低壓高低溫試驗箱溫濕度控制原理及過程

一、引言

二、溫度控制原理

（一）制冷系統工作原理

1. 壓縮機制冷循環

• 低壓高低溫試驗箱的制冷系統通常采用蒸氣壓縮式制冷循環。壓縮機是制冷系統的核心部件，它將低溫低壓的制冷劑氣體吸入并壓縮成高溫高壓的氣體。例如，常用的制冷劑如 R404A 等，在壓縮機的作用下，其壓力和溫度大幅升高。然后，高溫高壓的制冷劑氣體進入冷凝器。

• 冷凝器中，制冷劑與外界冷卻介質（如空氣或冷卻水）進行熱交換，釋放熱量后液化，變為高壓液體。這一過程中，熱量從制冷劑傳遞到冷卻介質，使得制冷劑的溫度和壓力降低。

• 高壓液體經過節流裝置（如毛細管或膨脹閥）節流降壓，變成低溫低壓的液體。節流裝置的作用是控制制冷劑的流量和壓力，使得制冷劑在進入蒸發器時能夠在較低的壓力下蒸發吸熱。

• 低溫低壓的制冷劑液體進入蒸發器后，吸收試驗箱內的熱量而迅速蒸發，變為低溫低壓的氣體，從而使箱內溫度降低。蒸發器中的制冷劑蒸發過程是一個吸熱過程，它從試驗箱內的空氣中吸取熱量，使得空氣溫度下降。這樣，通過壓縮機、冷凝器、節流裝置和蒸發器的協同工作，制冷系統不斷循環，實現對試驗箱內溫度的持續降低和控制。

（二）加熱系統工作原理

1. 電加熱元件發熱

• 當試驗箱需要升溫時，加熱系統開始工作。加熱系統一般采用電加熱元件，如鎳鉻合金加熱絲等。電流通過加熱絲時，由于電阻的存在，電能轉化為熱能，加熱絲發熱。

• 加熱絲產生的熱量通過熱傳導和熱輻射的方式傳遞給周圍的空氣。試驗箱內的風機將熱空氣循環起來，使熱量均勻分布在整個試驗箱內，從而快速提升箱內溫度。通過控制加熱絲的電流大小，可以調節加熱功率，進而實現對箱內溫度升高速度和最終溫度的精確控制。

（三）溫度控制系統原理

1. 溫度傳感器反饋

• 試驗箱內安裝有溫度傳感器，如鉑電阻溫度傳感器（PT100）。它能夠實時感知箱內的溫度變化，并將溫度信號轉換為電信號傳送給控制器。例如，PT100 傳感器根據溫度的變化其電阻值會相應改變，通過特定的電路將這種電阻變化轉換為電壓或電流信號。

• 控制器接收到溫度傳感器傳來的信號后，將其與預設的溫度值進行比較。如果測量溫度低于設定溫度，控制器會啟動加熱系統，增加加熱功率，使箱內溫度升高；如果測量溫度高于設定溫度，控制器則會啟動制冷系統，調節制冷量，使箱內溫度降低。

• 控制器采用先進的控制算法，如比例 - 積分 - 微分（PID）算法。PID 算法根據當前溫度與設定溫度的偏差、偏差的積分以及偏差的微分來綜合計算輸出控制信號。比例項根據偏差大小快速調整加熱或制冷的強度；積分項用于消除系統的穩態誤差，使溫度最終穩定在設定值；微分項則根據溫度變化的速率提前調整控制信號，防止溫度過沖或波動過大。通過這種精確的控制方式，試驗箱能夠將溫度波動控制在極小的范圍內，一般高精度的低壓高低溫試驗箱溫度波動可控制在 ±0.5℃以內。

三、濕度控制原理（若有濕度功能）

（一）加濕系統工作原理

1. 蒸汽加濕

• 當試驗箱內濕度低于設定值時，加濕系統啟動。常見的加濕方式之一是蒸汽加濕。水在加熱裝置中被加熱至沸騰產生蒸汽，蒸汽通過管道輸送到試驗箱內。

• 蒸汽進入試驗箱后，與箱內空氣混合，增加空氣的含水量，從而提高濕度。加濕量的大小可以通過控制加熱裝置的功率或蒸汽的流量來調節。例如，通過調節蒸汽電磁閥的開度，可以控制進入箱內的蒸汽量，進而實現對濕度的精確控制。

2. 超聲波加濕

• 另一種常見的加濕方式是超聲波加濕。超聲波加濕器利用高頻振蕩將水霧化成微小的水滴，這些水滴隨空氣流動進入試驗箱內。

• 超聲波加濕器的加濕量可以通過調節超聲波發生器的頻率或功率來控制。與蒸汽加濕相比，超聲波加濕具有能耗低、加濕速度快等優點，但對水質要求較高，需要使用去離子水或蒸餾水，以防止水中的雜質在加濕器內結垢或堵塞噴頭。

（二）除濕系統工作原理

1. 冷凝除濕

• 當試驗箱內濕度高于設定值時，除濕系統開始工作。冷凝除濕是一種常用的除濕方式。制冷系統中的蒸發器表面溫度較低，當箱內潮濕空氣流經蒸發器時，空氣中的水汽遇冷會凝結成水滴，然后通過排水管道排出箱外。

• 冷凝除濕的除濕量與蒸發器的溫度、空氣的流速以及空氣的初始濕度等因素有關。通過調節制冷系統的制冷量，可以控制蒸發器的溫度，從而調節除濕量。例如，降低蒸發器的溫度可以提高除濕效率，但同時也會消耗更多的能源，需要在除濕效果和能源消耗之間進行平衡。

2. 吸附除濕

• 吸附除濕也是一種有效的除濕方式。試驗箱內安裝有吸附劑，如硅膠、分子篩等。當潮濕空氣通過吸附劑時，空氣中的水分子被吸附劑吸附，從而降低空氣的濕度。

• 吸附劑在吸附一定量的水分后會飽和，需要進行再生。再生過程通常是將吸附劑加熱，使吸附的水分脫附，然后通過通風將水分排出箱外。吸附除濕的優點是在低濕度環境下仍能保持較高的除濕效率，且不受溫度影響，但吸附劑需要定期更換或再生，增加了維護成本。

（三）濕度控制系統原理

1. 濕度傳感器反饋

• 試驗箱內裝有濕度傳感器，如電容式濕度傳感器。它能夠感知箱內空氣的濕度變化，并將濕度信號轉換為電信號傳送給控制器。電容式濕度傳感器根據濕度變化引起電容值改變的原理來測量濕度，當濕度升高時，電容值增大，反之則減小。

• 控制器接收到濕度傳感器傳來的信號后，將其與預設的濕度值進行比較。如果測量濕度低于設定濕度，控制器會啟動加濕系統，增加加濕量；如果測量濕度高于設定濕度，控制器則會啟動除濕系統，調節除濕量。

• 濕度控制系統同樣采用相應的控制算法，根據濕度偏差、偏差積分和偏差微分來調節加濕和除濕裝置的工作強度，以實現精確的濕度控制。一般較好的低壓高低溫試驗箱濕度波動可控制在 ±3% RH 以內。

四、溫濕度控制過程

（一）溫度控制過程

1. 啟動與初始化

• 當試驗箱啟動時，首先進行系統初始化，包括各部件的自檢、溫度傳感器和濕度傳感器（若有）的校準等。然后，根據預設的試驗程序，設定目標溫度值。

2. 制冷或加熱調節

• 控制器根據溫度傳感器反饋的實際溫度值與目標溫度值進行比較。如果實際溫度高于目標溫度，控制器啟動制冷系統，按照 PID 算法計算出制冷量的大小，調節壓縮機的轉速、冷凝器的散熱風扇轉速以及節流裝置的開度等參數，使箱內溫度逐漸降低。如果實際溫度低于目標溫度，控制器啟動加熱系統，調節加熱絲的電流大小，使箱內溫度逐漸升高。

3. 溫度穩定與監控

• 在溫度調節過程中，控制器不斷監控溫度傳感器反饋的溫度值，根據 PID 算法持續調整制冷或加熱系統的工作狀態，直到箱內溫度穩定在目標溫度值附近，且溫度波動在允許的范圍內。在整個試驗過程中，控制器始終對溫度進行監控，一旦溫度出現異常波動，會及時調整制冷或加熱系統，確保試驗環境的溫度穩定性。

（二）濕度控制過程（若有濕度功能）

1. 啟動與初始化

• 與溫度控制類似，在試驗箱啟動時，濕度控制系統也進行初始化操作，包括濕度傳感器的校準等。然后，根據試驗要求設定目標濕度值。

2. 加濕或除濕調節

• 控制器根據濕度傳感器反饋的實際濕度值與目標濕度值進行比較。如果實際濕度低于目標濕度，控制器啟動加濕系統，根據加濕方式（蒸汽加濕或超聲波加濕）的不同，調節蒸汽產生量或超聲波發生器的功率等參數，使箱內濕度逐漸升高。如果實際濕度高于目標濕度，控制器啟動除濕系統，根據除濕方式（冷凝除濕或吸附除濕）的不同，調節制冷系統的制冷量或吸附劑的吸附和解吸過程，使箱內濕度逐漸降低。

3. 濕度穩定與監控

• 在濕度調節過程中，控制器不斷監控濕度傳感器反饋的濕度值，根據濕度控制算法持續調整加濕或除濕系統的工作狀態，直到箱內濕度穩定在目標濕度值附近，且濕度波動在允許的范圍內。在試驗過程中，濕度控制系統也會持續監控濕度變化，確保試驗環境的濕度穩定性，滿足試驗要求。

五、結論