无冷凝高精度温度控制设备

赵苏唯

（苏州科技大学，江苏 苏州 215009）

0 引言

介绍了无冷凝高精度温度控制设备保障系统的工作原理和控制策略，并对系统可能出现的问题加以预防，从而保证产品的性能和质量。无冷凝高精度温度控制设备保障系统外形图如图1 所示：

1 主要功能描述

本设备提供双站射频子系统温度环境条件。可提供-25～60 ℃环境，设备采用温度传感器测定控温平台的出口液体温度，通过调节电加热和供液流量实现平台温度±0.5 ℃的高精度控制，设备具有干燥除湿装置，防止出现凝露和结霜。

2 设计思路

本项目要求试验箱内电子负载上的温度一致且可控，试验箱内环境及电子负载无冷凝产生。通过多年项目经验积累，我们把该项目分为冷板、冷却系统、测试箱（含环控和干燥系统）、氮气正压系统和电控系统。

3 工作原理

3.1 控温原理

3.1.1 冷板传热

测温箱内设备冷板，冷板上安装电子负载，因冷板与电子负载之间为实心铝（较厚，本项目采用40 mm），为传导换热，铝传热系统较高，所以整个冷板表面温度一致性较好[1-2]。在设计冷板时，把冷板进、出液温差控制在0.35 ℃左右，增加冷却液流量，进一步减小冷板表面因冷却液温度不均匀带来的温差，通过上述手段，冷板表面温度一致性达±0.5 ℃内。

每个模块试验时，各使用一块冷板，并分别放置于各自测试箱内。

3.1.2 冷却系统恒温供液

为保证供液温度快速温度和可调，冷却系统的水泵吸入口分别设有电动三通阀，通过设定温度自动调节三通阀，使冷水箱和热水箱进行自动混合，从而得到与设定温度相同的冷却液[3]。

测试箱1#与测试箱2#分别对应一组恒温供液。

3.1.3 测试箱的环控系统恒温

电子负载放置于测试箱内，其壳祼露在测试箱的空气内，为进一步恒温，测试箱内自带环控系统，对测试箱的空气进行控制，并与冷板表面温度相近。

3.2 无冷凝控制原理

3.2.1 氮气正压，防止外界空气进入

因设备与外界互联电缆等较多，孔隙较难密封，设备高、低变化范围较大，内、外空气交换很容易发生，我们通过向测试箱内通入氮气，保证试验箱的空气压力大于大气压力（压差约为10～15 Pa），防止外界大气进入测试箱内，形成局部冷凝。

3.2.2 吸湿板物理吸附，减少存量湿气

测试箱的空气循环吸风口上设有吸湿板，通过吸湿板不断吸入测试箱的空气的湿气，保证了测试箱内的空气干燥。

3.3 温度控制、无冷凝控制联合工作

通过控温原理和无冷凝控制原理说明，可保证电子负载进行温度可控，无冷凝工作。系统原理如图2所示。

图2 系统原理图

4 电气控制设计

4.1 电控模块总述

无冷凝高精度温度控制设备共有1 套冷却模块、2 套测试箱（每套测试箱模块均可兼顾单机一和单机二）模块、1 套电控模块组成，机组采用集中控制的模式，电控模块是整个无冷凝高精度温度控制设备的控制核心，负责对整个系统中各设备提供配电、控制和保护，并将整个系统的状态信息实时上报给上位机。电控模块采用西门子S7-1200 系列PLC 为控制核心，配合触摸屏操作和显示，通过对现场温度、流量、压力等信号实时采集和对外部控制信号快速、准确地响应，在PLC 内部进行运算处理和逻辑控制，使得整个冷却机组实时工作数据一目了然报警信息清晰明了，运行状态实时把控，大大降低了使用、维护和检修的难度。冷却机组控制架构如图3 所示。

4.2 控制逻辑

4.2.1 冷却模块控制逻辑

机组开机后，控制系统根据供液温度判断机组进入制冷还是制热工作模式，当供液温度低于0 ℃（可调）时，机组进入制热工作模式，当供液温度高于5 ℃（可调）时，机组进入制冷工作模式[4-5]。

1）制热工作模式。制热工作模式下，冷却模块根据供液温度的设定值，通过电压调整器对电加热进行PID 调节，当供液温度显示值低于供液温度设定值-0.3 ℃（可调）时，冷却模块PLC 对控制电加热的电压调整器的输出值加大，此时电加热的功率加大，供液温度就会升高，当供液温度显示值高于供液温度设定值+0.3 ℃（可调）时，冷却模块PLC 对控制电加热的电压调整器的输出值减小，此时电加热的功率减小，供液温度就会降低，如此循环，通过冷却模块电加热的PID 调节，从而确保供液温度在供液温度设定值±0.5 ℃的范围内。

2）制冷工作模式。制冷工作模式下，首先根据供液温度的设定值，控制压缩机的启停，然后再根据供液温度的设定值，控制压缩机能调，当供液温度≥供液温度设定值+压缩机启动回差（默认2 ℃（可调））时，压缩机启动，当供液温度≤（供液温度设定值-压缩机停止回差（默认2 ℃（可调））时，压缩机停止，当供液温度≤（供液温度设定值-能调启动回差（默认0.1℃（可调））时，能调启动，当内循环供液温度≥（供液温度设定值+能调停止回差（默认0.1 ℃（可调））时，能调停止，同时冷却模块设有1 个低温水箱和2 个高温水箱，分别通知两个三通调节阀将冷、热水进行混合，对1#测试箱和2#测试箱的冷板供液，当供液温度≤供液温度设定值，三通阀关，增加热水，减少冷水；当内循环供液温度≥供液温度设定值，三通阀开，减少热水，增加冷水，三通阀的开启度通过PID控制，通过压缩机能调和三通阀调节，可将供液温度控制在供液温度设定值±0.5 ℃的范围内。

4.2.2 测试箱控制逻辑

机组开机后，测试箱控制系统根据箱内温度判断机组进入制冷还是制热工作模式，当箱内温度低于设定值-5 ℃（可调）时，机组进入制热工作模式，当箱内温度高于设定值+5 ℃（可调）时，机组进入制冷工作模式。

1）制热工作模式。制热工作模式下，测试箱控制系统根据箱内温度的设定值，通过电压调整器对电加热进行PID 调节，当箱内温度显示值低于箱内温度设定值-0.2 ℃（可调）时，测试箱PLC 对控制电加热的电压调整器的输出值加大，此时电加热的功率加大，箱内温度就会升高，当箱内温度显示值高于箱内温度设定值+0.2 ℃（可调）时，测试箱PLC 对控制电加热的电压调整器的输出值减小，此时电加热的功率减小，箱内温度就会降低，如此循环，通过测试箱电加热的PID 调节，从而确保测试箱温度在测试箱温度设定值±0.5 ℃的范围内。

2）制冷工作模式。制冷工作模式下，首先根据测试箱温度的设定值，控制压缩机的启停，然后再根据测试箱温度的设定值，控制压缩机能调，当测试箱温度≥（测试箱温度设定值+压缩机启动回差（默认1 ℃（可调））时，压缩机启动，当测试箱温度≤（测试箱温度设定值-压缩机停止回差（默认1 ℃（可调））时，压缩机停止，当测试箱温度≤（测试箱温度设定值-能调启动回差（默认0.1 ℃（可调））时，能调启动，当测试箱温度≥（测试箱温度设定值+能调停止回差（默认0.1 ℃（可调））时，能调停止，通过压缩机能调，可将供液温度控制在供液温度设定值±0.5 ℃的范围内。

5 结语

本文着重介绍了机组的组成、各分系统模块的设计、工作及使用流程、主要关键技术及解决情况，并对设备技术指标的满足情况进行了逐一分析，为了保障制冷设备正常运行，并达到所要求的指标，需要把控制温度、压力、流量、湿度等许多热工参数的一些控制电器和调节元件、各种仪表、传感器及附属设备组合起来，形成一个控制系统，这个系统就是制冷与空调自动控制系统。