大型CMM测量间高精度恒温恒湿房温度控制优化设计探讨

李力波，王 豪，丁永洁

（上海交通大学，上海 200240）

0 引言

三坐标测量仪（简称CMM）是一种精度高、测量迅速、性能稳定的测量系统，具有光学CCD影像测头、激光测头，能够满足车间检测需要。三坐标测量仪可以对尺寸、定位、几何、轮廓进行精度测量，广泛应用于各种零件、工装夹具尺寸检测及模具制造中的尺寸测量和复杂形面的快速扫描检测。在模具、汽车、航空、军工、机械等领域具有广泛的应用。由于三坐标测量仪的各部分材料不同，温度变化会引起热膨胀系数不均从而导致测量精度失真和不稳定。所以，在使用三坐标测量仪时，需要为其提供高精度的恒温恒湿使用环境。某企业需要为6台三坐标测量仪的恒温恒湿环境室的空调系统进行改造，房间面积345m2，旧空调系统由于表冷器的温度和流量波动大，导致无法将温度控制在精度范围内。

关于恒温恒湿空调系统的实例有很多：李启航[1]设计了某汽车厂总装车间内的测量间的空调系统，测量间面积为52m2，温度控制在20℃（±0.5℃）。郭俊[2]等实验研究了新型冷凝热回收式恒温恒湿空调机组性能。X.Yu[3]等为上海某档案馆大楼提出了基于地源热泵的恒温恒湿的空调系统，实现了比较精确的温湿度控制。黄东[4]采用PID控制技术，对重庆地区卷包车间空调进行温湿度控制，最终使温度控制在24℃（±1℃），湿度精度在±3%。陈青龙[5]和魏星[6]分别对基于双回路表冷器的恒温恒湿空调系统进行控制优化和热湿解耦机理进行分析。魏星得到出口空气含湿量受水温的影响程度为75.68%，出口空气温度受水流量的影响程度为43.1%。

目前，小型环境室使用普遍，其控制方法也比较常见[7]，但这些控制方法用于大型环境室时，温控效果会大打折扣。这是因为大房间具有温度波动大，空气流场不均匀等特点。目前越来越多的工厂中需要大型环境室，故本例在实际工程应用中有现实意义。

1 系统设计

1.1 系统原理

三坐标环境室空气调节系统是在原有部分系统设备的基础上进行的重新设计和改良，改造后的系统原理图如图1所示，包括空气处理系统、冷却水系统、控制系统三个部分。

1）空气处理系统

图1 系统原理图

空气处理系统采用二次回风处理手段，多重PID精确控温控湿。室内空气通过回风管路回到空气处理初始段与新风混合经粗效过滤器流经表冷器，经过表冷器降温除湿后与二次回风混合再热，然后混合空气经过电加热器加热控温，电极加湿器等温控湿。风机作为动力源将处理后的空气经高效过滤器过滤后送入房间内，空气处理流程图如图2所示。通过调节风机输入功率可以实现风速的控制[8]。三坐标环境室的送风温湿度控制方法是：由PID根据回风温度和湿度对空气电加热、电极加湿器的输出功率进行增量调节，从而控制送风温湿度。表冷器中冷却水流量是由PID根据表冷器出风温度对流量计的开度进行调节控制，从而实现表冷器的冷量控制。

图2 空气处理流程

2）冷却水系统

为满足冷却温度范围，冷却水采用乙二醇水溶液。空气处理过程中的关键是保证表冷器的降温性能稳定，所以表冷器的进口温度必须是恒定的。为了满足这一要求，冷却水系统中设置保温水箱，采用PID调节水箱电加热的加热功率实现水温控制。风冷冷水机组为系统提供冷量[9]。旧系统中的冷量是通过调节冷水机组中变频压缩机的功率来调节蒸发器冷量从而调节冷却水水温，但这种控制方法并不能很好的控制表冷器的入口水温，水温波动大，不适于高精度的温度控制。此次系统中采用双水箱设计，电加热置于水箱2中，通过PID控制风冷冷水机组的冷水进口温度。冷水机组制冷量一定时，可以通过调节冷水机组的进口水温来实现出口水温的控制。循环水从水箱2中经过冷水机组降温回到水箱1中，此时水箱1温度恒定，冷却水通过泵，进入表冷器中吸热后回到水箱2中实现循环。

3）控制系统

整个系统可分为控制子系统、数据采集系统、报警处理子系统。控制原理图如图3所示。各子系统之间相互关联，互相配合，参数共享。控制系统以PLC为核心，以可视化触摸屏作为人机交互的操作界面，测试系统的开启与关闭全部在触摸屏上进行。控制系统中需控制的参数数据通过PLC数据采集模块采集至触摸屏显示，通过PID控制器进行自动调节。控制系统设置完备的保护措施和报警功能，保证系统可靠稳定运行。系统中用到的仪表参数如表1所示。

图3 控制原理图

表1 测量参数

1.2 控制参数

环境室温湿度等控制要求和精度如表2所示。

表2 控制参数表

1.3 设计计算

为了达到环境室要求的温湿度控制精度、温度均匀性和空气洁净度要求，必须符合国家标准和设计规范要求的送风温差和换气系数，恒温洁净室空调系统采用全空气定风量方式。

1）冷负荷计算

环境室最大冷负荷主要包括仪器设备的散热，房间围护结构漏热，循环风机和照明灯具等用电设备的散热、房间降温过程的热容以及新风的热负荷。计算公式如式(1)所示。

式中：Q1为灯具照明、操作人员等散热，kW；Q2为循环风机等用电设备的散热，kW；Q3为仪器设备散热，kW；Q4为库房围护结构漏热量，kW；Q5为降温过程的热容量，kW；Q6为新风热负荷，kW。

其中，库房围护结构漏热量Q4可按式(2)计算：

式中，K为围护结构传热系数，W/(m2.K)；A为围护结构的总面积，m2；∆T为室内外温差，取最大值40℃；

其中围护结构传热系数K按式(3)计算：

α1为围护结构内侧表面对流换热传热系数，W/(m2.K)；α2为围护结构外侧表面对流换热传热系数，W/(m2.K)；δ为库体保温材料岩棉的厚度，m；λ为库体保温材料岩棉的导热系数，取0.037W/(m.K)。

降温过程的热容量Q5按式(4)计算：

m为房间空气质量，kg；Cp为空气比定压热容，kJ/(kg.K)；∆t为空气降温温差，℃；τ为空气降温时间，s；

2）风量设计计算

环境室的送风量要满足下列三项[10]：

满足空气洁净度等级要求的风量：

根据标准GB 50073-2013，为保证洁净度十万级，房间的换气系数应该≥15次每小时。

满足室内热湿负荷和高精度恒温要求的风量：

室内热负荷计算风量"G" ：

式中：Cp为送风气流的比定压热容，kJ/(kg.K)；ρ为送风气流的密度，kg/m3；∆t为送风温差，℃；Qr为房间热负荷，kW。

满足向房间供给的新鲜空气量[11]。

按照GB50073-2013，保证房间5Pa～10Pa正压所需的新风量按照房间换气系数2～4次每小时计算。

经计算，并且考虑到富裕度，设计参数如表3所示。

表3 设计参数表

2 数值模拟仿真校核

2.1 几何模型与网格划分

根据环境室的实际尺寸，1：1建立三维模型，如图4所示。

图4 三维模型图

房间顶部为送风口，从风口处理的空气经过稳压箱和孔板进行整流后进入环境室。在本例中，回风后模型进行了一定的简化，舍去条形回风口的物理形状，而直接将同样尺寸的面作为回风口进行数据模拟计算。几何模型网格划分如图5所示。

图5 几何模型和网格划分

由于孔板区域以及靠近壁面区域可能发生速度的剧烈变化，如孔板处存在气流的突缩与突扩现象、靠近壁面处气流会形成温度、速度变化剧烈的薄层等，所以此处的网格划分较细，而在大空间的空气区域，网格划分相对较粗，以减小计算量。全域网格数为1765779个。所有网格均为结构性网格，网格质量好。

2.2 边界条件

根据气流场的实际流动方式，设置几何模型的边界条件如下：

1）房间顶部方形区域为空气入口，边界条件为VELOCITY-INLET；

2）孔板为固壁，边界条件为WALL；

3）孔板的开孔区域为内部面，物质与热量可直接通过，边界条件为INTERIOR；

4）由于三坐标测量室内放置的装置在工作时会产生热量，且维护结构存在漏热等。为考核送风方式是否合理，测试室内的温度场、速度场是否均匀，达到设计要求，需模拟房间内部的产热[12]，在内部设置内热源，边界条件为RADIATOR；

5）房间一侧区域为出风口，边界条件为PRESSURE-OUTLET；

6）壁面边界条件为WALL。

选择SIMPLE算法的二阶迎风格式（SECOND UPWIND）算法进行数值模拟。

2.3 模拟结果

数值模拟结果如图6、图7所示。

图6 温度分布云图

图7 速度分布云图

图6为室内温度分布云图，三层温度云图的位置分布为距地面1.5m、2.5m以及3.5m。各个断面上的温度分布均匀，同一平面不同位置处的温度差，最大不超过0.2℃；温度梯度在1m内小于0.2℃。

图7为室内速度分布矢量图，三层速度矢量图的位置分布为距地面2m、3m以及4m。各个断面上的速度分布均匀，同一平面不同位置处的速度大小相等，速度方向一致。

3 结果分析

按照设计方案，施工完成后对环境室进行温度测试。测试条件：风机频率为50Hz，环境室保持封闭，尽量减少开门次数，三坐标测量仪和电脑设备等正常运行，温度设定为20℃，湿度设定为55%（RH）。测量时间为8小时，每隔3分钟记录一次数据。测点布置：在距地面1.5m、2.5m以及3.5m处各布置7个测点，一共测量21个温度点位，测点布置图如图8所示。测试结果如图9～图11所示。湿度测量点布置在2.5m处，7个测点，测试结果如图12所示。

图8 测点布置图

图9 1.5米处温度测量结果

图10 2.5米处温度测量结果

图11 3.5米处温度测量结果

图12 2.5米处湿度测量结果

从图9～图11中可以看出，测点4的温度值在各层是偏高的，这是因为在测点4处的房间外面有其他散热设备，使得测点4 附近房间壁面温度较高，对室内温度有所影响。还可以看出，测点7的温度相比来说较低，这是因为测点7在在房间中央，距离各个散热设备都相比较远，受室内内热源的影响比较小，所以温度相比会低一些。房间内各层温度分布相比较来说，3.5m处的温度较低，这是由于靠近送风口的缘故。而在2.5米处，可以看出温度混合程度比较大，更加均匀。在1.5米处个测点的温度波动幅度变小，更加稳定。这种情况有利于设备的正常运行。

由数据分析可知，各个测点的温度波动很小，波动均在0.1℃以内。各个测量平面的温差最大为0.28℃，整体房间最大温差为0.33℃，温度波动均在±0.2℃以内。湿度值整体波动在±0.6%RH以内。从实际结果看，房间整体温差稍微大于模拟得到的结果，这是因为在模拟的过程中对房间进行了简化，受条形回风口等方面的影响，实际上的温度波动比模拟的效果差一点。

4 结论

本案例采用循环水过渡的方式，设计使用两个联合水箱，实现大型环境室空调系统冷量稳定的功能，通过CFD模拟校核，实现有效的温度控制。相比于改造前的空调系统，此次设计控温效果非常理想，总结结论如下（可得如下结论）：

1）在系统设计上摒弃前者直接用冷水机组控制表冷器进出口水温的方式，采用两个保温水箱实现冷水机组蒸发器入口水温的单独控制，从而实现空调系统中表冷器的冷量控制。这种方式使表冷器降温除湿量比较稳定，从而使降温除湿处理后的温度湿度恒定，便于后面的空气处理。

2）本系统中的控制方法：采用两个PID根据回风分湿度分别对电加热器和电极加湿器进行单独控制，再用一个PID根据表冷器出风温度对冷却水流量进行控制，从而实现温度和湿度的单独控制。

3）此次系统中的水箱设计名义上是一个水箱，实际上从中间隔板隔开后为两个水箱，采用PID精确控制冷水机组入口水温。相比一个水箱，两个水箱控制更加理想。

4）整个系统温湿度非常稳定，波动很小。湿度波动在±0.6%以内。由于模型的简化，从CFD模拟结果与实际测量结果对比分析，实际温度波动比模拟值稍大，模拟温差小于0.2℃，实际最大温差为0.33℃。