一种产生恒定温湿度气体的控制系统及调节方法

摘要

一种产生恒定温湿度气体的控制系统及调节方法，该控制系统包括按照气体流动方向依次连接的压缩气体储存瓶、压缩气体干燥减压装置、气体温度调节控制模块、气体湿度调节控制模块、气体出气口，串口服务器和计算机。利用上述控制系统产生恒定温湿度的气体，其调节方法为：压缩气体从压缩气体储存瓶中释放出来后首先进入压缩气体干燥减压装置进行减压干燥预处理，干燥后的气体进入气体温度调节控制模块进行温度调节后达到设定的温度值，然后再进入气体湿度调节控制模块在不改变气体温度的前提下进行湿度调节达到设定的湿度值，产生的恒定温湿度的气体最后经气体出气口流出。本发明的最大特点是其对气体的温湿度调节范围大、精度高、节能环保。

说明书

技术领域

本发明涉及气体的温湿度调节，具体是一种产生恒定温湿度气体的控制系统及调节方法。

背景技术

恒温恒湿环境广泛应用于环境检测、检验检疫、电子、化工、生物医学等领域，特别是在检测领域，恒温恒湿环境是测试环境的基本要求。恒温恒湿环境也是很多科学研究以及生产实践的基础条件，对于一些对环境气体的温湿度有较高要求的科学实验，恒定的温湿度（恒温恒湿）环境有助于提高科学研究结果的准确性与合理性。

当前，对于大型恒温恒湿机的研究较多，但这类恒温恒湿机多采用水浴加热的方式对气体进行控温控湿，由于没有独立的制冷模块，此类设备无法将气体温度调节至室温以下,其原因是：因为无独立的制冷部件，气体调节后的温度只能是大于或等于水温（室温）。总体而言，传统的恒温恒湿机对气体温湿度的调节范围有限、控制精度较低、调节的气体对象多只限于空气，对于那些对环境气体温湿度有较高要求的科学试验，此类恒温恒湿机无法提供所需的恒温恒湿气体环境。

发明内容

本发明正是针对现阶段高精度多用途恒温恒湿机的研究空白，而设计的一种产生恒定温湿度气体的控制系统及调节方法，其对气体的温湿度调节范围大、精度高、节能环保。

本发明可以通过以下技术方案予以实现：

一种产生恒定温湿度气体的控制系统，包括按照气体流动方向依次连接的压缩气体储存瓶、压缩气体干燥减压装置、气体温度调节控制模块、气体湿度调节控制模块、气体出气口，串口服务器和计算机；

所述气体温度调节控制模块主要由气体温度处理单元、初级气体混合室和初级气体混合室数据采集控制器组成，其中气体温度处理单元又包括气体制冷单元和气体加热单元，可以分别对气体进行冷、热处理，气体制冷单元和气体加热单元分别通过第一PID控制器、第二PID控制器进行控制，且在气体制冷单元中设置有热量回收装置，将所回收的热量传递给气体加热单元；

所述气体湿度调节控制模块主要由气体增湿单元、次级气体混合室和次级气体混合室数据采集控制器组成，其中的气体增湿单元可以对部分进入此单元的气体进行增湿处理达到饱和湿度。

通过上述控制系统产生恒定温湿度气体的调节方法为：气体从压缩气体储存瓶中释放出来后进入干燥减压装置，干燥及减压处理完后的绝干气体由分支管路一路进入气体温度调节控制模块中的气体制冷单元，气体制冷单元在第一PID控制器的调节控制下使气体冷却至一定温度，回收此制冷过程中制冷剂因冷热交换散发出的热量，并将其作为辅助热源传导至气体温度调节控制模块中的气体加热单元；另一路进入气体温度调节控制模块中的气体加热单元，这部分绝干气体在气体加热单元以及前述的回收热量的作用下升温至一定温度，其中气体加热单元的工作功率由第二PID控制器进行调节控制；这两路冷、热绝干气体在参数采集控制模块(相关控制器)的调节控制下按照一定的流量比例分别进入初级气体混合室，冷、热气体充分混匀后达到设定的温度值；气体混匀后从初级气体混合室流出，再由分支管路一路经质量流量控制器调节其流量后进入气体增湿单元，第三PID控制器通过调节控制水箱中的液体加热器的工作功率来调节水箱中的水温以使其与通入气体的气体温度保持一致，通入水中的气体经气泡盘造泡后携带大量水分子逸出水面从而使其湿度达到该温度下的饱和值；另一路气体经质量流量控制器调节后直接进入次级气体混合室；这两路温度相同的干、湿气体在参数采集控制模块（相关控制器）的调节控制下按照一定的流量比例分别进入次级气体混合室，干、湿气体充分混匀达到设定的湿度值；从次级气体混合室流出的气体达到预先设定的高精度且稳定的温湿度值，恒温恒湿气体从气体出气口输出。

该调节方法具体步骤如下：

步骤1：在所述控制系统的计算机用户界面上预先设定所需气体的温湿度值（T，M），其中T代表气体温度，M代表气体湿度，下同；

步骤2：在所述控制系统中的气体温度调节控制模块，经温度调节后进入初级气体混合室的冷、热气体（绝干，湿度为0）的比例及温湿度分别为（x₁，T_c，0），（x₂，T_h，0），其中x表示分支管路中的气体比例，x₁+x₂=1；

1) 若T＜T_c，所述气体制冷器在第一PID控制器等参数采集控制模块(相关控制器)的调节控制下加大工作功率以使气体制冷单元中的气体温度T_c进一步降低至小于等于设定的温度值T，即T_c≤T；

2) 若T＞T_h，所述气体加热器在第二PID控制器等参数采集控制模块(相关控制器)的调节控制下加大工作功率以使气体升温单元中的气体温度T_h进一步升高至大于等于设定的温度值T，即T_h≥T；

3) 若T_c≤T≤T_h，所述质量流量控制器在参数采集控制模块(相关控制器)的调节控制下调节x₁和x₂，直至初级气体混合室中混匀后的气体实际温度T₁与设定的温度值T的大小关系保持在|T->1|≤0.1℃；

步骤3：在所述控制系统中的气体湿度调节控制模块，检测出水箱中的水温为T_w，直接进入次级气体混合室的干气体和经增湿后进入次级气体混合室的饱和湿度气体的比例及温湿度分别为（x₁'，T₁，0），（x₂'，T₁，100%），其中x表示分支管路中的气体比例，x₁'+>2'=1；

1) 若T_w≠T₁，所述液体加热器在第三PID控制器等参数采集控制模块(相关控制器)的调节控制下改变工作功率调节水温，保证水箱中水的温度T_w与通入水箱中气体的温度T₁的大小关系保持在|>w-T₁|≤0.1℃，以避免气体温度发生变化，同时实现产生饱和湿度的气体的目的；

2) 0≤M≤100%，所述质量流量控制器在参数采集控制模块(相关控制器)的调节控制下调节x₁'和x₂'，直至次级气体混合室中混匀后的气体实际湿度M₁与设定的湿度值M的大小关系保持在|M-M₁|≤0.1%；

所述的PID控制器是根据PID控制原理对控制系统进行偏差调节，分别对比例模块P、积分模块I和微分模块D的参数设定值K_p、K_i和K_d进行调节使被控系统中的调控对象的实际值与设定值保持一致，从而实现对气体温湿度的精确调节控制。

将气体制冷单元中的气体温度T_c与设定的气体温度T之间的差值作为第一PID控制器的输入量，第一PID控制器调节控制气体制冷器的工作功率，从而确保T_c≤T。

将气体升温单元中的气体温度T_h与设定的气体温度T之间的差值作为第二PID控制器的输入量，第二PID控制器调节控制气体加热器的工作功率，从而确保T_h≥T。

将气体增湿单元中的水温T_w与通入气体的温度T₁之间的差值作为第三PID控制器的输入量，第三PID控制器调节控制水箱中液体加热器的工作功率，从而确保|T_w->1|≤0.1℃。

所述参数采集控制模块包括第一PID控制器、第二PID控制器、第三PID控制器、初级气体混合室数据采集控制器、次级气体混合室数据采集控制器、串口服务器和计算机。

所述限压排空阀的作用是为了避免制冷管路由于进入的气体干燥未彻底而发生冻结。

所述串口服务器可以实现计算机与PID控制器、质量流量控制器等控制器的通信，从而实现在计算机用户界面上对此系统进行数字化调节控制。

所述的气体湿度都是指相对湿度。

所述气体可以为空气、氮气或二氧化碳等气体。

所述气体在初级、次级混合室中的充分混匀可以通过混合室内的机械式螺旋桨的扰流作用予以实现，其中螺旋桨由进入混合室的带压气体驱动。

本发明基于一定压力下不同干湿球温度对应不同湿度的原理，通过对水箱中水的温度进行调节使其与通入气体温度保持一致，予以实现在不改变气体温度的情况下产生饱和湿度气体。

本发明的优点如下：（1）由于气体的温度控制采用冷、热气体混合予以实现，故本发明可以将气体温度调节至室温以下；（2）工作原理合理，采用PID控制，气体的温湿度调节精度高；（3）系统结构简单，工作路径独立，可为其它试验系统提供高度稳定的恒温恒湿气体；（4）调节的气体对象多元，可对气体、氮气、二氧化碳等气体的温湿度进行调节；（5）回收利用气体制冷过程中原本需要排放至环境中的热量作为辅助热源对加热支路中的气体进行加热，能量利用率高，节能环保。

附图说明

图1为气体温湿度控制系统的整体结构示意图。

图中：1、压缩气体储存瓶，2、压缩气体干燥减压装置，3、气体温度调节控制模块，4、气体湿度调节控制模块，5、气体出气口，6、串口服务器，7、计算机。

图2为气体温度调节控制模块的详细结构示意图。

图中：3-1、温度传感器，3-2、气体制冷器，3-3、第一PID控制器，3-4、限压排空阀，3-5、质量流量控制器，3-6、初级气体混合室，3-7、质量流量控制器，3-8、气体加热器，3-9、初级气体混合室数据采集控制器，3-10、第二PID控制器，3-11、温度传感器，3-12温度传感器。

图3为气体湿度调节控制模块的详细结构示意图。

图中：4-1、质量流量控制器，4-2、温度传感器，4-3、水箱，4-4、干湿球温度传感器，4-5、次级气体混合室，4-6、温湿度传感器，4-7、质量流量控制器，4-8、第三PID控制器，4-9、液体加热器，4-10、气泡盘，4-11、次级气体混合室数据采集控制器。

图4为气体温湿度调节方法的逻辑框图。

图5为气体温湿度控制系统的工作流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明所述的一种产生恒定温湿度气体的控制系统及调节方法做进一步描述。

如图1所示，一种产生恒定温湿度气体的控制系统，包括压缩气体储存瓶1、压缩气体干燥减压装置2、气体温度调节控制模块3、气体湿度调节控制模块4、气体出气口5、串口服务器6和计算机7，其产生恒定温湿度气体的基本思路为：压缩气体从压缩气体储存瓶1中释放出来后进入压缩气体干燥减压装置2进行预处理达到绝干，干燥后的气体在参数采集控制模块的调节控制下进入气体温度调节控制模块3达到设定的温度值，然后再进入气体湿度调节控制模块4在不改变气体温度的前提下达到设定的湿度值，最后产生的恒定温湿度的气体经气体出气口5流出。

图1中所述的气体温度调节控制模块和气体湿度调节控制模块的详细结构示意图分别见图2和图3。

如图2所示，图1中所述的气体温度调节控制模块包括温度传感器3-1、气体制冷器3-2、PID控制器3-3、限压排空阀3-4、质量流量控制器3-5、初级气体混合室3-6、质量流量控制器3-7、气体加热器3-8、初级气体混合室数据采集控制器3-9、PID控制器3-10、温度传感器3-11和温度传感器3-12，其对气体温度的处理过程为：干燥减压后的绝干气体由分支管路一路进入气体制冷单元，气体制冷器3-1使流过的气体冷却至一定温度，在此过程中温度传感器3-1实时监控制冷后的气体温度，冷气体流过限压排空阀3-4后经质量流量控制器3-5调节其流量后进入初级气体混合室3-6，此制冷过程中的散热被回收；另一路绝干气体进入气体升温单元，质量流量控制器3-7调节进入此升温单元的气体流量，进入的气体在气体加热器3-8和前述制冷单元回收热量的共同作用升温至一定温度，在此过程温度传感器3-11实时监控升温后的气体温度，升温后的气体进入初级气体混合室3-6。在参数采集控制模块调节控制下两支路中的冷、热绝干气体按照一定的流量比例进入初级气体混合室3-6充分混匀，充分混匀后气体达到设定的温度值，温度传感器3-12实时监控初级气体混合室中的气体温度。在此温度调节过程中，气体制冷器3-2和气体加热器3-8分别由第一PID控制器3-3和第二PID控制器3-10控制，这两个PID控制器在参数采集控制模块的调节控制作用下可以分别对气体制冷器3-2和气体加热器3-6的工作功率进行调节使其满足工艺要求。

如图3所示，图1中所述的气体湿度调节控制模块包括质量流量控制器4-1、温度传感器4-2、水箱4-3、干湿球温度传感器4-4、次级气体混合室4-5、温湿度传感器4-6、质量流量控制器4-7、PID控制器4-8、液体加热器4-9、气泡盘4-10、次级气体混合室数据采集控制器4-11，其对气体湿度的处理过程为：温度调节后的绝干气体由分支管路一路经质量流量控制器4-1调节其流量后直接进入次级气体混合室4-5；另一路进入气体增湿单元，经质量流量控制器4-7调节其流量后通入到设置有液体加热器4-9和气泡盘4-10的温度可调的水箱4-3中，在参数采集控制模块的调节控制下第三PID控制器4-8可以对液体加热器4-9的工作功率进行调节以保持水箱4-3中的水温与通入气体的温度一致，通入水箱4-3中的气体经气泡盘4-10造泡后携带大量水分子逸出水面从而使其湿度达到该温度下的饱和值，温度传感器4-2和干湿球温度传感器4-4可以分别实时监控水箱4-3中的水温和气体干湿球温度，饱和湿度气体进入次级气体混合室4-5。在参数采集控制模块的调节控制下两支路中相同温度的干、湿气体按照一定的流量比例进入次级气体混合室4-4充分混匀，混合后的气体达到预先设定的高精度且稳定的温湿度值，温湿度传感器4-6可实时监控次级气体混合室4-5中的气体温湿度。

所述气体增湿原理是基于在一定压力下不同干湿球温度对应不同的气体湿度，表1显示的是某一温度范围内的气体温湿度对应关系。据此可知，调节水箱中的水温与通入气体温度保持一致，同时监控水面上的气体干湿球温度确保干球温度等于湿球温度，予以实现在不改变气体温度的情况下产生饱和湿度气体。

如图4所示，一种产生恒定温湿度气体的调节方法，其调节方法包括以下步骤：

步骤1：在所述控制系统的计算机用户界面上预先设定所需气体的温湿度值（T，M），其中T代表气体温度，M代表气体湿度，下同；

步骤2：在所述控制系统中的气体温度调节控制模块，经温度调节后进入初级气体混合室的冷、热气体（绝干，湿度为0）的比例及温湿度分别为（x₁，T_c，0），（x₂，T_h，0），其中x表示分支管路中的气体流量占总流量之比，x₁+x₂=1；

1) 若T＜T_c，所述气体制冷器在第一PID控制器等参数采集控制模块的调节控制下加大工作功率以使气体制冷模块中的气体温度T_c进一步降低至小于等于设定的温度值T，即T_c≤T；

2) 若T＞T_h，所述气体加热器在第二PID控制器等参数采集控制模块的调节控制下加大工作功率以使气体加热模块中的气体温度T_h进一步升高至大于等于设定的温度值T，即T_h≥T；

3) 若T_c≤T≤T_h，所述质量流量控制器在参数采集控制模块的调节控制作用下改变x₁和x₂的大小，直至初级气体混合室中混匀后的气体实际温度T₁与设定的温度值T的大小关系保持在|T->1|≤0.1℃；

步骤3：在所述控制系统中的气体湿度调节控制模块，检测出水箱中的水温为T_w，直接进入次级气体混合室的干气体和经增湿后进入次级气体混合室的饱和湿度气体的比例及温湿度分别为（x₁'，T₁，0），（x₂'，T₁，100%），其中x表示分支管路中的气体比例，x₁'+>2'=1；

1) 若T_w≠T₁，所述液体加热器在第三PID控制器等参数采集控制模块的调节控制下改变工作功率调节水温，保证水箱中水的温度T_w与通入水箱中气体的温度T₁的大小关系保持在|>w-T₁|≤0.1℃，以避免气体温度发生变化，同时实现产生饱和湿度的气体的目的；

2) 0≤M≤100%，所述质量流量控制器在参数采集控制模块的调节控制下调节x₁'和x₂'，直至次级气体混合室中混匀后的气体实际湿度M₁与设定的湿度值M的大小关系保持在|M-M₁|≤0.1%；

所述的第一、第二、第三PID控制器的调节控制作用可以通过以下步骤予以实现：

1）将气体制冷单元中的气体温度T_c与设定的气体温度T之间的差值作为第一PID控制器的输入量，根据偏差信号大小分阶段按比例调整K_p、K_i和K_d，第一PID控制器调节控制气体制冷器的工作功率，从而确保T_c≤T。

2）将气体升温单元中的气体温度T_h与设定的气体温度T之间的差值作为第二PID控制器的输入量，根据偏差信号大小分阶段按比例调整K_p、K_i和K_d，第二PID控制器调节控制气体加热器的工作功率，从而确保T_h≥T。

3）将气体增湿单元中的水温T_w与通入气体的温度T₁之间的差值作为第三PID控制器的输入量，根据偏差信号大小分阶段按比例调整K_p、K_i和K_d，第三PID控制器调节控制水箱中液体加热器的工作功率，从而确保|T_w>->1|≤0.1℃。

一种产生恒定温湿度气体的控制系统及调节方法，其调节气体温湿度的工作流程如图5所示。压缩气体经干燥减压处理，得到的一定流量的绝干气体进入气体温度调节控制模块，检测气体温度调节控制模块中各支路以及初级气体混合室中气体的温度并对比设定的气体温度值，在参数采集控制模块的调节控制下初级气体混合室数据采集控制器对第一PID控制器、第二PID控制器以及质量流量控制器发出指令调节其各自的参数值，以使得初级气体混合室中气体的温度满足需要并达到较高的精度。气体完成温度调节后进入气体湿度调节控制模块，检测各支路以及次级气体混合室中气体的湿度并对比设定的气体湿度值，在参数采集控制模块的调节控制下次级气体混合室数据采集控制器对第三PID控制器以及质量流量控制器发出指令调节其各自的参数值，以使得次级气体混合室中气体的湿度满足需要并达到较高的精度。经充分混匀后从次级气体混合室中流出的气体达到所需的温湿度值。

所述的参数采集控制模块包括图2中的第一PID控制器3-3、第二PID控制器3-10和初级气体混合室数据采集控制器3-9，图3中的第三PID控制器4-8和次级气体混合室数据采集控制器4-11，以及图1中的串口服务器6和计算机7。

所述的一种产生恒定温湿度气体的控制系统能够产生所需要的恒定温湿度的气体，其结果精度高、稳定性好，试验结果见表2。

表2 气体温湿度设定值与实测值对比