基于露點(diǎn)控濕法的氣候箱節(jié)能控制系統(tǒng)研究

劉紅艷,程營超

(濟(jì)南天辰試驗(yàn)機(jī)制造有限公司,山東 濟(jì)南 250104)

0 引言

甲醛與揮發(fā)性有機(jī)化合物(volatile organic compound,VOC)對人體健康影響巨大,被世界衛(wèi)生組織認(rèn)定為強(qiáng)致癌物[1]。針對日常生活中家庭裝修裝飾材料中甲醛釋放量的檢測問題,世界各國及國際組織制定了一系列的法定檢驗(yàn)方法[2]。其中,氣候箱檢測方法是國內(nèi)外普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)方法。該方法的特點(diǎn)是模擬室內(nèi)氣候環(huán)境,使檢測結(jié)果更貼近實(shí)際,因而真實(shí)、可靠[3]。

氣候箱內(nèi)溫度和濕度的穩(wěn)定性對試樣中甲醛的釋放量影響較大。為了將箱內(nèi)溫度和相對濕度嚴(yán)格控制在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi),國內(nèi)外諸多學(xué)者進(jìn)行了不同程度的研究,并且取得了相當(dāng)好的控制效果[4-6]。但是在這些溫濕度控制的研究中,學(xué)者們往往忽略了氣候箱檢測過程中的系統(tǒng)功耗問題。以我國目前市場上常見的1 m3甲醛釋放量檢測氣候箱為例,傳統(tǒng)的溫濕度控制方法是使用冷熱對抗熱補(bǔ)償來控制溫度水箱的溫濕度和露點(diǎn)水桶的溫濕度,以使箱內(nèi)的溫度和相對濕度穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)。由于2個水箱的制冷機(jī)組一直處于運(yùn)行狀態(tài),有些試驗(yàn)需要?dú)夂蛳溥B續(xù)運(yùn)行時(shí)間長達(dá)28 d甚至更多[7]。如果氣候箱使用環(huán)境的散熱通風(fēng)效果不佳,制冷機(jī)組會因?yàn)檫^熱保護(hù)而停止工作,從而造成箱內(nèi)溫度和相對濕度在一定時(shí)間內(nèi)無法控制。因?yàn)榧訜崞鞯墓β蔬x取必須大于制冷效率,所以1臺設(shè)備會因運(yùn)行功率過大而造成資源浪費(fèi)。這也會給用戶帶來很大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

為了響應(yīng)國家《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》的號召和滿足客戶的需求,本文提出了間歇比例調(diào)節(jié)的控制方法,并結(jié)合合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件選型進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)既可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、快速的溫濕度控制,又大大減少了設(shè)備的運(yùn)行功耗,達(dá)到了節(jié)約資源的目的。

1 測試系統(tǒng)原理

氣候箱法測定甲醛釋放量的原理是將表面積一定的試樣放入氣候箱內(nèi),并將箱內(nèi)的溫度、相對濕度、空氣流速和空氣置換率都控制在一定的范圍內(nèi)。試樣中的游離甲醛釋放出來與箱內(nèi)的空氣混合。測試需定期抽取箱內(nèi)氣體,并將抽出的氣體通過盛有蒸餾水的吸收瓶,使空氣中的游離甲醛全部溶于水中。測試需檢測吸收液中甲醛含量及抽取的空氣體積,從而計(jì)算出單位體積空氣中的甲醛含量。

本文提出的溫度及相對濕度控制方法是基于西門子S7-200 Smart系列可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)及Smart Line 700IE V3面板作為人機(jī)交互觸摸面板而進(jìn)行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)由主機(jī)箱、循環(huán)風(fēng)機(jī)、氣泵、循環(huán)水泵、溫濕度傳感器、水箱、流量計(jì)、加熱管、制冷機(jī)、管路及控制部件等組成。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

氣候箱內(nèi)的溫度采用蒸發(fā)器循環(huán)控溫。蒸發(fā)器內(nèi)部有一定溫度的循環(huán)水,利用空氣層的空氣循環(huán)對試驗(yàn)艙體進(jìn)行熱量交換從而實(shí)現(xiàn)溫度的控制。氣候箱內(nèi)的濕度采用露點(diǎn)溫度控制法,即某一露點(diǎn)溫度的水在淋水塔內(nèi)與潔凈的空氣充分接觸,產(chǎn)生同溫飽和水蒸汽,并進(jìn)入一定溫度下的氣候箱內(nèi),以產(chǎn)生對應(yīng)于溫度的相對濕度。由于不同的溫度下飽和水蒸汽的含水率不同,飽和濕度會隨溫度的改變而變化。因此,在露點(diǎn)控濕水箱中需要1套加熱器和制冷器以控制水箱中的水汽溫度。同時(shí),空氣置換率的大小會影響水箱內(nèi)溫濕度的平衡穩(wěn)定時(shí)間。氣候箱內(nèi)的風(fēng)循環(huán)是由變頻器控制后部的軸流風(fēng)機(jī)吸入,從頂部的多孔板均勻排出,具有良好的循環(huán)效果。

2 硬件系統(tǒng)

2.1 氣候箱體

為了將氣候箱內(nèi)氣體長時(shí)間保持在一定的溫度、相對濕度及風(fēng)速條件下,試驗(yàn)對氣候箱的結(jié)構(gòu)和工藝提出了很高的要求。

氣候箱體具體分為外壁、保溫層、空氣層和內(nèi)艙。箱體外壁為不銹鋼板靜電噴塑,以優(yōu)質(zhì)擠塑板作為保溫隔熱材料。箱門使用硅橡膠密封膠條進(jìn)行邊緣密封,以確?？諝鈯A層中的氣體不與艙內(nèi)氣體交換。內(nèi)艙為工作艙。艙內(nèi)不銹鋼鏡面的4個角采用大倒角設(shè)計(jì)、滿焊焊接處理,以確保密封性能良好。與內(nèi)艙接觸的進(jìn)氣部分及全部管路和水循環(huán)部分全部采用不銹鋼管,以保證所有箱體材料均不會吸附、釋放甲醛和VOC。另外,在艙門合適位置內(nèi)嵌1塊方形鋼化玻璃作為觀察窗,以便工作人員觀察艙內(nèi)試驗(yàn)情況。在艙門上設(shè)有3個空氣樣品采集孔,采樣管道通過不銹鋼管與內(nèi)壁不銹鋼面板相連接,中間不接觸夾套層,不受夾套層空氣影響。艙門采用聚四氟乙烯做密封材料,活性炭或者Tenax采樣管可直接伸進(jìn)測試艙內(nèi)進(jìn)行采樣。為避免取樣口受外部空氣影響,其也可匹配連接乳膠管。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)以西門子Smart系列PLC為核心,包括擴(kuò)展模塊數(shù)字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、熱電阻模塊、模擬量輸入信號板等。中央處理器(centrol processing unit,CPU)模塊負(fù)責(zé)與觸摸屏模塊通信并處理和傳輸數(shù)據(jù)。為了滿足用戶需要,本文控制系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),可在任何地方通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器或手機(jī)應(yīng)用軟件,遠(yuǎn)程訪問和控制設(shè)備。

值得注意的是,控制系統(tǒng)中的溫濕度控制是氣候箱的主要控制部分。為達(dá)到滿意的控制效果,系統(tǒng)需要選取合適的加熱和制冷裝置。加熱和制冷裝置的功率過大容易引起超調(diào),功率過小平衡時(shí)間則會加長。本文依據(jù)水箱的容積大小及型式試驗(yàn)的實(shí)際效果,分別選取了1 kW的電阻式加熱管和0.25 kW的制冷壓縮機(jī)。溫濕度傳感器作為重要的信息采集和參數(shù)反饋單元,選取了對噪聲信號不敏感的4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流環(huán)信號的變送器,以保證溫度和濕度測量的精度和穩(wěn)定性。

在系統(tǒng)運(yùn)行期間,水泵需要一直運(yùn)轉(zhuǎn)。普通的離心水泵如果沒有散熱和冷卻措施,極易由于長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)熱而被燒毀。因此,本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)選取了額定功率為15 W的磁力泵。該磁力泵功耗低、效率高、安全性高。

本文控制系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)。

①溫濕度采集系統(tǒng)使用4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號,因而抗干擾能力強(qiáng)、信號穩(wěn)定、精度高。

②系統(tǒng)使用熱電阻監(jiān)控水箱中的溫度,設(shè)計(jì)有溫度超限報(bào)警功能。

③系統(tǒng)利用變頻器的調(diào)壓調(diào)速實(shí)現(xiàn)對軸流風(fēng)機(jī)的控制,以達(dá)到穩(wěn)定的空氣置換效果。

④系統(tǒng)使用固態(tài)繼電器控制加熱、制冷及水泵的啟停,干擾小且使用壽命長。

⑤水位傳感器實(shí)時(shí)檢測水箱水位,并具有水位過低報(bào)警功能。

⑥系統(tǒng)具有一鍵上水功能。

⑦系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)本機(jī)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 主要控制程序設(shè)計(jì)

不同于傳統(tǒng)的冷熱對抗熱補(bǔ)償?shù)臏貪穸瓤刂品椒?本文提出的溫度和相對濕度控制采用間歇比例調(diào)節(jié)控制方法。該控制方法克服了由于時(shí)間滯后以及超調(diào)引起的被控量的不確定性帶來的擾動,在保證系統(tǒng)控制穩(wěn)定性和可靠性的基礎(chǔ)上達(dá)到了節(jié)約資源的目的。

程序控制的思路架構(gòu)為:先設(shè)定需要達(dá)到的氣候箱內(nèi)的溫度值和相對濕度值,再獲取實(shí)時(shí)溫度值和實(shí)時(shí)相對濕度值,最后分別根據(jù)兩者之間的差值與設(shè)置閾值的比較,啟用不同的溫度調(diào)節(jié)比例。溫度調(diào)節(jié)單元包括分別與控制器連接的制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)。濕度調(diào)節(jié)單元包括分別與控制器連接的制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)。

系統(tǒng)中的溫度和相對濕度控制模塊設(shè)計(jì)如下。

氣候箱內(nèi)實(shí)測溫度大于設(shè)定溫度,且差值大于所設(shè)溫度誤差閾值時(shí),依據(jù)該差值比例大小啟動溫度水箱的比例制冷控制。當(dāng)?shù)竭_(dá)一次制冷時(shí)間時(shí),關(guān)閉溫度水箱制冷系統(tǒng),讓系統(tǒng)自循環(huán)3 min。3 min后,系統(tǒng)再次判斷箱內(nèi)實(shí)測溫度和設(shè)定溫度的差值,并與設(shè)定溫度誤差閾值進(jìn)行比較,依據(jù)兩者的差值大小再次啟動比例制冷控制。如此循環(huán),直至箱內(nèi)實(shí)測溫度和設(shè)定溫度的差值不大于所設(shè)溫度誤差閾值。3 min的時(shí)間間隔可以避免制冷壓縮機(jī)的頻繁啟動,起到了保護(hù)壓縮機(jī)的作用,也節(jié)省了設(shè)備功耗。

控制流程如圖3所示。

圖3 控制流程圖

在上述溫度水箱降溫的同時(shí),系統(tǒng)判斷箱內(nèi)實(shí)測相對濕度與設(shè)定相對濕度的差值。如差值超出所設(shè)相對濕度誤差閾值且需要加濕時(shí),則開啟露點(diǎn)水塔自循環(huán)系統(tǒng)。如差值超出所設(shè)相對濕度誤差閾值且需要降濕時(shí),則開啟露點(diǎn)水塔制冷系統(tǒng),直至露點(diǎn)水塔溫度達(dá)到制冷下限值。如差值不超出所設(shè)相對濕度誤差閾值,則依溫度水箱的制冷比例進(jìn)行露點(diǎn)水塔比例制冷控制。系統(tǒng)的濕度控制依據(jù)露點(diǎn)控制溫度法的特性進(jìn)行。在箱內(nèi)溫度不變的情況下,露點(diǎn)溫度升高,相對濕度就增大;露點(diǎn)溫度降低,相對濕度就減少。

系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)露點(diǎn)水箱內(nèi)的溫度使不同含水率的飽和水蒸汽進(jìn)入箱內(nèi),從而使系統(tǒng)濕度快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由于本文控制系統(tǒng)的特性有別于標(biāo)準(zhǔn)的露點(diǎn)水塔控制法,所以露點(diǎn)溫度只作為控制系統(tǒng)中的參考溫度,不作為目標(biāo)溫度。

露點(diǎn)溫度的計(jì)算是采用干球和濕球溫度表測量水汽壓時(shí)的半經(jīng)驗(yàn)式[8-9]:

e=Et′-AP(t-t′)

(1)

式中:e為監(jiān)測時(shí)空氣中的水汽壓,hPa;Et′為濕球溫度為t′時(shí)的飽和水汽壓,hPa;A為干濕表常數(shù),其值取決于濕球附近的空氣流速,本計(jì)算中取0.000 667;P為監(jiān)測時(shí)的大氣壓,hPa;t為干球溫度,℃;t′為濕球溫度,℃。

相對濕度的計(jì)算式中飽和水汽壓式采用經(jīng)驗(yàn)式,即Tetens式[10]。相對濕度的計(jì)算如式(2)所示。

(2)

式中:Et為干球溫度為t時(shí)的飽和水汽壓,hPa;U為相對濕度,采用百分比例表示。

Tetens式如式(3)所示。

(3)

4 試驗(yàn)結(jié)果與要求

本文設(shè)定溫度穩(wěn)定值為23 ℃,相對濕度穩(wěn)定值為50%、氣候箱艙內(nèi)氣體初始值溫度為24.7 ℃、相對濕度為42.6%、試驗(yàn)周期為4 h(14 400 s)。Smart Line設(shè)置數(shù)據(jù)采集間隔為10 s,即溫度和相對濕度各得到數(shù)據(jù)點(diǎn)1 440個。由于制冷壓縮機(jī)的間歇控制,溫度和相對濕度相應(yīng)存在周期性波動,但溫度波動幅度不大于0.2 ℃、相對濕度波動幅度不大于1.0%。

系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用控制效果如圖4所示。

圖4 控制效果圖

溫度局部放大如圖5所示。

圖5 溫度局部放大圖

相對濕度局部放大如圖6所示。

圖6 相對濕度局部放大圖

實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明,本文控制系統(tǒng)的溫濕度控制效果滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。經(jīng)過測定,系統(tǒng)的平均運(yùn)行功率小于等于1 kW。國內(nèi)市場上用量較多的某品牌氣候箱運(yùn)行功率為4 kW。以單次試驗(yàn)28 d計(jì)算,本文系統(tǒng)可節(jié)約電能2 016 kW·h,給用戶帶來了實(shí)質(zhì)性的經(jīng)濟(jì)成本節(jié)約。該系統(tǒng)已經(jīng)投入實(shí)際運(yùn)用,且得到了很好的用戶反響。

由于溫度和相對濕度的控制效果與箱內(nèi)空氣循環(huán)速度有密切的關(guān)系,在實(shí)現(xiàn)本文提出的溫濕度控制模塊功能時(shí)一定要保證氣候箱密封和保溫良好,并且箱內(nèi)空氣流速須均勻穩(wěn)定,能實(shí)現(xiàn)與外界潔凈氣體的連續(xù)循環(huán)。

5 結(jié)論

本文基于西門子PLC,結(jié)合露點(diǎn)水塔控濕法的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了1種氣候箱節(jié)能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的溫濕度控制方法在保證控制精度的基礎(chǔ)上,很大程度上減少了傳統(tǒng)的冷熱對抗方法帶來的電能消耗,具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本文提出的控制系統(tǒng)雖然能達(dá)到高精度、節(jié)能的目的,但是在溫濕度控制中,濕度的起始波動幅度相對較大,且達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間較長。在今后的工作中,需要深入研究溫度滯后的控制模型,或者考慮干濕氣體比例控制的控濕方法,以彌補(bǔ)當(dāng)前系統(tǒng)的不足。