CN211451229U - 一种高精度恒温恒湿实验室节能控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及实验室节能控制装置技术领域，具体地说，涉及一种高精度恒温恒湿实验室节能控制装置，包括实验室和通过连接管道连通有混合箱以及出风箱，混合箱和出风箱之间从左至右依次安装有表冷箱、加热箱、加湿箱和送风机，混合箱的侧壁上开设有进风口。本实用新型采用变露点温度控制方法，在需要降温或除湿的情况下，系统自动探测空气的湿度值，设备只需把温度处理至新的露点温度即可，这种变露点温度的控制方式，可根据实时计算的露点温度调节压缩机的输出比，只要当前计算出的露点温度高于近年来最极端的空气露点温度，则设备就不会满负荷运转，从而大大节约能源，降低设备能耗，同时也有利于设备长期稳定的运行，延长设备使用寿命。

Description

一种高精度恒温恒湿实验室节能控制装置

技术领域

本实用新型涉及实验室节能控制装置技术领域，具体地说，涉及一种高精度恒温恒湿实验室节能控制装置。

背景技术

恒温恒湿空调是一种工艺性空调，主要用于将室内的温度、湿度、洁净度及气流速度控制在工艺要求的范围内，以满足工业生产、科学研究等特殊场合对室内环境的要求，随着社会经济的发展，各行各业科技与生产要求越来越严格，特别是要求保持恒定的室内温度、湿度才能满足工艺条件，因此高精度恒温恒湿空调的需求量与日剧增，恒温恒湿空调广泛应用于对环境有严格控制要求的地方，如计量测试实验室、资料中心、电力控制中心、UPS室、档案室、洁净室、测试及实验室、电子元件生产线等。

对于同时控制温度和湿度的空调系统必须具备加热、加湿、冷却、去湿功能和完善的自控系统，为保证达到控制精度和区域内温湿度均匀,对送风换气次数、送风温差及控制系统的要求比普通集中空调要高,恒温恒湿系统常常是连续运行，能耗较高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种高精度恒温恒湿实验室节能控制装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种高精度恒温恒湿实验室节能控制装置，包括实验室和通过连接管道连通有混合箱以及出风箱，所述混合箱和所述出风箱之间从左至右依次安装有表冷箱、加热箱、加湿箱和送风机，所述混合箱的侧壁上开设有进风口，所述表冷箱外接有压缩机。

作为优选，所述加热箱内部安装有电加热器，电加热器采用多组PTC热敏电阻设计，可接通电加热器的电源，使电加热器发热升高所述加热箱内部的温度，对经过所述加热箱的风进行升温处理。

作为优选，所述加湿箱内部安装有电热式加湿器，可接通电加热器的电源，通过电热式加湿器对经过所述加湿箱的风进行加湿处理。

作为优选，所述实验室外壁上安装有PID控制器，PID控制器外接驱动模块。

作为优选，所述驱动模块通过无线模块与压缩机、电加热器、电热式加湿器实现信息交互。

作为优选，所述驱动模块采用L298N和L297N双芯片设计。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

该高精度恒温恒湿实验室节能控制装置，采用变露点温度控制方法，在需要降温或除湿的情况下，系统自动探测空气的湿度值，设备只需把温度处理至新的露点温度即可，这种变露点温度的控制方式，可根据实时计算的露点温度调节压缩机的输出比，只要当前计算出的露点温度高于近年来最极端的空气露点温度，则设备就不会满负荷运转，从而大大节约能源，降低设备能耗，同时也有利于设备长期稳定的运行，延长设备使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型的工作框图；

图3为本实用新型的计算流程图之一；

图4为本实用新型的计算流程图之二；

图5为本实用新型的计算流程图之三；

图6为本实用新型的温度控制流程图；

图7为本实用新型的计算流程图之四；

图8为本实用新型的计算流程图之五；

图9为本实用新型的计算流程图之六；

图10为本实用新型的湿度控制流程图；

图11为本实用新型的PID控制曲线图。

图中各个标号的意义为：

1、实验室；

2、连接管道；

3、混合箱；30、进风口；

4、表冷箱；40、压缩机；

5、加热箱；

6、加湿箱；

7、送风机；

8、出风箱。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

实施例1

本实用新型提供一种高精度恒温恒湿实验室节能控制装置，如图1-图11所示，包括实验室1和通过连接管道2连通有混合箱3以及出风箱8，混合箱3和出风箱8之间从左至右依次安装有表冷箱4、加热箱5、加湿箱6和送风机7，混合箱3的侧壁上开设有进风口30，表冷箱4外接有压缩机40。

本实施例中，加热箱5内部安装有电加热器，电加热器采用多组PTC热敏电阻设计，可接通电加热器的电源，使电加热器发热升高加热箱5内部的温度，对经过加热箱5的风进行升温处理。

进一步的，加湿箱6内部安装有电热式加湿器，可接通电加热器的电源，通过电热式加湿器对经过加湿箱6的风进行加湿处理。

在实际过程中，实验室1外壁上安装有PID控制器，PID控制器外接驱动模块，用于后续控制压缩机40、电加热器、电热式加湿器电源的关闭或开启，驱动模块通过无线模块与压缩机40、电加热器、电热式加湿器实现信息交互，所述驱动模块采用L298N和L297N双芯片设计，用于驱动压缩机40、电加热器、电热式加湿器的电源，方便后续进行温湿度调节。

本实用新型中涉及到电路和电子元器件以及模块均为现有技术，本领域技术人员完全可以实现，无需赘言，本实用新型保护的内容也不涉及对于内部结构和方法的改进。

值得说明的是，根据能量守恒定律，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只能从一个物体传递给另一个物体，所以若室内的温湿度需要发生变化，我们必须向室内提供一个足以让其温湿度发生变化的能量，而这个能量反应在送风的温湿度值上，该温湿度值我们称其为“室内需要的送风温/湿度”，该值可通过下列公式计算出来。

T_送＝T_设定+(T_设定-T_室内) (1)

H_送＝H_设定+(H_设定-H_室内) (2)

式中，T_送表示送风温度，T_设定表示设定温度，T_室内表示室内温度，

H_送表示送风湿度，H_设定表示设定湿度，H_室内表示室内湿度

在具体实施过程中，在对压缩机40控制时，当混合空气实时温度减去室内需要的送风温度，得出的是负数时，则表冷段不工作，压缩机40不启动，当混合空气实时温度减去室内需要的送风温度，得出的是正数时，则表冷段工作，压缩机40启动，并根据温度差值，调节压缩机40的输入输出比，当需要冷却除湿时，混合空气实时温度减去露点温度，计算出二者的差值，根据此温度差值，调节压缩机的输出比，因露点温度会随着空气湿度的变化而变化，所以为了节能，减少压缩机40满负荷运行的时间。

在控制实验室1内部温度时，首先，可用温度传感器探测室内实际温度，通过公式(1)计算出室内需要的送风温度值，此时再来探测混合空气的温度，计算出混合空气温度与室内需要的送风温度二者的差值，根据此温度差值控制表冷箱4或加热箱5内部电器的起停及输出比，若混合空气温度与室内需要的送风温度的差值为正数，则说明混合空气的温度高于室内需要的送风温度，此时开启压缩机40，表冷箱4开始对混合空气做降温处理，此时无需启动电加热器。根据混合空气温度与室内需要的送风温度的差值大小，调节压缩机40的输出比，达到温度精确控制的同时不浪费丝毫的能量，若混合空气温度与室内需要的送风温度的差值为负数，则说明混合空气的温度低于室内需要的送风温度，此时加热箱5开始对混合空气做升温处理，此时无需启动压缩机40，接通电加热器电源进行加热，可分组启动热敏电阻，根据混合空气温度与室内需要的送风温度的差值大小，调节电加热器的启动热敏电阻的组数，达到温度精确控制的同时不浪费丝毫的能量。

PID控制的基础是比例控制，当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差，积分控制可放大误差的幅值消除稳态误差，但可能增加超调，微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势，本实用新型的温度控制采用PID控制方式，具体如下：

首先，温度P(比例)控制——粗略调节

比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

然后，温度I(积分)控制——放大误差的幅值消除稳态误差

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系，对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统，为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”，积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大，这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零，因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

最后，温度D(微分)控制——预测误差变化的趋势避免被控量的严重超调

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系，自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳，其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化，解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零，这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+积分+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。

在控制实验室1内部温度时，首先，可用湿度传感器探测室内实际湿度，通过公式(2)计算出室内需要的送风湿度值，此时再来探测混合空气的湿度，计算出混合空气湿度与室内需要的送风湿度二者的差值，根据此湿度差值控制表冷箱4或加热箱5内部电器的起停及输出比，若混合空气湿度与室内需要的送风湿度的差值为负数，则说明混合空气的湿度低于室内需要的送风湿度，此时加湿箱6开始对混合空气做加湿处理，此时无需启动压缩机40。电热式加湿器对风进行加湿处理，根据混合空气湿度与室内需要的送风湿度的差值大小，调节电热式加湿器的加湿量，达到湿度精确控制的同时不浪费丝毫的能量，若混合空气湿度与室内需要的送风湿度的差值为正数，则说明混合空气的湿度高于室内需要的送风湿度，此时开启压缩机40，表冷箱4开始对混合空气做降温除湿处理，此时无需启动加湿箱6内部电器。根据混合空气湿度与室内需要的送风湿度的差值大小，调节压缩机40的输出比，达到湿度精确控制的同时不浪费丝毫的能量，在降温除湿的过程中，温度将发生变化，由混合空气温度直接降至露点温度，此时为保证送风温度，需开启加热段对空气做升温处理，把因除湿导致降低的温度补偿回来，温度升高以后，空气的相对湿度会有所降低，经过加热而降低的相对湿度，再由加湿器做二次加湿调节，以达到送风湿度要求。

本实用新型采用变露点温度控制方法，在需要降温或除湿的情况下，系统自动探测空气的湿度值，设备只需把温度处理至新的露点温度即可，这种变露点温度的控制方式，可根据实时计算的露点温度调节压缩机的输出比，只要当前计算出的露点温度高于近年来最极端的空气露点温度，则设备就不会满负荷运转，从而大大节约能源，降低设备能耗，同时也有利于设备长期稳定的运行，延长设备使用寿命。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本实用新型的优选例，并不用来限制本实用新型，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种高精度恒温恒湿实验室节能控制装置，包括实验室(1)和通过连接管道(2)连通有混合箱(3)以及出风箱(8)，其特征在于：所述混合箱(3)和所述出风箱(8)之间从左至右依次安装有表冷箱(4)、加热箱(5)、加湿箱(6)和送风机(7)，所述混合箱(3)的侧壁上开设有进风口(30)，所述表冷箱(4)外接有压缩机(40)；所述实验室(1)外壁上安装有PID控制器，PID控制器外接驱动模块；所述驱动模块通过无线模块与压缩机(40)、电加热器、电热式加湿器实现信息交互，所述驱动模块采用L298N和L297N双芯片设计。

2.根据权利要求1所述的高精度恒温恒湿实验室节能控制装置，其特征在于：所述加热箱(5)内部安装有电加热器，电加热器采用多组PTC热敏电阻设计。

3.根据权利要求1所述的高精度恒温恒湿实验室节能控制装置，其特征在于：所述加湿箱(6)内部安装有电热式加湿器。

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