一、引言

二、溫度控制原理

（一）制冷系統(tǒng)工作原理

1. 壓縮機(jī)制冷循環(huán)

• 低壓高低溫試驗(yàn)箱的制冷系統(tǒng)通常采用蒸氣壓縮式制冷循環(huán)。壓縮機(jī)是制冷系統(tǒng)的核心部件，它將低溫低壓的制冷劑氣體吸入并壓縮成高溫高壓的氣體。例如，常用的制冷劑如 R404A 等，在壓縮機(jī)的作用下，其壓力和溫度大幅升高。然后，高溫高壓的制冷劑氣體進(jìn)入冷凝器。

• 冷凝器中，制冷劑與外界冷卻介質(zhì)（如空氣或冷卻水）進(jìn)行熱交換，釋放熱量后液化，變?yōu)楦邏阂后w。這一過程中，熱量從制冷劑傳遞到冷卻介質(zhì)，使得制冷劑的溫度和壓力降低。

• 高壓液體經(jīng)過節(jié)流裝置（如毛細(xì)管或膨脹閥）節(jié)流降壓，變成低溫低壓的液體。節(jié)流裝置的作用是控制制冷劑的流量和壓力，使得制冷劑在進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)能夠在較低的壓力下蒸發(fā)吸熱。

• 低溫低壓的制冷劑液體進(jìn)入蒸發(fā)器后，吸收試驗(yàn)箱內(nèi)的熱量而迅速蒸發(fā)，變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍怏w，從而使箱內(nèi)溫度降低。蒸發(fā)器中的制冷劑蒸發(fā)過程是一個(gè)吸熱過程，它從試驗(yàn)箱內(nèi)的空氣中吸取熱量，使得空氣溫度下降。這樣，通過壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流裝置和蒸發(fā)器的協(xié)同工作，制冷系統(tǒng)不斷循環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)箱內(nèi)溫度的持續(xù)降低和控制。

（二）加熱系統(tǒng)工作原理

1. 電加熱元件發(fā)熱

• 當(dāng)試驗(yàn)箱需要升溫時(shí)，加熱系統(tǒng)開始工作。加熱系統(tǒng)一般采用電加熱元件，如鎳鉻合金加熱絲等。電流通過加熱絲時(shí)，由于電阻的存在，電能轉(zhuǎn)化為熱能，加熱絲發(fā)熱。

• 加熱絲產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)和熱輻射的方式傳遞給周圍的空氣。試驗(yàn)箱內(nèi)的風(fēng)機(jī)將熱空氣循環(huán)起來，使熱量均勻分布在整個(gè)試驗(yàn)箱內(nèi)，從而快速提升箱內(nèi)溫度。通過控制加熱絲的電流大小，可以調(diào)節(jié)加熱功率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)箱內(nèi)溫度升高速度和最終溫度的精確控制。

（三）溫度控制系統(tǒng)原理

1. 溫度傳感器反饋

• 試驗(yàn)箱內(nèi)安裝有溫度傳感器，如鉑電阻溫度傳感器（PT100）。它能夠?qū)崟r(shí)感知箱內(nèi)的溫度變化，并將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳送給控制器。例如，PT100 傳感器根據(jù)溫度的變化其電阻值會(huì)相應(yīng)改變，通過特定的電路將這種電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)。

• 控制器接收到溫度傳感器傳來的信號(hào)后，將其與預(yù)設(shè)的溫度值進(jìn)行比較。如果測(cè)量溫度低于設(shè)定溫度，控制器會(huì)啟動(dòng)加熱系統(tǒng)，增加加熱功率，使箱內(nèi)溫度升高；如果測(cè)量溫度高于設(shè)定溫度，控制器則會(huì)啟動(dòng)制冷系統(tǒng)，調(diào)節(jié)制冷量，使箱內(nèi)溫度降低。

• 控制器采用先進(jìn)的控制算法，如比例 - 積分 - 微分（PID）算法。PID 算法根據(jù)當(dāng)前溫度與設(shè)定溫度的偏差、偏差的積分以及偏差的微分來綜合計(jì)算輸出控制信號(hào)。比例項(xiàng)根據(jù)偏差大小快速調(diào)整加熱或制冷的強(qiáng)度；積分項(xiàng)用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，使溫度最終穩(wěn)定在設(shè)定值；微分項(xiàng)則根據(jù)溫度變化的速率提前調(diào)整控制信號(hào)，防止溫度過沖或波動(dòng)過大。通過這種精確的控制方式，試驗(yàn)箱能夠?qū)囟炔▌?dòng)控制在極小的范圍內(nèi)，一般高精度的低壓高低溫試驗(yàn)箱溫度波動(dòng)可控制在 ±0.5℃以內(nèi)。

三、濕度控制原理（若有濕度功能）

（一）加濕系統(tǒng)工作原理

1. 蒸汽加濕

• 當(dāng)試驗(yàn)箱內(nèi)濕度低于設(shè)定值時(shí)，加濕系統(tǒng)啟動(dòng)。常見的加濕方式之一是蒸汽加濕。水在加熱裝置中被加熱至沸騰產(chǎn)生蒸汽，蒸汽通過管道輸送到試驗(yàn)箱內(nèi)。

• 蒸汽進(jìn)入試驗(yàn)箱后，與箱內(nèi)空氣混合，增加空氣的含水量，從而提高濕度。加濕量的大小可以通過控制加熱裝置的功率或蒸汽的流量來調(diào)節(jié)。例如，通過調(diào)節(jié)蒸汽電磁閥的開度，可以控制進(jìn)入箱內(nèi)的蒸汽量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的精確控制。

2. 超聲波加濕

• 另一種常見的加濕方式是超聲波加濕。超聲波加濕器利用高頻振蕩將水霧化成微小的水滴，這些水滴隨空氣流動(dòng)進(jìn)入試驗(yàn)箱內(nèi)。

• 超聲波加濕器的加濕量可以通過調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器的頻率或功率來控制。與蒸汽加濕相比，超聲波加濕具有能耗低、加濕速度快等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)水質(zhì)要求較高，需要使用去離子水或蒸餾水，以防止水中的雜質(zhì)在加濕器內(nèi)結(jié)垢或堵塞噴頭。

（二）除濕系統(tǒng)工作原理

1. 冷凝除濕

• 當(dāng)試驗(yàn)箱內(nèi)濕度高于設(shè)定值時(shí)，除濕系統(tǒng)開始工作。冷凝除濕是一種常用的除濕方式。制冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)器表面溫度較低，當(dāng)箱內(nèi)潮濕空氣流經(jīng)蒸發(fā)器時(shí)，空氣中的水汽遇冷會(huì)凝結(jié)成水滴，然后通過排水管道排出箱外。

• 冷凝除濕的除濕量與蒸發(fā)器的溫度、空氣的流速以及空氣的初始濕度等因素有關(guān)。通過調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)的制冷量，可以控制蒸發(fā)器的溫度，從而調(diào)節(jié)除濕量。例如，降低蒸發(fā)器的溫度可以提高除濕效率，但同時(shí)也會(huì)消耗更多的能源，需要在除濕效果和能源消耗之間進(jìn)行平衡。

2. 吸附除濕

• 吸附除濕也是一種有效的除濕方式。試驗(yàn)箱內(nèi)安裝有吸附劑，如硅膠、分子篩等。當(dāng)潮濕空氣通過吸附劑時(shí)，空氣中的水分子被吸附劑吸附，從而降低空氣的濕度。

• 吸附劑在吸附一定量的水分后會(huì)飽和，需要進(jìn)行再生。再生過程通常是將吸附劑加熱，使吸附的水分脫附，然后通過通風(fēng)將水分排出箱外。吸附除濕的優(yōu)點(diǎn)是在低濕度環(huán)境下仍能保持較高的除濕效率，且不受溫度影響，但吸附劑需要定期更換或再生，增加了維護(hù)成本。

（三）濕度控制系統(tǒng)原理

1. 濕度傳感器反饋

• 試驗(yàn)箱內(nèi)裝有濕度傳感器，如電容式濕度傳感器。它能夠感知箱內(nèi)空氣的濕度變化，并將濕度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳送給控制器。電容式濕度傳感器根據(jù)濕度變化引起電容值改變的原理來測(cè)量濕度，當(dāng)濕度升高時(shí)，電容值增大，反之則減小。

• 控制器接收到濕度傳感器傳來的信號(hào)后，將其與預(yù)設(shè)的濕度值進(jìn)行比較。如果測(cè)量濕度低于設(shè)定濕度，控制器會(huì)啟動(dòng)加濕系統(tǒng)，增加加濕量；如果測(cè)量濕度高于設(shè)定濕度，控制器則會(huì)啟動(dòng)除濕系統(tǒng)，調(diào)節(jié)除濕量。

• 濕度控制系統(tǒng)同樣采用相應(yīng)的控制算法，根據(jù)濕度偏差、偏差積分和偏差微分來調(diào)節(jié)加濕和除濕裝置的工作強(qiáng)度，以實(shí)現(xiàn)精確的濕度控制。一般較好的低壓高低溫試驗(yàn)箱濕度波動(dòng)可控制在 ±3% RH 以內(nèi)。

四、溫濕度控制過程

（一）溫度控制過程

1. 啟動(dòng)與初始化

• 當(dāng)試驗(yàn)箱啟動(dòng)時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括各部件的自檢、溫度傳感器和濕度傳感器（若有）的校準(zhǔn)等。然后，根據(jù)預(yù)設(shè)的試驗(yàn)程序，設(shè)定目標(biāo)溫度值。

2. 制冷或加熱調(diào)節(jié)

• 控制器根據(jù)溫度傳感器反饋的實(shí)際溫度值與目標(biāo)溫度值進(jìn)行比較。如果實(shí)際溫度高于目標(biāo)溫度，控制器啟動(dòng)制冷系統(tǒng)，按照 PID 算法計(jì)算出制冷量的大小，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速、冷凝器的散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速以及節(jié)流裝置的開度等參數(shù)，使箱內(nèi)溫度逐漸降低。如果實(shí)際溫度低于目標(biāo)溫度，控制器啟動(dòng)加熱系統(tǒng)，調(diào)節(jié)加熱絲的電流大小，使箱內(nèi)溫度逐漸升高。

3. 溫度穩(wěn)定與監(jiān)控

• 在溫度調(diào)節(jié)過程中，控制器不斷監(jiān)控溫度傳感器反饋的溫度值，根據(jù) PID 算法持續(xù)調(diào)整制冷或加熱系統(tǒng)的工作狀態(tài)，直到箱內(nèi)溫度穩(wěn)定在目標(biāo)溫度值附近，且溫度波動(dòng)在允許的范圍內(nèi)。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，控制器始終對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控，一旦溫度出現(xiàn)異常波動(dòng)，會(huì)及時(shí)調(diào)整制冷或加熱系統(tǒng)，確保試驗(yàn)環(huán)境的溫度穩(wěn)定性。

（二）濕度控制過程（若有濕度功能）

1. 啟動(dòng)與初始化

• 與溫度控制類似，在試驗(yàn)箱啟動(dòng)時(shí)，濕度控制系統(tǒng)也進(jìn)行初始化操作，包括濕度傳感器的校準(zhǔn)等。然后，根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)定目標(biāo)濕度值。

2. 加濕或除濕調(diào)節(jié)

• 控制器根據(jù)濕度傳感器反饋的實(shí)際濕度值與目標(biāo)濕度值進(jìn)行比較。如果實(shí)際濕度低于目標(biāo)濕度，控制器啟動(dòng)加濕系統(tǒng)，根據(jù)加濕方式（蒸汽加濕或超聲波加濕）的不同，調(diào)節(jié)蒸汽產(chǎn)生量或超聲波發(fā)生器的功率等參數(shù)，使箱內(nèi)濕度逐漸升高。如果實(shí)際濕度高于目標(biāo)濕度，控制器啟動(dòng)除濕系統(tǒng)，根據(jù)除濕方式（冷凝除濕或吸附除濕）的不同，調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)的制冷量或吸附劑的吸附和解吸過程，使箱內(nèi)濕度逐漸降低。

3. 濕度穩(wěn)定與監(jiān)控

• 在濕度調(diào)節(jié)過程中，控制器不斷監(jiān)控濕度傳感器反饋的濕度值，根據(jù)濕度控制算法持續(xù)調(diào)整加濕或除濕系統(tǒng)的工作狀態(tài)，直到箱內(nèi)濕度穩(wěn)定在目標(biāo)濕度值附近，且濕度波動(dòng)在允許的范圍內(nèi)。在試驗(yàn)過程中，濕度控制系統(tǒng)也會(huì)持續(xù)監(jiān)控濕度變化，確保試驗(yàn)環(huán)境的濕度穩(wěn)定性，滿足試驗(yàn)要求。

五、結(jié)論