雙軸型熱空氣交換試驗(yàn)箱的研制

高 祥，馬 玫

（廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州 510665）

單軸型熱空氣交換老化試驗(yàn)箱無法滿足ISO標(biāo)準(zhǔn)中雙軸在兩個(gè)維度上的旋轉(zhuǎn)要求，其樣品在內(nèi)部空間內(nèi)所受溫度無法達(dá)到雙軸型的溫度均勻性，即會(huì)存在較大溫度偏差。另一方面，對于兩種換氣率算法，前者利用換氣口截面積與換氣口風(fēng)速以及單位時(shí)間的乘積可以獲得該時(shí)間段內(nèi)流出氣體的體積，與工作室容積相除即簡單快速地得到空氣交換率。但是，存在不同的工作室氣體溫度下，空氣密度的差異會(huì)導(dǎo)致該算法得到的結(jié)果有所偏差。

本研制試驗(yàn)箱主要采用雙軸式旋轉(zhuǎn)樣品架，并可調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)速率。使其能夠滿足ISO 4577等標(biāo)準(zhǔn)對于雙軸旋轉(zhuǎn)樣品架的指定需求，同時(shí)對于熱空氣交換率的算法進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化，提出一種基于不同溫度下空氣膨脹系數(shù)與密度的實(shí)時(shí)交換率監(jiān)測方法，具有高效、準(zhǔn)確性。

1 熱空氣交換試驗(yàn)箱的現(xiàn)狀

目前在對高分子材料老化人工加速試驗(yàn)中，采用熱空氣交換試驗(yàn)箱對聚丙烯進(jìn)行人工加速老化，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是ISO 4577《塑料—聚丙烯和丙烯共聚物—在空氣中熱氧化穩(wěn)定性的測定—烘箱法》。標(biāo)準(zhǔn)中有兩種樣品架旋轉(zhuǎn)形式：（1）單軸旋轉(zhuǎn)，即在工作室內(nèi)樣品架在同一維度單向旋轉(zhuǎn)；（2）雙軸旋轉(zhuǎn)，可在橫向和豎向兩個(gè)維度進(jìn)行軸心旋轉(zhuǎn)。

目前，熱空氣交換試驗(yàn)箱是通過試驗(yàn)箱內(nèi)部與外界空氣流動(dòng)保證工作室內(nèi)足夠的氧氣對樣品進(jìn)行老化。標(biāo)準(zhǔn)ISO 4577 中對于空氣交換率要求在20次/h。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的不同，空氣交換速率基本在20次/h及以下。

而國內(nèi)絕大多數(shù)生產(chǎn)廠商多采用單軸樣品結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)較為容易實(shí)現(xiàn)，沒有過多的復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)。雙軸型的結(jié)構(gòu)目前沒有找到有相關(guān)廠家生產(chǎn)具體型號(hào)產(chǎn)品，單軸型主要缺陷為：樣品在工作室運(yùn)動(dòng)范圍較小，無法避免溫度偏差和氣流速度偏差影響。另一方面，對于空氣交換率的計(jì)算存在理論性偏差，因?yàn)樵谀壳皣鴥?nèi)熱空氣交換試驗(yàn)箱普遍采用氣體流量計(jì)算方式，即通過計(jì)算設(shè)備通風(fēng)口處的空氣流速以及截面積最終確定氣體交換率。這種方式缺陷在于沒有考慮不同溫度下氣體的膨脹效應(yīng)，理論計(jì)算結(jié)果會(huì)與實(shí)際數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差。

2 雙軸型樣品架結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

雙軸結(jié)構(gòu)主要由樣品架主體結(jié)構(gòu)、異向齒輪組、伺服電機(jī)組成，主體結(jié)構(gòu)中由十二根樣品支撐橫條均勻布置在兩端由環(huán)形固定板上，中心由橫向軸心帶動(dòng)十二根樣品支撐橫條，另外上述主體結(jié)構(gòu)通過異向齒輪連接至豎向旋轉(zhuǎn)臂、旋轉(zhuǎn)臂連接至伺服電機(jī)，最終完成由伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)豎向旋轉(zhuǎn)臂通過異向齒輪帶動(dòng)主體結(jié)構(gòu)樣品架在橫向、豎向兩個(gè)維度上進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙軸結(jié)構(gòu)樣品轉(zhuǎn)架示意圖Fig.1 Schematic diagram of sample carousel with dual-axis structure

3 氣體交換率計(jì)算的優(yōu)化

目前對空氣交換速率的算法主要分為兩種：

（1）流量換算：通過對交換風(fēng)口的風(fēng)速測定以及風(fēng)口的截面積進(jìn)行換算，如式（1）：

式（1）中：N—換氣率，即每小時(shí)的換氣次數(shù)；ST—換氣口風(fēng)速；M—換氣口截面積；ΔT—單位時(shí)間內(nèi)；V—工作室的容積。

（2）能量消耗：利用老化箱通風(fēng)口、換氣口密封或開啟時(shí)測得箱內(nèi)溫度與環(huán)境溫度，分別求算術(shù)平均值，將測得的電能消耗量換算成平均功率，除以工作室容積、環(huán)境溫度下空氣密度、箱內(nèi)溫度與環(huán)境溫度算術(shù)平均值差三者的乘積。其公式為：

式（2）中：N—換氣率，即每小時(shí)的換氣次數(shù)；hs—系數(shù)（3600）；P2—開啟時(shí)所消耗的平均電功率，單位為瓦；P1—密封時(shí)所消耗的平均電功率，單位為瓦；cP—常壓下空氣的比熱容；ρ—環(huán)境溫度下干空氣的密度；Δt—工作空間溫度與環(huán)境溫度的平均值之差；V—老化箱的工作室容積。

對于兩種換氣率算法，前者利用換氣口截面積與換氣口風(fēng)速以及單位時(shí)間的乘積可以獲得該時(shí)間段內(nèi)流出氣體的體積，與工作室容積相除即簡單快速得到空氣交換率。但是存在不同的工作室氣體溫度下，空氣密度的差異會(huì)導(dǎo)致該算法得到的結(jié)果有所偏差。而后者通過能量消耗計(jì)算空氣交換率，需要在設(shè)備工作室達(dá)到特定溫度下，將所有通風(fēng)口全部密閉測得1h或者更長時(shí)間的電能消耗，然后拆除所有密封，打開所有通風(fēng)口。當(dāng)工作室溫度重新達(dá)到第一步驟設(shè)定溫度穩(wěn)定后再測得1h或更長時(shí)間的電能消耗。然后帶入公式（2）進(jìn)行計(jì)算空氣交換率。該方法根據(jù)能量消耗以及守恒定律進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算,同時(shí)考慮到各個(gè)溫度下空氣的膨脹系數(shù)和密度,可以較為準(zhǔn)確地測量空氣交換率。但是缺點(diǎn)也非常明顯，整個(gè)測定過程需要一個(gè)非常長的時(shí)間，根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)測量的要求，測量時(shí)間至少在2h以上，無法實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控。

本項(xiàng)目特定對原有兩種換氣率算法進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新，考慮其換氣率計(jì)算方式式（1）可以由PLC完成在極短時(shí)間內(nèi)ΔT計(jì)算瞬時(shí)換氣率，而式（1）中原本沒有考慮其空氣在不同溫度下的空氣密度的差異。本方法在原有基礎(chǔ)上引入空氣在不同溫度下的膨脹系數(shù)以及密度體積變化問題。

引入理想氣體狀態(tài)方程，即克拉珀龍方程［1］：pV=nRT，其中p為試驗(yàn)環(huán)境大氣壓強(qiáng)，V為試驗(yàn)環(huán)境內(nèi)部氣體體積，n為物質(zhì)的量，單位mol，R為普適氣體常量，即8.314J/（mol·K），T為試驗(yàn)中氣體的絕對溫度。

本方法中涉及試驗(yàn)設(shè)備工作環(huán)境均在大氣壓強(qiáng)常壓穩(wěn)定狀態(tài)，即采用蓋·呂薩克定律：一定質(zhì)量的氣體，在兩種不同溫度狀態(tài)下壓強(qiáng)不變的條件下，當(dāng)兩種不同溫度狀態(tài)下（兩種不同溫度狀態(tài)所指是試驗(yàn)倉內(nèi)氣體溫度T1與外界環(huán)境的氣體溫度T2），兩種不同溫度狀態(tài)下所處大氣壓強(qiáng)相同時(shí)，一定質(zhì)量氣體的體積跟熱力學(xué)溫度成正比：V1/T1=V2/T2。從而上式中兩種不同溫度下空氣體積與空氣密度成反比關(guān)系，式中得到任意溫度下空氣的密度即能推算出其他溫度下空氣隨溫度變化的體積變化，即ρ1/ρ2=V1/V2。

將式（3）引入式（1）中，即可以得到試驗(yàn)狀態(tài)中固定工作室內(nèi)溫度下，與環(huán)境溫度下兩種狀態(tài)下空氣體積之差，將ΔV作為換氣體積變量，得到換氣率算式：工作室內(nèi)交換氣體的體積大小。

由公式（4）可得在原有流量測算方式中考慮其空氣在不同溫度下體積與密度變化的因素，即氣體因加熱后體積隨溫度升高的正比膨脹，其密度也隨溫度升高發(fā)生反比變化。工作室氣體容積V作為衡量氣體實(shí)際體積的常量也應(yīng)當(dāng)考慮氣體加熱后的體積膨脹效應(yīng)，可以得到近似于能量消耗原理的最終結(jié)果，因?yàn)橥瑫r(shí)考慮了工作室氣溫下空氣的密度體積與常溫下空氣密度體積。而公式（4）中ΔT可以由設(shè)備PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，時(shí)間可以任意設(shè)置為幾分鐘、幾秒、甚至毫秒，這樣就大大提高了算法效率。同時(shí)保證了與能量消耗理論同時(shí)考慮氣體隨溫度變化的體積膨脹效應(yīng)，具備準(zhǔn)確性。

4 整體設(shè)計(jì)方案

該型熱空氣交換試驗(yàn)設(shè)備主要由雙軸旋轉(zhuǎn)樣品架、伺服電機(jī)、工作室、工作室出風(fēng)口、工作室進(jìn)風(fēng)口、工作室強(qiáng)制對流風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、空氣交換風(fēng)門、熱線式風(fēng)速探頭、測溫探頭、PLC控制器、電機(jī)服務(wù)器、觸摸屏等主要組件構(gòu)成。其中雙軸型樣品架在工作室內(nèi)通過萬向軸承連接私服電機(jī)，私服電機(jī)可以設(shè)定旋轉(zhuǎn)速率對其雙軸樣品架主軸進(jìn)行控制，主軸上齒輪與橫向齒輪鉚合帶動(dòng)整個(gè)樣品架在兩個(gè)維度上同時(shí)旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)。整體試驗(yàn)裝置以及雙軸如圖2所示。

圖2 雙軸熱空氣交換試驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)Fig.2 Biaxial hot air exchange test box structure

在控制方面：設(shè)備通過PLC控制器對內(nèi)部工作室內(nèi)加熱系統(tǒng)、雙鼓風(fēng)系統(tǒng)、風(fēng)門系統(tǒng)進(jìn)行控制進(jìn)而對設(shè)備主要參數(shù)溫度、風(fēng)速、換氣率進(jìn)行控制。整體溫度的控制主要由空氣加熱裝置在進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)節(jié)后，進(jìn)行控制。

具體控制邏輯：首先設(shè)備運(yùn)行前設(shè)定溫度值T0、換氣率值N0。在達(dá)到溫度設(shè)定值前的某一個(gè)溫度點(diǎn)T-1前加熱系統(tǒng)全功率工作。因?yàn)榇嬖诩訜釕T性，PID調(diào)節(jié)在溫度達(dá)到設(shè)定值前的T-1后開始介入控制。通過PWM調(diào)節(jié)方式即控制加熱系統(tǒng)的開關(guān)兩種狀態(tài)以及開與關(guān)的延續(xù)時(shí)間，最終通過PID方式積分微分控制達(dá)到設(shè)定溫度T0。對于換氣率，在設(shè)定值N0確定后，即能夠根據(jù)公式（4）推導(dǎo)出風(fēng)口所需風(fēng)口開關(guān)閉合角度，由換氣風(fēng)門進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中變量風(fēng)速以及空氣在設(shè)定值溫度下的空氣密度己確定。

加熱裝置放置于設(shè)備工作室氣體交換風(fēng)道內(nèi)，在外部空氣流入后進(jìn)行加熱后通過工作室進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入工作室，從而實(shí)現(xiàn)溫度控制。風(fēng)速由工作室動(dòng)力風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)速大小調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對工作室整體風(fēng)速的調(diào)節(jié)。換氣率由位于設(shè)備背部換氣口風(fēng)門大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。風(fēng)門開啟閉合的角度最終求得換氣口截面積，進(jìn)行計(jì)算。最終實(shí)現(xiàn)雙軸型熱空氣交換試驗(yàn)箱對于溫度、風(fēng)速以及換氣率三個(gè)核心參數(shù)的控制調(diào)節(jié)工作。

如圖2所示，設(shè)備通過位于工作室外部風(fēng)道內(nèi)加熱裝置對外部流入空氣進(jìn)行加熱，通過工作室進(jìn)風(fēng)口將熱空氣送入工作室，而后通過工作室出風(fēng)口將工作室空氣重新進(jìn)入風(fēng)道進(jìn)行加熱再次進(jìn)入工作室，完成工作室內(nèi)部空氣循環(huán)流動(dòng)滿足設(shè)定風(fēng)速要求的同時(shí)達(dá)到設(shè)定溫度設(shè)定值。其中一部分空氣由設(shè)備空氣交換風(fēng)口流出以及外部空氣進(jìn)入風(fēng)口流入，通過對位于設(shè)備空氣交換風(fēng)口風(fēng)門開關(guān)閉合角度的調(diào)整完成換氣率的設(shè)定要求。

5 結(jié)語

采用雙軸型旋轉(zhuǎn)樣品架驗(yàn)試箱相比較傳統(tǒng)單軸型熱空氣交換老化箱，在測試過程中能夠避免因樣品位置不均勻運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的測試結(jié)果差異化。雙軸型可以讓樣品在工作室內(nèi)更加均勻地接收風(fēng)速以及溫度條件。

另外對于換氣率的測算，通過本方法相比較傳統(tǒng)的流量測試法以及能量消耗測試法，具有精確性以及實(shí)時(shí)性兩個(gè)重要的進(jìn)步。為該類設(shè)備的測試提供了良好的算法基礎(chǔ)，為用戶提供了換氣率的真實(shí)有效性以及可實(shí)時(shí)監(jiān)控性。另外為計(jì)量校準(zhǔn)單位提供了更加快速有效的校準(zhǔn)方法，提高了工作效率。本文研制試驗(yàn)箱具有一定的技術(shù)進(jìn)步性。