CN117170425A - 一种环境模拟舱的湿度控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及环境模拟舱湿度调节技术领域，公开了一种环境模拟舱的湿度控制系统，环境模拟舱分为冷凝除湿段、均匀扩散段与超声波加湿段，其中，均匀扩散段设置于冷凝除湿段与超声波加湿段之间，冷凝除湿段设置有用于降低环境模拟舱中湿度的冷凝板，超声波加湿段设置有用于提升环境模拟舱中湿度的超声波加湿器以及水箱，冷凝除湿段与超声波加湿段之间设置有用于获取该位置当前湿度的湿度传感器，通过调整超声波加湿器的冷凝板的功率，使环境模拟舱中湿度均匀稳定，将环境模拟舱分为3块区域，选取区域接触面的平均湿度作为控制点，更为有效控制均匀扩散段的湿度。

Description

一种环境模拟舱的湿度控制系统及方法

技术领域

本发明涉及环境模拟舱湿度调节技术领域，尤其涉及一种环境模拟舱的湿度控制系统及方法。

背景技术

可控环境模拟系统主要指环境模拟舱，环境模拟舱可以根据人为设定的各项环境参数在舱内模拟出相对应的目标设定环境并维持较长的一段时间，针对医学和轨道交通的特定领域对于生物、材料以及零件在特殊环境需要测试生理指标或机械物理指标，需对应设置相应的环境条件来进行测试，以满足医学和轨道交通的医工领域中生物、材料以及零件的各项指标在特殊环境下的测试需要。

在环境模拟舱的环境参数中，相对湿度反映空气中所含水汽的量，高湿度会抑制人体散热功能，低湿度使人皮肤干裂，口腔、鼻腔黏膜受到刺激，出现口渴、干咳、声哑、喉痛等症状，在不同环境中的湿度相差巨大，靠近热带的海滨城市冬季平均湿度可超过90％，远离海洋的内陆城市冬季平均湿度还不足30％，在同一天中相对湿度起伏也很大。因此，相对湿度是环境模拟舱中需要重点控制的环境参数。

目前环境模拟舱中对相对湿度的控制主要通过加湿器增加舱内湿度，舱内水蒸气自然液化减小湿度。此方法相对简单，加湿器出气口附近湿度很大，而其他空间湿度较小，呈现离加湿器越远湿度越低的现象，环境模拟舱中并不能实现湿度均匀的实验区域，并且湿度传感器无法有效检测舱内湿度的准确值，对控制舱内湿度以及各实验物品所处环境湿度的一致性都有着不良影响。

发明内容

本发明提供了一种环境模拟舱的湿度控制系统及方法，以解决现有的环境模拟舱湿度均匀性差的问题。

为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供一种环境模拟舱的湿度控制系统，环境模拟舱分为冷凝除湿段、均匀扩散段与超声波加湿段，其中，所述均匀扩散段设置于所述冷凝除湿段与所述超声波加湿段之间，所述冷凝除湿段设置有用于降低环境模拟舱中湿度的冷凝板，所述超声波加湿段设置有用于提升环境模拟舱中湿度的超声波加湿器以及水箱，所述冷凝除湿段至所述超声波加湿段之间设置有湿度传感器；

所述冷凝除湿段与所述均匀扩散段之间的接触面的平均湿度为第一湿度，所述均匀扩散段与超声波加湿段之间的接触面的平均湿度为第二湿度；

所述冷凝板和超声波加湿器以及水箱根据所述第一湿度和所述第二湿度对环境模拟舱内部湿度进行调控。

通过上述设计，通过将环境模拟舱分为3块区域，利用了湿度的纵向梯度实现湿度控制，结合环境模拟舱中一端为冷凝板另一端为水箱和超声波加湿器的设置，从一端到另一端动态的实现环境模拟舱中的湿度均衡。

进一步的，所述湿度传感器的数量至少为两个，分别为第一湿度传感器，第二湿度传感器，所述第一湿度传感器设置于所述冷凝除湿段与所述均匀扩散段之间的接触面，所述第二湿度传感器设置于所述均匀扩散段与所述超声波加湿段之间的接触面。

通过上述设计，通过冷凝除湿段与均匀扩散段之间的接触面和均匀扩散段与超声波加湿段之间的接触面的平均湿度对舱体内部湿度进行控制，更为有效的控制均匀扩散段的湿度，使均匀扩散段的湿度维持动态均衡，进而实现湿度精准调控的效果。

进一步的，所述水箱设置于环境模拟舱一端舱体的外部，所述超声波加湿器设置于环境模拟舱内与所述水箱的对应位置。

通过上述设计，将水箱设置在舱体的外部，对应设置于超声波加湿器的底部对应位置，便于湿度过高液化的水珠流入水箱之中，对应的还可将水箱设置于舱体外部的其他位置，只需使水箱低于超声波加湿器即可实现此效果。

进一步的，所述水箱中设置有中空纤维滤膜。

进一步优选的，所述环境模拟舱的底部开设有水槽，且所述水槽一端与所述水箱相接，水槽另一端设置于所述冷凝板下方，所述水槽整体向所述水箱倾斜。

进一步优选的，所述环境模拟舱的顶部为圆弧形设计，所述环境模拟舱的底部为凸起底面。

通过上述设计，通过圆弧顶的设计，以及底部的凸起底面，尽可能的将凝结的水引流至水槽中，水槽的倾斜设计也使水槽中液态水汇集至水箱中，实现水资源的重复利用。

第二方面，本申请实施例提供一种环境模拟舱的湿度控制方法，应用于湿度控制系统，包括冷凝板、超声波加湿器、湿度传感器以及水箱，所述湿度控制方法包括如下步骤：

步骤1：根据湿度调整的需求设定湿度预设值，并依据湿度预设值设定第一湿度限定值与第二湿度限定值，所述第一湿度限定值大于第二湿度限定值，定义冷凝除湿段与均匀扩散段接触面的平均湿度为湿度B值，均匀扩散段与超声波加湿段的接触面的平均湿度为湿度C值，获取环境模拟舱中湿度B值以及湿度C值；

步骤2：通过冷凝板与超声波加湿器调整湿度，结合时延补偿与补偿系数，分别将湿度B值、湿度C值调整至小于第一湿度限定值，大于第二湿度限定值的湿度区间，完成本次湿度控制。

进一步的，结合时延补偿与补偿系数，分别将湿度B值、湿度C值调整至小于第一湿度限定值，大于第二湿度限定值的湿度区间具体包括：

当湿度B值大于第一湿度阈值时，提升冷凝板的功率，当湿度B值小于第二湿度阈值时，降低冷凝板的功率；

当湿度C值大于第一湿度阈值时，降低超声波加湿器的功率，当湿度C值小于第二湿度阈值时，提升超声波加湿器的功率；

其中，第一湿度阈值根据第一湿度限定值加上时延补偿乘以补偿系数计算获取，第二湿度阈值根据第二湿度限定值加上时延补偿乘以补偿系数计算获取，第一湿度阈值的补偿系数为1，第二湿度阈值的补偿系数为-1。

进一步的，所述第一湿度限定值与第二湿度限定值均需通过湿度预设值结合设置的最大误差获取，所述第一湿度限定值通过以下公式获取：

所述第二湿度限定值通过以下公式获取：

进一步的，所述时延补偿为冷凝板或超声波加湿器调整功率后到湿度B值与湿度C值的时间延迟，通过以下公式计算：

其中，K为除湿系数，取值范围为2×10^-7m/s～3×10^-7m/s；

L为冷凝板至冷凝除湿段与均匀扩散段接触面的距离或者超声波加湿器至均匀扩散段与超声波加湿段的接触面的距离；

H为湿度预设值；

D为水蒸气扩散系数。

有益效果：

本发明提供的一种环境模拟舱的湿度控制系统，通过冷凝板与超声波加湿器，在环境模拟舱前后端形成可控的湿度差，并且冷凝板工作时的低温也使得环境模拟舱中段产生温差对流，提升了水蒸气的扩散效率，使环境模拟舱中湿度均匀稳定，将环境模拟舱分为3块区域，选取区域接触面的平均湿度作为控制点，更为有效控制均匀扩散段的湿度。

在湿度控制系统的优选方案中，通过圆弧形的舱顶以及凸起底部，使得舱内整体水蒸气在遇到内壁液化后都流入水槽中，由水槽流入水箱中，在一定程度上实现水循环，提升环境模拟舱的单次运行时间。

本发明提供的一种环境模拟舱的湿度控制方法，通过预设值的时延补偿的设置避免了湿度调控过程中因水蒸气扩散时间的原因导致无法达到湿度调控效果，同时在动态的湿度平衡过程中，第一湿度限定值与第二湿度限定值的存在也提升了环境模拟舱的湿度调节能力。

附图说明

图1为本发明实施例的环境模拟舱的纵截面及分段划分情况示意图；

图2为本发明实施例的环境模拟舱的横截面示意图；

图3为本发明实施例的环境模拟舱工作过程中主要气流方向以及水蒸气主要沉降位置示意图；

图3中，箭头表示水蒸气的沉降和温差对流；

图4为本发明实施例的工作过程中舱内各横截面平均湿度与冷凝板之间距离的关系示意图；

图4中，1表示冷凝除湿段；2表示均匀扩散段；3表示超声波加湿段；a表示冷凝板处的湿度；b表示冷凝除湿段与均匀扩散段交界面的平均湿度；c表示均匀扩散段与超声波加湿段交界面的平均湿度；d表示超声波加湿段器处的湿度。

图1-图3中：

1、冷凝板；2、超声波加湿器；3、湿度传感器；31、第一湿度传感器；32、第二湿度传感器；4、水箱；51、冷凝除湿段；52、均匀扩散段；53、超声波加湿段；61、中空纤维滤膜；7、水槽；8、凸起底面。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另作定义，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

请参见图1，本申请实施例提供一种环境模拟舱的湿度控制系统，环境模拟舱分为冷凝除湿段51、均匀扩散段52与超声波加湿段53，其中，均匀扩散段52设置于冷凝除湿段51与超声波加湿段53之间，冷凝除湿段51设置有用于降低环境模拟舱中湿度的冷凝板1，超声波加湿段53设置有用于提升环境模拟舱中湿度的超声波加湿器2以及水箱4，冷凝除湿段51至超声波加湿段53之间设置有湿度传感器3；

冷凝除湿段51与均匀扩散段52之间的接触面的平均湿度为第一湿度，均匀扩散段与超声波加湿段之间的接触面的平均湿度为第二湿度；

冷凝板1和超声波加湿器2以及水箱4根据第一湿度和第二湿度对环境模拟舱内部湿度进行调控。

在本实施例中，湿度传感器3为两个，分别为第一湿度传感器31，第二湿度传感器32，第一湿度传感器31设置于冷凝除湿段51与均匀扩散段52之间的接触面，第二湿度传感器32设置于均匀扩散段52与超声波加湿段53之间的接触面，且设置于环境模拟舱的底部，在其他实施例中，还可根据环境模拟舱的长度和控制精度调整湿度传感器3的数量和安装位置(调整安装位置的同时也调整了冷凝除湿段51、均匀扩散段52以及超声波加湿段53的长度)，如设置更多数量的湿度传感器3设置于不同区域的交界处两侧，且通过调整湿度传感器3的高度来实现更为精准的测量。

水箱4设置于环境模拟舱一端舱体的外部，超声波加湿器2设置于环境模拟舱内与水箱4的对应位置。

在其他实施例中，还可将水箱4设置于环境模拟舱设置超声波加湿器2的一端外部的其他位置，只需保持在水平面上水箱4低于超声波加湿器2即可，通过导流等方式使环境模拟舱中液化的水滴流入水箱4中循环利用。

水箱4中设置有中空纤维滤膜61。

请参见图1以及图2，环境模拟舱的底部开设有水槽7，且水槽7一端与水箱4相接，水槽7另一端设置于冷凝板1下方，水槽7整体向水箱4倾斜，环境模拟舱的顶部为圆弧形设计，环境模拟舱的底部为凸起底面8。

在冷凝板1、舱内壁下方的水槽7可以收集在其表面液化的水。圆弧形的舱顶、舱顶与舱内壁的交接圆弧有助于在舱顶下表面液化的水顺着垂直面在重力作用下滴入水槽7中，而凸形底部有助于在舱底上表面液化的水滴入水槽7中。此外，具有一定坡度的水槽7可以将收集而来的水汇入水箱4中，实现一定程度的水循环，提高环境舱单次运行时间。

请参见图3-4，湿度控制系统利用冷凝板1除湿、加湿器加湿在环境模拟舱内部前后端形成可控的湿度差，从而在较长的均匀扩散段52中缓慢扩散水蒸气，从而形成湿度均匀稳定的模拟环境。除此以外，冷凝除湿段51较低温度带来的温差对流也可以提高水蒸气扩散效率。冷凝板1工作时温度较低，在液化水蒸气的同时也会吸收周围空气的热量，形成低温空气。低温空气密度较大，向下沉降并带动其他空气，在内舱纵断面上形成逆时针温差对流，进而使加湿段湿度较大的空气运动到均匀扩散段52上部，与均匀扩散段52下部的低温低湿空气一起在垂直方向上形成湿度差，提高水蒸气扩散效率。

本申请实施例还提供一种环境模拟舱的湿度控制方法，应用于上述湿度控制系统，湿度控制方法包括如下步骤：

步骤1：根据湿度调整的需求设定湿度预设值，并依据湿度预设值设定第一湿度限定值与第二湿度限定值，第一湿度限定值大于第二湿度限定值，定义冷凝除湿段51与均匀扩散段52接触面的平均湿度为湿度B值，均匀扩散段52与超声波加湿段53的接触面的平均湿度为湿度C值，获取环境模拟舱中湿度B值以及湿度C值。

根据湿度控制需求将湿度预设值设定为50％，结合设定的最大误差为10％，由此可知对应的第一湿度限定值为：

第二湿度限定值为：

通过湿度传感器3获取得到当前的湿度B值为46.2％，湿度C值为51.5％。

步骤2：通过冷凝板1与超声波加湿器2调整湿度，结合时延补偿与补偿系数，分别将湿度B值、湿度C值调整至小于第一湿度限定值，大于第二湿度限定值的湿度区间，完成本次湿度控制。

具体的，在调整过程中，当湿度B值大于第一湿度阈值时，提升冷凝板1的功率，当湿度B值小于第二湿度阈值时，降低冷凝板1的功率；

当湿度C值大于第一湿度阈值时，降低超声波加湿器2的功率，当湿度C值小于第二湿度阈值时，提升超声波加湿器2的功率；

其中，第一湿度阈值根据第一湿度限定值加上时延补偿乘以补偿系数计算获取，第二湿度阈值根据第二湿度限定值加上时延补偿乘以补偿系数计算获取，第一湿度阈值的补偿系数为1，第二湿度阈值的补偿系数为-1。

时延补偿为冷凝板1或超声波加湿器2调整功率后到湿度B值与湿度C值的时间延迟，通过以下公式计算：

其中，K为除湿系数，取值范围为2×10^-7m/s～3×10^-7m/s；

L为冷凝板1至冷凝除湿段51与均匀扩散段52接触面的距离或者超声波加湿器2至均匀扩散段52与超声波加湿段53的接触面的距离；

H为湿度预设值；

D为水蒸气扩散系数。

在本实施例中，K取值为2.6×10^-7m/s，冷凝板1至冷凝除湿段51与均匀扩散段52接触面的距离为0.5m，超声波加湿器2至均匀扩散段52与超声波加湿段53的接触面的距离为0.5m，湿度预设值为50％，水蒸气扩散系数D为2.6×10^-5m/s。

由此可知时延补偿为：

由此可知，此时湿度B值小于第一湿度阈值，即46.2％<52.5％+1％×1，湿度B值小于第二湿度阈值，即46.2％<47.5％+1％×-1，因此降低冷凝板1的功率，直至湿度B值大于46.5％且小于53.5％；

此时湿度C值小于第一湿度阈值，即51.5％<52.5％+1％×1，湿度C值大于第二湿度阈值，即51.5％>47.5％+1％×-1，因此不对超声波加湿器2的功率做调整，完成本次湿度调控。

在本实施例中，在进行湿度调整时，冷凝板与超声波加湿器的初始功率为50W，每间隔1分钟获取湿度B值与湿度C值，再与第一湿度阈值和第二湿度阈值进行比较，如需调整冷凝板1或超声波加湿器2的功率，每次增大或者降低均为10W，在其他实施例当中，还可根据湿度控制的精准程度对冷凝板1与超声波加湿器2的初始功率、获取湿度B值与湿度C值的间隔时间以及每次调整冷凝板1与超声波加湿器2的功率进行调整，以实现更为精准的湿度调控，此处不再赘述。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种环境模拟舱的湿度控制系统，其特征在于，环境模拟舱分为冷凝除湿段(51)、均匀扩散段(52)与超声波加湿段(53)，其中，所述均匀扩散段(52)设置于所述冷凝除湿段(51)与所述超声波加湿段(53)之间，所述冷凝除湿段(62)设置有用于降低环境模拟舱中湿度的冷凝板(1)，所述超声波加湿段(53)设置有用于提升环境模拟舱中湿度的超声波加湿器(2)以及水箱(4)，所述冷凝除湿段(51)至所述超声波加湿段(53)之间设置有湿度传感器(3)；

所述冷凝除湿段(51)与所述均匀扩散段(52)之间的接触面的平均湿度为第一湿度，所述均匀扩散段与超声波加湿段之间的接触面的平均湿度为第二湿度；

所述冷凝板(1)和超声波加湿器(2)以及水箱(4)根据所述第一湿度和所述第二湿度对环境模拟舱内部湿度进行调控。

2.根据权利要求1所述的湿度控制系统，其特征在于，所述湿度传感器(3)的数量至少为两个，分别为第一湿度传感器(31)，第二湿度传感器(32)，所述第一湿度传感器(31)设置于所述冷凝除湿段(51)与所述均匀扩散段(52)之间的接触面，所述第二湿度传感器(32)设置于所述均匀扩散段(52)与所述超声波加湿段(53)之间的接触面。

3.根据权利要求1所述的湿度控制系统，其特征在于，所述水箱(4)设置于环境模拟舱一端舱体的外部，所述超声波加湿器(2)设置于环境模拟舱内与所述水箱(4)的对应位置。

4.根据权利要求1所述的湿度控制系统，其特征在于，所述水箱(4)中设置有中空纤维滤膜(61)。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的湿度控制系统，其特征在于，所述环境模拟舱的底部开设有水槽(7)，且所述水槽(7)一端与所述水箱(4)相接，水槽(7)另一端设置于所述冷凝板(1)下方，所述水槽(7)整体向所述水箱(4)倾斜。

6.根据权利要求3所述的湿度控制系统，其特征在于，所述环境模拟舱的顶部为圆弧形设计，所述环境模拟舱的底部为凸起底面(8)。

7.一种环境模拟舱的湿度控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1-6中任一项所述的湿度控制系统，所述湿度控制方法包括如下步骤：

步骤1：根据湿度调整的需求设定湿度预设值，并依据湿度预设值设定第一湿度限定值与第二湿度限定值，所述第一湿度限定值大于第二湿度限定值，定义冷凝除湿段(51)与均匀扩散段(52)接触面的平均湿度为湿度B值，均匀扩散段(52)与超声波加湿段(53)的接触面的平均湿度为湿度C值，获取环境模拟舱中湿度B值以及湿度C值；

步骤2：通过冷凝板(1)与超声波加湿器(2)调整湿度，结合时延补偿与补偿系数，分别将湿度B值、湿度C值调整至小于第一湿度限定值，大于第二湿度限定值的湿度区间，完成本次湿度控制。

8.根据权利要求7所述的湿度控制方法，其特征在于，结合时延补偿与补偿系数，分别将湿度B值、湿度C值调整至小于第一湿度限定值，大于第二湿度限定值的湿度区间具体包括：

当湿度B值大于第一湿度阈值时，提升冷凝板(1)的功率，当湿度B值小于第二湿度阈值时，降低冷凝板(1)的功率；

当湿度C值大于第一湿度阈值时，降低超声波加湿器(2)的功率，当湿度C值小于第二湿度阈值时，提升超声波加湿器(2)的功率；

其中，第一湿度阈值根据第一湿度限定值加上时延补偿乘以补偿系数计算获取，第二湿度阈值根据第二湿度限定值加上时延补偿乘以补偿系数计算获取，第一湿度阈值的补偿系数为1，第二湿度阈值的补偿系数为-1。

9.根据权利要求7、8中任一项所述的湿度控制方法，其特征在于，所述第一湿度限定值与第二湿度限定值均需通过湿度预设值结合设置的最大误差获取，所述第一湿度限定值通过以下公式获取：

所述第二湿度限定值通过以下公式获取：

10.根据权利要求7、8中任一项所述的湿度控制方法，其特征在于，所述时延补偿为冷凝板或超声波加湿器调整功率后到湿度B值与湿度C值的时间延迟，通过以下公式计算：

其中，K为除湿系数，取值范围为2×10^-7m/s～3×10^-7m/s；

L为冷凝板至冷凝除湿段与均匀扩散段接触面的距离或者超声波加湿器至均匀扩散段与超声波加湿段的接触面的距离；

H为湿度预设值；

D为水蒸气扩散系数。