CN103439246B - 一种基于模块化的多因素大气环境模拟试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模块化设计的多因素大气环境模拟试验装置，可模拟温度、湿度、盐雾、光照、淋雨、污染性气氛等环境因素中的一种或多种耦合环境，其硬件系统包括环境因素调节系统、空气调节室系统、环境模拟试验工作仓体系统、装置整体控制系统、以及在以上四者间实现有效连接的硬件连接系统，各系统均采用相对独立的模块化设计，以合理的接口设计保障各系统间的硬件连接、指令传输、与数据采集。其特点在于软硬件接口灵活，可实现不同环境因素调节系统、空气调节室系统、及环境模拟试验工作仓体系统间相互切换与多样组合，实现更广泛的试验能力，提高高成本设备的利用效率，减少重复建设。

Description

一种基于模块化的多因素大气环境模拟试验装置及方法

技术领域：

本发明属于环境适应性测试领域，特别涉及一种模块化的环境适应性试验装置及设计方法。

背景技术：

环境适应性试验作为验证和评价产品质量特性的重要手段，在产品研制和生产中具有重要的意义，而且是其它各种试验的前提和基础，贯穿于产品的全寿命周期。因而环境适应性试验的需求越来越大，并且试验环境逐渐由单一环境因素向多环境因素耦合过渡，对环境模拟试验装置的环境模拟能力提出了更高要求。

环境模拟试验箱/仓分为根据现有环境适应性检测标准设计制造的标准实验箱/仓，以及根据用户特定的测试需求定制的非标准环境模拟试验箱/仓两大类。现有标准环境模拟试验装置功能相对单一，扩展能力弱，不能满足多环境因素耦合的试验需求，因而需要针对实际需求定制非标环境模拟试验装置。在非标准试验箱中，目前也有两箱、三箱、甚至更多试验箱并排设计，中间隔断在必要时可以打开、打通成为一个大尺寸试验箱的设计存在（也可认为是一个环境试验仓可分割成为多个部分单独控制），但基本都是在设计之初就已经固定了环境试验箱与空调控制主机的连接关系，成为不可分割的一体。

基于以上设计理念，现有环境模拟试验装置主要存在以下几个问题：

1）即使是定制的非标产品，目前设计的扩展能力弱，每个环境试验箱的环境条件及控制设备都是仅针对一次性建设，装置出厂后用户很难根据需要对环境模拟试验装置的功能进行增补，一套环境调节系统只能配合一套工作室系统使用，试验能力有限，灵活性不足。有时是因为环境仓体积过大，达不到批量样品，测试时试验能耗大、不经济。

2）不同用户需求的非标环境模拟试验装置需要进行独立的设计工作，不仅设计、制造周期长，而且大型步入式环境仓单台套利用率低，但针对特定需求，仅为改动环境仓形状、尺寸、或个别指标、参数，就重新投资建设，造成浪费。单以工作室形状、尺寸为例，可能由于原有环境仓过于狭长，不适合方正样品的测试，反之亦然。

发明内容：

本发明主要目的是提供一种采用相对独立的模块化设计的环境模拟试验装置（或环境适应性试验装置），由模块化设计的环境因素调节系统（即“调节系统”）、空气调节室系统（即“空气调节室”）、环境模拟试验工作仓体系统（即“工作仓”）、装置整体控制系统（即“控制系统”）、以及在以上四者间实现有效连接的硬件连接系统（即“连接系统”）组成，可模拟的环境因素包括温度、湿度、淋雨、光照、盐雾、污染性气氛等一种或多种的组合。其中，每种环境因素的模拟由与其相对应的模块组实现，如温湿度模块组(由于温湿度需要耦合控制，所以温度和湿度模拟由一个模块组实现)、淋雨模块组、光照模块组、盐雾模块组及污染气氛模块组等，上述各环境因素模块组由分布于环境模拟试验装置各系统中、具有特定功能的环境因素控制模块、环境因素调节模块以及必要的辅助设备、连接管路组成。特定模块组内的模块通过横向组合，可实现某种环境因素的模拟，同时更换其中的某一模块，可实现模拟环境因素能力的调整；不同模块组内的模块纵向组合，构成环境试验装置的硬件系统，构成装置的各硬件系统，实现装置的某一特定功能。这样通过不同模块间的自由组合，可实现模拟一种或多种环境因素的环境模拟试验装置高效、便捷的用户自搭建与重构。

装置的硬件系统之间相对独立，采用连接界面以实现灵活拼接组合，各个模块之间的连接界面包括气路、水路、电路、传输数据线等的对接界面，但在控制系统中采用耦合控制设计，提高各环境因素模拟控制中的耦合性，节能环保，降低运行成本。耦合控制是指为实现装置运行中的节能、环保、降低运行成本，而需要将多种环境因素结合起来进行控制。因为有些强相关的因素如温度与湿度如果单独控制，那么可能出现大量结露、冷凝器结冰等现象，非常不节能；而在盐雾试验过程中，就一般不用送风方式来控温，而用仓壁加热的方式；在喷盐雾或淋浴的同时，不需要控制湿度……所以，这些环境因素控制中的相互关系，就需要所谓的耦合控制，避免完全独立的单独控制。

为实现上述设计，装置各系统均采用模块化设计，具有可组合性和可互换性的特点，提高了在各硬件系统之间实现选择性匹配的灵活性，即用户可以根据试验需求将适合的工作仓、空气调节室和调节系统通过连接系统进行组合，通过不同功能模块组合或相同功能模块的互换等方式实现不同环境因素、不同工作仓体等环境模拟试验装置快速高效的集成搭建，并利用在控制系统中设定/选定相应的控制模块对装置整体进行耦合控制。

具体而言，对于不同的工作仓与空气调节室的组合，以及工作参数的设置，需要选用与之相匹配的调节系统硬件模块。如：试验中需要模拟盐雾，则将盐雾模拟的调节系统模块与工作仓中的喷塔模块相连，同时在控制系统中开启盐雾控制模块，否则可以将喷塔接入口封闭；同理可通过移除或开启降雨管路、喷嘴，封闭或开启污染气氛进气孔，以实现部分环境因素模拟功能的启用或去除。

从节能环保及控制稳定性考虑，控制系统的控制逻辑中，环境的温度和湿度一定是采用耦合控制的。用户根据参数范围，选定模拟能力与需求相匹配的调节系统硬件，如：需要模拟-60摄氏度的低温环境，则需要连接复叠式制冷机组（多用于大中型工作仓）或液氮辅助制冷单元（对于小型工作仓更经济，且更易实现更低温度的模拟、以及快速的温度冲击）。调节系统环境因素调节能力分级可调，可根据工作仓有效试验空间配合控制系统对加热功率、制冷量、加湿量、光照面积、降雨强度、喷雾量及污染气氛量进行分段调节。

所述的空气调节室采用模块化设计，在相应位置布置温度控制模块所需的加热器、换热器、湿度控制的蒸发器与冷凝器、以及通风设备等，污染性气氛的导入气嘴等环境模拟模块，通过合理组织风场实现温度、湿度和污染性气氛等环境因素的模拟。空气调节室可预留接口，以便同时满足几个工作室或不同试验空间工作室的环境模拟试验需求。

所述的工作仓系统通过连接系统与调节系统和空气调节室对接，在其内部可完成温度、湿度、淋雨、光照、盐雾、污染性气氛等环境因素中一种或多种环境组合模拟；工作仓的主体仓板由内衬板、保温层（保温层内可设计支架，以保证仓板的稳定性）以及外部金属板构成，并可内置加热管（水热式或电热式），以完成盐雾试验中的环境仓温度控制；仓内布置有温度、湿度及污染性气氛浓度的监测传感器，具体位置可依据试验需求布置在出风口、回风口、仓体中心点或被测试件表面等；工作仓内根据模拟的环境因素要求，包含淋雨系统的管路和喷嘴（可通过更换喷嘴进行雨滴直径的调节）、光照系统的光源、灯箱、灯架、冷却元件；盐雾的喷嘴/喷塔及气、液管路等；各子系统的选材应充分考虑到长期运行的可靠性，进行必要的腐蚀防护设计与处理，如选用耐蚀性好的金属材料、或在耐蚀性较差的主体材料表面复合耐蚀性高的表面层制成复合材料，灯箱及冷却系统可采用表面防腐处理，或以特殊玻璃板（保证透过玻璃的光谱能够满足试验要求）隔离的方式将光源、灯箱及冷却系统外置于环境仓之外。

装置整体控制系统具有温度、湿度、淋雨、光照、盐雾、污染性气氛中一种或多种环境因素的控制及耦合控制功能模块；控制系统包括试验程序设置界面、PLC系统检测与控制模块、环境参数显示子系统等，能够实现以上各环境因素的耦合控制。

所述环境因素调节系统包括温度调节模块、湿度调节模块、淋雨调节模块、光照调节模块、盐雾调节模块和污染性气氛调节模块；其中的温度调节模块包括加热元件、制冷机组（根据制冷能力要求，采取单级制冷或复叠式制冷系统、或液氮辅助制冷系统）及其冷却系统；湿度调节模块包括加湿水箱、水位控制器、加湿器、冷凝控制元件；对于同时包含温度和湿度模拟的环境试验仓，温湿度应采取耦合控制，通过温湿度调节模块实现；淋雨调节模块包括给水系统、水质过滤系统、雨量调节阀，必要时可设置淋雨水箱及控温元件来更加精确地控制淋雨温度；光照模块包括光源及功率调节单元、冷却元件、灯箱等；盐雾调节模块主要包括空气压缩机、压力调节阀、盐溶液控温元件、两个可切换使用的储液箱、纯水制备设备等，同时为提高自动化程度，可采用盐液水化学监控及盐液自动调配装置等；污染性气氛调节模块主要包括气源、气氛导入阀。

所述的连接系统，包括工作仓与调节系统间的连接子系统、调节系统与装置整体控制系统间的连接子系统、以及工作仓与装置整体控制系统间的连接子系统。其中，工作仓与调节系统间的连接子系统中包括风道系统、淋雨模拟模块组的水管路连接系统、盐雾模拟模块组的盐水管路和压缩空气管路的连接系统，以及光照模拟模块组中的冷却水管路连接系统等，该子系统采用柔性设计、或可转换的多通路设计，以可拆卸、可更换的硬件形式进行连接，以保证一套空气调节室可与多个环境模拟测试工作室实现连接，反之亦然；工作仓与装置整体控制系统间的连接子系统包括温度、湿度及污染性气氛浓度的监测传感器、光照模拟中的光源功率控制连接系统等；工作仓与装置整体控制系统间的连接子系统采用通用接口形式，采用屏蔽线避免信号干扰，同时对于暴露与环境试验仓模拟环境之内的部分要做好隔热、隔湿、防腐处理，保证设备长期运行的可靠性与稳定性；调节系统与装置整体控制系统间的连接子系统中，装置整体控制系统通过合理的控制逻辑（PLC），以有线或无线的方式调控各环境因素控制单元，完成空气的温度、湿度、污染性气氛的耦合调节与控制。

根据环境仓的具体环境指标参数范围，合理地选用制造材料及防护技术方法，保障设备的使用寿命及长期稳定性。如，对于直接与模拟环境直接接触的工作仓、调节室及连接部分的内衬材料，可选用非金属内衬板（适用于无光照老化模拟、且温度可调范围不超过80摄氏度的环境箱）、304不锈钢（适用于仅模拟温、湿、光照、淋雨等环境，不含盐雾等强腐蚀环境模拟）、高质量316L不锈钢（模拟环境中不含盐雾模拟条件）等，对于环境温度范围宽、腐蚀和老化环境模拟条件苛刻的环境箱，更可采用钛合金（复合）内衬板；对于密封部位的选材，也是依据环境模拟的温度范围，选取适当的材料。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：

1）实现环境模拟试验装置的模块化设计，提高了在各硬件系统之间实现选择性匹配的灵活性；可根据用户不同的试验需求，基于有限的修改和补充购置，在环境调节系统硬件模拟能力范围内快速、合理地搭建出环境模拟试验装置，支撑试验方案设计的优化，有效提高试验效率；

2）充分满足了环境模拟试验装置的可扩展性，提高相关硬件设备的积累性，可大大提高现有硬件的利用率，最大限度避免重复建设，节约建设成本，可对已有部组件、已有设计经验、以及整个产品生命周期中的采购、物流、制造和服务资源等加以更充分的利用。

附图说明：

图1为本发明的模块化设计的环境模拟试验装置构成图；

图2为本发明的综合环境模拟试验装置实例示意图。

具体实施方式：

以下内容将结合说明书附图对本发明的具体实施方式作详细描述：

图1为本发明涉及的环境模拟试验装置构成图，该装置采用模块化设计，其中以横向位于同一排的方块组合表示模拟某种环境因素的模块组，分别为温湿度模块组、污染气氛模块组、盐雾模块组、光照模块组和淋雨模块组；其中以纵向的位于同一列的方块组合分别表示装置中的四个系统，具体为工作室系统、空气调节室系统、环境因素调节系统及整体控制系统，每个系统之间的连接部分为连接系统。对于每一环境因素的模拟，其中的硬件模块及软件模块分别合理穿插布置于前四个系统中，通过连接系统实现有效连接、监测与控制交互。

温湿度环境因素模拟通过温湿度模块组实现，其中温湿度控制模块在装置整体控制系统中为强耦合设计，在环境调节系统中加热元件、制冷机组及其冷却系统、加湿水箱、水位控制器、加湿器、冷凝控制元件等，而在空气调节室中布置加热器、换热器、蒸发器出口、冷凝器等，并通过通风设备合理组织送风，在工作室中（出风口、回风口、仓中心点、或用户指定点）布置温湿度传感器及信号反馈模块，形成工作仓内温湿度的闭环反馈、耦合控制。

污染性气氛模拟通过污染气氛模块组实现，在装置整体控制系统中有污染性气氛控制模块，在环境调节系统中布置气源、气氛导入阀，气氛导管出口布置于空气调节室中，同时配合工作仓内的气氛浓度传感器及信号反馈模块，实现污染性气氛的准确模拟。

盐雾环境的模拟由盐雾模块组实现，在装置整体控制系统中内置盐雾控制模块，在环境调节系统中布置两个盐水槽、控温元件、空气压缩机、气压调节阀、纯水制备设备、（盐浴水化学监控及盐液自动调配装置）等，不需要通过空气调节室系统，在工作仓中布置喷嘴/喷塔及气、液管路等，同时为在不送风的条件下实现恒温盐雾，在仓板内布置加热元件。

光照模拟由光照模模块组实现，通过在装置整体控制系统中内置光照控制模块，在环境调节系统中布置光源及功率调节单元、冷却元件、灯箱等，在工作仓中布置光照强度传感器、特种玻璃、或灯架及相关密封防护元件等，完成光照环境的模拟。根据光谱范围及强度要求，可选用不同种类的光源，如最接近自然太阳光的全光谱光源、强化紫外区光强度的紫外光源、以及强调热效应的红外光源等。

淋雨环境模拟由淋雨模块组实现，包含在装置整体控制系统中的淋雨控制模块，环境调节系统中的给水系统、水质过滤单元、雨量调节阀、（水温控制元件、淋雨水箱）等，以及工作仓中的喷嘴、水管等。

图2为模块化设计的综合环境模拟试验装置设计图，该装置由工作室系统5、空气调节室系统2、环境因素调节系统3、整体控制系统1及连接系统4构成，其中工作室系统5包括a)光照模拟单元、b)淋雨模拟单元、c)盐雾模拟单元。

各系统采用可移动式模块化设计，相互之间采用可反复、方便的拆卸和连接设计。本实例中的设备可实现温湿度、光照、淋雨、盐雾等环境因素的耦合控制，根据需要可在空气调节室内的通风设备前段引入污染性气氛气管出口，进一步增加污染性气氛模拟模块；同时也可在不需要模拟某些因素的情况下，采用断开相应的连接、封闭相应接口、在控制系统中不勾选相关环境因素控制的方式实现对该环境因素调控系统的剥离。

在装置整体控制系统中，内置对应于各硬件系统/子系统的软件模块，根据硬件选取情况相应地自动识别或手动选择控制模块，并选取先进的PLC控制模块，在充分保障节能环保条件下实现环境的耦合控制；同时，对于环境适应性试验过程中的工作仓内的环境参数、被测样品的过程参数等均可实现实时采集、存储、显示和传输。

图2中，环境因素调节系统中各子系统（包括温度、湿度、光照、盐雾、淋雨模拟子系统）放置于同一箱体内，但实际上可以将各子系统完全单独入箱布置，只在需要使用时移至装置近前，进行连接使用。

应当理解，以上借助图1各系统、模块组之间为连接系统优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于模块化设计的环境模拟试验装置，其特征在于，所述试验装置包括环境因素调节系统、空气调节室系统、工作仓系统、装置整体控制系统，还包括在以上四者间实现有效连接的连接系统，所述装置能实现一种或多种环境因素的组合模拟；

所述环境因素调节系统、空气调节室系统、工作仓系统、装置整体控制系统均采用相对独立的模块化设计，各系统通过连接界面实现硬件连接、指令传输与数据采集；

所述环境因素调节系统包括温度控制模块、湿度控制模块、淋雨调节模块、光照模块、盐雾调节模块和污染性气氛调节模块；其中的温度控制模块包括加热元件、制冷机组及其冷却系统；湿度控制模块包括加湿水箱、水位控制器、加湿器、冷凝控制元件；对于同时包含温度和湿度模拟的环境试验仓，温湿度采取耦合控制，由温湿度控制模块实现；淋雨调节模块包括给水系统、水质过滤系统、雨量调节阀，通过设置淋雨水箱及控温元件来更加精确地控制淋雨温度；光照模块包括光源及功率调节单元、冷却元件、灯箱；盐雾调节模块主要包括空气压缩机、压力调节阀、盐溶液控温元件、两个可切换使用的储液箱、纯水制备设备，同时为提高自动化程度，采用盐液水化学监控及盐液自动调配装置；污染性气氛调节模块主要包括气源、气氛导入阀。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述环境因素模拟通过相应的环境模块组实现，环境模块组由环境因素控制模块、环境因素调节模块以及辅助设备组成，模拟环境因素包括温度、湿度、淋雨、光照、盐雾、污染性气氛，相应地，环境因素模块组包括温湿度模块组、污染气氛模块组、淋雨模块组、盐雾模块组和光照模块组。

3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述连接系统包括所述工作仓系统与环境因素调节系统间的连接子系统、所述环境因素调节系统与装置整体控制系统间的连接子系统、以及所述工作仓系统与装置整体控制系统间的连接子系统。

4.根据权利要求3所述的试验装置，其特征在于，其中所述工作仓系统与环境因素调节系统间的连接子系统包括风道系统、淋雨模块组的水管路连接系统、盐雾模块组的盐水管路和压缩空气管路的连接系统，以及光照模块组的冷却水管路连接系统；所述工作仓系统与装置整体控制系统间的连接子系统包括温度、湿度及污染性气氛浓度的监测传感器、光照模块组中的光源功率控制连接系统；所述环境因素调节调节系统与装置整体控制系统间的连接子系统之间通过PLC以有线或无线的方式连接，完成空气的温度、湿度、污染性气氛的耦合调节与控制。

5.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述工作仓系统的主体仓板由内衬板、保温层以及外部金属板构成，并内置加热管，以完成盐雾试验中的环境仓温度控制；仓内布置有温度、湿度及污染性气氛浓度的监测传感器，具体位置依据试验需求布置在出风口、回风口、仓体中心点或被测试件表面；工作仓内根据模拟的环境因素要求，包含淋雨模块组的管路和喷嘴、光照模块组的光源、灯箱、灯架、冷却元件；盐雾模块组的喷嘴/喷塔及气、液管路。

6.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，在空气调节室系统中布置温度控制所需的加热器、换热器、湿度控制的蒸发器出口与冷凝器、以及通风设备，污染性气氛的导入气嘴布置于空气调节室系统的温湿度调节元件的下游、通风设备的上游；空气调节室系统预留接口，以便同时满足几个工作室或不同试验空间工作室的环境模拟试验需求。

7.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述装置整体控制系统包括温湿度控制模块、污染性气氛控制模块、盐雾控制模块、光照控制模块、淋雨控制模块。

8.一种基于模块化设计的环境模拟试验方法，所述方法是基于权利要求1-7之一的试验装置设计的，所述方法能实现多种环境因素的组合模拟，其特征在于，所述模拟包括：

1)温湿度环境因素模拟：温湿度模拟通过温湿度模块组实现，温湿度控制模块在装置整体控制系统中为强耦合设计，在环境调节系统中布置加热元件、制冷机组及其冷却系统、加湿水箱、水位控制器、加湿器、冷凝控制元件，而在空气调节室中布置加热器、换热器、蒸发器出口、冷凝器，并通过通风设备合理组织送风，在工作室中布置温湿度传感器及信号反馈模块，形成工作仓内温湿度的闭环反馈、耦合控制；

2)污染性气氛模拟：污染性气氛模拟通过污染性气氛模块组实现，在装置整体控制系统中有污染性气氛控制模块，在环境调节系统中布置气源、气氛导入阀，气氛导管出口布置于空气调节室中，同时配合工作仓内的气氛浓度传感器及信号反馈模块，实现污染性气氛的准确模拟；

3)盐雾环境的模拟：盐雾环境模拟通过盐雾模块组实现，在装置整体控制系统中内置盐雾控制模块，在环境调节系统中布置两个盐水槽、控温元件、空气压缩机、气压调节阀、纯水制备设备、盐浴水化学监控及盐液自动调配装置，不需要通过空气调节室系统，在工作仓中布置喷嘴/喷塔及气、液管路，同时为在不送风的条件下实现恒温盐雾，在仓板内布置加热元件；

4)光照模拟：光照模拟通过光照模块组实现，通过在装置整体控制系统中内置光照控制模块，在环境调节系统中布置光源及功率调节单元、冷却元件、灯箱，在工作仓中布置光照强度传感器、特种玻璃、或灯架及相关密封防护元件，完成光照环境的模拟；

5)淋雨环境模拟：淋雨模拟通过淋雨模块组实现，通过在装置整体控制系统中的淋雨控制模块，环境调节系统中的给水系统、水质过滤单元、雨量调节阀、水温控制元件、淋雨水箱，以及工作仓中的喷嘴、水管实现淋雨环境模拟。