CN115389307A - 适用于恒温utm的附加型恒湿箱系统 - Google Patents
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Abstract
一种适用于恒温UTM的附加型恒湿箱系统，包括适于设置在恒温UTM的恒温箱内的恒湿箱、以及与所述恒湿箱连接的控制组件。所述恒湿试验箱包括可操作地相互分隔的恒湿工作腔、水箱和吸湿腔，恒湿工作腔中设置至少一个温湿度传感器探头，恒湿工作腔与水箱之间设置至少一个微孔雾化装置，吸湿腔中设置分子筛干燥剂和至少一个风扇，所述温湿度传感器探头、微孔雾化装置和风扇与所述控制组件连接。所用吸湿和加湿材料无需进行温度补偿从而能耗更低，吸湿和加湿的过程无热量交换，最大程度地减少了恒温密闭空间的热量波动，简化了UTM的恒温恒湿控制，为测量温湿度双因素变量下材料的性能指标提供精准的温湿度实验条件控制。
Description
技术领域
本发明涉及恒温恒湿控制技术领域，尤其涉及一种适用于力学试验机的恒温恒湿控制技术。
背景技术
新材料的研究和/或开发离不开材料的性能测试，并且往往需要在封闭试验空间中模拟多种不同的湿度或温度环境，用以测试不同湿度或温度环境下的材料性能。因此科研人员通常使用恒温箱或恒湿箱控制单因素变化(温度或湿度)测试材料性能。
然而随着对材料性能研究的精确化要求，采用单因素控制已经不能满足材料在复杂温度和湿度变化环境下的研究需求，特别需要能够提供双因素变化(温度和湿度)试验环境的试验机。
高校力学实验室往往已经配备了具有恒温箱的力学万能试验机(UTM)，可进行温度的单因素控制进行压力、拉伸等力学试验，这类机器无法营造双因素变化的试验环境，无法满足相应的复杂试验设计需要。
要进行这类试验，需要购买恒温恒湿试验机。然而现在市售的恒温恒湿试验机多造价昂贵，功耗高。重新购买恒温恒湿试验机，不仅花费高昂，而且仪器功能重复，容易造成恒温UTM的浪费。
因此需要提出一种能够将现有恒温UTM改造成带有恒温恒湿功能的试验机。
然而，现有的恒温恒湿控制试验机中恒温恒湿的一体环境本身是一个温度和湿度协同控制的过程，温度越高，空气中所能容纳的水蒸气密度也越高，同一空气水蒸气密度在不同温度下，会使空气处于不同的干燥或湿润状态。而现有恒温UTM的温度是一个单独控制，无法实现与湿度的协同控制。
此外，若采用气体管道将湿空气送入UTM试验机恒温箱内部，送入的湿空气温度会对UTM试验机内部环境温度造成波动，造成额外的温度波动及加大UTM试验机本身功耗；若预先加热湿空气，使其温度与UTM试验机内部温度一致，则也要在外部附加额外的温度调控系统，更增加成本及功耗。
此外，现有的恒湿系统，加湿方式多为加热模块将水体蒸干，排湿方式则为制冷模块使水冷凝，不仅本身功耗较大，造价高，也容易对温度造成影响，从而使恒温系统维持温度的功耗加大。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种适用于恒温UTM的附加型恒湿箱系统，能够方便地附加用于恒温UTM，以低功耗、温湿独立控制的方式为测量温湿度双因素变量下材料的性能指标提供精准的实验条件。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种适用于恒温UTM的附加型恒湿箱系统，包括适于设置在恒温UTM的恒温箱内的、密闭的恒湿箱，以及与所述恒湿箱连接的控制组件，所述恒湿箱包括可操作地相互分隔的恒湿工作腔、加湿材料腔和吸湿材料腔，恒湿工作腔中设置至少一个温湿度传感器，恒湿工作腔与加湿材料腔之间设置至少一个雾化装置，吸湿材料腔中设置干燥剂和至少一个风扇，所述温湿度传感器、雾化装置和风扇与所述控制组件连接。
优选地，所述加湿材料腔中容纳去离子水；所述雾化装置包括微孔雾化片；所述干燥剂包括分子筛干燥剂。
优选地，所述恒温箱的壳体采用导热系数大于120的材质制成。
优选地，所述恒湿工作腔顶部设置一个适于恒温UTM的压力头穿过的开孔，开孔内壁附加固定的或可拆卸的弹性密封材料，用以密封开孔与所述压力头之间的间隙。
优选地，所述控制组件用于根据预设的目标湿度和所述温湿度传感器读取到的箱内实际温度和实际湿度，计算所需的加湿量和/或排湿量，并基于加湿量控制雾化装置的开启时间，和/或基于排湿量控制排湿系统的开启时间和风扇速率大小。
优选地，所述控制组件包括电路驱动装置、单片机和处理器，其中所述雾化装置和风扇与电路驱动装置连接，所述温湿度传感器与单片机连接，所述单片机与所述处理器和所述电路驱动装置连接。
优选地，所述根据预设的目标湿度和所述温湿度传感器读取到的实际温度和实际湿度计算所需的加湿量和/或排湿量，包括：根据实际湿度和实际温度计算恒湿工作腔中的实际含水量；根据目标湿度和实际温度计算恒湿工作腔中的目标含水量；根据实际含水量与目标含水量的差值，计算加湿量和/或排湿量。
优选地，所述控制组件还包括显示装置，用以显示恒湿工作腔的温度和湿度数据。
优选地，所述吸湿材料腔为一管道，所述管道的两端分别与恒湿工作腔可操作地连通。
优选地，所述管道的两端分别设置第一风阀和第二风阀；吸湿材料腔中的所述风扇，包括第一风扇和第二风扇，第一风扇由第一舵机驱动，第二风扇由第二舵机驱动，所述第一舵机和第二舵机分别包括使所述风阀关闭的第一位姿和使所述风阀打开的第二位姿。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：加湿材料和吸湿材料均处于恒温箱中，当恒温UTM以现有的方式进行温度控制，恒温箱内温度上升或下降至工作温度并进行保持时，包括加湿材料和吸湿材料在内的恒湿箱整体将随之上升或下降至工作温度。这样一来，针对恒湿工作腔进行湿度控制时，为了加湿而进入恒湿工作腔中的加湿材料具有相同的温度，无需消耗能量对所用加湿材料进行温度补偿，因而不会对腔内温度造成波动；排湿的过程是腔内水汽被吸湿材料吸收的过程，也无热量交换，最大程度地减少了恒温密闭空间的热量波动。因此湿度和温度的控制可以独立进行，从而方便将湿度调节功能附加于一台恒温UTM。
附图说明
图1显示了本发明实施例的附加型恒湿箱系统的俯视结构示意图；
图2显示了本发明实施例的附加型恒湿箱系统的立体结构示意图。
附图标记
1恒湿工作腔；2吸湿材料腔；3加湿材料腔；4温湿度传感器；
31雾化装置；21管道；22干燥剂；23风扇；231第一风扇；
232第二风扇；24舵机；241第一舵机；242第二舵机；25风阀；251第一风阀；252第二风阀；5电路驱动装置；6电源；7单片机；
8处理器；10恒温工作腔的顶面；11开孔；13预留观察孔；
14预留线材孔；26管道顶盖；27舵机座。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
图1显示了本发明实施例的附加型恒湿箱系统的结构示意图。附加型恒湿箱系统包括适于设置在恒温UTM的恒温箱内的、密闭的恒湿箱，以及与所述恒湿箱连接的控制组件，所述恒湿箱包括可操作地相互分隔的恒湿工作腔1、吸湿材料腔2和加湿材料腔3。恒湿工作腔中设置至少一个温湿度传感器4，恒湿工作腔1与加湿材料腔3之间设置至少一个雾化装置31，吸湿材料腔2位于管道21中，内部设置干燥剂22和至少一个风扇23，所述温湿度传感器4、雾化装置31和风扇23与所述控制组件连接。
优选地，所述加湿材料腔3中容纳去离子水；所述雾化装置31包括微孔雾化片；所述干燥剂22包括分子筛干燥剂。
优选地，所述恒湿箱的壳体采用导热系数大于120的材质制成。
优选地，所述恒湿工作腔1包括能够向两边打开的对开顶盖10，对开顶盖的中间设置一个适于恒温UTM的压力头穿过的开孔11，开孔内壁附加固定的或可拆卸的弹性密封材料，用以密封开孔与所述压力头之间的间隙。恒温工作腔1的其中一个适于观察的侧面上开设以透明材料封闭的预留观察孔13；并在侧面上适于管线穿过的位置开设预留线材孔14。
优选地，所述控制组件用于根据预设的目标湿度和所述温湿度传感器4读取到的箱内实际温度和实际湿度，计算所需的加湿量和/或排湿量，并基于加湿量控制雾化装置31的开启时间，和/或基于排湿量控制排湿系统的开启时间和风扇23的速率大小。
优选地，所述控制组件包括电路驱动装置5、单片机7和处理器8，其中所述雾化装置31和风扇23与电路驱动装置5连接，所述温湿度传感器4与单片机7连接，所述单片机7与所述处理器8和所述电路驱动装置5连接。所述电路驱动装置5与电源6连接。驱动整个系统工作需要的电源通常为12V电源。
优选地，所述根据预设的目标湿度和所述温湿度传感器读取到的实际温度和实际湿度计算所需的加湿量和/或排湿量，包括：根据实际湿度和实际温度计算恒湿工作腔中的实际含水量；根据目标湿度和实际温度计算恒湿工作腔中的目标含水量；根据实际含水量与目标含水量的差值，计算加湿量和/或排湿量。
优选地，所述控制组件还包括存储装置和显示装置(图中未示出)，与处理器连接，用以显示和存储恒湿工作腔的温度和湿度数据。处理器、存储装置和显示装置可借助于一台计算机实现。
优选地，所述吸湿材料腔为一管道21，所述管道的两端分别与恒湿工作腔1可操作地连通。
优选地，所述管道的两端分别设置第一风阀251和第二风阀252；吸湿材料腔中的所述风扇23，包括第一风扇231和第二风扇232，第一风扇231由第一舵机241驱动，第二风扇232由第二舵机242驱动，所述第一舵机241和第二舵机242设置于舵机座27上，分别包括使所述风阀25关闭的第一位姿和使所述风阀打开的第二位姿。
采用本发明实施例的恒湿试验箱，可在UTM试验机中对材料试件施加压力荷载的同时，对材料的环境湿度进行控制，测量不同湿度环境下的材料性能。
温湿度传感器4的探头实时采集温湿度数据，传输到计算机进行显示，并保存数据。设定好目标相对湿度，通过计算机程序，根据采集数据对比目标相对湿度，经过当前温度修正后，自动进行湿度调控。单片机将接收到的湿度数值与目标湿度进行比较后输出控制信号至加湿或排湿装置以控制工作使得环境湿度达到设定值。
自动进行湿度调控的过程包括，程序通过比较采集到的相对湿度，和操作人员输入的目标相对湿度值，根据当前温度自动计算出所需加水量或所需排水量，由于微孔雾化片启动时，单位时间喷水量恒定，因此将加水量换算为微孔雾化片启动时间，从而在固定时间内启动微孔雾化片的进行加湿，排出固定水量到箱体环境中。当排湿管道内的分子筛干燥剂数量及风扇风速恒定时，单位风扇启动时间的水分子被吸附数量也是恒定的，因此将排水量换算为风扇和风阀的启动时间，吸附固定的水量，从而实现湿度自动调控。
附加型恒湿箱系统附加设置于UTM试验机进行工作时，将恒湿箱顶盖向两边打开，置于UTM试验机压力头下方，下方预先放好底部夹具和待测试件。以上配置整体上置于UTM试验机的恒温箱中。若有测量线路，则将线路从恒湿箱预留线材孔伸出，并用硅胶密封剂密封孔洞。待压力头下降至箱体内部，关闭顶盖，只留压力头上方杆件穿过开孔11，预先在杆件上套一硅胶密封圈，随压力头下降，硅胶密封圈被顶起，盖在预留孔洞周围，形成密封环境。
所述雾化装置31包括安装于恒湿箱一侧与加湿材料腔3邻接壁部的孔洞处的微孔雾化片，喷出面朝向恒湿工作腔，加湿材料腔3的水经微孔雾化片雾化后进入恒湿工作腔。孔洞直径小于微孔雾化片直径，因此在孔洞外侧注水，雾化片将水与箱体内部隔开，启动后则会将水从外侧雾化喷出至箱体内部。为避免水汽直喷试件，开孔位置位于箱壁侧边。
所述微孔雾化片、风扇、舵机与电路驱动装置相连，电路驱动装置包括电路驱动板，用于供电和控制信号输入。所述电路驱动板与单片机相连，用于控制信号传输。配有12V电源线，接插座供电。所述单片机与处理器(计算机)相连，用于供电和程序控制，通过计算机程序进行信号控制，数据读取和保存。并可通过计算机其他应用程序进行远距离传输。
所述单片机也可通过计算机事先设定好程序保存至内部芯片，与计算机断开连接后，通过电路驱动板进行供电，自行运行事先设定好的程序，控制湿度环境，同时保存环境数据。
所述舵机24，安装于箱体与排湿管道相连的风阀上端，接受信号后可在0°-90°角度之间旋转，用于阻断排湿管道内部与箱体内部相连。
所述风扇23，安装于管道21内部，用于形成内部循环气流，使空气快速进出排湿管道，并可通过控制风扇功率控制风速，从而控制排湿速率。
所述干燥剂包括分子筛干燥剂，放置于排湿管道内部，吸湿量取决于分子筛干燥剂放置数量。本发明所设计放置空间，以满足本发明箱体空间排湿所需剂量为宜。当所需箱体内部空间加大时，可通过加大放置空间，提高排湿量，吸湿量达到峰值后，可通过打开排湿管道的管道顶盖26更换分子筛干燥剂，且不影响箱体内部密闭空间。
与现有的技术相比，本发明的技术优势在于：
与现有的恒湿系统相比，功耗低，成本低。本发明将水箱及微孔雾化片放置于UTM试验机内部空间，水箱及整个箱体本身温度都随UTM试验机内部温度改变而改变，并在加湿排湿过程中不涉及产热和制冷。因此加湿或排湿不会对UTM试验机内部环境温度造成影响。
本发明在实验室已经具有力学试验设备的情况下，可作为附加装置加装于力学试验机，避免实验室额外购买具有恒湿功能的力学实验设备。如：本校实验室已有设备恒温UTM试验机，UTM试验机本身具有温度控制功能，及力学实验加载装置，但不具备湿度控制功能。本发明设计湿度控制装置及恒湿试验箱，可放入UTM试验机内部，与原有功能叠加，从而构造温度-湿度-荷载的三场耦合实验环境。本发明在箱体密封性良好的条件下，能够更精确的计算箱内空气的绝对湿度。更精确的维持相对湿度的恒定，能实现相对湿度范围从0-100精确控制。进一步地，本发明由于应用了单片机，使用计算机程序控制，可提前编写湿度改变流程，储存至单片机内部，实现湿度自动化控制和改变，有利于对试验方案的设计，避免人工操作的延迟和失误。在连接计算机控制的方式下，可实时显示环境数据，并储存。可通过软件实时控制程序，控制设备的运行状态和运行模式，经过计算机其他软件拓展，能够实现远程数据传输和实时监测。
此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。
Claims (10)
1.一种适用于恒温UTM的附加型恒湿箱系统，其特征在于，包括适于设置在恒温UTM的恒温箱内的、密闭的恒湿箱，以及与所述恒湿箱连接的控制组件，所述恒湿箱包括可操作地相互分隔的恒湿工作腔、加湿材料腔和吸湿材料腔，恒湿工作腔中设置至少一个温湿度传感器，恒湿工作腔与加湿材料腔之间设置至少一个雾化装置，吸湿材料腔中设置干燥剂和至少一个风扇，所述温湿度传感器、雾化装置和风扇与所述控制组件连接。
2.根据权利要求1所述的附加型恒湿箱系统，其特征在于，所述加湿材料腔中容纳去离子水；所述雾化装置包括微孔雾化片；所述干燥剂包括分子筛干燥剂。
3.根据权利要求1所述的附加型恒湿箱系统，其特征在于，所述恒温箱的壳体采用导热系数大于120的材质制成。
4.根据权利要求1所述的附加型恒湿箱系统，其特征在于，所述恒湿工作腔顶部设置一个适于恒温UTM的压力头穿过的开孔，开孔内壁附加固定的或可拆卸的弹性密封材料，用以密封开孔与所述压力头之间的间隙。
5.根据权利要求1所述的附加型恒湿箱系统，其特征在于，所述控制组件用于根据预设的目标湿度和所述温湿度传感器读取到的箱内实际温度和实际湿度，计算所需的加湿量和/或排湿量，并基于加湿量控制雾化装置的开启时间，和/或基于排湿量控制排湿系统的开启时间和风扇速率大小。
6.根据权利要求5所述的附加型恒湿箱系统，其特征在于，所述控制组件包括电路驱动装置、单片机和处理器，其中所述雾化装置和风扇与电路驱动装置连接，所述温湿度传感器与单片机连接，所述单片机与所述处理器和所述电路驱动装置连接。
7.根据权利要求5所述的附加型恒湿箱系统，其特征在于，所述根据预设的目标湿度和所述温湿度传感器读取到的实际温度和实际湿度计算所需的加湿量和/或排湿量，包括：
根据实际湿度和实际温度计算恒湿工作腔中的实际含水量；根据目标湿度和实际温度计算恒湿工作腔中的目标含水量；根据实际含水量与目标含水量的差值，计算加湿量和/或排湿量。
8.根据权利要求5所述的附加型恒湿箱系统，其特征在于，所述控制组件还包括显示装置，用以显示恒湿工作腔的温度和湿度数据。
9.根据权利要求1所述的附加型恒湿箱系统，其特征在于，所述吸湿材料腔为一管道，所述管道的两端分别与恒湿工作腔可操作地连通。
10.根据权利要求9所述的附加型恒湿箱系统，其特征在于，所述管道的两端分别设置第一风阀和第二风阀；
吸湿材料腔中的所述风扇，包括第一风扇和第二风扇，第一风扇由第一舵机驱动，第二风扇由第二舵机驱动，所述第一舵机和第二舵机分别包括使所述风阀关闭的第一位姿和使所述风阀打开的第二位姿。
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