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0 引言 |
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恒温恒湿箱是利用一定的方式将箱内的温度和湿度 |
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调节到给定值， 并在该条件下进行实验， 达到实验反应 |
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要求。 即能同时施加温度、 温度应力的试验箱。 在实际 |
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使用过程中发现恒温恒湿箱在实现对温度、 湿度进行高 |
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精度、 高稳定的控制中， 存在耗能多且不便于控制等问 |
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题。 例如， 对温度的控制， 在制冷系统全速全功率运行 |
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时， 是依靠调整加热量来平衡温度的稳定， 而且是采用 |
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两套独立的制冷系统和除湿系统， 结构复杂， 费用高。 |
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本文从控制温度、 湿度两方面出发， 研制出一种新 |
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型的恒温恒湿箱， 创新点在于： ①制冷系统采用半导体 |
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制冷， 制冷量易于调控； ②采用时间比例的通断调节实 |
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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。
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1 原有恒温恒湿箱的现状 |
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（1） 制冷系统： 试验箱的制冷方式一般都是机械制 |
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冷， 即采用蒸汽压缩式制冷。 它们主要由压缩机， 冷凝 |
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器， 节流机构和蒸发器组成， 制冷剂在蒸发器中不断吸 |
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收空气传给蒸发器的热量而达到制冷目的。 |
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（2） 加热系统： 当箱内空气的温度底于所需温度时, |
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恒温恒湿机的控制系统就接通电加热器,将空气加热,通 |
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过风机送**箱内达到加热的目的。 |
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（3） 湿度系统： 试验箱的加湿方式一般采用蒸汽加 |
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湿法， 即将低压蒸汽直接注入试验空间加湿。 这种加湿 |
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方法加湿能力， 速度快， 加湿控制灵敏， 尤其在降温时 |
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容易实现强制加湿。 也有采用电极式加湿器。 |
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（4） 传感器系统： 试验箱的传感器主要是温度和湿 |
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度传感器。 温度传感器应用较多的是铂电组和热电偶。 |
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综上所述， 现在的恒温恒湿箱存在两方面的问题： |
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①干湿球法测量精度不高 ， 故难以实现湿度的精确控 |
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制； ②用制冷系统和加热系统的同时运行来控制温度的 |
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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。
 
图 1 空气状态关键点 i-d 图
Fig.1 The i-d figure of key poings of the air station
表 1 空气状态关键点的参数表
 
Tab.1 The table of ke y points of the air s tation
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序 |
温度 |
相对湿 |
含湿量 |
湿球温 |
露点温 |
焓 |
分压力 |
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号 |
/℃ |
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 |
空气状态点详细参数表 |
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Tab.2 The particular table of the air s tation points |
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序 |
温度/ |
相对湿 |
含湿量/ |
湿球温 |
露点温 |
焓 |
分压力 |
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号 |
℃ |
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/m
3 （初始湿度低）或 8.61g/m
3（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 t 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。
5 结构及控制线路设计
（1） 空气热湿处理设备结构设置： 恒温恒湿箱的基本结构分两大部分： 空气处理箱和实验室。 将制冷、 制
热、 除湿、 加湿的设备做在一个空气处理箱内， 利用风机实现箱体内的空气循环处理， 这样空气处理系统作为一个独立的部件单元， 使恒温箱整体结构可以灵活布置， 工艺简单。
恒温恒湿箱内的空气由风机提供动力， 使空气在空
6 结论
新型恒温恒湿试验箱由于采用了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， 通过输入电流的控制， 可实现高精度的温度控制， 再加上温度检测和控制手段， 很容易实现遥控、 程控、 计算机控制， 便于组成自动控制系统。 用湿球温度的通断调节方法可实现对湿度的高精度调节。 实践证明， 该恒温恒湿箱性能稳定， 温湿度控制精度高， 维修、 维护成本低， 节能效果明显， 性能价格比明显优于同类产品， 半
导体制冷片的温差范围大， 适用范围广。
