)一步，還包括以下步驟：

f.在控溫對(duì)象上設(shè)置第一溫度計(jì)，通過(guò)第一溫度計(jì)采集控溫對(duì)象的溫度與目標(biāo)溫度之間的差值，采用PID控制調(diào)節(jié)控溫對(duì)象上的加熱量，繼而實(shí)現(xiàn)勻速降溫。

進(jìn)一步，還包括以下步驟：

g.在冷頭上設(shè)置第二溫度計(jì)，通過(guò)第二溫度計(jì)采集冷頭的溫度，所述制冷機(jī)冷頭的制冷量與冷頭溫度成反比。

本發(fā)明通過(guò)設(shè)置熱阻裝置將冷頭與控溫對(duì)象隔開(kāi)，通過(guò)制冷機(jī)冷頭進(jìn)行蓄冷，實(shí)現(xiàn)與控溫對(duì)象間的大溫差，得到大于制冷機(jī)本身制冷能力可實(shí)現(xiàn)的降溫速率，從而達(dá)到快速降溫；在快速降溫的同時(shí)通過(guò)加熱裝置進(jìn)行微調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)勻速降溫。本發(fā)明首次提出利用制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)勻速升降溫過(guò)程；相較于液氦系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，少了很多控制閥門及管道；成本低廉，除了在該過(guò)程中需要一定的電力供應(yīng)外，沒(méi)有其他成本輸入；并且可通過(guò)控制制冷機(jī)和加熱裝置的啟停靈活的改變降溫速率，降溫速率穩(wěn)定可靠可控，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制；升降溫過(guò)程線性很好，相較于液氦系統(tǒng)，該系統(tǒng)升降溫速率穩(wěn)定。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種快速降溫的裝置示意圖；

圖2是本發(fā)明一種快速降溫的裝置具體實(shí)施例示意圖；

圖3是本發(fā)明一種快速降溫的裝置具體實(shí)施例示意圖；

圖4本發(fā)明一種快速降溫的方法流程示意框圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明提供一種快速降溫方法和裝置，通過(guò)應(yīng)用制冷機(jī)并結(jié)合一定的控制策略實(shí)現(xiàn)快速且勻速的升降溫過(guò)程，這種方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可通過(guò)控制制冷機(jī)和加熱裝置的啟停靈活的改變降溫速率，降溫速率穩(wěn)定可靠可控，無(wú)需消耗液氦、液氮等工質(zhì)，成本低，工作穩(wěn)定，簡(jiǎn)單易行。

實(shí)施例一

如圖1所示，一種快速降溫裝置，包括制冷機(jī)1、加熱裝置、控制模塊、熱阻裝置4和控溫對(duì)象5；本發(fā)明所稱制冷機(jī)包括但不限定于GM制冷機(jī)、脈沖管制冷機(jī)、J-T制冷機(jī)等任何帶有冷源性質(zhì)的制冷機(jī)，也包括利用低溫液體為冷源的制冷裝置；所述制冷機(jī)1具有冷頭2(冷源接口)，所述控溫對(duì)象5設(shè)置在冷頭2上，所述控溫對(duì)象5與冷頭2通過(guò)熱阻裝置4隔開(kāi)，該熱阻裝置4具有較大的熱阻，，可以理解本發(fā)明所述的熱阻裝置包括可以提供熱阻的任何結(jié)構(gòu)，其能夠隔絕控溫對(duì)象5與冷頭2之間的熱傳遞，能減少?gòu)睦漕^2上傳遞過(guò)來(lái)的冷量并且抑制冷頭2上的溫度波動(dòng)；所述控溫對(duì)象5上設(shè)置有加熱裝置；可以理解本發(fā)明所述的加熱裝置包括但不限于電加熱、輻射加熱、傳導(dǎo)性質(zhì)等加熱方式進(jìn)行加熱。通過(guò)控制系統(tǒng)將控溫對(duì)象5的溫度控制在高溫區(qū)，同時(shí)保持制冷機(jī)1在工作狀態(tài)，降低制冷機(jī)1冷頭2溫度，通過(guò)制冷機(jī)冷頭進(jìn)行蓄冷，之后降低或關(guān)閉加熱裝置功率，實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)1冷頭2與控溫對(duì)象5間的大溫差，得到大于制冷機(jī)1本身制冷能力可實(shí)現(xiàn)的降溫速率，實(shí)現(xiàn)快速降溫。所述控制模塊分別與制冷機(jī)1和加熱裝置連接，所述控制模塊用以控制制冷機(jī)1的制冷量，所述控制模塊用以關(guān)閉加熱裝置或調(diào)整加熱裝置功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)控溫對(duì)象5的降溫速率進(jìn)行微調(diào)，在快速降溫的同時(shí)對(duì)降溫速率進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)快速且勻速降溫。簡(jiǎn)單來(lái)講，制冷機(jī)蓄冷指的是在制冷機(jī)正常工作的條件下，通過(guò)提供加熱功率保持被控對(duì)象溫度穩(wěn)定在某一設(shè)定值，這部分加熱功率定義為制冷機(jī)的蓄冷量。撤除或者減小加熱功率，所蓄積的制冷量就會(huì)得到釋放，被控對(duì)象的溫度就會(huì)按照特定的速率進(jìn)行降溫。

更進(jìn)一步的，還可以包括第一溫度計(jì)7，所述第一溫度計(jì)7設(shè)置在控溫對(duì)象5上，并與控制模塊連接，所述控制模塊根據(jù)第一溫度計(jì)7采集的控溫對(duì)象5溫度與目標(biāo)溫度進(jìn)行比較，根據(jù)控溫對(duì)象5溫度與目標(biāo)溫度之間的差值通過(guò)PID控制加熱裝置的加熱量，繼而實(shí)現(xiàn)勻速降溫。還可以包括第二溫度計(jì)3，所述第二溫度計(jì)3設(shè)置在冷頭2上并與控制模塊連接，所述控制模塊根據(jù)第二溫度計(jì)3采集冷頭2的溫度控制制冷機(jī)1的制冷量，所述制冷機(jī)1冷頭2的制冷量與冷頭2溫度成反比，在高溫段時(shí)，制冷量更大。

作為進(jìn)一步改進(jìn)，還包括輻射屏8，所述輻射屏8套設(shè)在冷頭2上，將熱阻裝置4、控溫對(duì)象5、加熱裝置、第一溫度計(jì)7和第二溫度計(jì)3包裹在內(nèi)；該輻射屏8用于減少系統(tǒng)漏冷損失。

作為更進(jìn)一步的改進(jìn)，所述控制模塊還包括存儲(chǔ)單元和時(shí)間單元，所述存儲(chǔ)單元用以存儲(chǔ)第一溫度計(jì)7和第二溫度計(jì)3采集的溫度值，以及通過(guò)PID反饋控制加熱裝置加熱值；所述時(shí)間單元用于控制制冷機(jī)1的開(kāi)停，和控制控溫對(duì)象5是降溫、升溫或者維持穩(wěn)定；還包括設(shè)置控溫對(duì)象5升降溫循環(huán)次數(shù)，以及單個(gè)升降過(guò)程的持續(xù)時(shí)間。

實(shí)施例二

如圖4所示，一種快速降溫的方法，包括以下步驟：

a.在制冷機(jī)與控溫對(duì)象之間設(shè)置熱阻裝置，所述熱阻裝置為低導(dǎo)熱材料；

b.制冷機(jī)提供冷量，制冷機(jī)冷頭蓄積冷量；

c.在所述控溫對(duì)象上設(shè)置加熱裝置進(jìn)行加熱，在冷頭和控溫對(duì)象之間形成大溫差；

d.關(guān)閉加熱裝置，實(shí)現(xiàn)控溫對(duì)象的快速降溫。

進(jìn)一步，還包括以下步驟：

e.通過(guò)控制模塊關(guān)閉加熱裝置或調(diào)整加熱裝置功率，對(duì)控溫對(duì)象的降溫速率進(jìn)行微調(diào)。

進(jìn)一步，還包括以下步驟：

f.在控溫對(duì)象上設(shè)置第一溫度計(jì)，通過(guò)第一溫度計(jì)采集控溫對(duì)象的溫度與目標(biāo)溫度之間的差值，采用PID控制調(diào)節(jié)控溫對(duì)象上的加熱量，繼而實(shí)現(xiàn)勻速降溫。

進(jìn)一步，還包括以下步驟：

g.在冷頭上設(shè)置第二溫度計(jì)，通過(guò)第二溫度計(jì)采集冷頭的溫度，所述制冷機(jī)冷頭的制冷量與冷頭溫度成反比，在高溫段時(shí)，制冷量更大。

實(shí)施例三

如圖2-3所示，在一個(gè)快速降溫系統(tǒng)中，系統(tǒng)的主體由筒體1300和放置與其上端的制冷機(jī)1004組成；該筒體內(nèi)部具有制冷機(jī)冷頭1200和樣品架1500，根據(jù)需要改制冷機(jī)可以具有二級(jí)冷頭；并且為了減少輻射漏熱，分別在G-M制冷機(jī)的一級(jí)冷頭和連接于二級(jí)冷頭的樣品架上放置2個(gè)輻射屏，一級(jí)輻射屏1600和二級(jí)輻射屏1100。其中樣品架連接在二級(jí)冷頭上，樣品架柱體上端均勻纏有用于加熱的鎳鉻加熱線，樣品架下端凸起處放置了用于時(shí)刻監(jiān)測(cè)樣品架上溫度的銠鐵溫度計(jì)，其溫度范圍可以實(shí)現(xiàn)常溫到4.2K的測(cè)量。通過(guò)控制布置在樣品架上的鎳鉻加熱線的加熱量，實(shí)現(xiàn)樣品架溫度勻速升降或者維持穩(wěn)定。所用的制冷機(jī)二級(jí)冷頭上的制冷量是二級(jí)冷頭溫度的反比函數(shù)，其在高溫段時(shí)，制冷量更大。為了減小控溫時(shí)對(duì)控溫對(duì)象的加熱量，在二級(jí)冷頭與樣品架之間放置了一片熱阻裝置1400，材料為PTFE(聚四氟乙烯)，它的作用是減少?gòu)亩?jí)冷頭上傳遞過(guò)來(lái)的冷量并且抑制二級(jí)冷頭上的溫度波動(dòng)。PTFE是一種低導(dǎo)熱材料，在低溫下仍有很好的性能。

控制模塊包括控溫儀1002和上位機(jī)1001組成，其中控溫儀1002采用340Temperature Controller控溫儀，作為溫度采集和加熱控制設(shè)備。通過(guò)LabVIEW編寫數(shù)據(jù)的采集程序和加熱等控制程序，通過(guò)上位機(jī)1001實(shí)現(xiàn)對(duì)控溫儀的數(shù)據(jù)讀取和加熱控制。

所述控制程序至少包括：加熱裝置加熱程序、PID控制程序、數(shù)據(jù)保存程序、制冷機(jī)控制程序、時(shí)序程序等。其中：

PID控制程序：PID控制程序是整個(gè)程序的核心，根據(jù)采集控溫對(duì)象的溫度與目標(biāo)溫度之間的差值，采用LabVIEW中預(yù)設(shè)的PID控制包中的函數(shù)，調(diào)節(jié)控溫對(duì)象上的加熱量，繼而實(shí)現(xiàn)勻速降溫。

加熱裝置加熱程序：鎳鉻線加熱裝置的加熱電流由340控溫儀輸出，根據(jù)PID控制程序的結(jié)果，進(jìn)一步通過(guò)LabVIEW編程使控溫儀輸出所需的電流。

數(shù)據(jù)保存程序：樣品架和冷頭上采集到的溫度值和通過(guò)PID反饋控制加熱裝置加熱值都通過(guò)該程序保存下來(lái)。

制冷機(jī)控制程序：控制壓縮機(jī)1003的啟停，在復(fù)溫階段關(guān)閉壓縮機(jī)1003同時(shí)使得制冷機(jī)停止工作。

時(shí)序程序：該時(shí)序可以實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)的開(kāi)停、被控對(duì)象降溫還是升溫或者維持穩(wěn)定，還可以設(shè)置升降溫循環(huán)次數(shù)，以及單個(gè)升降過(guò)程的持續(xù)時(shí)間等。

本發(fā)明通過(guò)設(shè)置熱阻裝置將冷頭與控溫對(duì)象隔開(kāi)，通過(guò)制冷機(jī)冷頭進(jìn)行蓄冷，實(shí)現(xiàn)與控溫對(duì)象間的大溫差，得到大于制冷機(jī)本身制冷能力可實(shí)現(xiàn)的降溫速率，從而達(dá)到快速降溫；在快速降溫的同時(shí)通過(guò)加熱裝置進(jìn)行微調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)勻速降溫。本發(fā)明首次提出利用制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)勻速升降溫過(guò)程；相較于液氦系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，少了很多控制閥門及管道；成本低廉，除了在該過(guò)程中需要一定的電力供應(yīng)外，沒(méi)有其他成本輸入；并且可通過(guò)控制制冷機(jī)和加熱裝置的啟停靈活的改變降溫速率，降溫速率穩(wěn)定可靠可控，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制；升降溫過(guò)程線性很好，相較于液氦系統(tǒng)，該系統(tǒng)升降溫速率穩(wěn)定。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。