介绍了新型恒温恒湿箱的制冷和控制系统的设计方法。现有的恒温恒湿箱为取得低温恒温效果, 在制冷系统全速全功率运行下, 依靠调整加热量来平衡温度的稳定, 这样能耗多又不便于控制, 针对这一缺点, 本设备中采用半导体制冷器来实现空气的制冷、加热、除湿, 通过改变输入半导体制冷器的电量, 来实现对制冷量的精确控制;通过对湿球温度的通断调节实现对湿度的控制。

引言

恒温恒湿箱是利用一定的方式将箱内的温度和湿度调节到给定值, 并在该条件下进行实验, 达到实验反应要求。即能同时施加温度、温度应力的试验箱。在实际使用过程中发现恒温恒湿箱在实现对温度、湿度进行高精度、高稳定的控制中, 存在耗能多且不便于控制等问题。例如, 对温度的控制, 在制冷系统全速全功率运行时, 是依靠调整加热量来平衡温度的稳定, 而且是采用两套独立的制冷系统和除湿系统, 结构复杂, 费用高。

本文从控制温度、湿度两方面出发, 研制出一种新型的恒温恒湿箱, 创新点在于: (1) 制冷系统采用半导体制冷, 制冷量易于调控; (2) 采用时间比例的通断调节实现高精度的温度控制; (3) 通过湿球温度控制箱内的相对湿度。

1 原有恒温恒湿箱的现状

(1) 制冷系统:试验箱的制冷方式一般都是机械制冷, 即采用蒸汽压缩式制冷。它们主要由压缩机, 冷凝器, 节流机构和蒸发器组成, 制冷剂在蒸发器中不断吸收空气传给蒸发器的热量而达到制冷目的。

(2) 加热系统:当箱内空气的温度底于所需温度时恒温恒湿机的控制系统就接通电加热器, 将空气加热, 通过风机送至箱内达到加热的目的。

(3) 湿度系统:试验箱的加湿方式一般采用蒸汽加湿法, 即将低压蒸汽直接注入试验空间加湿。这种加湿方法加湿能力, 速度快, 加湿控制灵敏, 尤其在降温时容易实现强制加湿。也有采用电极式加湿器。

(4) 传感器系统:试验箱的传感器主要是温度和湿度传感器。温度传感器应用较多的是铂电组和热电偶。

综上所述, 现在的恒温恒湿箱存在两方面的问题: (1) 干湿球法测量精度不高, 故难以实现湿度的精确控制; (2) 用制冷系统和加热系统的同时运行来控制温度的变化, 耗能且不便精确控制。

2 新型恒温恒湿箱的技术要求与状态参数

(1) 技术要求: (1) 内净尺寸 (0.6×0.5×1.5) m; (2) 温度25±2℃, 温度波动度≤±0.5℃, 湿度50%±5%; (3) 运行条件为气候类型SN连续运行。

(2) 关键空气状态点参数: (1) 表1为空气状态关键点的参数表; (2) 表2为详细状态参数表; (3) 图1为空气状态关键点i-d图。

3 技术设计方案

(1) 控制参数:根据控制要求:温度25±2℃, 温度波动度≤±0.5℃;相对湿度50%±5%。

温度变化范围是比较宽的, 温度波动较严格;湿度要求也较高。

(2) 恒温恒湿箱的热负荷:恒温恒湿箱的热负荷主要是设备启动运行时箱内的热容量、围护结构的传热及漏热, 可根据环境温度决定恒温箱需要制冷或制热, 确定合理优化的控制方案, 可以避免加热系统和制冷系统同时运行。

(3) 恒温恒湿箱的湿负荷:恒温恒湿箱的湿负荷只是设备启动运行时, 箱内的湿负荷和围护结构的少量漏湿量, 箱内没有湿源和吸湿的装置, 恒温箱需要除湿或加湿是由箱内初始空气湿度参数决定的, 加湿和除湿可以不同时工作。如果围护结构能将漏湿量控制在一定的范围内, 在一个检测周期内就可以不做湿度调整, 例如根据初始空气参数, 将湿度控制在11.21g/m3 (初始湿度低) 或8.61g/m3 (初始湿度高) , 将漏湿量控制在 (11.21-8.61) ×0.45=1.17g, 温度精确控制在25±0.5℃就能保证50%±5%的湿度要求。

(4) 分析比较。根据以上分析, 将启动时箱内和环境温、湿度与要求的设定值比较, 在精确控制下, 可将恒温恒湿的控制简化为制冷加湿、制冷除湿、加热加湿、加热除湿四种模式, 简化控制难度。用两个控制器分别控制温度及湿度参数即可。

(5) 湿度的测控。湿度可用相对湿度这一物理参数进行测控, 但是由于相对湿度不是直接测量的, 湿度传感器不确定性较大, 且价格高, 在恒温箱的湿度控制系统考虑采用湿球温度作为测控参数。

4 系统配置与参数控制

综合考虑设备恒温、恒湿功能要求, 需保证实现制冷、加热、加湿、除湿等4种空气处理过程;系统的运行的可靠性、经济性、控制方法实现的难易程度等设备系统配置如下:

(1) 制冷系统:制冷系统采用电子半导体制冷, 这种制冷方式在温差Δt为5~10℃时, 其制冷能效比很高 (10左右) , 而且基于制冷方式的特性是对电量的控制, 易于实现制冷量的精确控制。经试验验证:采取时间比例控制方案, 制冷运行时温度精度可达0.2℃。设备配置:半导体制冷器1块, 规格制冷量60W 12V工作电流8A。

(2) 制热系统。制冷系统基于制冷系统采用半导体制冷, 其热泵运行能效比高, 且其特性也属于电量转换器件, 易于实现精确控制, 为了制造工艺的标准化, 制热采用半导体制冷系统的热泵运行。为了控制的方便, 与制冷系统独立配置。经试验验证, 采取时间比例控制方案, 制热运行时温度精度可达0.2℃。设备配置:半导体制冷器1块, 规格制冷量60W 12V工作电流8A。

(3) 除湿系统用制冷除湿方法。由于除湿所需温度较低, 如:24℃45%RH露点温度为11.35, 23.℃45%RH露点温度为10.4。要达到需要的除湿效果空气温度需控制到10.4以下, 所以除湿系统的设置, 在制冷系统的基础上再增加一套除湿制冷的配置, 运行时制冷系统和除湿制冷系统同时运行以保证除湿所需的低温。经试验验证:采用两套半导体装置串联运行可以处理到露点温度以下。

(4) 加湿系统。选用小型超声波器, 因为箱体空间小, 且由于湿参数测控的滞后性, 所以加湿器的加湿能力要小些, 控制方案也采用连续控制, 或设定制两侧不对称的通断控制。经试验验证, 可以将湿度控制在5%的范围内。

(5) 控制系统。可采用PLC或开发单片机两种方案都是可行的, 根据设备制造要求确定。控制系统设计2路检测模拟量, 1路模拟量测温度, 1路模拟量测湿球度;4路开关量控制温湿度处理系统。如要求不高也可以考虑简单的温湿度控制仪表。

(6) 温度控制。温度设定在25±2℃范围内, 波动控制在±0.5℃。整机温度控制误差在±0.5℃范围内, 提高了实验精度 (现有的恒温恒湿箱大部分温度控制精度在±2℃) , 利用半导体制冷器实现。

(7) 湿度控制。一是用相对湿度作为测控参数, 相对湿度设定在50%, 波动范围控制在±5%。小型超声波加湿器配合以半导体制冷器的除湿作用;二是用湿球温度作为测控参数, 温度设定在25℃, 波动控制在±0.5℃;湿球温度设定在17.8 (参看空气状态参数表:24.5, 55%RH湿球温18.21, 25.5 45%RH湿球温度为17.38) , 波动控制在±0.4℃, 既可以将箱内湿度控制在要求的50%±5%范围, 采用湿球温度控制更为方便直接。