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0 引言 |
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恒溫恒濕箱是利用一定的方式將箱內(nèi)的溫度和濕度 |
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調(diào)節(jié)到給定值， 并在該條件下進(jìn)行實驗， 達(dá)到實驗反應(yīng) |
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要求。 即能同時施加溫度、 溫度應(yīng)力的試驗箱。 在實際 |
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使用過程中發(fā)現(xiàn)恒溫恒濕箱在實現(xiàn)對溫度、 濕度進(jìn)行高 |
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精度、 高穩(wěn)定的控制中， 存在耗能多且不便于控制等問 |
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題。 例如， 對溫度的控制， 在制冷系統(tǒng)全速全功率運行 |
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時， 是依靠調(diào)整加熱量來平衡溫度的穩(wěn)定， 而且是采用 |
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兩套獨立的制冷系統(tǒng)和除濕系統(tǒng)， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 費用高。 |
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本文從控制溫度、 濕度兩方面出發(fā)， 研制出一種新 |
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型的恒溫恒濕箱， 創(chuàng)新點在于： ①制冷系統(tǒng)采用半導(dǎo)體 |
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制冷， 制冷量易于調(diào)控； ②采用時間比例的通斷調(diào)節(jié)實 |
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現(xiàn)高精度的溫度控制； ③通過濕球溫度控制箱內(nèi)的相對 |
濕度。
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1 原有恒溫恒濕箱的現(xiàn)狀 |
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（1） 制冷系統(tǒng)： 試驗箱的制冷方式一般都是機械制 |
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冷， 即采用蒸汽壓縮式制冷。 它們主要由壓縮機， 冷凝 |
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器， 節(jié)流機構(gòu)和蒸發(fā)器組成， 制冷劑在蒸發(fā)器中不斷吸 |
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收空氣傳給蒸發(fā)器的熱量而達(dá)到制冷目的。 |
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（2） 加熱系統(tǒng)： 當(dāng)箱內(nèi)空氣的溫度底于所需溫度時, |
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恒溫恒濕機的控制系統(tǒng)就接通電加熱器,將空氣加熱,通 |
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過風(fēng)機送**箱內(nèi)達(dá)到加熱的目的。 |
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（3） 濕度系統(tǒng)： 試驗箱的加濕方式一般采用蒸汽加 |
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濕法， 即將低壓蒸汽直接注入試驗空間加濕。 這種加濕 |
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方法加濕能力， 速度快， 加濕控制靈敏， 尤其在降溫時 |
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容易實現(xiàn)強制加濕。 也有采用電極式加濕器。 |
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（4） 傳感器系統(tǒng)： 試驗箱的傳感器主要是溫度和濕 |
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度傳感器。 溫度傳感器應(yīng)用較多的是鉑電組和熱電偶。 |
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綜上所述， 現(xiàn)在的恒溫恒濕箱存在兩方面的問題： |
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①干濕球法測量精度不高 ， 故難以實現(xiàn)濕度的精確控 |
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制； ②用制冷系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)的同時運行來控制溫度的 |
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變化， 耗能且不便精確控制。2 新型恒溫恒濕箱的技術(shù)要求與狀態(tài)參數(shù)
（1） 技術(shù)要求 ： ①內(nèi)凈尺寸 （0.6×0.5×1.5）m；②溫度
25±2℃， 溫度波動度≤±0.5℃， 濕度 50%±5%； ③運行條件為氣候類型 SN 連續(xù)運行。
（2） 關(guān)鍵空氣狀態(tài)點參數(shù)： ①表 1 為空氣狀態(tài)關(guān)鍵點的參數(shù)表； ②表 2 為詳細(xì)狀態(tài)參數(shù)表； ③圖 1 為空氣狀態(tài)關(guān)鍵點 i-d 圖。
 
圖 1 空氣狀態(tài)關(guān)鍵點 i-d 圖
Fig.1 The i-d figure of key poings of the air station
表 1 空氣狀態(tài)關(guān)鍵點的參數(shù)表
 
Tab.1 The table of ke y points of the air s tation
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序 |
溫度 |
相對濕 |
含濕量 |
濕球溫 |
露點溫 |
焓 |
分壓力 |
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號 |
/℃ |
度/％ |
g/㎏ |
度/℃ |
度/℃ |
/kJ/㎏ |
/Pa |
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1 |
23.0 |
45.0 |
7.8 |
15.4 |
10.4 |
43.1 |
1264.3 |
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2 |
23.0 |
55.0 |
9.6 |
16.9 |
13.5 |
47.6 |
1545.2 |
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3 |
27.0 |
45.0 |
10.0 |
18.6 |
14.1 |
52.7 |
1604.7 |
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4 |
27.0 |
55.0 |
12.3 |
20.3 |
17.2 |
58.4 |
1961.3 |
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5 |
25.0 |
50.0 |
9.9 |
17.8 |
13.9 |
50.3 |
1584.1 |
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表 2 |
空氣狀態(tài)點詳細(xì)參數(shù)表 |
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Tab.2 The particular table of the air s tation points |
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序 |
溫度/ |
相對濕 |
含濕量/ |
濕球溫 |
露點溫 |
焓 |
分壓力 |
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號 |
℃ |
度/％ |
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g/㎏ |
度/℃ |
度/℃ |
/kJ/㎏ |
/Pa |
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1 |
23.00 |
45.00 |
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7.84 |
15.42 |
10.40 |
43.09 |
1264.30 |
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2 |
23.00 |
55.00 |
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9.63 |
16.94 |
13.48 |
47.60 |
1545.20 |
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3 |
24.00 |
45.00 |
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8.35 |
16.19 |
11.35 |
45.37 |
134.20 |
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4 |
24.00 |
55.00 |
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10.24 |
17.78 |
14.41 |
50.17 |
1641.00 |
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5 |
24.50 |
45.00 |
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8.61 |
16.59 |
11.80 |
46.54 |
1383.7 |
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6 |
24.50 |
55.00 |
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10.55 |
18.21 |
14.88 |
51.49 |
1691.20 |
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7 |
25.00 |
45.00 |
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8.88 |
16.98 |
12.25 |
47.72 |
1425.6 |
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8 |
25.00 |
50.00 |
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9.88 |
17.82 |
13.86 |
50.27 |
1584.10 |
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9 |
25.00 |
55.00 |
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10.88 |
18.60 |
15.34 |
52.83 |
1742.50 |
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10 |
25.50 |
45.00 |
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9.15 |
17.38 |
12.70 |
48.93 |
1468.70 |
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11 |
25.50 |
55.00 |
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11.21 |
19.50 |
15.80 |
54.20 |
1795.10 |
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12 |
26.00 |
45.00 |
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9.42 |
17.78 |
13.16 |
50.15 |
1512.90 |
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13 |
26.00 |
55.00 |
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11.56 |
19.47 |
16.27 |
55.59 |
1849.10 |
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14 |
27.00 |
45.00 |
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10.01 |
18.57 |
14.06 |
52.65 |
1604.70 |
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15 |
27.00 |
55.00 |
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12.28 |
20.31 |
17.20 |
58.44 |
1961.30 |
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3 技術(shù)設(shè)計方案
（1） 控制參數(shù)： 根據(jù)控制要求： 溫度 25±2℃， 溫度波動度≤±0.5 ℃； 相對濕度 50%±5%。
溫度變化范圍是比較寬的， 溫度波動較嚴(yán)格； 濕度要求也較高。
（2） 恒溫恒濕箱的熱負(fù)荷： 恒溫恒濕箱的熱負(fù)荷主要是設(shè)備啟動運行時箱內(nèi)的熱容量、 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱及漏熱， 可根據(jù)環(huán)境溫度決定恒溫箱需要制冷或制熱， 確
定合理優(yōu)化的控制方案， 可以避免加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)同時運行。
（3） 恒溫恒濕箱的濕負(fù)荷： 恒溫恒濕箱的濕負(fù)荷只是設(shè)備啟動運行時， 箱內(nèi)的濕負(fù)荷和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的少量漏濕量， 箱內(nèi)沒有濕源和吸濕的裝置， 恒溫箱需要除濕或加濕是由箱內(nèi)初始空氣濕度參數(shù)決定的， 加濕和除濕可以不同時工作。 如果圍護(hù)結(jié)構(gòu)能將漏濕量控制在一定的范圍內(nèi)， 在一個檢測周期內(nèi)就可以不做濕度調(diào)整， 例如根據(jù)初始空氣參數(shù)， 將濕度控制在 11.21g/m
3 （初始濕度低）或 8.61g/m
3（初始濕度高）， 將漏濕量控制在（11.21-8.61）×0.45=1.17g， 溫度精確控制在 25±0.5℃就能保證
50%±5%的濕度要求。
（4） 分析比較。 根據(jù)以上分析， 將啟動時箱內(nèi)和環(huán)境溫、 濕度與要求的設(shè)定值比較， 在精確控制下， 可將恒溫恒濕的控制簡化為制冷加濕、 制冷除濕、 加熱加濕、 加熱除濕四種模式， 簡化控制難度。 用兩個控制器分別控制溫度及濕度參數(shù)即可。
（5） 濕度的測控。 濕度可用相對濕度這一物理參數(shù)進(jìn)行測控， 但是由于相對濕度不是直接測量的， 濕度傳感器不確定性較大， 且價格高， 在恒溫箱的濕度控制系統(tǒng)考慮采用濕球溫度作為測控參數(shù)。
4 系統(tǒng)配置與參數(shù)控制
綜合考慮設(shè)備恒溫、 恒濕功能要求， 需保證實現(xiàn)制冷、 加熱、 加濕、 除濕等 4 種空氣處理過程； 系統(tǒng)的運行的可靠性、 經(jīng)濟(jì)性、 控制方法實現(xiàn)的難易程度等設(shè)備系統(tǒng)配置如下：
（1） 制冷系統(tǒng)： 制冷系統(tǒng)采用電子半導(dǎo)體制冷 ， 這
種制冷方式在溫差 t 為 5~10℃時 ， 其制冷能效比很高
（10 左右）， 而且基于制冷方式的特性是對電量的控制 ，易于實現(xiàn)制冷量的精確控制。 經(jīng)試驗驗證： 采取時間比例控制方案， 制冷運行時溫度精度可達(dá) 0.2℃。 設(shè)備配置： 半導(dǎo)體制冷器 1 塊， 規(guī)格制冷量 60W 12V 工作電流 8A。
（2） 制熱系統(tǒng)。 制冷系統(tǒng)基于制冷系統(tǒng)采用半導(dǎo)體制冷， 其熱泵運行能效比高， 且其特性也屬于電量轉(zhuǎn)換
器件， 易于實現(xiàn)精確控制， 為了制造工藝的標(biāo)準(zhǔn)化， 制
熱采用半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的熱泵運行。 為了控制的方便，與制冷系統(tǒng)獨立配置。 經(jīng)試驗驗證， 采取時間比例控制方案， 制熱運行時溫度精度可達(dá) 0.2℃。 設(shè)備配置： 半
導(dǎo)體制冷器 1 塊， 規(guī)格制冷量 60W 12V 工作電流 8A。
（3） 除濕系統(tǒng)用制冷除濕方法。 由于除濕所需溫度較低， 如： 24℃ 45%RH 露點溫度為 11.35， 23.℃ 45% RH 露點溫度為 10.4。 要達(dá)到需要的除濕效果空氣溫度需控制到 10.4 以下， 所以除濕系統(tǒng)的設(shè)置， 在制冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再增加一套除濕制冷的配置， 運行時制冷系統(tǒng)和除濕制冷系統(tǒng)同時運行以保證除濕所需的低溫。 經(jīng)試驗驗證： 采用兩套半導(dǎo)體裝置串聯(lián)運行可以處理到露點溫度以下。
（4） 加濕系統(tǒng)。 選用小型超聲波器， 因為箱體空間小， 且由于濕參數(shù)測控的滯后性， 所以加濕器的加濕能力要小些， 控制方案也采用連續(xù)控制， 或設(shè)定制兩側(cè)不對稱的通斷控制。 經(jīng)試驗驗證， 可以將濕度控制在 5%
的范圍內(nèi)。
（5） 控制系統(tǒng)。 可采用 PLC 或開發(fā)單片機兩種方案都是可行的， 根據(jù)設(shè)備制造要求確定。 控制系統(tǒng)設(shè)計 2
路檢測模擬量， 1 路模擬量測溫度， 1 路模擬量測濕球度； 4 路開關(guān)量控制溫濕度處理系統(tǒng)。 如要求不高也可以考慮簡單的溫濕度控制儀表。
（6） 溫度控制 。 溫度設(shè)定在 25±2℃ 范圍內(nèi) ， 波動控制在±0.5 ℃。 整機溫度控制誤差在±0.5 ℃范圍內(nèi)， 提
高了實驗精度 （現(xiàn)有的恒溫恒濕箱大部分溫度控制精度在±2 ℃）， 利用半導(dǎo)體制冷器實現(xiàn)。
（7） 濕度控制。 一是用相對濕度作為測控參數(shù) ， 相
對濕度設(shè)定在 50%， 波動范圍控制在±5%。 小型超聲波加濕器配合以半導(dǎo)體制冷器的除濕作用； 二是用濕球溫度作為測控參數(shù)， 溫度設(shè)定在25℃， 波動控制在±0.5 ℃；
濕球溫度設(shè)定在17.8 （參看空氣狀態(tài)參數(shù)表： 24.5， 55% RH 濕球溫 18.21， 25.5 45%RH 濕球溫度為 17.38）， 波
動控制在 ±0.4 ℃ ， 既可以將箱內(nèi)濕度控制在要求的
50%±5%范圍， 采用濕球溫度控制更為方便直接。
5 結(jié)構(gòu)及控制線路設(shè)計
（1） 空氣熱濕處理設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)置： 恒溫恒濕箱的基本結(jié)構(gòu)分兩大部分： 空氣處理箱和實驗室。 將制冷、 制
熱、 除濕、 加濕的設(shè)備做在一個空氣處理箱內(nèi)， 利用風(fēng)機實現(xiàn)箱體內(nèi)的空氣循環(huán)處理， 這樣空氣處理系統(tǒng)作為一個獨立的部件單元， 使恒溫箱整體結(jié)構(gòu)可以靈活布置， 工藝簡單。
恒溫恒濕箱內(nèi)的空氣由風(fēng)機提供動力， 使空氣在空
6 結(jié)論
新型恒溫恒濕試驗箱由于采用了半導(dǎo)體制冷其熱泵運行能效比高， 且其特性也屬于電量轉(zhuǎn)換器件， 通過輸入電流的控制， 可實現(xiàn)高精度的溫度控制， 再加上溫度檢測和控制手段， 很容易實現(xiàn)遙控、 程控、 計算機控制， 便于組成自動控制系統(tǒng)。 用濕球溫度的通斷調(diào)節(jié)方法可實現(xiàn)對濕度的高精度調(diào)節(jié)。 實踐證明， 該恒溫恒濕箱性能穩(wěn)定， 溫濕度控制精度高， 維修、 維護(hù)成本低， 節(jié)能效果明顯， 性能價格比明顯優(yōu)于同類產(chǎn)品， 半
導(dǎo)體制冷片的溫差范圍大， 適用范圍廣。
