0  引言

恒溫恒濕箱是利用一定的方式將箱內的溫度和濕度

調節(jié)到給定值， 并在該條件下進行實驗， 達到實驗反應

要求。 即能同時施加溫度、 溫度應力的試驗箱。 在實際

使用過程中發(fā)現恒溫恒濕箱在實現對溫度、 濕度進行高

精度、 高穩(wěn)定的控制中， 存在耗能多且不便于控制等問

題。 例如， 對溫度的控制， 在制冷系統(tǒng)全速全功率運行

時， 是依靠調整加熱量來平衡溫度的穩(wěn)定， 而且是采用

兩套獨立的制冷系統(tǒng)和除濕系統(tǒng)， 結構復雜， 費用高。

本文從控制溫度、 濕度兩方面出發(fā)， 研制出一種新

型的恒溫恒濕箱， 創(chuàng)新點在于： ①制冷系統(tǒng)采用半導體

制冷， 制冷量易于調控； ②采用時間比例的通斷調節(jié)實

現高精度的溫度控制； ③通過濕球溫度控制箱內的相對

濕度。 1  原有恒溫恒濕箱的現狀 （1） 制冷系統(tǒng)： 試驗箱的制冷方式一般都是機械制   冷， 即采用蒸汽壓縮式制冷。 它們主要由壓縮機， 冷凝 器， 節(jié)流機構和蒸發(fā)器組成， 制冷劑在蒸發(fā)器中不斷吸 收空氣傳給蒸發(fā)器的熱量而達到制冷目的。 （2） 加熱系統(tǒng)： 當箱內空氣的溫度底于所需溫度時,   恒溫恒濕機的控制系統(tǒng)就接通電加熱器,將空氣加熱,通   過風機送**箱內達到加熱的目的。 （3） 濕度系統(tǒng)： 試驗箱的加濕方式一般采用蒸汽加 濕法， 即將低壓蒸汽直接注入試驗空間加濕。 這種加濕 方法加濕能力， 速度快， 加濕控制靈敏， 尤其在降溫時   容易實現強制加濕。 也有采用電極式加濕器。 （4） 傳感器系統(tǒng)： 試驗箱的傳感器主要是溫度和濕 度傳感器。 溫度傳感器應用較多的是鉑電組和熱電偶。 綜上所述， 現在的恒溫恒濕箱存在兩方面的問題：   ①干濕球法測量精度不高 ，  故難以實現濕度的精確控   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     變化， 耗能且不便精確控制。2  新型恒溫恒濕箱的技術要求與狀態(tài)參數   （1） 技術要求 ： ①內凈尺寸 （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） 關鍵空氣狀態(tài)點參數： ①表 1 為空氣狀態(tài)關鍵點的參數表； ②表 2 為詳細狀態(tài)參數表； ③圖 1 為空氣狀態(tài)關鍵點 i-d 圖。                               圖 1 空氣狀態(tài)關鍵點 i-d 圖   Fig.1 The i-d figure of key poings of the air station   表 1 空氣狀態(tài)關鍵點的參數表   Tab.1 The table of ke y points of the air s tation   序 溫度 相對濕 含濕量 濕球溫 露點溫 焓 分壓力 號 /℃ 度/％ g/㎏ 度/℃ 度/℃ /kJ/㎏ /Pa                 1 23.0 45.0 7.8 15.4 10.4 43.1 1264.3                 2 23.0 55.0 9.6 16.9 13.5 47.6 1545.2                 3 27.0 45.0 10.0 18.6 14.1 52.7 1604.7                 4 27.0 55.0 12.3 20.3 17.2 58.4 1961.3                 5 25.0 50.0 9.9 17.8 13.9 50.3 1584.1                       表 2 空氣狀態(tài)點詳細參數表       Tab.2 The particular table of the air s tation points               序 溫度/ 相對濕 含濕量/ 濕球溫 露點溫 焓 分壓力 號 ℃ 度/％   g/㎏ 度/℃ 度/℃ /kJ/㎏ /Pa                   1 23.00 45.00   7.84 15.42 10.40 43.09 1264.30                   2 23.00 55.00   9.63 16.94 13.48 47.60 1545.20                   3 24.00 45.00   8.35 16.19 11.35 45.37 134.20                   4 24.00 55.00   10.24 17.78 14.41 50.17 1641.00                   5 24.50 45.00   8.61 16.59 11.80 46.54 1383.7                   6 24.50 55.00   10.55 18.21 14.88 51.49 1691.20                   7 25.00 45.00   8.88 16.98 12.25 47.72 1425.6                   8 25.00 50.00   9.88 17.82 13.86 50.27 1584.10                   9 25.00 55.00   10.88 18.60 15.34 52.83 1742.50                   10 25.50 45.00   9.15 17.38 12.70 48.93 1468.70                   11 25.50 55.00   11.21 19.50 15.80 54.20 1795.10                   12 26.00 45.00   9.42 17.78 13.16 50.15 1512.90                   13 26.00 55.00   11.56 19.47 16.27 55.59 1849.10                   14 27.00 45.00   10.01 18.57 14.06 52.65 1604.70                   15 27.00 55.00   12.28 20.31 17.20 58.44 1961.30

3  技術設計方案
 
（1） 控制參數： 根據控制要求： 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， 溫度波動較嚴格； 濕度要求也較高。
 
（2） 恒溫恒濕箱的熱負荷： 恒溫恒濕箱的熱負荷主要是設備啟動運行時箱內的熱容量、 圍護結構的傳熱及漏熱， 可根據環(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） 恒溫恒濕箱的濕負荷： 恒溫恒濕箱的濕負荷只是設備啟動運行時， 箱內的濕負荷和圍護結構的少量漏濕量， 箱內沒有濕源和吸濕的裝置， 恒溫箱需要除濕或加濕是由箱內初始空氣濕度參數決定的， 加濕和除濕可以不同時工作。 如果圍護結構能將漏濕量控制在一定的范圍內， 在一個檢測周期內就可以不做濕度調整， 例如根據初始空氣參數， 將濕度控制在 11.21g/m³ （初始濕度低）或 8.61g/m³（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。 根據以上分析， 將啟動時箱內和環(huán)境溫、 濕度與要求的設定值比較， 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即可。
 
（5） 濕度的測控。 濕度可用相對濕度這一物理參數進行測控， 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。
 
4  系統(tǒng)配置與參數控制
 
綜合考慮設備恒溫、 恒濕功能要求， 需保證實現制冷、 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、 經濟性、 控制方法實現的難易程度等設備系統(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 ，易于實現制冷量的精確控制。 經試驗驗證： 采取時間比例控制方案， 制冷運行時溫度精度可達 0.2℃。 設備配置： 半導體制冷器 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)采用半導體制冷， 其熱泵運行能效比高， 且其特性也屬于電量轉換


器件， 易于實現精確控制， 為了制造工藝的標準化， 制
 
熱采用半導體制冷系統(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 0.2℃。 設備配置： 半
 
導體制冷器 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)的設置， 在制冷系統(tǒng)的基礎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。 經試驗驗證： 采用兩套半導體裝置串聯(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， 或設定制兩側不對稱的通斷控制。 經試驗驗證， 可以將濕度控制在 5%
 
的范圍內。
 
（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， 根據設備制造要求確定。 控制系統(tǒng)設計 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 。 溫度設定在 25±2℃ 范圍內 ， 波動控制在±0.5 ℃。 整機溫度控制誤差在±0.5 ℃范圍內， 提
 
高了實驗精度 （現有的恒溫恒濕箱大部分溫度控制精度在±2 ℃）， 利用半導體制冷器實現。
 
（7） 濕度控制。 一是用相對濕度作為測控參數 ， 相
 
對濕度設定在 50%， 波動范圍控制在±5%。 小型超聲波加濕器配合以半導體制冷器的除濕作用； 二是用濕球溫度作為測控參數， 溫度設定在25℃， 波動控制在±0.5 ℃；
 
濕球溫度設定在17.8 （參看空氣狀態(tài)參數表： 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  結構及控制線路設計
 
（1） 空氣熱濕處理設備結構設置： 恒溫恒濕箱的基本結構分兩大部分： 空氣處理箱和實驗室。 將制冷、 制
 
熱、 除濕、 加濕的設備做在一個空氣處理箱內， 利用風機實現箱體內的空氣循環(huán)處理， 這樣空氣處理系統(tǒng)作為一個獨立的部件單元， 使恒溫箱整體結構可以靈活布置， 工藝簡單。
 
恒溫恒濕箱內的空氣由風機提供動力， 使空氣在空
6  結論
 
新型恒溫恒濕試驗箱由于采用了半導體制冷其熱泵運行能效比高， 且其特性也屬于電量轉換器件， 通過輸入電流的控制， 可實現高精度的溫度控制， 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節(jié)方法可實現對濕度的高精度調節(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、 維護成本低， 節(jié)能效果明顯， 性能價格比明顯優(yōu)于同類產品， 半
 
導體制冷片的溫差范圍大， 適用范圍廣。