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高低溫交變濕熱試驗箱的濕度控制系統(tǒng)是實現(xiàn) “精準(zhǔn)控濕" 與 “溫濕協(xié)同" 的核心,通過加濕模塊、除濕模塊、濕度監(jiān)測與反饋調(diào)節(jié)三大組件協(xié)同工作,結(jié)合環(huán)境溫度動態(tài)適配,最終實現(xiàn) 10% RH~98% RH(常規(guī)區(qū)間)的濕度精準(zhǔn)控制。其工作邏輯需同時匹配溫度變化(如低溫防凝露、高溫防過濕),具體原理可按 “加濕機制"“除濕機制"“溫濕協(xié)同控制" 三部分拆解:
一、加濕系統(tǒng):實現(xiàn)濕度提升,適配不同溫度場景
加濕系統(tǒng)的核心是 “向箱內(nèi)空氣中補充水分",需根據(jù)溫度條件選擇不同加濕方式(避免低溫加濕時凝露、高溫加濕時效率不足),主流技術(shù)分為蒸汽加濕和超聲波加濕,其中蒸汽加濕(尤其是電極式)因穩(wěn)定性高,是工業(yè)級設(shè)備的。
1. 核心加濕方式:電極式蒸汽加濕(常用)
電極式加濕通過 “水的電阻加熱" 產(chǎn)生純蒸汽,直接通入箱內(nèi)提升濕度,適配中高溫(>10℃)場景,具體工作流程:
加濕水箱與電極結(jié)構(gòu):設(shè)備配備獨立 “加濕水箱"(內(nèi)置水位傳感器,防止缺水干燒),水箱內(nèi)插入 3 根金屬電極(通常為不銹鋼材質(zhì)),電極通過導(dǎo)線連接電源,水箱內(nèi)注入去離子水 / 蒸餾水(避免自來水水垢堵塞電極或產(chǎn)生雜質(zhì))。
加熱產(chǎn)汽原理:通電后,電流通過水中的離子(去離子水仍含微量離子,具備弱導(dǎo)電性)產(chǎn)生熱量,使水加熱至沸點(100℃,標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下),生成純蒸汽;電極插入水中的深度可調(diào)節(jié)(或通過水位傳感器控制水位),水位越高,電極浸入面積越大,產(chǎn)汽量越大(加濕速率越快)。
蒸汽輸送與擴(kuò)散:產(chǎn)生的純蒸汽通過 “蒸汽管道" 輸送至箱內(nèi)風(fēng)道(與加熱 / 制冷后的空氣混合區(qū)域),借助箱內(nèi)離心風(fēng)機的強制循環(huán),蒸汽快速擴(kuò)散至整個工作室,均勻提升空氣中的含水量,避免局部濕度過高。
適配場景:適合溫度>10℃的加濕需求(如 25℃/50% RH、85℃/95% RH),尤其在高溫高濕(如 85℃/85% RH)場景下,蒸汽加濕不會引入額外降溫(避免影響溫度控制),且蒸汽純度高,不會污染樣品(如電子元器件、精密材料)。
2. 輔助加濕方式:超聲波加濕(適配低溫 / 低濕度場景)
超聲波加濕通過 “高頻振動霧化水分" 產(chǎn)生微小水霧,適合低溫(5℃~10℃)或需快速提升低濕度(如 10% RH→30% RH)的場景,原理如下:
霧化核心:超聲波振子:加濕模塊內(nèi)置 “壓電陶瓷振子",通電后產(chǎn)生 1.7MHz~2.4MHz 的高頻振動,將水箱中的去離子水擊碎成直徑 1~5μm 的微小水霧(霧滴顆粒遠(yuǎn)小于蒸汽,更易擴(kuò)散)。
水霧輸送與汽化:水霧通過 “風(fēng)機 + 風(fēng)道" 吹入箱內(nèi),在箱內(nèi)空氣流動中快速汽化(吸收少量熱量,需溫度系統(tǒng)補償),從而提升空氣濕度;因霧滴未汽化時可能附著在樣品表面(導(dǎo)致凝露),通常需在風(fēng)道內(nèi)加裝 “汽化加熱器"(輕微加熱至 30℃~40℃),確保水霧汽化后再進(jìn)入工作室。
適配場景:適合低溫(>5℃,避免霧滴結(jié)冰)、低濕度提升需求(如 - 10℃→5℃升溫過程中,需將濕度從 10% RH 提升至 40% RH),但在高溫高濕(>60℃)場景下,霧化效率會下降(水汽易重新凝結(jié)),因此較少單獨用于高溫場景。
二、除濕系統(tǒng):實現(xiàn)濕度降低,分 “冷卻除濕" 與 “轉(zhuǎn)輪除濕"
除濕系統(tǒng)的核心是 “從箱內(nèi)空氣中移除水分",需根據(jù)目標(biāo)濕度(低濕度 vs 中高濕度)選擇不同技術(shù),常規(guī)設(shè)備以 “冷卻除濕" 為主(適配 15% RH 以上),低濕度(<15% RH)需求需疊加 “轉(zhuǎn)輪除濕"。
1. 常規(guī)除濕:冷卻除濕(適配 15% RH~98% RH)
冷卻除濕利用 “空氣降溫至露點以下,水分凝結(jié)析出" 的原理,是設(shè)備最基礎(chǔ)的除濕方式,與溫度控制系統(tǒng)的制冷模塊協(xié)同工作:
除濕核心:蒸發(fā)器(與制冷系統(tǒng)共用):高低溫箱的制冷系統(tǒng)包含 “蒸發(fā)器"(箱內(nèi)換熱部件),除濕時,制冷系統(tǒng)啟動,蒸發(fā)器溫度快速降至 “箱內(nèi)空氣露點溫度以下"(如箱內(nèi)空氣 25℃/60% RH,露點約 15℃,蒸發(fā)器溫度需降至 10℃以下)。
水分凝結(jié)與排出:箱內(nèi)高濕空氣在風(fēng)機帶動下流經(jīng)蒸發(fā)器表面,空氣中的水汽遇冷(低于露點)凝結(jié)成液態(tài)水,附著在蒸發(fā)器的翅片上;蒸發(fā)器下方設(shè)有 “接水盤",凝結(jié)水通過排水管導(dǎo)入設(shè)備外部的廢水桶(或直接排出),從而降低空氣中的含水量。
除濕速率調(diào)節(jié):通過控制 “制冷系統(tǒng)的運行功率"(如壓縮機啟停頻率、膨脹閥開度)調(diào)節(jié)蒸發(fā)器溫度:需快速除濕時(如 95% RH→50% RH),加大制冷功率,降低蒸發(fā)器溫度(如降至 5℃),加速水分凝結(jié);需緩慢除濕時(如 50% RH→30% RH),減小制冷功率,避免溫度過度下降(影響溫度控制)。
局限性:冷卻除濕的濕度受 “蒸發(fā)器溫度" 限制(通常蒸發(fā)器溫度約 - 5℃,對應(yīng)箱內(nèi)濕度約 15% RH);若溫度低于 10℃,空氣中水汽含量本身較低,冷卻除濕效率會大幅下降(易導(dǎo)致蒸發(fā)器結(jié)霜,反而影響換熱),此時需疊加轉(zhuǎn)輪除濕。
2. 低濕度除濕:轉(zhuǎn)輪除濕(適配 10% RH~15% RH)
針對低濕度需求(如電子元器件的低濕存儲測試),設(shè)備需在冷卻除濕基礎(chǔ)上增加 “轉(zhuǎn)輪除濕模塊",利用 “吸附材料" 主動吸附空氣中的水分:
轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu):吸濕區(qū)與再生區(qū):轉(zhuǎn)輪為蜂窩狀結(jié)構(gòu)(表面積大,吸附效率高),內(nèi)部填充 “硅膠" 或 “分子篩"(高吸濕材料,可吸附自身重量 20%~30% 的水分);轉(zhuǎn)輪分為 “吸濕區(qū)"(占轉(zhuǎn)輪面積 70%,與箱內(nèi)空氣接觸)和 “再生區(qū)"(占 30%,與高溫再生風(fēng)接觸),轉(zhuǎn)輪以 10~20 轉(zhuǎn) / 小時的低速持續(xù)旋轉(zhuǎn)。
吸濕過程:箱內(nèi)低濕空氣(如 20% RH)流經(jīng)轉(zhuǎn)輪 “吸濕區(qū)" 時,空氣中的水分被硅膠 / 分子篩吸附,空氣濕度降至 10% RH 以下,再通過風(fēng)道送回工作室;同時,轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)將 “吸附飽和的吸濕區(qū)" 帶入 “再生區(qū)"。
再生過程(關(guān)鍵:避免吸附材料飽和):再生區(qū)通入 “高溫干燥風(fēng)"(由獨立加熱器加熱至 120℃~150℃),高溫風(fēng)將吸附材料中的水分蒸發(fā)出來,形成高濕再生風(fēng),通過排風(fēng)管道排出設(shè)備外部;再生后的吸附材料隨轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)回到吸濕區(qū),繼續(xù)吸附水分,實現(xiàn) “連續(xù)除濕"。
適配場景:適合低濕度需求(如 10% RH~15% RH),或低溫(<10℃)場景下的除濕(避免冷卻除濕結(jié)霜),但需額外消耗電能(再生加熱),且轉(zhuǎn)輪需定期更換(硅膠 / 分子篩吸附能力會隨使用時間衰減,通常 1~2 年更換一次)。
三、溫濕協(xié)同控制:避免溫濕相互干擾,實現(xiàn)精準(zhǔn)聯(lián)動
濕度與溫度高度關(guān)聯(lián)(相同含水量的空氣,溫度變化會導(dǎo)致相對濕度反向變化:溫度升高,相對濕度降低;溫度降低,相對濕度升高),因此濕度控制系統(tǒng)需與溫度系統(tǒng) “動態(tài)聯(lián)動",避免單一控濕導(dǎo)致溫度失控,核心邏輯如下:
1. 濕度調(diào)節(jié)的溫度補償機制
升溫過程中的濕度補償:當(dāng)設(shè)備從低溫(如 - 20℃)升溫至高溫(如 80℃)時,箱內(nèi)空氣溫度升高,相對濕度會大幅下降(即使含水量不變)。此時濕度系統(tǒng)需主動加濕:溫度控制系統(tǒng)反饋 “升溫速率"(如 2℃/min),濕度系統(tǒng)同步計算 “所需加濕量",通過電極式加濕模塊逐步補充蒸汽,確保溫度升至目標(biāo)值時,濕度同步達(dá)到設(shè)定值(如 80℃/90% RH)。
降溫過程中的濕度補償:當(dāng)設(shè)備從高溫(如 80℃)降溫至低溫(如 - 10℃)時,空氣溫度降低,相對濕度會升高(易接近露點,產(chǎn)生凝露)。此時濕度系統(tǒng)需提前除濕:在降溫前啟動冷卻除濕,將箱內(nèi)濕度降至 “低溫對應(yīng)的安全濕度"(如 - 10℃時,安全濕度≤30% RH,避免凝露),降溫過程中根據(jù)溫度下降速率微調(diào)除濕量,防止?jié)穸瘸瑯?biāo)。
2. 反饋調(diào)節(jié):PID 算法實現(xiàn)精準(zhǔn)控濕
濕度控制系統(tǒng)通過 “濕度傳感器 + PID 控制器" 實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié),確保濕度穩(wěn)定在目標(biāo)值 ±3% RH~±5% RH 范圍內(nèi):
濕度監(jiān)測:箱內(nèi)安裝高精度 “電容式濕度傳感器"(響應(yīng)時間<5s,精度 ±2% RH),實時采集空氣中的相對濕度數(shù)據(jù),傳輸至 PID 控制器。
PID 運算與指令輸出:PID 控制器將 “實際濕度" 與 “設(shè)定濕度" 對比,計算偏差值,通過比例(P)、積分(I)、微分(D)算法輸出調(diào)節(jié)指令:
若實際濕度<設(shè)定濕度(如設(shè)定 50% RH,實際 45% RH):控制器指令加濕模塊加大產(chǎn)汽量(如提升電極水位、增加超聲波振子功率);
若實際濕度>設(shè)定濕度(如設(shè)定 50% RH,實際 55% RH):控制器指令除濕模塊加大除濕量(如提高制冷功率、啟動轉(zhuǎn)輪除濕)。
動態(tài)修正:考慮到溫度變化對濕度的影響,PID 控制器會同時接收 “溫度傳感器數(shù)據(jù)",動態(tài)修正調(diào)節(jié)參數(shù)(如高溫時減小加濕量修正系數(shù),低溫時增大除濕量修正系數(shù)),避免溫濕干擾導(dǎo)致的參數(shù)波動。
四、關(guān)鍵組件與性能保障:避免濕度失控的核心設(shè)計
防凝露設(shè)計:箱內(nèi)風(fēng)道、樣品架等部件采用 “防凝露涂層"(如特氟龍涂層),避免濕度較高時水分凝結(jié)在部件表面;低溫場景下,濕度傳感器周邊設(shè)有 “微型加熱器"(加熱至露點以上 2℃~3℃),防止傳感器自身結(jié)露導(dǎo)致測量誤差。
水質(zhì)保障:加濕用水必須為 “去離子水 / 蒸餾水"(電阻率>1MΩ?cm),避免水中雜質(zhì)(如鈣、鎂離子)形成水垢,堵塞電極或超聲波振子(水垢會導(dǎo)致加濕效率下降 30% 以上,甚至損壞部件);設(shè)備配備 “水質(zhì)檢測傳感器",水質(zhì)不達(dá)標(biāo)時報警,提醒更換水源。
過濕保護(hù):當(dāng)濕度傳感器檢測到 “實際濕度超過設(shè)定濕度 10% RH 以上"(如設(shè)定 90% RH,實際 100% RH),系統(tǒng)立即啟動 “緊急除濕"(同時開啟冷卻除濕和轉(zhuǎn)輪除濕),若 10 分鐘內(nèi)濕度仍未下降,設(shè)備報警并切斷加濕模塊,避免樣品因過濕損壞(如電子元器件短路)。
總結(jié):濕度控制系統(tǒng)的核心邏輯
高低溫交變濕熱試驗箱的濕度控制,本質(zhì)是 “根據(jù)溫度動態(tài)調(diào)整加濕 / 除濕策略":通過蒸汽加濕(中高溫)、超聲波加濕(低溫)實現(xiàn)濕度提升,通過冷卻除濕(常規(guī)濕度)、轉(zhuǎn)輪除濕(低濕度)實現(xiàn)濕度降低,再借助 PID 反饋調(diào)節(jié)與溫濕協(xié)同機制,最終實現(xiàn)全溫度區(qū)間的濕度精準(zhǔn)控制。其設(shè)計需同時解決 “溫濕干擾"“低溫凝露"“低濕效率" 三大痛點,確保在模擬環(huán)境時,濕度參數(shù)嚴(yán)格貼合測試標(biāo)準(zhǔn),為產(chǎn)品可靠性驗證提供真實的濕度環(huán)境。
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