食品行业培养箱控制系统设计与研究

摘 要：食品行业培养箱基本结构由热湿处理系统、控制系统等组成，具有制冷、制热、除湿、加湿及通风等功能，可以实现对温度和湿度的较精确的控制。制冷、制热、除湿均由半导体制冷器实现。该培养箱的控制系统可实现将箱内的温度、湿度控制在设定值附近，并对控制精度和控制功能有较高的要求。

关键词：食品行业；培养箱；控制系统；设计研究

1 半导体培养箱的控制系统基本原理

培养箱温度、湿度的调节是通过控制系统实现的。培养箱温度调节是由箱体内置的温度传感器，采集数据，传至温度控制器调节，通过调节通过半导体制冷器电流量或者接通空气加热单元即半导体制冷器的热端面来实现增加箱体内温度或降低温度，来达到所需要的控制温度；湿度的调节是由箱体内置的湿度传感器，采集数据，传至湿度控制器调节，从而通过调节半导体制冷器的电流量，使其与空气接触面的温度降低，即半导体制冷表面（冷端面）的温度低于空气露点温度的来实现对箱体内空气的去湿作用，或者接通超声波加湿器来实现加湿作用，以达到控制所需要的湿度。

2 培养箱的控制系统设计与分析

要保证培养箱功能的实现，及设备的节能运行，必须精确协调热湿处理系统、空气循环系统的运行工作，需要设计完善的自动控制系统和准确的控制策略。

2.1 控制方案

2.1.1 热湿处理设备控制要求

制冷系统：采用半导体制冷装置，可以制冷降温，且改变箱内的的相对湿度。如果冷端表面温度过低，低于露点温度时会除湿，不需要除湿时可通过调整循环风量和启停周期等措施避免。

加热系统：采用半导体制热装置，可以加热升温，可以使箱内的相对湿度降低，但不改变空气的绝对湿度d。

除湿系统：采用半导体制冷装置，与制冷系统联合工作使冷端表面温度低于露点温度进行除湿。

加湿系统：采用超声波加湿器，增加绝对湿度d，使箱内的含湿量d和相对湿度φ都增加。

2.1.2 控制策略

温湿度控制即将空气的状态控制在一定的范围之t±△t、φ±△φ或d±△d，控制精度即范围的大小，根据测得的干球温度和湿球温度，确定初始状态。换算出空气的含湿量d，含湿量d能反映空气湿空气的绝对湿度。将启动时箱内的温度、绝对湿度与要求的设定状态进行计算比较，确定进行制冷，加热、加湿、除湿等设备的运行，将空气的状态参数调控到所需的范围之内。

（1）温度控制

根据加热、制冷系统工作特性，并充分发挥计算机处理数字量的优势，采用占空比的信号输出，根据当前实测值tc与设定值ts之差tc-ts进行如下方案调节：

a.当tc-ts>2、全负荷制冷运行

-2≤tc-ts≤2时： PI调节运行，并根据进入该区间前的运行方式进行制冷运行或加热运行：

如是在tc-ts>1区间进入的，则保持制冷运行，采取PI调节制冷负荷大小。

如是在-1≤tc-ts区间进入的，则保持加热运行，采取PI调节制加热荷大小。

b.当tc-ts<-2时、全负荷加热运行

由于恒温恒湿箱的外扰较小，且被控参数不会突变，为保证参数的稳定性采用 PI调节算法，控制器采用时间比例的占空比信号输出，控制固态继电器的通断，精确控制加热制冷系统运行，实现温度的准确控制。

（2）湿度控制

度量空气中含水蒸汽量的参数有含湿量d、相对湿度？准、湿球温度ts、露点温度tL，几个参数中只有含湿量d表示水蒸汽含量的绝对值，其余都是相对量。因此将含湿量d作为湿度的控制参数，更为合理。在湿空气的诸多参数中，压力和温度是易测的，而含湿量不易直接测量，只能通过相对湿度或湿球温度的测量间接得到含湿量。由于测量相对湿度的传感器不确定性较大，稳定性差，不适合用于对温、湿度要求很高的恒温恒湿箱，且价格高。而干、湿球温度测量相对湿度，是传统的的方法，简单可靠。因此，我们采用湿球温度作为测量参数，即湿度的控制参数。

2.2 控制系统

3 整机自动控制系统实验

4 结束语

结果表明，本培养箱具有较宽的温湿度调控适应性，温湿度参数达到了设计要求。验证了整机的工作性能及控制系统控制效果可行。本实验提出的用绝对湿度代替相对湿度，将温度、绝对湿度与要求的设定状态进行计算比较，确定热湿处理设备的运行，将空气的状态参数调控到所需的范围之内是可行的。

参考文献

[1]刘士光，包长春，马叔英，等.新型恒温恒湿箱测控系统的设计与研究[J].农业工程学报，2001（9）.

[2]齐臣杰，卞之，刘杰.半导体制冷器优化设计工作状态的实验研究[J].低温工程，2007（1）.

[3]杨小玲.基于半导体致冷的高精度温度控制系统[J].仪表技术与传感器，2007（3）.

作者简介：田茹（1970，12-），女，内蒙古包头市人，本科学历，包头轻工职业技术学院，制冷与低温工程方向。

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