CN107121996B - 一种恒温恒湿控制装置及控制方法 - Google Patents

一种恒温恒湿控制装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种恒温恒湿控制装置及控制方法，包括干空气发生系统、减压阀门、恒温箱、气泵、湿度传感器、湿度控制模块，减压阀门与恒温箱之间依次设有第一电动阀门和第一气体流量计，气泵与恒温箱之间依次设有第二电动阀门和第二气体流量计，第一电动阀门、第一气体流量计、第二电动阀门、第二气体流量计均与湿度控制模块相连，湿度传感器与恒温箱相连，湿度传感器将相对湿度数值传输给湿度控制模块。本发明提高了低温下相对湿度的控制精度和控制范围，为低温下温湿度的检定提供实验条件。

Description

一种恒温恒湿控制装置及控制方法
技术领域
本发明具体涉及一种恒温恒湿控制装置及控制方法。
背景技术
恒温恒湿控制装置目前已广泛地应用于科研、计量测试等领域。传统的恒温恒湿控制装置包括加湿装置、除湿装置，加湿装置一般采用加热式加湿器以及功率调节装置实现。然而传统的恒温恒湿控制装置结构复杂，且一般工作都在10℃以上，最低工作温度也只能在0℃以上，极少数温湿度控制装置可以达到-10℃，且相对湿度发生范围较窄，控制精度较低，不能满足低温下高精度的温湿度实验环境的要求。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种恒温恒湿控制装置及控制方法，本发明提高了低温下相对湿度的控制精度和控制范围，为温湿度的检定提供实验条件。
一种恒温恒湿控制装置，包括干空气发生系统、减压阀门、恒温箱、气泵、湿度传感器、湿度控制模块，所述减压阀门与所述恒温箱之间依次设有第一电动阀门和第一气体流量计，所述气泵与所述恒温箱之间依次设有第二电动阀门和第二气体流量计，所述第一电动阀门、所述第一气体流量计、所述第二电动阀门、所述第二气体流量计均与所述湿度控制模块相连，所述湿度传感器与所述恒温箱相连，所述湿度传感器将相对湿度数值传输给所述湿度控制模块。
进一步地，所述干空气发生系统包括空气压缩机、储气罐、组合式干燥机，所述空气压缩机与储气罐相连，所述储气罐与组合式干燥机相连。
进一步地，所述气体流量计通过RS485通信接口与所述湿度控制模块连接。
进一步地，所述湿度控制模块包括单片机和供电电路。
进一步地，所述湿度控制模块采用PID方法进行控制。
进一步地，所述湿度传感器通过RS232通信接口与所述湿度控制模块连接。
一种恒温恒湿控制装置，包括干空气发生系统、减压阀门、恒温箱、气泵、湿度传感器、湿度控制模块，所述减压阀门与所述恒温箱之间依次设有第一电动阀门和第一气体流量计，所述气泵与所述恒温箱之间依次设有第二电动阀门和第二气体流量计，所述第一电动阀门、所述第一气体流量计、所述第二电动阀门、所述第二气体流量计均与所述湿度控制模块相连，所述湿度传感器与所述恒温箱相连，所述湿度传感器将相对湿度数值传输给所述湿度控制模块，所述湿度控制模块通过以下步骤控制相对湿度：
（1）根据目标气体流量调节电动阀门的开度，增加开度Δki=ki-ki-1，检测气体流量变化Δui=ui-ui-1，确定气体流量开度比例pi=Δui/Δki，从而根据需要的目标气体流量ud，增加电动阀开度Δki=(ud-ui)*pi,依次重复动态调整比例系数pi，大于p1的3倍时取p1，直到误差ud-ui小于0.1L/min时，达到气体流量控制要求，进入步骤（2）；
（2）根据气体流量调节相对湿度，第n个检测周期恒温箱内相对湿度误差值：
Figure 504907DEST_PATH_IMAGE001
,判断
Figure 577117DEST_PATH_IMAGE002
的范围，当，进入步骤（3）；当
Figure 205764DEST_PATH_IMAGE003
时，进入步骤（4）；当
Figure 214432DEST_PATH_IMAGE004
时，进入步骤（5）；
（3）如
Figure 988965DEST_PATH_IMAGE005
，控制湿空气的第二电动阀门流量调至最大值，第一电动阀门关闭，回步骤（2）继续判断；
如
Figure 594259DEST_PATH_IMAGE006
，控制干空气的第一电动阀门流量调至最大值，第二电动阀门关闭，回步骤（2）继续判断；
（4）
Figure 512798DEST_PATH_IMAGE007
，启动微分控制D，确定所需的第二电动阀门流量输出值，返回步骤（1），以降低相对湿度的上升速率，以平稳接近目标值；
Figure 55382DEST_PATH_IMAGE008
，启动微分控制D，确定所需的第一电动阀门流量输出值，返回步骤（1），以降低相对湿度的下降速率，以平稳接近目标值；
（5）保持辅助电动阀门开度不变，调节对应的主控电动阀门；通过已经取得流量变化值与输出的相对湿度变化量之比，计算取得比例控制值P，引入积分控制项I，取较大的积分时间Ti，以提高输出的稳定度, 回步骤（2）继续判断。
一种恒温恒湿控制方法，包括以下步骤：
（1）根据目标气体流量调节电动阀门的开度，增加开度Δki=ki-ki-1，检测气体流量变化Δui=ui-ui-1，确定气体流量开度比例pi=Δui/Δki，从而根据需要的目标气体流量ud，增加电动阀开度Δki=(ud-ui)*pi,依次重复动态调整比例系数pi，大于p1的3倍时取p1，直到误差ud-ui小于0.1L/min时，达到气体流量控制要求，进入步骤（2）；
（2）根据气体流量调节相对湿度，第n个检测周期恒温箱内相对湿度误差值：
Figure 874302DEST_PATH_IMAGE001
,判断
Figure 214279DEST_PATH_IMAGE002
的范围，当
Figure 945081DEST_PATH_IMAGE009
，进入步骤（3）；当
Figure 464924DEST_PATH_IMAGE003
时，进入步骤（4）；当
Figure 764450DEST_PATH_IMAGE004
时，进入步骤（5）；
（3）如
Figure 475660DEST_PATH_IMAGE005
，控制湿空气的第二电动阀门流量调至最大值，第一电动阀门关闭，回步骤（2）继续判断；
如
Figure 867327DEST_PATH_IMAGE006
，控制干空气的第一电动阀门流量调至最大值，第二电动阀门关闭，回步骤（2）继续判断；
（4）
Figure 489064DEST_PATH_IMAGE007
，启动微分控制D，确定所需的第二电动阀门流量输出值，返回步骤（1），以降低相对湿度的上升速率，以平稳接近目标值；
Figure 282576DEST_PATH_IMAGE008
，启动微分控制D，确定所需的第一电动阀门流量输出值，返回步骤（1），以降低相对湿度的下降速率，以平稳接近目标值；
（5）保持辅助电动阀门开度不变，调节对应的主控电动阀门；通过已经取得流量变化值与输出的相对湿度变化量之比，计算取得比例控制值P，引入积分控制项I，取较大的积分时间Ti，以提高输出的稳定度, 回步骤（2）继续判断。
进一步地，所述步骤（1）中，为防止陷入死循环，重复次数超过5次时自动进入步骤（2）。
本发明的有益效果：
1.本发明设置了干空气发生系统，空气经干空气发生系统后产生露点温度为-60℃的干燥空气，同时设置了气泵，气泵直接抽取室外空气以提供相对稳定的微量水汽来源，两者相配合从而形成一定比例的干湿空气，达到低温下湿度的发生。
2.本发明采用了两个电动阀门（第一电动阀门和第二电动阀门）相互配合，并利用减压阀门降低干空气压力，从而提高了对气体流量的控制，提高了相对湿度的控制精度。
3.本发明采用的恒温箱与湿度控制系统独立工作，以实现整个发明的恒温控制。
4.本发明气体流量计通过RS485通信接口连接到湿度控制模块，从而提高了数据传输速率，且RS485通信接口传输距离远，抗噪声干扰信好。
5.本发明湿度控制模块接收湿度传感器相对湿度数值和气体流量数值后通过本发明的控制方法控制后能使本发明在低温下如-30℃时可实现相对湿度RH(10%-90%)的湿度控制范围，且和传统的PID方法相比，进一步提高了湿度控制的精确度。
附图说明
图1为本发明恒温恒湿控制装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，一种恒温恒湿控制装置，包括干空气发生系统1、减压阀门2、第一电动阀门3、第一气体流量计4、恒温箱5、气泵6、第二电动阀门7、第二气体流量计8、湿度传感器9、湿度控制模块10，减压阀门2与恒温箱5之间依次设有第一电动阀门3和第一气体流量计4，气泵6与恒温箱5之间依次设有第二电动阀门7和第二气体流量计8，第一电动阀门3、第一气体流量计4、第二电动阀门7、第二气体流量计8均与湿度控制模块10相连，湿度传感器9与恒温箱5相连，优选地，第一气体流量计4和第二气体流量计8均通过RS485通信接口连接到湿度控制模块10，从而提高数据传输速率，传输距离远，抗噪声干扰信好，湿度传感器9通过RS232通信接口连接到湿度控制模块10。
在本发明的一种实施例中，干空气发生系统1包括空气压缩机11、储气罐12、组合式干燥机13，空气压缩机11与储气罐连接12，储气罐12与组合式干燥机13。空气经干空气发生系统1后产生露点温度为-60℃的干燥空气，由于出气压力达到6至7个大气压，所以干燥空气经减压阀门2降至1到2个大气压后通过第一电动阀门3送入恒温箱5内，另一端则通过气泵6直接抽取室外空气经第二电动阀门7送入恒温箱5内。湿度控制模块10接收湿度传感器9相对湿度数值和气体流量计4气体流量数值后对第一电动阀门3和第二电动阀门7的开度进行控制，并利用减压阀门2降低干空气压力。湿度控制模块通过控制气泵抽取的湿空气与干空气发生系统送入恒温箱的空气比例来实现低温段的湿度精密控制功能。
在本发明的一种实施例中，湿度控制模块10包括单片机和供电电路，单片机为STM32F103RTC6，可以采用现有的PID方法进行控制，湿度控制模块10与第一电动阀门3、第二电动阀门7这两个电动阀门相配合，从而实现相对湿度控制。
为了实现较大的增加低温下湿度控制的范围，本发明提供一种恒温恒湿控制方法，包括以下步骤：
（1）根据目标气体流量调节电动阀门的开度，增加开度Δki=ki-ki-1，（ki为i时刻的电动阀门的开度），检测气体流量变化Δui=ui-ui-1，（ui为i时刻的气体流量），确定气体流量开度比例pi=Δui/Δki（i=0，即首次调节时，Δki人为设定），从而根据需要的目标气体流量ud，增加电动阀开度Δki=(ud-ui)*pi，依次重复动态调整比例系数pi（大于p1的3倍时取p1），直到误差ud-ui小于0.1L/min时，达到气体流量控制要求，进入步骤（2），为防止陷入死循环，重复次数超过5次时自动进入步骤（2）；
（2）根据气体流量调节相对湿度，第n个检测周期恒温箱内相对湿度误差值：
Figure 164688DEST_PATH_IMAGE001
, 其中，
Figure 341854DEST_PATH_IMAGE010
为设定的目标相对湿度值，
Figure 469079DEST_PATH_IMAGE011
为第n个检测周期恒温箱内相对湿度值。流量控制的采样周期设置为1秒，而相对湿度的PID采样时间，由于恒温箱体滞后很大，可取120-300秒（根据实际控制情况确定），判断
Figure 279467DEST_PATH_IMAGE002
的范围，当
Figure 568365DEST_PATH_IMAGE009
，进入步骤（3）；当
Figure 436090DEST_PATH_IMAGE003
时，进入步骤（4）；当
Figure 101426DEST_PATH_IMAGE004
时，进入步骤（5）；
（3）如
Figure 164804DEST_PATH_IMAGE005
，控制湿空气的第二电动阀门流量调至最大值，第一电动阀门关闭，此时第一电动阀门称为辅助调节电动阀门，回步骤（2）继续判断；
如
Figure 391648DEST_PATH_IMAGE006
，控制干空气的第一电动阀门流量调至最大值，第二电动阀门关闭，此时第二电动阀门称为辅助调节电动阀门，回步骤（2）继续判断；
（4）PD控制，如流量输出过小，则适当开启辅助调节电动阀门；
Figure 368174DEST_PATH_IMAGE007
，启动微分控制D，确定所需的第二电动阀门流量输出值，返回步骤（1），以降低相对湿度的上升速率，以平稳接近目标值；
Figure 264631DEST_PATH_IMAGE008
，启动微分控制D，确定所需的第一电动阀门流量输出值，返回步骤（1），以降低相对湿度的下降速率，以平稳接近目标值；
（5）PI控制，保持辅助电动阀门开度不变，调节对应的主控电动阀门，通过已经取得流量变化值与输出的相对湿度变化量之比，计算取得比例控制值P，引入积分控制项I，取较大的积分时间Ti，以提高输出的稳定度, 回步骤（2）继续判断。
在本发明的一种实施例中，所述恒温恒湿控制装置，包括干空气发生系统1、减压阀门2、第一电动阀门3、第一气体流量计4、恒温箱5、气泵6、第二电动阀门7、第二气体流量计8、湿度传感器10、湿度控制模块9；减压阀门2与恒温箱5之间依次设有第一电动阀门3和第一气体流量计4，气泵6与恒温箱5之间依次设有第二电动阀门7和第二气体流量计8，第一电动阀门3、第一气体流量计4、第二电动阀门7、第二气体流量计8均与湿度控制模块9相连，湿度传感器10与恒温箱5相连，湿度传感器10将相对湿度数值传输给湿度控制模块9，湿度控制模块通过采用以下控制方法来实现低温下精确的湿度控制功能，包括：
（1）根据目标气体流量调节电动阀门的开度，增加开度Δki=ki-ki-1，检测气体流量变化Δui=ui-ui-1，确定气体流量开度比例pi=Δui/Δki（i=0，即首次调节时，Δki人为设定），从而根据需要的目标气体流量ud，增加电动阀开度Δki=(ud-ui)*pi,依次重复动态调整比例系数pi（大于p1的3倍时取p1），直到误差ud-ui小于0.1L/min时，达到气体流量控制要求，进入步骤（2）；
（2）根据气体流量调节相对湿度，第n个检测周期恒温箱内相对湿度误差值：
Figure 462742DEST_PATH_IMAGE001
, 其中，
Figure 45775DEST_PATH_IMAGE010
为设定的目标相对湿度值，
Figure 92620DEST_PATH_IMAGE011
为第n个检测周期恒温箱内相对湿度值。流量控制的采样周期设置为1秒，而相对湿度的PID采样时间，由于恒温箱体滞后很大，可取120-300S（根据实际控制情况确定），判断
Figure 598295DEST_PATH_IMAGE002
的范围，当
Figure 75412DEST_PATH_IMAGE009
，进入步骤（3）；当
Figure 378480DEST_PATH_IMAGE003
时，进入步骤（4）；当
Figure 941048DEST_PATH_IMAGE004
时，进入步骤（5）；
（3）如
Figure 250414DEST_PATH_IMAGE005
，控制湿空气的第二电动阀门流量调至最大值，第一电动阀门关闭，此时第一电动阀门称为辅助调节电动阀门，回步骤（2）继续判断；
如
Figure 582038DEST_PATH_IMAGE006
，控制干空气的第一电动阀门流量调至最大值，第二电动阀门关闭，此时第二电动阀门称为辅助调节电动阀门，回步骤（2）继续判断；
（4）PD控制，如流量输出过小，则适当开启辅助调节电动阀门；
Figure 321586DEST_PATH_IMAGE007
，启动微分控制D，确定所需的第二电动阀门流量输出值，返回步骤（1），以降低相对湿度的上升速率，以平稳接近目标值；
Figure 371450DEST_PATH_IMAGE008
，启动微分控制D，确定所需的第一电动阀门流量输出值，返回步骤（1），以降低相对湿度的下降速率，以平稳接近目标值；
（5）PI控制，保持辅助电动阀门开度不变，调节对应的主控电动阀门，通过已经取得流量变化值与输出的相对湿度变化量之比，计算取得比例控制值P，引入积分控制项I，取较大的积分时间Ti，以提高输出的稳定度, 回步骤（2）继续判断。
综上所述：
1.本发明设置了干空气发生系统，空气经干空气发生系统后产生露点温度为-60℃的干燥空气，同时设置了气泵，气泵直接抽取室外空气以提供相对稳定的微量水汽来源，两者相配合从而形成一定比例的干湿空气，达到低温下湿度的发生。
2.本发明采用了两个电动阀门（第一电动阀门和第二电动阀门）相互配合，并利用减压阀门降低干空气压力，从而提高了对气体流量的控制，提高了相对湿度的控制精度。
3.本发明采用的恒温箱与湿度控制系统独立工作，以实现整个发明的恒温控制。
4.本发明气体流量计通过RS485通信接口连接到湿度控制模块，从而提高了数据传输速率，且RS485通信接口传输距离远，抗噪声干扰信好。
5.本发明湿度控制模块接收湿度传感器相对湿度数值和气体流量数值后通过本发明的控制方法控制后能使本发明在低温下如-30℃时可实现相对湿度RH(10%-90%)的湿度控制范围，且和传统的PID方法相比，进一步提高了湿度控制的精确度。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种恒温恒湿控制装置，其特征在于：包括干空气发生系统、减压阀门、恒温箱、气泵、湿度传感器、湿度控制模块，所述减压阀门与所述恒温箱之间依次设有第一电动阀门和第一气体流量计，所述气泵与所述恒温箱之间依次设有第二电动阀门和第二气体流量计，所述第一电动阀门、所述第一气体流量计、所述第二电动阀门、所述第二气体流量计均与所述湿度控制模块相连，所述干空气发生系统包括空气压缩机、储气罐、组合式干燥机，所述空气压缩机与储气罐相连，所述储气罐与组合式干燥机相连，所述湿度传感器与所述恒温箱相连，所述湿度传感器将相对湿度数值传输给所述湿度控制模块，所述湿度控制模块通过以下步骤控制相对湿度：
(1)根据目标气体流量调节第一电动阀门和第二电动阀门的开度，增加开度△ki＝ki-ki-1，检测气体流量变化△ui＝ui-ui-1，确定气体流量开度比例pi＝△ui/△ki，从而根据需要的目标气体流量ud，增加电动阀开度△ki＝(ud-ui)*pi，依次重复动态调整比例系数pi，大于p1的3倍时取p1，直到误差ud-ui小于0.1L/min时，达到气体流量控制要求，进入步骤(2)；
(2)根据气体流量调节相对湿度，第n个检测周期恒温箱内相对湿度误差值：en＝Rd-Rn，判断en的范围，当|en|＞10％，进入步骤(3)；当2％≤|en|≤10％时，进入步骤(4)；
当|en|＜2％时，进入步骤(5)；
(3)如en＞10％，控制湿空气的第二电动阀门流量调至最大值，第一电动阀门关闭，回步骤(2)继续判断；如en＜-10％，控制干空气的第一电动阀门流量调至最大值，第二电动阀门关闭，回步骤(2)继续判断；
(4)如2％≤en≤10％，启动微分控制D，确定所需的第二电动阀门流量输出值，返回步骤(1)；如-2％≤en≤-10％，启动微分控制D，确定所需的第一电动阀门流量输出值，返回步骤(1)；
(5)保持辅助电动阀门开度不变，调节对应的主控电动阀门；通过已经取得流量变化值与输出的相对湿度变化量之比，计算取得比例控制值P，引入积分控制项I，取较大的积分时间Ti，回步骤(2)继续判断；以上步骤中ui指i时刻的气体流量，ki为i时刻的电动阀门的开度，pi气体流量开度比例，Rn为第n个检测周期恒温箱内相对湿度值，Rd为设定的目标相对湿度值。
2.根据权利要求1所述的一种恒温恒湿控制装置，其特征在于：所述气体流量计通过RS485通信接口与所述湿度控制模块连接。
3.根据权利要求1所述的一种恒温恒湿控制装置，其特征在于：所述湿度控制模块包括单片机和供电电路。
4.根据权利要求3所述的一种恒温恒湿控制装置，其特征在于：所述湿度控制模块采用PID方法进行控制。
5.根据权利要求1所述的一种恒温恒湿控制装置，其特征在于：所述湿度传感器通过RS232通信接口与所述湿度控制模块连接。
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