環境測試室溫度波動度的分析與對策

鄭建福

（1.廣州智能裝備研究院有限公司，廣州 510700； 2.工業和信息化部電子第五研究所，廣州 511370）

1 問題的提出

在某重點科學儀器項目中需要對測試樣品提供2～8 m3容積大小，波動度優于±0.3 ℃的環境測試室。目前市場上能夠找到環境測試室溫度波動度指標最好的是日本ESPEC公司CWH-20A型8 m3環境測試室，其溫度波動度指標是±0.5 ℃。溫度波動度是該儀器最重要的技術參數之一，直接影響測試樣品環境條件的一致性程度、測試結果的準確性、有效性。因此研究高穩定性測試環境室的相關技術，為精密儀器提供精密測試環境條件具有一定的意義。

2 溫度波動產生的主要原因分析

2.1 機械制冷及工況調整帶來溫度波動

環境測試室的溫度范圍為20～70 ℃，為密閉環境并帶有發熱且變化熱負載；必須為環境測試室配置制冷系統。考慮到儀器的使用方便性和溫度范圍，配置的是單級壓縮機機械制冷系統如圖1所示，系統由壓縮機、冷凝器、蒸發器、節流元件及控制不同流量毛細管的電磁閥裝置等部件組成。按常規設計，根據設備的測試狀態不同，制冷系統自動開啟，為設備的降溫、低溫，恒溫等提供所需的冷量，從而達到滿足環境測試室的性能指標的要求。一般的溫度環境測試室為適應不同工況的要求，大多采用的是控制不同流量的毛細管以滿足不同工況對制冷量的要求。在本項目中，由于負載工況的變化比較大，需要配置的毛細管型號比較多，雖然可以滿足不同工況的要求，但是在工況或負載發熱量變化時必須切換不同的毛細管，以進行流量調節保證溫度達到設定值；在恒定狀態時，流量的切換勢必造成溫度干擾，極端時可能會有3～5 ℃沖擊，對被試樣品產生不利的影響，造成：①相同的測試的條件，干擾大小不同造成過程的不一致；可能會引起測試結果偏差；②在極限高溫測試條件下的溫度過沖/波動過大，可能會造被試樣品的測試應力加大，干擾或破壞了測試結果的正確性和準確性。

圖1 制冷系統圖

2.2 控制系統及算法帶來的波動

影響測試室內溫度波動的因數來自加熱、制冷及兩者的組合。溫度控制的穩定與否需要：①加熱控制的穩定性，一般情況下測試室采用電加熱器—裸露的電加熱絲—有較好的響應特性。由溫度PID控制加熱器工作，只要參數調整的合適穩定控制比較容易實現。②制冷控制的穩定性，制冷回路構成：壓縮機—冷凝器—節流器件—蒸發器，影響的因數較多，且具有調節響應較電加熱系統滯后大、慢的特性，穩定控制不易實現。如果采用毛細管流量切換還會造成溫度干擾。③加熱和制冷控制在工況變化時，經常會出現的互相影響，引起震蕩波動。

3 溫度穩定性解決對策

3.1 制冷系統方面

3.1.1 冷量無級調節

電子膨脹閥在空調行業中得到廣泛應用[1]，用于壓縮機制冷系統中的流量無級調節，使制冷系統保持在最佳的運行工況，實現快速、連續穩定的溫度控制，并起到節能等效果。毛細管加電磁閥系統與電子膨脹閥的區別見表1。為了解決毛細管切換引起冷量突變造成對環境測試室溫度控制的干擾，引入電子膨脹閥為制冷系統的節流裝置。

表1 毛細管加電磁閥通斷與電子膨脹閥開度控制的對比

3.1.2 電子膨脹閥的控制—冷量需求及冷量控制實現

在單級制冷系統，利用蒸發器兩端溫度（壓力）的差作為系統過熱度比較易行，采用溫度式過熱度作為參數進行電子膨脹閥的控制。過熱度控制采用PID控制算法，見圖2。

圖2 過熱度PID 控制框圖

3.1.3 電子膨脹閥控制過熱度的具體實現

電子膨脹閥控制過熱度的具體實現[2]：如圖2所示，測量制冷系統中蒸發器的出入口溫度/壓力得到系統的過熱度，根據與目標過熱度的偏差由模糊自適應PID控制器通過計算得到PID調節器的輸出，再將輸出值轉化為電子膨脹閥的開度, 由開度調節進入蒸發器的制冷劑流量,確保制冷系統按負載及工況的要求安全穩定運行。如圖3所示，蒸發器的出入口溫度/壓力傳感器（用于測量實際過熱度）、電子膨脹閥、控制器、驅動電路等構成過熱度的閉環反饋控制系統。控制器發控制命令給驅動電路，驅動電路驅動步進電機，步進電機帶動閥芯，調整電子膨脹閥開度，進而調節進入蒸發器的制冷劑流量，從而對系統過熱度進行控制。

圖3 過熱度控制回路框圖

3.2 控制算法方面

3.2.1 平衡式溫度控制（BTC）

為了保障箱體內溫度高穩定性，箱體內溫度控制采用BTC（平衡式溫度控制），即制冷控制以冷量控制的方式，調節電子膨脹閥開度，且控制周期比較長，變化比較慢；溫度控制由PID控制加熱器輸出，最終實現溫度的穩定控制。

控制器根據設備的工作狀態：設定的目標溫度、箱體內溫度、過熱度，調節電子膨脹閥閥門開度；使進入箱體熱交換器的冷量根據需要連續變化輸出。具體分為幾種工況：①快速降溫時，冷量100 %輸出；②慢速升/降溫、溫度快到達時，冷量輸出小；③全速升溫時，冷量輸出為0；根據這幾種工況，相應地用模糊表調整過熱度控制目標，使之適應不同工況的要求，輸出制冷量。如圖4、圖5所示。

圖4 不同工況下模糊控制原則

圖5 PID 過熱度控制過程

3.2.2 溫度模糊自適應PID控制

如圖6，根據調試經驗建立e，ec對應的dkp，dki，dkd模糊表，用模糊自適應PID對加熱器進行控制。相關的論述可以參考文獻[3,4]的描述，這里就不贅述。

圖6 箱內溫度PID 控制框圖

3.3 實際控制效果

如圖7 所示，采用了上述多種技術的實際控制效果對比分析：采用毛細管+PID控制時，①圖中點a、c、e、g溫度過沖比較大；其中點a，溫度過沖4.1（最高溫度為74.1℃），加大了應力，或可能會造成樣品的損傷，影響測試結果；②圖中點b、d由于樣品通電工作，導致溫度波動；③圖中點f、h溫度上漂后切換到大冷量毛細管導致溫度波動；采用電子膨脹閥+模糊工況自適應PID控制克服了毛細管+PID控制方案的各種不足。

圖7 實際控制效果對比

根據計量檢測報告，實測溫度波動度±0.07 ℃，大大優于技術指標±0.3 ℃的要求。

4 結論

本文就測試測試室溫度波動度影響的因數進行了分析，提出了一些可以提高性能指標的方法并在實際應用中證明有效。