CN104665380A - 文物展柜内部空气环境的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的包括一种文物展柜内部空气环境的控制方法，a.检测展柜内部环境参数；b.将检测到的环境参数与预设的标准范围进行对比，c.若超出标准范围，启动内部空气环境控制装置进行处理，直至环境参数符合标准范围；本发明能实现对密闭展柜环境净化和温湿度调节要求，且温度、湿度和气压控制精度可达≤2％。不仅具有很高的可靠性和稳定性，而且具有极好的开放性和扩展性，适用各类珍贵文物展存环境的监控，基于展柜微环境设计，具有根据不同文物需求调节不同环境参数的功能；体积小、耗电量低，适用于不同规格展柜的净化和调湿；可自动完成自身补水，实现温度、湿度和气压调节以及空气净化等功能；通过无线通信将展柜监控信息传输给远程监控室供集中监控；实现用户管理功能，提高控制装置应用的安全性。

Description

文物展柜内部空气环境的控制方法

技术领域

本发明涉及自动化领域，尤其涉及一种文物展柜内部空气环境的控制方法。

背景技术

全球有数万家博物馆，馆藏文物数以亿计。仅仅在我国就有博物馆近4000个，馆藏文物数量超过3000万，民间收藏文物更是数以亿计。由于所处环境波动和人为因素的长期影响，加之某些文物自身材质脆弱、老化等原因，文物腐蚀损失状况十分严峻。据统计，我国50.66％的馆藏文物存在不同程度的腐蚀损害，其中重度以上腐蚀的馆藏文物200余万件(占16.5％)，在主要的大类馆藏文物中，竹木漆器文物的重度以上腐蚀率最高，达48.68％；其次为纺织类文物和纸质文物，分别为20.83％和19.16％；金属文物、石质文物重度以上腐蚀率均低于各种有机类馆藏文物，分别为16.62％和17.24％。究其原因：一是馆藏文物展存环境比较特殊，二是缺乏有效的环境监测手段和智能化调控装备。根据国家发改委与国家文物局出台的《国家“十一五”抢救性文物保护设施建设专项规划》。专项规划中，专项资金使用方向包括博物馆文物及标本装具(展柜、储藏柜)的购置，馆藏文物展存环境控制设施、设备购置等。根据十二五规划，重点提出博物馆文物保护专用装备研发，其中包括了净化调湿智能调控集成装备的研发。针馆藏文物保护专用装备缺乏、适用性差、集成度低等问题，重点开展净化湿度智能调控装备等研发，初步构建文物保护修复技术装备体系。

目前，国内市场上还未出现针对博物馆文物展存微环境专用的净化调湿一体设备。有些博物馆采用调湿剂等被动调湿方式与中央空调来调控展柜与储藏柜内的空气环境，有些博物馆采用中央空调与机械调湿方式，还有部分博物馆没有为文物展存环境配备空调系统。采用中央空调，由于博物馆空间大，只能统一设定温湿度，而不同类型的文物所需要的湿度环境并不一致，因此很难精确控制每种文物的储存微环境湿度。被动调湿剂调控范围较窄，对突变状况有很大的滞后，在此期间，文物可能受到较大的损害，对较大体积的展柜与储藏柜只采用被动调湿剂调控湿度对文物针对性不强。机械调湿方式通常包含压缩机、风扇等机械组件，由于机械装置中有转动部件，在工作的时候伴随着噪声，存在机油泄漏的可能，容易造成污染，功耗较大，并且容易发生故障，对博物馆文物展存环境带来不利的影响，同时不能做到馆藏文物保存环境指标多参数监测系统的远程监测与无人值守。同时，几乎所有的湿度调节装备都需要进行补水作业、周期短，维护量大。而目前普遍采用的中央空调与机械调湿设备，具有一定的空气净化效果，但是其存在以下几个缺点：(1)博物馆内空间大，中央空调与机械调湿设备安放地点固定，不能做到兼顾净化效果；(2)中央空调与机械调湿设备通常体积大、重量大，拆卸、清洗、更换较为困难，需要专业工作人员操作，同时，设备部件在制造过程中可能采用有毒有害原材料，容易产生二次污染；(3)目前市场上生产的中央空调与机械调湿设备，还没有专门针对文物展存微环境中的污染气体、有害微生物进行设备改良，直接导致净化效率较低；(4)功耗大，不利于节能环保；(5)普遍未采用集中管控、自动化管理措施以及网络技术，不能做到文物管理的优化。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种文物展柜内部空气环境的控制方法，用于实现展柜内微环境净化和调湿功能。

本发明提供的一种文物展柜内部空气环境的控制方法，其特征在于：包括

a.检测展柜内部环境参数；

b.将检测到的环境参数与预设的标准范围进行对比，

c.若超出标准范围，启动内部空气环境控制装置进行处理，直至环境参数符合标准范围。

进一步，所述内部环境参数包括：展柜内部空气的温度、湿度、空气污染物含量和气压；

当检测到展柜内部污染物超标时，导通内部空气环境控制装置中的空气净化模块，对回路气体进行净化；

当检测到气压低于预设的阈值时，导通内部空气环境控制装置中的压力调节模块并向回路中注入空气；

当检测到气压高于预设的阈值时，导通内部空气环境控制装置中的压力调节模块并将回路中的部分气体抽出；

当检测到湿度低于预设的湿度阈值时，导通内部空气环境控制装置中的水箱并对回路气体进行加湿处理；

当检测到湿度高于预设的湿度阈值时，导通内部空气环境控制装置中的除湿模块并对回路气体进行除湿处理；

当检测到温度低于预设的温度阈值时，导通内部空气环境控制装置中的温度调节模块并对回路气体进行加温处理；

当检测到温度高于预设的温度阈值时，导通内部空气环境控制装置中的温度调节模块并对回路气体进行降温处理。

进一步，所述水箱中的水由自动补水装置提供，

若水位低于预设的水位最低阈值时，则启动自动补水装置向水箱中注水；若水位高于预设的水位最高阈值，则将过剩的水排到自动补水装置供后续利用。

进一步，所述预设的湿度阈值包括湿度控制点、湿度高点和湿度低点；

当湿度高于湿度高点，则启动除湿；

当湿度处于湿度控制点和湿度高点之间，采用脉冲宽度调制方式控制除湿模块控制开关；

当湿度低于湿度低点，则导通水箱加湿；

当湿度处于湿度低点和湿度控制点之间，采用脉冲宽度调制方式控制水箱加湿导通时间。

进一步，步骤b所述预设的温度阈值包括温度控制点、温度高点和温度低点；

当温度高于温度高点，则启动降温模块；

当温度处于温度控制点和温度高点之间，采用脉冲宽度调制方式控制降温装置控制开关；

当温度低于温度低点，则启动升温模块；

当温度处于温度低点和温度控制点之间，采用脉冲宽度调制方式控制升温装置的控制开关。

进一步，步骤b中当检测到污染物超标时，启动空气净化模块并持续预设的时间T_VR；若启动时间T_VR之后污染物仍然超标，则继续启动时间T_VR，若检测污染物不超标，则关闭空气净化模块。

一种文物展柜内部空气环境的控制装置，包括

控制器，用于控制各个模块，

空气净化模块，用于净化展柜内部空气，

气压调节模块，用于调节展柜内部空气气压，

温度调节模块，用于调节展柜内部空气温度，

湿度调节模块，用于调节展柜内部空气湿度。

进一步，所述湿度调节模块包括水箱、自动补水装置和除湿模块，所述水箱中的水由自动补水装置提供，

若水位低于预设的水位最低阈值时，则启动自动补水装置向水箱中注水；若水位高于预设的水位最高阈值，则将过剩的水排到自动补水装置供后续利用。

进一步，所述气压调节模块，包括第一抽气泵、第二抽气泵和废气处理单元，所述第一抽气泵与空气净化模块连接，用于当展柜内气压小于气压最低阈值时，导通空气净化模块的通路将外接气体注入展柜，以提升展柜内部气压；所述第二抽气泵与废气处理单元连接，用于当展柜内气压大于气压最高阈值时，将展柜内气体通过废气处理装置排出，以降低展柜内部气压。

进一步，控制装置还包括

无线通信模块，用于将检测的环境参数发送至远程控制器，

监控模块，与控制器连接用于实时监控展柜内部的环境参数，并记录参数，

报警模块，与控制器连接用于当环境参数超标时发出报警信息，并记录报警的时间和状态，

授权管理模块，与控制器连接用于将不同的用户设定为不同的授权等级，并按授权等级划分不同的操作权限。

本发明的有益效果：

本发明能实现对密闭展柜环境净化和温湿度调节要求，且温度、湿度和气压控制精度可达≤2％。不仅具有很高的可靠性和稳定性，而且具有极好的开放性和扩展性，适用各类珍贵文物展存环境的监控，基于展柜微环境设计，具有根据不同文物需求调节不同环境参数的功能；体积小、耗电量低，适用于不同规格展柜的净化和调湿；可自动完成自身补水，实现温度、湿度和气压调节以及空气净化等功能；通过无线通信将展柜监控信息传输给远程监控室供集中监控；实现用户管理功能，提高控制装置应用的安全性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明的原理示意图。

图2是本发明的湿度调节控制流程图。

图3是本发明的空气净化控制流程图。

图4是本发明的气压调节控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明的原理示意图,图2是本发明的湿度调节控制流程图,图3是本发明的空气净化控制流程图,图4是本发明的气压调节控制流程图。

本实施例中的文物展柜内部空气环境的控制方法包括：

a.检测展柜内部环境参数；

b.将检测到的环境参数与预设的标准范围进行对比，

c.若超出标准范围，启动内部空气环境控制装置进行处理，直至环境参数符合标准范围。

如图1所示，展柜是一个密闭的容器，通过进气口和出气口与内部空气环境的控制装置连接，形成一个气体循环回路。在展柜合适的位置安装温度、湿度、气压和污染物测量仪表，以获取展柜内部环境的相关环境参数。若检测到污染物超标，则导通空气净化模块，对回路气体进行净化。若检测到气压低，则导通并打开抽气泵1并使能空气净化模块，向回路中注入空气。若检测到气压高，则导通并打开抽气泵2，同时使能废气处理装置，将回路中的部分气体抽出。若检测到湿度低，则导通水箱，对回路气体进行加湿处理。水箱中的水由自动补水装置提供，若水量不足，则启动自动补水装置向水箱中注水；若水量过剩，则将过剩的水排到自动补水装置供后续利用。若检测到湿度高，则导通并使能除湿装置，对回路气体进行除湿处理。若检测到温度低，则导通并使能加温装置，对回路气体进行加温处理。若检测到温度高，则导通并使能降温装置，对回路气体进行降温处理。

温度和湿度是文物存放环境极其重要的参数，也是两个控制难度较高的参数。在本实施例中，加湿的功能是通过气体流经水箱实现的，导通三通阀3与水箱的开关即可达到加湿的效果。除湿功能由专用除湿装置实现，专用除湿装置的开启和关闭由开关量控制。本实施例中，装置湿度控制精度设计要求为4％。为适应不同的应用需求并达到更好的控制效果，将控制精度设计为可设置参数，参数变量名为：HumiConPrec。该装置湿度的量程为0至100％RH，湿度控制点设置为HumiSetPit，则湿度控制低限为：

HumiLowPit＝(HumiSetPit-(HumiConPrec×100))％RH，

湿度控制高限为：

HumiHighPit＝(HumiSetPit+(HumiConPrec×100))％RH。

测试结果显示湿度调节的过程较慢并且有滞后，因此在湿度控制到一定范围内以后采用PID控制(proportion、integration)、differentiation，比例-积分-微分控制)算法进行调节，以消除滞后并达到一个湿度平衡点。在采用PID控制加湿或者除湿的时候，加湿和除湿设备的开关通过脉冲宽度调制方式(Pulse Width Modulation，简称PWM)控制。湿度调节控制的具体实现流程如图2所示：

当湿度高于HumiHighPit，则启动除湿；

当湿度处于HumiSetPit和HumiHighPit之间，采用PWM方式控制除湿装置控制开关，PWM占空比由PID算法计算；

当湿度低于HumiLowPit，则导通水箱加湿；

当湿度处于HumiLowPit和HumiSetPit之间，采用PWM方式控制水箱加湿导通时间，PWM占空比由PID算法计算。

在本实施例中，对于温度的调节控制，其温度控制通过控制加温装置和降温装置的启停实现。加温装置和降温装置的启停由开关量控制。温度调节的实现方式与湿度调节相似，将控制精度设计为可设置参数，参数变量名为：TempConPrec,温度的量程为-50℃至50℃，温度控制点设置为TempSetPit，则温度控制低限为：

TempLowPit＝(TempSetPit-(TempConPrec×100))％RH，

温度控制高限为：

TempHighPit＝(TempSetPit+(TempConPrec×100))％RH。

温度调节的过程也较慢且有滞后，因此在温度控制到一定范围内以后采用PID控制算法进行调节，以消除滞后并将温度控制在一个比较温度的区域。在采用PID控制加温或者降温的时候，加温和降温设备的开关通过PWM方式控制。温度调节的基本原理和方法是：

当温度高于TempHighPit，则启动降温装置；

当温度处于TempSetPit和TempHighPit之间，采用PWM方式控制降温装置的控制开关，PWM占空比由PID算法计算；

当温度低于TempLowPit，则导启动升温装置；

当温度处于TempLowPit和TempSetPit之间，采用PWM方式控制升温装置的控制开关，PWM占空比由PID算法计算。

温度调节控制的具体实现流程同湿度控制，控制参数和PID参数有所不同。

在本实施例中，空气净化的功能由空气净化模块实现，该装置由开关量控制开关。空气净化的控制相对简单，只要将污染物降到容许指标以下即可。当检测到污染物超标时，则认为污染物超标并启动空气净化模块一段时间T_VR；若启动T_VR之后未达标则继续启动T_VR，否则关闭空气净化模块。启用空气净化功能需导通图1中三通阀1和空气净化模块并通过控制开关让空气净化模块开始工作。气压调节主要靠抽气泵1和抽气泵2实现，展柜排放的废气经由废气处理装置排出，进入展柜的空气需要经由空气净化模块进化处理。抽气泵1、抽气泵2实、废气处理装置和空气净化模块都由开关量控制。

在本实施例中，气压容许误差为VocConErr，该参数等于精度要求与量程的乘积，其中精度要求设计为可设置参数。气压的控制点为可设置参数，参数名是VocConSet，则气压低限为：

VocLowPit＝VocConSet-VocConErr，

气压高限为：

VocHighPit＝VocConSet+VocConErr。

如图4所示，当展柜内气压大于VocHighPit，则导通三通阀2和抽气泵2并启动抽气泵2将展柜内气体通过废气处理装置排出，以降低展柜内部气压；当展柜内气压小于VocLowPit，则导通并使能抽气泵1和空气净化模块的通路将外接气体注入展柜以提升展柜内部气压；当展柜内气压在VocLowPit和VocHighPit之间，则关闭加压和降压功能模块。

在本实施例中，补水装置开关由开关量控制，水箱中装有水位开关。当水位低于容许值时，系统检测到水位开关异常信号，则启动补水装置进行补水；若水位过高，则多余的水会导入到自动补水装置供循环利用。

在本实施例中，控制器提供WIA-PA无线通信协议接口，可以将展柜相关环境参数按照一定的格式发送给中央集控器，方便用户对展厅内的多个展柜进行集中监控。此外，针对诸如湿度设定值和控制精度设定值等一些需要长久保存的参数和变量，控制器提供数据掉电保存功能。这样，用户在装置投运阶段将参数设置好，以后装置运行时系统会自动读取保存的参数并执行控制功能。

在本实施例中，监控模块由一台运行Windows XP操作系统的小型触摸屏计算机和PAS500的HMI软件组成。基于该应用需要，监控模块提供监视和参数设置功能。监视功能是实时显示展柜中温度、湿度、污染物和气压值，并记录和显示温度、湿度、污染物和气压值的历史趋势和高低报警信息。

在本实施例中，报警模块，可以在参数超标时产生报警信息，并记录一段时间内温度、湿度、污染物和气压等环境参数的超限报警时间和状态。

在本实施例中，授权管理模块提供多等级和多用户授权管理功能，即不同的用户具有规定的授权等级，不同的授权等级对监控系统有不同的操作权限。例如监视功能是一种常规功能，可以对所有用户开放，因此可以不设置访问权限。为了避免有意或者无意地非法参数设定动作执行，对数设定功能设置访问权限，登录该系统的用户只有具有权限，才可以对参数进行设定和修改。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种文物展柜内部空气环境的控制方法，其特征在于：包括

a.检测展柜内部环境参数；

b.将检测到的环境参数与预设的标准范围进行对比，

c.若超出标准范围，启动内部空气环境控制装置进行处理，直至环境参数符合标准范围。

2.根据权利要求1所述的文物展柜内部空气环境的控制方法，其特征在于：所述内部环境参数包括：展柜内部空气的温度、湿度、空气污染物含量和气压；

当检测到展柜内部污染物超标时，导通内部空气环境控制装置中的空气净化模块，对回路气体进行净化；

当检测到气压低于预设的阈值时，导通内部空气环境控制装置中的压力调节模块并向回路中注入空气；

当检测到气压高于预设的阈值时，导通内部空气环境控制装置中的压力调节模块并将回路中的部分气体抽出；

当检测到湿度低于预设的湿度阈值时，导通内部空气环境控制装置中的水箱并对回路气体进行加湿处理；

当检测到湿度高于预设的湿度阈值时，导通内部空气环境控制装置中的除湿模块并对回路气体进行除湿处理；

当检测到温度低于预设的温度阈值时，导通内部空气环境控制装置中的温度调节模块并对回路气体进行加温处理；

当检测到温度高于预设的温度阈值时，导通内部空气环境控制装置中的温度调节模块并对回路气体进行降温处理。

3.根据权利要求2所述的文物展柜内部空气环境的控制方法，其特征在于：所述水箱中的水由自动补水装置提供，

若水位低于预设的水位最低阈值时，则启动自动补水装置向水箱中注水；若水位高于预设的水位最高阈值，则将过剩的水排到自动补水装置供后续利用。

4.根据权利要求3所述的文物展柜内部空气环境的控制方法，其特征在于：所述预设的湿度阈值包括湿度控制点、湿度高点和湿度低点；

当湿度高于湿度高点，则启动除湿；

当湿度处于湿度控制点和湿度高点之间，采用脉冲宽度调制方式控制除湿模块控制开关；

当湿度低于湿度低点，则导通水箱加湿；

当湿度处于湿度低点和湿度控制点之间，采用脉冲宽度调制方式控制水箱加湿导通时间。

5.根据权利要求4所述的文物展柜内部空气环境的控制方法，其特征在于：步骤b所述预设的温度阈值包括温度控制点、温度高点和温度低点；

当温度高于温度高点，则启动降温模块；

当温度处于温度控制点和温度高点之间，采用脉冲宽度调制方式控制降温装置控制开关；

当温度低于温度低点，则启动升温模块；

当温度处于温度低点和温度控制点之间，采用脉冲宽度调制方式控制升温装置的控制开关。

6.根据权利要求5所述的文物展柜内部空气环境的控制方法，其特征在于：步骤b中当检测到污染物超标时，启动空气净化模块并持续预设的时间T_VR；若启动时间T_VR之后污染物仍然超标，则继续启动时间T_VR，若检测污染物不超标，则关闭空气净化模块。

7.一种文物展柜内部空气环境的控制装置，其特征在于：包括

控制器，用于控制各个模块，

空气净化模块，用于净化展柜内部空气，

气压调节模块，用于调节展柜内部空气气压，

温度调节模块，用于调节展柜内部空气温度，

湿度调节模块，用于调节展柜内部空气湿度。

8.根据权利要求7所述的文物展柜内部空气环境的控制装置，其特征在于：所述湿度调节模块包括水箱、自动补水装置和除湿模块，所述水箱中的水由自动补水装置提供，

若水位低于预设的水位最低阈值时，则启动自动补水装置向水箱中注水；若水位高于预设的水位最高阈值，则将过剩的水排到自动补水装置供后续利用。

9.根据权利要求8所述的文物展柜内部空气环境的控制装置，其特征在于：所述气压调节模块，包括第一抽气泵、第二抽气泵和废气处理单元，所述第一抽气泵与空气净化模块连接，用于当展柜内气压小于气压最低阈值时，导通空气净化模块的通路将外接气体注入展柜，以提升展柜内部气压；所述第二抽气泵与废气处理单元连接，用于当展柜内气压大于气压最高阈值时，将展柜内气体通过废气处理装置排出，以降低展柜内部气压。

10.根据权利要求9所述的文物展柜内部空气环境的控制装置，其特征在于：控制装置还包括

无线通信模块，用于将检测的环境参数发送至控制器，

监控模块，与控制器连接用于实时监控展柜内部的环境参数，并记录参数，

报警模块，与控制器连接用于当环境参数超标时发出报警信息，并记录报警的时间和状态，

授权管理模块，与控制器连接用于将不同的用户设定为不同的授权等级，并按授权等级划分不同的操作权限。