0  引言

恒温恒湿箱是利用一定的方式将箱内的温度和湿度

调节到给定值， 并在该条件下进行实验， 达到实验反应

要求。 即能同时施加温度、 温度应力的试验箱。 在实际

使用过程中发现恒温恒湿箱在实现对温度、 湿度进行高

精度、 高稳定的控制中， 存在耗能多且不便于控制等问

题。 例如， 对温度的控制， 在制冷系统全速全功率运行

时， 是依靠调整加热量来平衡温度的稳定， 而且是采用

两套独立的制冷系统和除湿系统， 结构复杂， 费用高。

本文从控制温度、 湿度两方面出发， 研制出一种新

型的恒温恒湿箱， 创新点在于： ①制冷系统采用半导体

制冷， 制冷量易于调控； ②采用时间比例的通断调节实

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。 1  原有恒温恒湿箱的现状 （1） 制冷系统： 试验箱的制冷方式一般都是机械制   冷， 即采用蒸汽压缩式制冷。 它们主要由压缩机， 冷凝 器， 节流机构和蒸发器组成， 制冷剂在蒸发器中不断吸 收空气传给蒸发器的热量而达到制冷目的。 （2） 加热系统： 当箱内空气的温度底于所需温度时,   恒温恒湿机的控制系统就接通电加热器,将空气加热,通   过风机送**箱内达到加热的目的。 （3） 湿度系统： 试验箱的加湿方式一般采用蒸汽加 湿法， 即将低压蒸汽直接注入试验空间加湿。 这种加湿 方法加湿能力， 速度快， 加湿控制灵敏， 尤其在降温时   容易实现强制加湿。 也有采用电极式加湿器。 （4） 传感器系统： 试验箱的传感器主要是温度和湿 度传感器。 温度传感器应用较多的是铂电组和热电偶。 综上所述， 现在的恒温恒湿箱存在两方面的问题：   ①干湿球法测量精度不高 ，  故难以实现湿度的精确控   制； ②用制冷系统和加热系统的同时运行来控制温度的     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   序 温度 相对湿 含湿量 湿球温 露点温 焓 分压力 号 /℃ 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 空气状态点详细参数表       Tab.2 The particular table of the air s tation points               序 温度/ 相对湿 含湿量/ 湿球温 露点温 焓 分压力 号 ℃ 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/m³ （初始湿度低）或 8.61g/m³（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。