環(huán)境測(cè)試室溫度波動(dòng)度的分析與對(duì)策

鄭建福

（1.廣州智能裝備研究院有限公司，廣州 510700； 2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 511370）

1 問題的提出

在某重點(diǎn)科學(xué)儀器項(xiàng)目中需要對(duì)測(cè)試樣品提供2～8 m3容積大小，波動(dòng)度優(yōu)于±0.3 ℃的環(huán)境測(cè)試室。目前市場(chǎng)上能夠找到環(huán)境測(cè)試室溫度波動(dòng)度指標(biāo)最好的是日本ESPEC公司CWH-20A型8 m3環(huán)境測(cè)試室，其溫度波動(dòng)度指標(biāo)是±0.5 ℃。溫度波動(dòng)度是該儀器最重要的技術(shù)參數(shù)之一，直接影響測(cè)試樣品環(huán)境條件的一致性程度、測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性、有效性。因此研究高穩(wěn)定性測(cè)試環(huán)境室的相關(guān)技術(shù)，為精密儀器提供精密測(cè)試環(huán)境條件具有一定的意義。

2 溫度波動(dòng)產(chǎn)生的主要原因分析

2.1 機(jī)械制冷及工況調(diào)整帶來溫度波動(dòng)

環(huán)境測(cè)試室的溫度范圍為20～70 ℃，為密閉環(huán)境并帶有發(fā)熱且變化熱負(fù)載；必須為環(huán)境測(cè)試室配置制冷系統(tǒng)。考慮到儀器的使用方便性和溫度范圍，配置的是單級(jí)壓縮機(jī)機(jī)械制冷系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流元件及控制不同流量毛細(xì)管的電磁閥裝置等部件組成。按常規(guī)設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)備的測(cè)試狀態(tài)不同，制冷系統(tǒng)自動(dòng)開啟，為設(shè)備的降溫、低溫，恒溫等提供所需的冷量，從而達(dá)到滿足環(huán)境測(cè)試室的性能指標(biāo)的要求。一般的溫度環(huán)境測(cè)試室為適應(yīng)不同工況的要求，大多采用的是控制不同流量的毛細(xì)管以滿足不同工況對(duì)制冷量的要求。在本項(xiàng)目中，由于負(fù)載工況的變化比較大，需要配置的毛細(xì)管型號(hào)比較多，雖然可以滿足不同工況的要求，但是在工況或負(fù)載發(fā)熱量變化時(shí)必須切換不同的毛細(xì)管，以進(jìn)行流量調(diào)節(jié)保證溫度達(dá)到設(shè)定值；在恒定狀態(tài)時(shí)，流量的切換勢(shì)必造成溫度干擾，極端時(shí)可能會(huì)有3～5 ℃沖擊，對(duì)被試樣品產(chǎn)生不利的影響，造成：①相同的測(cè)試的條件，干擾大小不同造成過程的不一致；可能會(huì)引起測(cè)試結(jié)果偏差；②在極限高溫測(cè)試條件下的溫度過沖/波動(dòng)過大，可能會(huì)造被試樣品的測(cè)試應(yīng)力加大，干擾或破壞了測(cè)試結(jié)果的正確性和準(zhǔn)確性。

圖1 制冷系統(tǒng)圖

2.2 控制系統(tǒng)及算法帶來的波動(dòng)

影響測(cè)試室內(nèi)溫度波動(dòng)的因數(shù)來自加熱、制冷及兩者的組合。溫度控制的穩(wěn)定與否需要：①加熱控制的穩(wěn)定性，一般情況下測(cè)試室采用電加熱器—裸露的電加熱絲—有較好的響應(yīng)特性。由溫度PID控制加熱器工作，只要參數(shù)調(diào)整的合適穩(wěn)定控制比較容易實(shí)現(xiàn)。②制冷控制的穩(wěn)定性，制冷回路構(gòu)成：壓縮機(jī)—冷凝器—節(jié)流器件—蒸發(fā)器，影響的因數(shù)較多，且具有調(diào)節(jié)響應(yīng)較電加熱系統(tǒng)滯后大、慢的特性，穩(wěn)定控制不易實(shí)現(xiàn)。如果采用毛細(xì)管流量切換還會(huì)造成溫度干擾。③加熱和制冷控制在工況變化時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)的互相影響，引起震蕩波動(dòng)。

3 溫度穩(wěn)定性解決對(duì)策

3.1 制冷系統(tǒng)方面

3.1.1 冷量無級(jí)調(diào)節(jié)

電子膨脹閥在空調(diào)行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1]，用于壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)中的流量無級(jí)調(diào)節(jié)，使制冷系統(tǒng)保持在最佳的運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)快速、連續(xù)穩(wěn)定的溫度控制，并起到節(jié)能等效果。毛細(xì)管加電磁閥系統(tǒng)與電子膨脹閥的區(qū)別見表1。為了解決毛細(xì)管切換引起冷量突變?cè)斐蓪?duì)環(huán)境測(cè)試室溫度控制的干擾，引入電子膨脹閥為制冷系統(tǒng)的節(jié)流裝置。

表1 毛細(xì)管加電磁閥通斷與電子膨脹閥開度控制的對(duì)比

3.1.2 電子膨脹閥的控制—冷量需求及冷量控制實(shí)現(xiàn)

在單級(jí)制冷系統(tǒng)，利用蒸發(fā)器兩端溫度（壓力）的差作為系統(tǒng)過熱度比較易行，采用溫度式過熱度作為參數(shù)進(jìn)行電子膨脹閥的控制。過熱度控制采用PID控制算法，見圖2。

圖2 過熱度PID 控制框圖

3.1.3 電子膨脹閥控制過熱度的具體實(shí)現(xiàn)

電子膨脹閥控制過熱度的具體實(shí)現(xiàn)[2]：如圖2所示，測(cè)量制冷系統(tǒng)中蒸發(fā)器的出入口溫度/壓力得到系統(tǒng)的過熱度，根據(jù)與目標(biāo)過熱度的偏差由模糊自適應(yīng)PID控制器通過計(jì)算得到PID調(diào)節(jié)器的輸出，再將輸出值轉(zhuǎn)化為電子膨脹閥的開度, 由開度調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量,確保制冷系統(tǒng)按負(fù)載及工況的要求安全穩(wěn)定運(yùn)行。如圖3所示，蒸發(fā)器的出入口溫度/壓力傳感器（用于測(cè)量實(shí)際過熱度）、電子膨脹閥、控制器、驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成過熱度的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。控制器發(fā)控制命令給驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)閥芯，調(diào)整電子膨脹閥開度，進(jìn)而調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量，從而對(duì)系統(tǒng)過熱度進(jìn)行控制。

圖3 過熱度控制回路框圖

3.2 控制算法方面

3.2.1 平衡式溫度控制（BTC）

為了保障箱體內(nèi)溫度高穩(wěn)定性，箱體內(nèi)溫度控制采用BTC（平衡式溫度控制），即制冷控制以冷量控制的方式，調(diào)節(jié)電子膨脹閥開度，且控制周期比較長(zhǎng)，變化比較慢；溫度控制由PID控制加熱器輸出，最終實(shí)現(xiàn)溫度的穩(wěn)定控制。

控制器根據(jù)設(shè)備的工作狀態(tài)：設(shè)定的目標(biāo)溫度、箱體內(nèi)溫度、過熱度，調(diào)節(jié)電子膨脹閥閥門開度；使進(jìn)入箱體熱交換器的冷量根據(jù)需要連續(xù)變化輸出。具體分為幾種工況：①快速降溫時(shí)，冷量100 %輸出；②慢速升/降溫、溫度快到達(dá)時(shí)，冷量輸出??；③全速升溫時(shí)，冷量輸出為0；根據(jù)這幾種工況，相應(yīng)地用模糊表調(diào)整過熱度控制目標(biāo)，使之適應(yīng)不同工況的要求，輸出制冷量。如圖4、圖5所示。

圖4 不同工況下模糊控制原則

圖5 PID 過熱度控制過程

3.2.2 溫度模糊自適應(yīng)PID控制

如圖6，根據(jù)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)建立e，ec對(duì)應(yīng)的dkp，dki，dkd模糊表，用模糊自適應(yīng)PID對(duì)加熱器進(jìn)行控制。相關(guān)的論述可以參考文獻(xiàn)[3,4]的描述，這里就不贅述。

圖6 箱內(nèi)溫度PID 控制框圖

3.3 實(shí)際控制效果

如圖7 所示，采用了上述多種技術(shù)的實(shí)際控制效果對(duì)比分析：采用毛細(xì)管+PID控制時(shí)，①圖中點(diǎn)a、c、e、g溫度過沖比較大；其中點(diǎn)a，溫度過沖4.1（最高溫度為74.1℃），加大了應(yīng)力，或可能會(huì)造成樣品的損傷，影響測(cè)試結(jié)果；②圖中點(diǎn)b、d由于樣品通電工作，導(dǎo)致溫度波動(dòng)；③圖中點(diǎn)f、h溫度上漂后切換到大冷量毛細(xì)管導(dǎo)致溫度波動(dòng)；采用電子膨脹閥+模糊工況自適應(yīng)PID控制克服了毛細(xì)管+PID控制方案的各種不足。

圖7 實(shí)際控制效果對(duì)比

根據(jù)計(jì)量檢測(cè)報(bào)告，實(shí)測(cè)溫度波動(dòng)度±0.07 ℃，大大優(yōu)于技術(shù)指標(biāo)±0.3 ℃的要求。

4 結(jié)論

本文就測(cè)試測(cè)試室溫度波動(dòng)度影響的因數(shù)進(jìn)行了分析，提出了一些可以提高性能指標(biāo)的方法并在實(shí)際應(yīng)用中證明有效。