建造高精度環(huán)境條件實驗室方法初探

何文奎

摘 要：在航天、激光、光電子等高技術領域，對光學元器件的精度要求越來越高，建造高精度環(huán)境（溫濕度、潔凈度、抗微振）條件要求的實驗室是光學元件研制、加工和檢測技術基礎保障。

關鍵詞：高精度；環(huán)境條件；實現(xiàn)方法

1.引言

伴隨二十一世紀高科技的發(fā)展，尤其是航天、激光、光電子技術等方面日新月異的快速發(fā)展，對光學元器件的精度要求越來越高，而高精度、大尺寸的光學元器件研制、生產(chǎn)、加工、檢測又需要在極高精密控制的環(huán)境（溫度、濕度、潔凈度和抗微振）條件下才能完成。因此，建造高精度環(huán)境條件要求的實驗室是光學元件研制、加工和檢測技術基礎保障。

2.實驗室環(huán)境條件

本實驗室主要是圍繞關鍵區(qū)域的百級凈化和高精度溫度環(huán)境的實現(xiàn)，關鍵溫控區(qū)域65㎡，凈空3500㎜，為臥式激光干涉儀檢測設備使用環(huán)境。關鍵溫控區(qū)域四周的凈化空調(diào)區(qū)域為溫控輔助區(qū)域，輔助區(qū)域利用原有空調(diào)凈化系統(tǒng)改造而成（空間受限），同時要求，輔助區(qū)域溫度控制精度為靜態(tài)情況下21±0.5℃。

2.1關鍵溫控區(qū)域內(nèi)環(huán)境條件要求

（1）溫度控制精度為：靜態(tài)情況下21±0.04℃（設備不通電工作狀態(tài)），激光干涉儀通電情況下22±0.05℃（房間內(nèi)無人員），在激光干涉儀不通電時）關鍵區(qū)域任意兩點間溫差不超過0.05℃/400mm，在激光干涉儀通電狀態(tài)下，關鍵區(qū)域任意兩點（測試點不包括熱源正下方，并距離熱源500MM以上）距離任何熱源間溫差不超過0.06℃/400mm，控制的基礎溫度為21±0.1℃；

（2）濕度： ≤55% RH無凝露；

（3）潔凈度：優(yōu)于5級；

（4）氣壓穩(wěn)定性：±10Pa/15分鐘（與室外壓差值）；

（5）噪聲等級：優(yōu)于54dB（A聲級）；

（6）實驗室可全天候連續(xù)運行，測試狀態(tài)工作時間不少于72小時；

（7）其他要求：送風量穩(wěn)定，關鍵區(qū)域氣流速度為0.12-0.3米/秒可調(diào)。

并充分考慮節(jié)能，通過合理的劃分凈化空調(diào)系統(tǒng)，在保證運行管理方便的前提下考慮節(jié)約初投資。

2.2主要方法和措施

2.2.1圍護結構：

整個關鍵溫控區(qū)域大部分采用50mm厚度的凈化彩鋼板作為房間隔斷，夾心材料為聚氨酯發(fā)泡材料。其中最外圍采用100mm 厚度彩鋼板，增強保溫效果。相比其它彩鋼夾心材料而言，聚氨酯材料有隔熱效果好和強度好的優(yōu)點。溫控輔助區(qū)域凈化等級為1000級，利用原有空調(diào)凈化系統(tǒng)改造而成，具體改造方案需根據(jù)施工現(xiàn)場情況確定，其溫度精度為靜態(tài)情況下21±0.5℃；關鍵溫控區(qū)域凈化等級為100級，溫度精度為21±0.05℃，關鍵溫控區(qū)采用下回風，四周均設回風夾層，為關鍵溫控區(qū)提供溫度穩(wěn)定的空氣隔層，形成“回”字間，即形成關鍵溫控區(qū)與外界之間形成左右前后四面空氣隔層，最大限度的減少因為熱傳導對高精度溫度調(diào)節(jié)的影響，作為保證關鍵溫控區(qū)溫度精度和千級凈化實現(xiàn)的前提條件。

關鍵溫控區(qū)采用密封性好的成品彩鋼板密閉封門，避免在弱空氣正壓工作的情況下外界空氣對室內(nèi)的影響。風管保溫采用60mm的橡塑保溫（通常普通空調(diào)為20mm厚度保溫），盡量減少外界溫度變化通過風管外壁對關鍵溫控區(qū)溫度調(diào)節(jié)的影響。

由于采用了50mm厚度夾層彩鋼，并形成除地面以外的五面空氣隔層，聚氨酯夾心鋼板的導熱系數(shù)為0.024W/（m·K），按輔助區(qū)最不利的溫度計算，內(nèi)外溫差只有0.22℃，因此通過四周彩鋼維護結構而產(chǎn)生的熱傳導干擾可以忽略。因此主要干擾為風管保溫面積，但末端加熱后的風管面積很小，是完全可以克服的。

2.2.2空調(diào)送風方式選擇和設備配置

空調(diào)系統(tǒng)送回風方式為：孔板上送風、微孔地板下回風的送回風方式，以微孔風速不超過0.6米/秒計算送風孔板和微孔地板的開孔面積，保證送回風均勻性和溫場分布的均勻性。

在凈化型高精密空調(diào)機組送回風口設置消聲器，并保證送回風管道內(nèi)風速符合：

主風管風速≤8.0米/秒

支風管風速≤6.0米/秒

末端風管風速≤4.0米/秒

室內(nèi)送風孔板風速0.6米/秒

室內(nèi)平均風速0.3米/秒

回風（地板微孔）風速≤0.9米/秒

回風夾道內(nèi)風速≤2.0米/秒

充分考慮到：所需的空調(diào)系統(tǒng)必須能夠確保處于全年365天24小時不間斷工作模式，對設備包括控制系統(tǒng)的可靠性要求極高，因此，采用一臺獨立的高精度凈化空調(diào)機組（每臺機組具備兩個單獨的制冷系統(tǒng)，可互為備用），并在送風管路上設多級精密調(diào)節(jié)加熱器。

高精度恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的設備配置（按關鍵溫控區(qū)面積為65㎡配套）：

2.2.3自動控制

圍繞著關鍵溫控區(qū)的溫度精度實現(xiàn)，自動控制系統(tǒng)將達到如下要求：

（1）溫度的高精度采集：采用先進的高精度石英晶體溫度傳感器和配套的溫度儀表作為高精度溫度采集單元。其溫度指標為：綜合測量精度為≤±0.1℃（國家溫溫度度標準源單位可以做非常規(guī)標定的最小精度），測量漂移量≤0.01℃/三個月。溫度采集分辨度為0.0001℃，同一儀表各只傳感器之間采集誤差≤0.01℃，使用壽命可達8年以上。

（2）溫度數(shù)據(jù)的傳輸：為了減少溫度變送器帶來的變送誤差和溫度漂移，采用通過通訊方式直接讀取儀表溫度參數(shù)到控制器的特殊方法，并已與類似儀表進行聯(lián)機實驗，取得較好效果。

（3）傳感器的設置：關鍵溫控區(qū)內(nèi)設置2只高精度傳感器，吊裝，盡量接近工作面，其中任何一只參與系統(tǒng)控制，另一只僅作為監(jiān)測顯示；同時設置一個濕度傳感器和一個風壓傳感器（測量室內(nèi)與輔助區(qū)之間的壓差，并調(diào)節(jié)到保持5Pa以上的數(shù)值）。

設置一臺PC機作為中央工作站，可顯示實時溫度、實時溫度曲線和歷史溫度曲線，并儲存歷史溫度數(shù)據(jù)。

（4）高精度控制：采用SIEMENS300系列PLC，型號為S7-300，并使用非標準的16位高精度輸入輸出模塊，溫度調(diào)節(jié)過程控制采用四級PID調(diào)節(jié)方式。程序編制滿足±0.05℃的結果。

（5）高精度驅動：采用四級高分辨度可控硅調(diào)功器單元，并配置連續(xù)調(diào)節(jié)的新風電動閥門和排風閥門，以穩(wěn)定房間的正壓。

（6）中央工作站：完成系統(tǒng)的操作和系統(tǒng)監(jiān)控，空氣處理過程以動態(tài)圖的方式顯示，顯示實時溫度、實時溫度曲線和歷史溫度曲線，并儲存歷史溫度度數(shù)據(jù)。充分顯示對現(xiàn)實溫度的描述和對歷史溫度數(shù)據(jù)的追溯，為加工試驗提供溫度依據(jù)。

中央工作站為空調(diào)管理和控制提供簡單易用的圖形界面，可提供多任務的操作環(huán)境以高效地同時執(zhí)行多種程序。工作站和Windows 2000或Windows XP的多任務環(huán)境相結合，提供強大的網(wǎng)絡性能，易于使用和管理。

通過該工作站，用戶可以做到：

---通過圖形顯示監(jiān)測和控制實驗室環(huán)境

---計劃和修改設備的工作

---不同系統(tǒng)條件下運行報告

---搜集和分析趨勢數(shù)據(jù)

---必要時通過擴展應用提高工作站功能

---可與其他的工作站相連接，通過網(wǎng)絡進行集中的系統(tǒng)管理

---通過Windows 2000或Windows XP的多任務操作環(huán)境可同時、有效地執(zhí)行多個任務

2.2.4施工過程中的其他因素

（1）需要在激光干涉儀進場后做二次熱源隔離處理和可開啟風罩設計制作。

（2）原有房間是一個300㎡的5級潔凈區(qū)域，各種管線交叉分布，高度有限，對送回風管路布局安裝和靜壓空間都有較大影響，需要充分考慮，合理布局。

（3）由于精密溫控區(qū)圍護結構內(nèi)壁支撐在大區(qū)域抗微振筏板基礎上，必須同時考慮送回系統(tǒng)振動對原有檢測設備和激光干涉儀傳導的影響。

3.結論

安裝工程完成后，進行初步調(diào)試，在激光干涉儀進場安裝調(diào)試的同時，建立溫控系統(tǒng)靜態(tài)（開機無人）、動態(tài)（有人操作）技術狀態(tài)基線，然后投入自控運行。經(jīng)過三個月的聯(lián)動試運行，各項指標均已實現(xiàn)，滿足激光干涉儀檢測光學元件對環(huán)境指標的要求。隨著光學工程快速發(fā)展，多環(huán)境指標、高精度要求的光學檢測實驗室的需求將會越來越多，因此，通過該工程的實踐，不斷深化總結，對以后建造類似的實驗室工程具有較好參考價值。

設置一臺PC機作為中央工作站，可顯示實時溫度、實時溫度曲線和歷史溫度曲線，并儲存歷史溫度數(shù)據(jù)。

（4）高精度控制：采用SIEMENS300系列PLC，型號為S7-300，并使用非標準的16位高精度輸入輸出模塊，溫度調(diào)節(jié)過程控制采用四級PID調(diào)節(jié)方式。程序編制滿足±0.05℃的結果。

（5）高精度驅動：采用四級高分辨度可控硅調(diào)功器單元，并配置連續(xù)調(diào)節(jié)的新風電動閥門和排風閥門，以穩(wěn)定房間的正壓。

（6）中央工作站：完成系統(tǒng)的操作和系統(tǒng)監(jiān)控，空氣處理過程以動態(tài)圖的方式顯示，顯示實時溫度、實時溫度曲線和歷史溫度曲線，并儲存歷史溫度度數(shù)據(jù)。充分顯示對現(xiàn)實溫度的描述和對歷史溫度數(shù)據(jù)的追溯，為加工試驗提供溫度依據(jù)。

中央工作站為空調(diào)管理和控制提供簡單易用的圖形界面，可提供多任務的操作環(huán)境以高效地同時執(zhí)行多種程序。工作站和Windows 2000或Windows XP的多任務環(huán)境相結合，提供強大的網(wǎng)絡性能，易于使用和管理。

通過該工作站，用戶可以做到：

---通過圖形顯示監(jiān)測和控制實驗室環(huán)境

---計劃和修改設備的工作

---不同系統(tǒng)條件下運行報告

---搜集和分析趨勢數(shù)據(jù)

---必要時通過擴展應用提高工作站功能

---可與其他的工作站相連接，通過網(wǎng)絡進行集中的系統(tǒng)管理

---通過Windows 2000或Windows XP的多任務操作環(huán)境可同時、有效地執(zhí)行多個任務

2.2.4施工過程中的其他因素

（1）需要在激光干涉儀進場后做二次熱源隔離處理和可開啟風罩設計制作。

（2）原有房間是一個300㎡的5級潔凈區(qū)域，各種管線交叉分布，高度有限，對送回風管路布局安裝和靜壓空間都有較大影響，需要充分考慮，合理布局。

（3）由于精密溫控區(qū)圍護結構內(nèi)壁支撐在大區(qū)域抗微振筏板基礎上，必須同時考慮送回系統(tǒng)振動對原有檢測設備和激光干涉儀傳導的影響。

3.結論

安裝工程完成后，進行初步調(diào)試，在激光干涉儀進場安裝調(diào)試的同時，建立溫控系統(tǒng)靜態(tài)（開機無人）、動態(tài)（有人操作）技術狀態(tài)基線，然后投入自控運行。經(jīng)過三個月的聯(lián)動試運行，各項指標均已實現(xiàn)，滿足激光干涉儀檢測光學元件對環(huán)境指標的要求。隨著光學工程快速發(fā)展，多環(huán)境指標、高精度要求的光學檢測實驗室的需求將會越來越多，因此，通過該工程的實踐，不斷深化總結，對以后建造類似的實驗室工程具有較好參考價值。

設置一臺PC機作為中央工作站，可顯示實時溫度、實時溫度曲線和歷史溫度曲線，并儲存歷史溫度數(shù)據(jù)。

（4）高精度控制：采用SIEMENS300系列PLC，型號為S7-300，并使用非標準的16位高精度輸入輸出模塊，溫度調(diào)節(jié)過程控制采用四級PID調(diào)節(jié)方式。程序編制滿足±0.05℃的結果。

（5）高精度驅動：采用四級高分辨度可控硅調(diào)功器單元，并配置連續(xù)調(diào)節(jié)的新風電動閥門和排風閥門，以穩(wěn)定房間的正壓。

（6）中央工作站：完成系統(tǒng)的操作和系統(tǒng)監(jiān)控，空氣處理過程以動態(tài)圖的方式顯示，顯示實時溫度、實時溫度曲線和歷史溫度曲線，并儲存歷史溫度度數(shù)據(jù)。充分顯示對現(xiàn)實溫度的描述和對歷史溫度數(shù)據(jù)的追溯，為加工試驗提供溫度依據(jù)。

中央工作站為空調(diào)管理和控制提供簡單易用的圖形界面，可提供多任務的操作環(huán)境以高效地同時執(zhí)行多種程序。工作站和Windows 2000或Windows XP的多任務環(huán)境相結合，提供強大的網(wǎng)絡性能，易于使用和管理。

通過該工作站，用戶可以做到：

---通過圖形顯示監(jiān)測和控制實驗室環(huán)境

---計劃和修改設備的工作

---不同系統(tǒng)條件下運行報告

---搜集和分析趨勢數(shù)據(jù)

---必要時通過擴展應用提高工作站功能

---可與其他的工作站相連接，通過網(wǎng)絡進行集中的系統(tǒng)管理

---通過Windows 2000或Windows XP的多任務操作環(huán)境可同時、有效地執(zhí)行多個任務

2.2.4施工過程中的其他因素

（1）需要在激光干涉儀進場后做二次熱源隔離處理和可開啟風罩設計制作。

（2）原有房間是一個300㎡的5級潔凈區(qū)域，各種管線交叉分布，高度有限，對送回風管路布局安裝和靜壓空間都有較大影響，需要充分考慮，合理布局。

（3）由于精密溫控區(qū)圍護結構內(nèi)壁支撐在大區(qū)域抗微振筏板基礎上，必須同時考慮送回系統(tǒng)振動對原有檢測設備和激光干涉儀傳導的影響。

3.結論

安裝工程完成后，進行初步調(diào)試，在激光干涉儀進場安裝調(diào)試的同時，建立溫控系統(tǒng)靜態(tài)（開機無人）、動態(tài)（有人操作）技術狀態(tài)基線，然后投入自控運行。經(jīng)過三個月的聯(lián)動試運行，各項指標均已實現(xiàn)，滿足激光干涉儀檢測光學元件對環(huán)境指標的要求。隨著光學工程快速發(fā)展，多環(huán)境指標、高精度要求的光學檢測實驗室的需求將會越來越多，因此，通過該工程的實踐，不斷深化總結，對以后建造類似的實驗室工程具有較好參考價值。