雙軸型熱空氣交換試驗箱的研制

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箱無法滿足ISO標準中雙軸在兩個維度上的旋轉要求，其樣品在內部空間內所受溫度無法達到雙軸型的溫度均勻性，即會存在較大溫度偏差。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速以及單位時間的乘積可以獲得該時間段內流出氣體的體積，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，空氣密度的差異會導致該算法得到的結果有所偏差。

本研制試驗箱主要采用雙軸式旋轉樣品架，并可調節旋轉速率。使其能夠滿足ISO 4577等標準對于雙軸旋轉樣品架的指定需求，同時對于熱空氣交換率的算法進行創新和優化，提出一種基于不同溫度下空氣膨脹系數與密度的實時交換率監測方法，具有高效、準確性。

1 熱空氣交換試驗箱的現狀

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

目前，熱空氣交換試驗箱是通過試驗箱內部與外界空氣流動保證工作室內足夠的氧氣對樣品進行老化。標準ISO 4577 中對于空氣交換率要求在20次/h。根據標準的不同，空氣交換速率基本在20次/h及以下。

而國內絕大多數生產廠商多采用單軸樣品結構,該結構較為容易實現，沒有過多的復雜機械結構。雙軸型的結構目前沒有找到有相關廠家生產具體型號產品，單軸型主要缺陷為：樣品在工作室運動范圍較小，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算存在理論性偏差，因為在目前國內熱空氣交換試驗箱普遍采用氣體流量計算方式，即通過計算設備通風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，理論計算結果會與實際數據產生偏差。

2 雙軸型樣品架結構的實現

雙軸結構主要由樣品架主體結構、異向齒輪組、伺服電機組成，主體結構中由十二根樣品支撐橫條均勻布置在兩端由環形固定板上，中心由橫向軸心帶動十二根樣品支撐橫條，另外上述主體結構通過異向齒輪連接至豎向旋轉臂、旋轉臂連接至伺服電機，最終完成由伺服電機旋轉帶動豎向旋轉臂通過異向齒輪帶動主體結構樣品架在橫向、豎向兩個維度上進行360度旋轉。其結構如圖1所示。

圖1 雙軸結構樣品轉架示意圖Fig.1 Schematic diagram of sample carousel with dual-axis structure

3 氣體交換率計算的優化

目前對空氣交換速率的算法主要分為兩種：

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

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

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

式（2）中：N—換氣率，即每小時的換氣次數；hs—系數（3600）；P2—開啟時所消耗的平均電功率，單位為瓦；P1—密封時所消耗的平均電功率，單位為瓦；cP—常壓下空氣的比熱容；ρ—環境溫度下干空氣的密度；Δt—工作空間溫度與環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速以及單位時間的乘積可以獲得該時間段內流出氣體的體積，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，空氣密度的差異會導致該算法得到的結果有所偏差。而后者通過能量消耗計算空氣交換率，需要在設備工作室達到特定溫度下，將所有通風口全部密閉測得1h或者更長時間的電能消耗，然后拆除所有密封，打開所有通風口。當工作室溫度重新達到第一步驟設定溫度穩定后再測得1h或更長時間的電能消耗。然后帶入公式（2）進行計算空氣交換率。該方法根據能量消耗以及守恒定律進行嚴謹的計算,同時考慮到各個溫度下空氣的膨脹系數和密度,可以較為準確地測量空氣交換率。但是缺點也非常明顯，整個測定過程需要一個非常長的時間，根據上述標準測量的要求，測量時間至少在2h以上，無法實時進行監控。

本項目特定對原有兩種換氣率算法進行優化和創新，考慮其換氣率計算方式式（1）可以由PLC完成在極短時間內ΔT計算瞬時換氣率，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。本方法在原有基礎上引入空氣在不同溫度下的膨脹系數以及密度體積變化問題。

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

本方法中涉及試驗設備工作環境均在大氣壓強常壓穩定狀態，即采用蓋·呂薩克定律：一定質量的氣體，在兩種不同溫度狀態下壓強不變的條件下，當兩種不同溫度狀態下（兩種不同溫度狀態所指是試驗倉內氣體溫度T1與外界環境的氣體溫度T2），兩種不同溫度狀態下所處大氣壓強相同時，一定質量氣體的體積跟熱力學溫度成正比：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，即可以得到試驗狀態中固定工作室內溫度下，與環境溫度下兩種狀態下空氣體積之差，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生反比變化。工作室氣體容積V作為衡量氣體實際體積的常量也應當考慮氣體加熱后的體積膨脹效應，可以得到近似于能量消耗原理的最終結果，因為同時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可以由設備PLC進行實時計算，時間可以任意設置為幾分鐘、幾秒、甚至毫秒，這樣就大大提高了算法效率。同時保證了與能量消耗理論同時考慮氣體隨溫度變化的體積膨脹效應，具備準確性。

4 整體設計方案

該型熱空氣交換試驗設備主要由雙軸旋轉樣品架、伺服電機、工作室、工作室出風口、工作室進風口、工作室強制對流風機、風道、空氣交換風門、熱線式風速探頭、測溫探頭、PLC控制器、電機服務器、觸摸屏等主要組件構成。其中雙軸型樣品架在工作室內通過萬向軸承連接私服電機，私服電機可以設定旋轉速率對其雙軸樣品架主軸進行控制，主軸上齒輪與橫向齒輪鉚合帶動整個樣品架在兩個維度上同時旋轉，從而實現雙軸轉動。整體試驗裝置以及雙軸如圖2所示。

圖2 雙軸熱空氣交換試驗箱結構Fig.2 Biaxial hot air exchange test box structure

在控制方面：設備通過PLC控制器對內部工作室內加熱系統、雙鼓風系統、風門系統進行控制進而對設備主要參數溫度、風速、換氣率進行控制。整體溫度的控制主要由空氣加熱裝置在進行PID參數調節后，進行控制。

具體控制邏輯：首先設備運行前設定溫度值T0、換氣率值N0。在達到溫度設定值前的某一個溫度點T-1前加熱系統全功率工作。因為存在加熱慣性，PID調節在溫度達到設定值前的T-1后開始介入控制。通過PWM調節方式即控制加熱系統的開關兩種狀態以及開與關的延續時間，最終通過PID方式積分微分控制達到設定溫度T0。對于換氣率，在設定值N0確定后，即能夠根據公式（4）推導出風口所需風口開關閉合角度，由換氣風門進行調節，其中變量風速以及空氣在設定值溫度下的空氣密度己確定。

加熱裝置放置于設備工作室氣體交換風道內，在外部空氣流入后進行加熱后通過工作室進風口進入工作室，從而實現溫度控制。風速由工作室動力風機進行風速大小調控，實現對工作室整體風速的調節。換氣率由位于設備背部換氣口風門大小進行調節。風門開啟閉合的角度最終求得換氣口截面積，進行計算。最終實現雙軸型熱空氣交換試驗箱對于溫度、風速以及換氣率三個核心參數的控制調節工作。

如圖2所示，設備通過位于工作室外部風道內加熱裝置對外部流入空氣進行加熱，通過工作室進風口將熱空氣送入工作室，而后通過工作室出風口將工作室空氣重新進入風道進行加熱再次進入工作室，完成工作室內部空氣循環流動滿足設定風速要求的同時達到設定溫度設定值。其中一部分空氣由設備空氣交換風口流出以及外部空氣進入風口流入，通過對位于設備空氣交換風口風門開關閉合角度的調整完成換氣率的設定要求。

5 結語

采用雙軸型旋轉樣品架驗試箱相比較傳統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動導致的測試結果差異化。雙軸型可以讓樣品在工作室內更加均勻地接收風速以及溫度條件。

另外對于換氣率的測算，通過本方法相比較傳統的流量測試法以及能量消耗測試法，具有精確性以及實時性兩個重要的進步。為該類設備的測試提供了良好的算法基礎，為用戶提供了換氣率的真實有效性以及可實時監控性。另外為計量校準單位提供了更加快速有效的校準方法，提高了工作效率。本文研制試驗箱具有一定的技術進步性。