光學產品用氮氣試驗室系統設計及實現

劉西強，王 滈

（陜西省電子信息產品監督檢驗院，陜西西安 710004）

光學產品因其不同的用途，常常處于高溫、高濕、高寒等非常復雜嚴酷的環境中。由于光學器件敏感又關鍵，必須保證在復雜的溫濕度環境中長時間穩定工作，因此在制造和出廠檢驗過程中，要經過嚴格的環境試驗考核，以驗證其工作可靠性、性能穩定性和數據的準確性。因為空氣成分[1]中含有氧氣和水蒸氣，光學零件和儀器進行各類環境試驗時，隨著試驗空間溫度的變化，常常出現表面結露[2],使光學器件生銹、發霉、短路，空氣中的氧氣容易使光學芯片等表面氧化，嚴重影響光學產品試驗結果準確性。

筆者為某光學研究所設計研制的氮氣環境試驗室，利用氮氣化學性質穩定[3-4]，不易與其他物質發生反應，在試驗室充入高純度氮氣，光學器件所在空間的氧氣和水蒸氣含量大幅降低，高純度的氮氣還具有受熱時膨脹率低的優良特性，有效解決了上述問題。同時，通過電腦對光學產品環境試驗進行實時監控，為測試人員提供了實時、準確、動態的監控方法和手段,大大提高了光學產品環境試驗數據準確性和試驗效率，并且降低了人工成本。

1 光學產品環境試驗研究現狀

環境試驗是為了保證產品在規定的壽命期間，在預期的使用、運輸或貯存的所有環境下，保持功能可靠性而進行的活動，是將產品暴露在自然或人工的環境條件下進行試驗，以評價產品在實際使用、運輸和貯存環境條件下的性能。光學產品環境試驗[5]常用的有高溫、低溫、溫度沖擊、溫度循環、低氣壓、恒定或交變濕熱、砂塵、鹽霧、霉菌、淋雨、太陽輻射等單一或組合環境試驗。常用的設備有高溫老化箱、鹽霧箱、高低溫箱、恒溫恒濕箱、紫外線試驗箱等。光學儀器的環境試驗方法按IEC、MIL、ISO、GB、GJB等標準或用戶要求的環境試驗方式來進行。沒有環境試驗，就無法正確鑒別產品的品質。環境試驗越真實準確，產品的可靠性越好。由于空氣成分中氧氣大約占21%，水蒸氣大約占0.03%，克服光學實驗環境中水蒸氣和氧氣影響的常見方式有3 種：

1）試驗箱安裝玻璃內門方式：打開試驗箱門時外部空氣水分會進入試驗室，安裝玻璃內門，通過操作孔操作可以降低空氣進入流量。有效降低水分含量但無法改變空氣中氧氣的含量。

2）干風吹掃方式：將干燥空氣低壓吹入工作室或試樣表面，憑借低露點空氣對水分的吸附能力，達到干燥工作室空氣的目的。在理想狀態下，工作室內的水會被低露點干燥空氣吸附，并被后面的干燥空氣吹出工作室。需要配置空壓機和干燥機。這種方式用于除去空氣中的水分，有效防止凝露，但對于大容積試驗室效果不明顯。

3）試驗室氣流相對于室外為正壓：調整試驗室鼓風機位置和方向，使得風向循環造成內部氣壓大于外部氣壓，防止外部空氣通過電纜孔和縫隙進入室內，有效降低室內空氣水分含量。

以上3 種方式是人們在長期工作實踐中總結出來的試驗方法，有效防止實驗過程中因為空氣中水分造成的光學器件表面凝露的問題，大大降低了試驗風險，各有利弊，但仍然無法徹底解決實際工作中的問題。

氮氣保護環境試驗裝置是眾多環境試驗裝備的一種，空氣成分中氮氣大約占78%，氮氣化學性質穩定，不易與其他物質發生反應，在工作室中充入高濃度的氮氣進行氣氛保護，可以有效降低環境中氧氣和水分含量，為光學儀器或零件提供一定溫濕度條件下的高濃度氮氣試驗環境，使光學儀器或零件的氧化及老化程度減弱。同時因為有效降低空氣中的水分含量，防止零件表面凝露、結霜及發霉等現象的發生，從而延長試樣使用壽命并提高其可靠性。

文中論述了一種光學產品用氮氣環境試驗室的設計和實踐。該裝置由氮氣環境試驗室、制氮機及其輸送系統、氣氛（濃度）監測系統、強制換氣系統、溫度控制系統、除濕機系統及電氣控制以及遠程控制系統等組成，可以滿足光學儀器或零件在一定溫濕度時氮氣環境狀態下的相關試驗。

2 氮氣環境試驗室系統設計方案

氮氣環境試驗室原理框圖如圖1 所示，氮氣環境試驗室由6 個子系統組成：氮氣箱試驗室、制氮機及其輸送系統、氣氛（包含氮氣濃度和氧氣濃度）監測系統、強制換氣系統、溫濕度控制系統、電氣控制系統。

圖1 氮氣環境試驗室系統原理框圖

在試驗室內配置了4 個攝像頭，用于遠程觀察試驗室內試件工作情況，同時在正面和兩側面布置了共4 個透明觀察窗，用于近距離觀察試驗室中的情況。氮氣環境試驗室結構圖見圖2。

圖2 氮氣環境試驗室結構圖

2.1 主要技術指標

該氮氣環境試驗室按照某型光學儀器的需求進行設計，主要指標如下：

①試驗室容積：50 m3，外部體積：62 m3；

②試驗室溫度：20±5 ℃，濕度＞35%RH；

③試驗室氮氣濃度：＞95%；

④氮氣進氣量：10 m3/h；

⑤通入氮氣氣源的濃度:99%；

⑥強制換氣量：90 m3/min。

2.2 結構設計及安全防護

氮氣環境試驗室采用分段拼接式箱體結構，便于在現場快速組裝。外殼材料采用冷軋鋼板，酸洗后噴粉進行表面特殊處理，有效防止弱酸堿環境腐蝕。內膽材料采用不銹鋼板，滿焊處理。試驗室內整體表面光潔平整，并耐老化、耐腐蝕、易清洗、無泄露。箱體整體骨架采用4～5 號型鋼制作，牢固可靠。為了防止被試光學試樣振動，將光學試樣直接安裝于試驗室內底板中央，不與試驗室四周箱體接觸。底板經特殊處理，承重不小于1 500 kg/m3，傾斜度小于1%，有效防止傳統結構下箱體底板的振動影響光學產品試驗結果準確性。

環境試驗室正面大門為左右雙開門，便于試驗人員進出。大門配有鎖緊裝置，采用環保型耐高溫硅橡膠門密封條，關閉后不漏氣。試驗室內設置緊急開門裝置，能在工作室內打開大門，以確保操作人員安全。防爆式鋼化玻璃觀察窗安裝在正面，左右大門適當位置各1 個，照明裝置位于試驗室頂部中央，設置可開關控制的低壓防潮防爆照明燈4 個，便于觀察試驗室內工作情況。

頂部設置單開門,位于環境試驗室頂部中央。采用滑軌導向，氣動開啟，可左右移動。被試大型光學試驗儀器可從頂部大門放入和移出。

超壓保護儀表接口位于環境試驗室后部中央，離地高度約1 800 mm，用于安裝指針式電接點壓力保護儀表，對環境試驗室內的壓力進行超壓保護，當環境試驗室內壓力超過0.12 MPa（該閾值可調）時，停止向環境試驗室內通入氮氣并報警。

3 氮氣環境試驗系統關鍵技術

光學試驗用氮氣環境試驗室設計要求非常高，其中氮氣濃度、氧氣濃度、溫度變化等技術指標要求嚴格。同時在試驗期間，試驗室內的氣氛應在控制的指標范圍內，不能有任何泄漏。試樣在恒應力狀態暴露在試驗室期間，溫度變化應按照設計要求嚴格進行調控，否則會造成試樣損壞。其關鍵技術主要包括氮氣制備及輸送技術、試驗室內氣氛監控技術、強制換氣技術、溫濕度控制技術、系統電器控制及遠程監控技術。

3.1 氮氣制備及輸送技術

氮氣制備[6-8]和輸送是試驗系統的重要環節之一，主要功能包括制取并向試驗室內加注高純氮氣并自動控制氮氣濃度。（簡述氮氣制備和輸送的組成，如壓縮空氣氣源、制氮機等）要求壓縮空氣氣源壓力0.7～0.8 MPa，流量大于60 m3/h，溫度低于30 ℃。制氮機制取氮氣的濃度要求大于99%。氮氣進氣量大于10 m3/h；制取氮氣的壓力0.6 MPa。氮氣輸送加氣管位于試驗室底部左右兩側，每側各設計2 根加氣管，各加氣管上開有若干出氣孔。排氣口2 個，孔徑100 mm，位于試驗室頂部大門前、后側邊緣中央。排氣口處外接管道并引到室外，外接管道長度不超過5 m。

壓縮空氣出口采用法蘭連接，外接三通，一路引至制氮機供制取高純氮氣時使用，一路引至試驗室后部中央的引氣孔供各種氣動部件使用。制氮機在整個試驗期間始終處于工作狀態，直至試驗結束。

安全保護：加氮氣裝置與強制換氣系統的進氣閥門(1 個)、排氣閥門(1 個)、頂部大門互鎖，只有當此兩只閥門及頂部大門關閉時才能向試驗室內通入氮氣。

3.2 氣氛控制與報警技術

氣氛監控主要監控試驗室內氮氣和氧氣的濃度。氮氣濃度監測器設計2 套,位于試驗室頂部左、右側1/3 處中央。按照試驗要求，試驗室內氮氣濃度應大于95%，濃度控制精度優于±1%。氮氣濃度采用數字顯示，由控制儀表自動進行PID 調節，控制加氮氣電磁閥的開啟與關閉的占空比，以控制氮氣進入試驗室的量，從而實現對試驗室內氮氣濃度的控制，無需人工干預。

氧氣濃度監測系統是對試驗室內、外的氧氣濃度進行監測,為試驗人員進入試驗室或設備安裝場地提供參考。氧氣濃度監測器設置2 套，一套用于監測試驗室內的氧氣濃度，其傳感器位于試驗室頂部右側1/3處中央，一套用于監測設備安裝場地的氧氣濃度,其傳感器安裝于試驗室正面大門上方。氧氣濃度精度優于±1%。氧氣濃度顯示采用數字顯示模式。

當試驗室或設備安裝場地氧氣濃度低于20%時，報警提示，此時嚴禁操作人員進入試驗室或設備安裝場地進行作業。

3.3 強制換氣技術

強制換氣裝置[9]主要是將加氮后工作室內的氣體強制排出工作室外，同時向工作室內送入新鮮空氣，為操作人員進入工作室做準備，防止窒息事故發生。

強制換氣裝置由1 臺送氣風機、1 臺排氣風機、進氣閥門及排氣閥門組成,均安裝于試驗室左側面，總換氣量大于90 m3/min。進氣口1 個，裝有送氣風面。進氣閥門1 個，位于進氣口處，尺寸與送氣風機相匹配，向試驗室內加入氮氣時此閥門關閉，試驗室快速換氣時此閥門打開。此進氣閥門與送氣風機互鎖，只有當此閥門打開時，送氣風機才能開啟。排氣口1 個,用于快速排氣，外接排氣管外徑400×400 mm（寬×高,接管道不超過5 m）并接至室外。排氣閥門1 個，位于排氣口處，尺寸與排氣風機相匹配與送氣風機互鎖，只有當排氣閥門打開時，排氣風機才能開啟。排氣時間3 min 能使試驗室內氧氣濃度恢復正常值。

3.4 溫濕度控制技術

溫濕度控制[10-12]系統的主要功能是對氮氣試驗室進行除濕及溫度調控，保證氮氣試驗室內的環境符合試驗條件。

溫度調節：配置1 臺4HP 的變頻空調對試驗室內溫度進行調節，以確保試驗室內的溫度為20±5 ℃。

濕度控制：配置1 臺轉輪除濕機對試驗室的空氣進行除濕，確保室內的濕度小于35%RH。除濕量2.2 kg/h，處理風量450～550 m3/h，再生風量150 m3/h，除濕機位于設備試驗室外。除濕機安裝位置示意圖見圖3。

圖3 除濕機安裝示意圖

濕度報警：配置一套濕度檢測儀表，當試驗室濕度高于35%RH 時報警（報警上限可根據用戶要求調整,但不高于35%）。氧氣濃度與濕度報警時，設備均不停止工作。

3.5 電器控制及遠程操作系統

電器控制系統[13-14]是整套氮氣環境試驗室的控制中心，采用程序自動控制模式。主要由數據采集系統和控制系統組成。

數據采集系統負責采集各個子系統的運行數據以及監控系統傳感器的數據，傳輸到控制中心的計算機，用于系統控制和運行分析，確保系統運行正常。

控制系統由系統控制計算機、系統軟件、監控儀表、傳感器及各種電器元件等組成。采用控制柜進行集中控制。所有監控儀表均配有RS485 通訊接口，能實時將所有氮氣濃度、氧氣濃度、溫濕度數據上傳到系統控制計算機進行集中處理。

控制系統運行方式采用定值運行方式。控制方式采用數字式PID 自整定調節。模式設定方式采用薄膜輕觸式按鍵。控制特點：模塊式PID 控制精度高，控制精度穩定；薄膜式按鍵進行設置和數字校準，方便簡單；LED 數字式顯示，直觀易讀。

控制系統具有遠程控制及操作功能[15-16]，可以在系統控制計算機上對設備進行操作、參數設定等功能，通過試驗箱的RS485 接口進行連接。可以實時顯示氮氣濃度、氧氣濃度、溫濕度數據及各子系統的工作狀態。為了運行安全，具有遠程急停功能，當出現緊急情況時可在遠程控制室對設備進行急停（此時停止向工作室內充氮并關閉制氮機及空調裝置電源，可以遠程開啟強制換氣）。遠程控制室內的顯示器通過試驗室內部安裝的攝像頭可以觀察正在進行環境試驗的光學儀器運行情況。主控制單元軟件流程圖如圖4 所示。

圖4 主控制單元軟件流程圖

系統啟動后首先進行初始化，然后設置控制系統與控制計算機之間的通訊鏈路（RS485）；系統與計算機建立連接后在人機交互界面顯示并存儲監控儀表和傳感器數據；根據實驗要求通過人機交互界面對氮氣環境實驗室系統進行控制和操作；隨時對監控報警信息進行處理，必要時關閉或重新初始化系統[17-19]。

4 實驗與驗證

通過詳細論證和方案設計，并進行裝置制造和集成調試，符合國家標準和實際工作要求，主要包括：試樣表面凝露消失，光學芯片表面防氧化作用，箱體底部消除震動，系統實時報警，通訊指令下達和數據提取等均符合設計要求。氮氣環境實驗室達到了全部預定的設計指標，滿足某光學產品試驗環境條件。氮氣環境試驗室系統效果圖見圖5。

圖5 氮氣環境試驗室效果三視圖

5 結論

文中詳細論述了一種光學產品用氮氣環境試驗室的設計和實踐。該設備已運用于實際工作中，不僅解決了客戶很多困擾多年的光學試驗常見問題，同時規避了傳統操作方式的很多弊端，為試驗測試提供了實時、形象、動態的監控方法和手段，聯合調試和產品試驗驗證，某型光學產品的環境試驗效率提高了70%，人工成本降低30%以上，證明該系統設計先進，運行安全可靠，運行效果良好，為試驗測試人員提供了實時、形象、動態的監控方法和手段。