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)
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。
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
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)。
3.1.1 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
3.2.1 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
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。
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。