低压高低温试验箱温湿度控制原理及过程

一、引言

二、温度控制原理

（一）制冷系统工作原理

1. 压缩机制冷循环

• 低压高低温试验箱的制冷系统通常采用蒸气压缩式制冷循环。压缩机是制冷系统的核心部件，它将低温低压的制冷剂气体吸入并压缩成高温高压的气体。例如，常用的制冷剂如 R404A 等，在压缩机的作用下，其压力和温度大幅升高。然后，高温高压的制冷剂气体进入冷凝器。

• 冷凝器中，制冷剂与外界冷却介质（如空气或冷却水）进行热交换，释放热量后液化，变为高压液体。这一过程中，热量从制冷剂传递到冷却介质，使得制冷剂的温度和压力降低。

• 高压液体经过节流装置（如毛细管或膨胀阀）节流降压，变成低温低压的液体。节流装置的作用是控制制冷剂的流量和压力，使得制冷剂在进入蒸发器时能够在较低的压力下蒸发吸热。

• 低温低压的制冷剂液体进入蒸发器后，吸收试验箱内的热量而迅速蒸发，变为低温低压的气体，从而使箱内温度降低。蒸发器中的制冷剂蒸发过程是一个吸热过程，它从试验箱内的空气中吸取热量，使得空气温度下降。这样，通过压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器的协同工作，制冷系统不断循环，实现对试验箱内温度的持续降低和控制。

（二）加热系统工作原理

1. 电加热元件发热

• 当试验箱需要升温时，加热系统开始工作。加热系统一般采用电加热元件，如镍铬合金加热丝等。电流通过加热丝时，由于电阻的存在，电能转化为热能，加热丝发热。

• 加热丝产生的热量通过热传导和热辐射的方式传递给周围的空气。试验箱内的风机将热空气循环起来，使热量均匀分布在整个试验箱内，从而快速提升箱内温度。通过控制加热丝的电流大小，可以调节加热功率，进而实现对箱内温度升高速度和最终温度的精确控制。

（三）温度控制系统原理

1. 温度传感器反馈

• 试验箱内安装有温度传感器，如铂电阻温度传感器（PT100）。它能够实时感知箱内的温度变化，并将温度信号转换为电信号传送给控制器。例如，PT100 传感器根据温度的变化其电阻值会相应改变，通过特定的电路将这种电阻变化转换为电压或电流信号。

• 控制器接收到温度传感器传来的信号后，将其与预设的温度值进行比较。如果测量温度低于设定温度，控制器会启动加热系统，增加加热功率，使箱内温度升高；如果测量温度高于设定温度，控制器则会启动制冷系统，调节制冷量，使箱内温度降低。

• 控制器采用先进的控制算法，如比例 - 积分 - 微分（PID）算法。PID 算法根据当前温度与设定温度的偏差、偏差的积分以及偏差的微分来综合计算输出控制信号。比例项根据偏差大小快速调整加热或制冷的强度；积分项用于消除系统的稳态误差，使温度最终稳定在设定值；微分项则根据温度变化的速率提前调整控制信号，防止温度过冲或波动过大。通过这种精确的控制方式，试验箱能够将温度波动控制在极小的范围内，一般高精度的低压高低温试验箱温度波动可控制在 ±0.5℃以内。

三、湿度控制原理（若有湿度功能）

（一）加湿系统工作原理

1. 蒸汽加湿

• 当试验箱内湿度低于设定值时，加湿系统启动。常见的加湿方式之一是蒸汽加湿。水在加热装置中被加热至沸腾产生蒸汽，蒸汽通过管道输送到试验箱内。

• 蒸汽进入试验箱后，与箱内空气混合，增加空气的含水量，从而提高湿度。加湿量的大小可以通过控制加热装置的功率或蒸汽的流量来调节。例如，通过调节蒸汽电磁阀的开度，可以控制进入箱内的蒸汽量，进而实现对湿度的精确控制。

2. 超声波加湿

• 另一种常见的加湿方式是超声波加湿。超声波加湿器利用高频振荡将水雾化成微小的水滴，这些水滴随空气流动进入试验箱内。

• 超声波加湿器的加湿量可以通过调节超声波发生器的频率或功率来控制。与蒸汽加湿相比，超声波加湿具有能耗低、加湿速度快等优点，但对水质要求较高，需要使用去离子水或蒸馏水，以防止水中的杂质在加湿器内结垢或堵塞喷头。

（二）除湿系统工作原理

1. 冷凝除湿

• 当试验箱内湿度高于设定值时，除湿系统开始工作。冷凝除湿是一种常用的除湿方式。制冷系统中的蒸发器表面温度较低，当箱内潮湿空气流经蒸发器时，空气中的水汽遇冷会凝结成水滴，然后通过排水管道排出箱外。

• 冷凝除湿的除湿量与蒸发器的温度、空气的流速以及空气的初始湿度等因素有关。通过调节制冷系统的制冷量，可以控制蒸发器的温度，从而调节除湿量。例如，降低蒸发器的温度可以提高除湿效率，但同时也会消耗更多的能源，需要在除湿效果和能源消耗之间进行平衡。

2. 吸附除湿

• 吸附除湿也是一种有效的除湿方式。试验箱内安装有吸附剂，如硅胶、分子筛等。当潮湿空气通过吸附剂时，空气中的水分子被吸附剂吸附，从而降低空气的湿度。

• 吸附剂在吸附一定量的水分后会饱和，需要进行再生。再生过程通常是将吸附剂加热，使吸附的水分脱附，然后通过通风将水分排出箱外。吸附除湿的优点是在低湿度环境下仍能保持较高的除湿效率，且不受温度影响，但吸附剂需要定期更换或再生，增加了维护成本。

（三）湿度控制系统原理

1. 湿度传感器反馈

• 试验箱内装有湿度传感器，如电容式湿度传感器。它能够感知箱内空气的湿度变化，并将湿度信号转换为电信号传送给控制器。电容式湿度传感器根据湿度变化引起电容值改变的原理来测量湿度，当湿度升高时，电容值增大，反之则减小。

• 控制器接收到湿度传感器传来的信号后，将其与预设的湿度值进行比较。如果测量湿度低于设定湿度，控制器会启动加湿系统，增加加湿量；如果测量湿度高于设定湿度，控制器则会启动除湿系统，调节除湿量。

• 湿度控制系统同样采用相应的控制算法，根据湿度偏差、偏差积分和偏差微分来调节加湿和除湿装置的工作强度，以实现精确的湿度控制。一般较好的低压高低温试验箱湿度波动可控制在 ±3% RH 以内。

四、温湿度控制过程

（一）温度控制过程

1. 启动与初始化

• 当试验箱启动时，首先进行系统初始化，包括各部件的自检、温度传感器和湿度传感器（若有）的校准等。然后，根据预设的试验程序，设定目标温度值。

2. 制冷或加热调节

• 控制器根据温度传感器反馈的实际温度值与目标温度值进行比较。如果实际温度高于目标温度，控制器启动制冷系统，按照 PID 算法计算出制冷量的大小，调节压缩机的转速、冷凝器的散热风扇转速以及节流装置的开度等参数，使箱内温度逐渐降低。如果实际温度低于目标温度，控制器启动加热系统，调节加热丝的电流大小，使箱内温度逐渐升高。

3. 温度稳定与监控

• 在温度调节过程中，控制器不断监控温度传感器反馈的温度值，根据 PID 算法持续调整制冷或加热系统的工作状态，直到箱内温度稳定在目标温度值附近，且温度波动在允许的范围内。在整个试验过程中，控制器始终对温度进行监控，一旦温度出现异常波动，会及时调整制冷或加热系统，确保试验环境的温度稳定性。

（二）湿度控制过程（若有湿度功能）

1. 启动与初始化

• 与温度控制类似，在试验箱启动时，湿度控制系统也进行初始化操作，包括湿度传感器的校准等。然后，根据试验要求设定目标湿度值。

2. 加湿或除湿调节

• 控制器根据湿度传感器反馈的实际湿度值与目标湿度值进行比较。如果实际湿度低于目标湿度，控制器启动加湿系统，根据加湿方式（蒸汽加湿或超声波加湿）的不同，调节蒸汽产生量或超声波发生器的功率等参数，使箱内湿度逐渐升高。如果实际湿度高于目标湿度，控制器启动除湿系统，根据除湿方式（冷凝除湿或吸附除湿）的不同，调节制冷系统的制冷量或吸附剂的吸附和解吸过程，使箱内湿度逐渐降低。

3. 湿度稳定与监控

• 在湿度调节过程中，控制器不断监控湿度传感器反馈的湿度值，根据湿度控制算法持续调整加湿或除湿系统的工作状态，直到箱内湿度稳定在目标湿度值附近，且湿度波动在允许的范围内。在试验过程中，湿度控制系统也会持续监控湿度变化，确保试验环境的湿度稳定性，满足试验要求。

五、结论