CN111399568A - 一种用于力学测试微小腔体环境的多闭环温湿度控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料力学性能测试领域，公开了一种用于力学测试微小腔体环境的多闭环温湿度控制系统，主要由气源装置、加湿装置、混气装置、防冷凝装置及控制装置组成；气源装置提供干燥气体，加湿装置保证湿气输出，混气装置精确控制干湿比，并将混合气通过防冷凝装置通入温湿度环境箱；同时控制装置由四个控制电表和继电器实现四核多闭环温湿度精确可控，保证输出混合气和温湿度环境箱的双重精确调控；混气装置防止湿气进入混气装置后发生冷凝，防冷凝装置防止输气过程中发生冷凝。本发明的系统具有响应速度快、低功耗、高稳定性、高精度等优点，能够实现在线调控干湿气体的温度和湿度，结合力学试验机可满足材料不同工况环境下的性能研究。
Description
技术领域
本发明属于材料力学性能测试领域，具体的说，是涉及一种温度和湿度标准计量装置。
背景技术
温度和湿度的调控与测量是材料力学实验过程中较为关键的部分，为模拟材料在力学性能测试中的不同工况环境，多闭环控制温湿度发生器具有十分重要的研究价值。目前已开发的湿度发生器一般基于双压法、双温法、渗透法以及分流法等方式来进行湿度的配比，而分流法湿度发生器以其可靠性高，准确度高，体积小，结构相对简单等特点，在现场环境和实验室中得到广泛使用。
但是，现有的湿度发生器存在以下问题：1、现有的分流法湿度发生器是通过加湿装置将加湿气体与干燥气体混合，将混合气体导出装置至环境箱的过程中常常伴随着冷凝现象的发生，很难精确控制环境箱内混合气体温湿度，而用于材料和化学试验中的温湿度发生器需要确保环境腔内能够达到高精确度控温控湿效果；2、一般温湿度发生器还需配合上位机和控制器的调控，实际试验中设备繁多，操作复杂，湿度发生器体积不宜过大，低功耗低噪声，便于移动。因此，基于上述问题，一种新型精确控温控湿的可自动调节温湿度发生器有待开发。
发明内容
本发明要解决的是现有温湿度发生器无法精确控温控湿的技术问题，而提供一种用于力学测试微小腔体环境的多闭环温湿度控制系统，具有响应速度快、低功耗、高稳定性、高精度、优良重复性等优点，配合多闭环温湿度调控和防冷凝设计，无需上位机，实现在线调控干湿气体的温度和湿度，结合力学试验机满足材料不同工况环境下的性能研究。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
一种用于力学测试微小腔体环境的多闭环温湿度控制系统，包括温湿度环境箱，所述温湿度环境箱通过出气管连通于储气箱，所述储气箱通过气管连通于加湿箱；所述加湿箱通过设有第一气体质量流量计的气管连通于气源装置，所述储气箱通过设有第二气体质量流量计的气管连通于气源装置，所述气源装置用于向所述加湿箱和所述储气箱提供干燥气体；
所述加湿箱内存放有蒸馏水并设置有没入蒸馏水的加热管，所述加湿箱内部设置有位于水位以上的第一温度传感器；所述第一温度传感器和所述加热管均连接加湿箱温控表，所述加湿箱温控表通过读取所述第一温度传感器对箱内气体温度的反馈信号，调控所述加热管的温度，实现对所述加湿箱的箱内气体温度的闭环控制；
所述储气箱的箱体设有加热片和第三温度传感器，所述储气箱的内部设置有第一温湿度传感器；所述第三温度传感器和所述加热片均连接储气箱温控表，所述储气箱温控表通过读取所述第三温度传感器对箱体温度的反馈信号，调控所述加热片的温度，实现对所述储气箱的箱体温度的闭环控制；
所述出气管外部包裹有伴热管，所述伴热管上设置有第二温度传感器；所述第二温度传感器和所述伴热管均连接伴热管温控表，伴热管温控表通过读取所述第二温度传感器对温度的反馈信号，调控所述伴热管的温度，防止混合气体在输送过程中冷凝；
所述温湿度环境箱内部设置有第二温湿度传感器；所述第一气体质量流量计、所述第二气体质量流量计均连接储气箱湿度表，所述储气箱湿度表连接所述第一温湿度传感器或所述第二温湿度传感器；所述储气箱湿度表通过读取所述第一温湿度传感器或所述第二温湿度传感器对箱内气体湿度的反馈信号，调控所述第一气体质量流量计和所述第二气体质量流量计的启闭，实现对所述储气箱或所述温湿度环境箱的箱内气体湿度的闭环控制；
所述第一温湿度传感器或所述第二温湿度传感器连接所述储气箱温控表；所述储气箱温控表通过读取所述第一温湿度传感器或所述第二温湿度传感器对箱内气体温度的反馈信号，调控所述加热片的温度，实现对所述储气箱或所述温湿度环境箱的箱内气体温度的闭环控制。
进一步地，所述加湿箱内设置有水位传感器，用于控制蒸馏水水位在安全水位范围内。
进一步地，所述储气箱内部设置有气体扰流扇。
进一步地，所述气源装置所提供干燥气体的气压通过进气阀控制。
本发明的有益效果是：
(一)本发明提供的多闭环温湿度控制系统，特别适用于材料微型力学性能原位测试装置的工况环境模拟，整体体积小，尺寸控制在1000mm*500mm*800mm以内，便于放置和移动；内含加湿装置、混气装置和控制装置，内部集成度高、结构紧凑，控制精度高，信号反馈速度快。
(二)本发明提供的多闭环温湿度控制系统，无需上位机，由四个控制电表和继电器实现四核多闭环温湿度精确可控，既可实现输出混合气温湿度的精确调控，又可针对温湿度环境箱内温湿度进行精确调控；
目前大多数湿度发生器仅可控制输出的混合气湿度，不能保证混合气进入指定环境后环境内部的温湿度；本发明的储气箱温控表和储气箱湿度表可接入温湿度环境箱，温湿度环境箱内设置温湿度传感器，可严格控制和监测试验环境的实时温湿度，实现混合气和环境的双重控制作用。
(三)本发明提供的多闭环温湿度控制系统，混气装置周围设置加热片，防止湿气进入混气装置后发生冷凝；出气管从混气装置部伸出连接至温湿度环境箱，暴露在外的出气管部分包裹伴热管，伴热管安装温度传感器，设置伴热带温度始终大于混合气3～5℃，以防输气过程中发生冷凝。
附图说明
图1是实施例所提供的多闭环温湿度控制系统的工作原理结构示意图；
图2是实施例所提供的多闭环温湿度控制系统的外观结构图。
上述图中：1：氮气瓶；2：水位传感器；3：加湿箱；4：蒸馏水；5：第一气体质量流量计；6：加热管；7：第一温度传感器；8：第二电磁流量阀；9：第一温湿度传感器；10：气体扰流扇；11：储气箱；12：第二温度传感器；13：伴热管；14：温湿度环境箱；15：第二温湿度传感器；16：第三温度传感器；17：伴热管温控表；18：储气箱温控表；19：储气箱湿度表；20：加湿箱温控表；21：出气管；22：管架；23：进水口；24：进气阀；25：水位指示灯。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如图1所示，本实施例提供了一种用于力学测试微小腔体环境的多闭环温湿度控制系统，该装置主要由气源装置、加湿装置、混气装置、防冷凝装置、温湿度环境箱、控制装置及电源装置组成。
气源装置采用高纯的氮气瓶1，用于将干燥气体从外部输送至加湿箱3和储气箱11中，气压通过进气阀24控制。
加湿装置包含加湿箱3、第一气体质量流量计5、水位传感器2、加热管6和第一温度传感器7。加湿箱3通过气管连接于氮气瓶1。第一气体质量流量计5采用电磁流量阀，设置于氮气瓶1通入加湿箱3的气管上，由控制装置的反馈信号控制气路通断。水位传感器2采用高精度液位传感器，设置在加湿箱3内部的设定高度，保证加湿箱3中蒸馏水4水位控制保持在安全水位范围内，水位过高或过低都会触发水位警报，保证湿气输出，提高装置安全性。加热管6安装于加湿箱3的底部，没入蒸馏水4中，通过加热蒸馏水4使箱内气体加湿。第一温度传感器7采用高精度铠装热电偶，设置在加湿箱3内部水位以上，用于精确测量加湿箱内部温度。
混气装置包含储气箱11、第三温度传感器16、第二气体质量流量计8、气体扰流扇10及第一温湿度传感器9。储气箱11与加湿箱3通过气管相连，保证加湿箱3中湿气顺利通入储气箱11。储气箱11周围设置加热片和第三温度传感器16，保证通入储气箱11的湿气不会发生冷凝现象；加热片采用陶瓷加热片，固定在储气箱1外壁，升温迅速稳定；第三温度传感器16采用高精度铠装热电偶，安装在储气箱1内壁。储气箱11通过气管连接于氮气瓶1。第二气体质量流量计8采用电磁流量阀，设置于氮气瓶1通入储气箱11的干燥气管上，由控制装置的反馈信号控制干燥气体进气量，实现精确控制干湿比。气体扰流扇10将通入储气箱11内的干湿气体均匀混合。第一温湿度传感器9设置于储气箱11内部，用于控制和监测储气箱11内部混合气输出前实际温湿度，其设置位置尽量远离储气箱11内壁。
防冷凝装置包含伴热管13和第二温度传感器12。混合气体自储气箱11输出后，经出气管21输送至温湿度环境箱14，输送过程中若出气管21温度低于混合体温度，极易发生冷凝现象，使混合气湿度低于设定值，冷凝水易堵塞出气管21，因此在出气管21外设置伴热管13，并且在伴热管13上设第二温度传感器12，利用第二温度传感器12实时监测温度，防止混合气体在通入温湿度环境箱14过程中发生冷凝。
温湿度环境箱14通过出气管21与储气箱11连接，出气管21外部包裹伴热管13，保证储气箱11中混合气顺利通入温湿度环境箱14，配合营造实验要求的湿度环境。温湿度环境箱14的箱体采用6061铝合金加工制成，有较好的隔热保温作用；箱体底部安置陶瓷加热片，用于加热试验环境至设定值；箱体上盖为石英玻璃材质，内外温差较大时不易破裂，且试验过程中便于观察。第二温湿度传感器15设置于温湿度环境箱14内部，储气箱温控表18和储气箱湿度表19还可以转而连接温湿度环境箱14内的第二温湿度传感器15，如此第二温湿度传感器15可将箱内的温度和湿度信号反馈至储气箱温控表18和储气箱湿度表19，用于实现对实际试验环境实时温湿度的调控和监测。
控制装置由加湿箱温控表20、伴热管温控表17、储气箱温控表18、储气箱湿度表19和继电器组成，四个控制表头分别通过继电器实施控制和调节。
加湿箱温控表20用于控制和监测加湿装置的温度，通过读取加湿箱3中第一温度传感器7对箱内气体温度的反馈信号，调控蒸馏水中加热管6温度，实现对加湿装置的箱内气体温度的闭环控制。
伴热管温控表17用于控制和监测防冷凝装置的伴热管13温度，防止混合气体在输送过程中冷凝。
储气箱温控表18用于控制和监测混气装置的温度。储气箱温控表18通过读取储气箱11上第三温度传感器16对箱体温度的反馈信号，调控储气箱11外壁加热片温度，实现对混气装置的箱体温度的闭环控制，防止混合气发生冷凝。储气箱温控表18通过读取储气箱11内部第一温湿度传感器9对箱内气体温度的反馈信号，调控储气箱11内部混合气体的实时温度，实现对混气装置的箱内气体温度的闭环控制。
储气箱湿度表19用于控制和监测储气箱11内混合气体湿度，通过读取储气箱11内部第一温湿度传感器9对箱内气体湿度的反馈信号，调控第一气体质量流量计5和第二气体质量流量计8的启闭，使干湿气体混合并维持所要求湿度值。第一气体质量流量计5和第二气体质量流量计8选用电磁流量阀；不通电时，第一气体质量流量计5常闭，第二气体质量流量计8常开；通电时，第一气体质量流量计5打开，第二气体质量流量计8关闭，加湿箱3中产生湿气通过气管进入储气箱11，此时没有干燥氮气进入储气箱11，加湿箱3内气体通过出气管21进入温湿度环境箱14；当储气箱11中湿度达到储气箱湿度表19的设定值后，信号反馈至继电器，继电器断开供电，第一气体质量流量计5闭合，第二气体质量流量计8开启，储气箱11通入干燥气体，通过储气箱湿度表19反馈至继电器不断地通电断电，使干湿气体混合并维持所要求湿度值。
储气箱温控表18和储气箱湿度表19可转而控制温湿度环境箱14内部温湿度，进而达到控制输出气体温湿度和环境温湿度的双重作用。
电源装置包含控制装置的供电电源、加湿装置中的加热管6供电电源和储气箱11加热片供电电源。
如图2所示，伴热管温控表17、储气箱温控表18、储气箱湿度表19和加湿箱温控表20安装于系统的前面板上，便于人员操作和监测。进气阀24置于系统的前面板上，选用气体转子流量计，用于控制进入温湿度环境箱14的气体总量。水位指示灯25设置在进气阀24下方，用于显示加湿箱3的水位情况，当水位传感器2发出水位过高或过低的信号时，水位指示灯25常亮提示。管架22固定于系统侧部外壁上，用于支撑由系统内部伸出的伴热管13和出气管21。进水口23设置在系统上方，便于加湿箱3添加蒸馏水。
上述用于力学测试微小腔体环境的多闭环温湿度控制系统，围绕控制装置实现四核闭环温湿度精确控制。
闭环1：加湿箱温控表20设定目标值后，第一温度传感器7将加湿箱3内气体实时温度反馈至加湿箱温控表20，从而调节监控加湿箱3内湿气的温度。加湿箱温控表20调控蒸馏水中加热管6对其进行加热，待加湿箱3内气体达到目标值后，温度传感器7将信号反馈至加湿箱温控表20，继电器自动调节加湿箱温控表20的输出信号，使加热管6间断加热，加湿箱3内气体维持目标温度值。
闭环2：储气箱湿度表19设定目标值后，温湿度传感器9将储气箱11内实时湿度反馈至储气箱湿度表19，湿度未达到目标值时，储气箱湿度表19控制第二气体质量流量计8关闭，第一气体质量流量计5开启，湿气进入储气箱11后，经气体扰流扇10与储气箱11内气体混合，混合气体由出气管21输出进入温湿度环境箱14。当输出混合气湿度达到目标值后，实时湿度通过第一温湿度传感器9反馈至储气箱湿度表19，储气箱湿度表19控制第二气体质量流量计8开启，第一气体质量流量计5关闭，继电器自动调节储气箱温控表19的输出信号，向第一气体质量流量计5、第二气体质量流量计8间断供电，使储气箱11内气体湿度维持目标值。
闭环3：储气箱温控表18设定目标值后，第一温湿度传感器9将储气箱11的箱内气体温度实时反馈至储气箱温控表18，同时第三温度传感器16将储气箱11的箱体温度实时反馈至储气箱温控表18，储气箱温控表18将调节箱内气体温度和箱体温度均达到设定的目标值。当储气箱11的箱体温度低于目标值，储气箱11内的混合气易出现冷凝现象。箱内气体温度和箱体温度分别通过第一温湿度传感器9和第三温度传感器16反馈至储气箱温控表18，储气箱温控表18控制储气箱11周围加热片进行加热，待第一温湿度传感器9和第三温度传感器16反馈至储气箱温控表18的温度信号均达到目标值后，储气箱11内混合气体达到目标温度，继电器自动调节储气箱温控表18的输出信号，使储气箱11内输出的混合气体维持目标温度值。第一温湿度传感器9和第三温度传感器16之中所反馈的任一温度值未达到目标温度，都可能会使混合气体发生冷凝，储气箱温控表18会继续控制继电器供电，维持加热片继续加热。
闭环4：出气管21外设置伴热管13和第二温度传感器12，由伴热管温控表17控制。设置伴热管温控表17目标值大于储气箱温控表18目标值3～5℃，保证混合气在出气管21内不会发生冷凝。第二温度传感器12将温度信号反馈至伴热管温控表17，伴热管温控表17控制伴热管13加热，达到目标值后，继电器自动调节伴热管温控表17输出信号，使伴热管13维持目标温度值。
混合气体输送至温湿度环境箱14后，可由温湿度传感器15实时监控箱内温湿度。将储气箱温控表18和储气箱湿度表19与第二温湿度传感器15连接，第二温湿度传感器15将温度信号反馈至储气箱温控表18，控制储气箱11周围加热片持续加热至目标值；温湿度传感器15将湿度信号反馈至湿度表19，控制第一气体质量流量计5、第二气体质量流量计8使环境湿度达到目标值，从而可实现温湿度环境箱14内环境温湿度的闭环控制。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于力学测试微小腔体环境的多闭环温湿度控制系统，包括温湿度环境箱，其特征在于，所述温湿度环境箱通过出气管连通于储气箱，所述储气箱通过气管连通于加湿箱；所述加湿箱通过设有第一气体质量流量计的气管连通于气源装置，所述储气箱通过设有第二气体质量流量计的气管连通于气源装置，所述气源装置用于向所述加湿箱和所述储气箱提供干燥气体；
所述加湿箱内存放有蒸馏水并设置有没入蒸馏水的加热管，所述加湿箱内部设置有位于水位以上的第一温度传感器；所述第一温度传感器和所述加热管均连接加湿箱温控表，所述加湿箱温控表通过读取所述第一温度传感器对箱内气体温度的反馈信号，调控所述加热管的温度，实现对所述加湿箱的箱内气体温度的闭环控制；
所述储气箱的箱体设有加热片和第三温度传感器，所述储气箱的内部设置有第一温湿度传感器；所述第三温度传感器和所述加热片均连接储气箱温控表，所述储气箱温控表通过读取所述第三温度传感器对箱体温度的反馈信号，调控所述加热片的温度，实现对所述储气箱的箱体温度的闭环控制；
所述出气管外部包裹有伴热管，所述伴热管上设置有第二温度传感器；所述第二温度传感器和所述伴热管均连接伴热管温控表，伴热管温控表通过读取所述第二温度传感器对温度的反馈信号，调控所述伴热管的温度，防止混合气体在输送过程中冷凝；
所述温湿度环境箱内部设置有第二温湿度传感器；所述第一气体质量流量计、所述第二气体质量流量计均连接储气箱湿度表，所述储气箱湿度表连接所述第一温湿度传感器或所述第二温湿度传感器；所述储气箱湿度表通过读取所述第一温湿度传感器或所述第二温湿度传感器对箱内气体湿度的反馈信号，调控所述第一气体质量流量计和所述第二气体质量流量计的启闭，实现对所述储气箱或所述温湿度环境箱的箱内气体湿度的闭环控制；
所述第一温湿度传感器或所述第二温湿度传感器连接所述储气箱温控表；所述储气箱温控表通过读取所述第一温湿度传感器或所述第二温湿度传感器对箱内气体温度的反馈信号，调控所述加热片的温度，实现对所述储气箱或所述温湿度环境箱的箱内气体温度的闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种用于力学测试微小腔体环境的多闭环温湿度控制系统，其特征在于，所述加湿箱内设置有水位传感器，用于控制蒸馏水水位在安全水位范围内。
3.根据权利要求1所述的一种用于力学测试微小腔体环境的多闭环温湿度控制系统，其特征在于，所述储气箱内部设置有气体扰流扇。
4.根据权利要求1所述的一种用于力学测试微小腔体环境的多闭环温湿度控制系统，其特征在于，所述气源装置所提供干燥气体的气压通过进气阀控制。
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| CN202010132481.7A CN111399568B (zh) | 2020-02-29 | 2020-02-29 | 一种用于力学测试微小腔体环境的多闭环温湿度控制系统 |
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| CN202010132481.7A CN111399568B (zh) | 2020-02-29 | 2020-02-29 | 一种用于力学测试微小腔体环境的多闭环温湿度控制系统 |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112099546A (zh) * | 2020-08-28 | 2020-12-18 | 西安交通大学 | 一种用于微移液管微纳制造检测的湿度控制系统 |
| CN114063689A (zh) * | 2020-10-20 | 2022-02-18 | 陈修芳 | 一种冷链物流运输车厢温湿度实时监控设备 |
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2020
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| Publication number | Publication date |
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