电子衡器高低温老化试验室的研制

　　根据地磅的生产工艺要求开发研制了一套高低温老化试验室采用过程PID程序控制的方法， 实现了温度控制的快速反应和温度场的均匀分布，保证了试件表面在老化试验过程中无结露现象的发生，同 时控制仪表还与计算机进行了数据通讯。

　　1.前言

　　随着计量法的深入，地磅的应用也越来越 广泛，地磅正逐步替代老式的称重计量设施，在 国内市场的占有额也日渐上升。由于地区的差异，气 候条件的不同，要求地磅在任何温度情况下都 具有高精度的计量性能，因此地磅的荷重传感 器和微电子元件都必须经过高低温老化试验，进行 必要的温度补偿后，才能保证得到精度稳定和性能 优良的地磅。为了确保产品的质量和可靠性，必 须建造专门的地磅高低温老化试验室以便为厂 家的产品提供准确的温度补偿系数

　　2.设计原理和特点

　　2. 1技术指标

　　温室有效空间：5000mm ( L) X 2700mm (W)X 2200mm ( H)

　　温度控制范围：-15℃~ 50°C

　　温度均匀度：温室内有效区域各点温差≤士 1°C

　　温度波动度：≤±1℃

　　升温时间(满载)：10°C~ > 40℃，≤ 40分钟

　　降温时间(满载)：40°C~ > 10℃，≤ 40分钟

　　2. 2功能特点

　　老化试验室围护结构采用硬质聚氨酯保温材 料，从而减少漏热量和满足快速变温的要求;整个系 统采用温湿度显示仪表来显示老化试验室的温度和 相对湿度，并可在-15℃~ 50℃温度范围内保持任 意温度设定点;试验室的空气循环采用全面孔板 送风，机组下回风方式，从而保证温度均匀，工况稳 定;而且能保证在从低温和高温的反复循环过程中 试件表面不结露;温控系统配备定时器，能实现立 定时关机;并配有双重超温报警装置，同时能即时自 动切断相应设备的电源。

　　2. 3试验室基本原理

　　试验室是由空气处理系统(制冷、加热和送风系 统)冷却系统以及电气控制系统三部分组成

　　制冷系统对试验室的有效区域起了降温和除湿 的作用,为了达到升降温速率的要求，系统中配备了 三套机组，其中压缩冷凝机组二台，低温机组一台， 对应一只双通路表冷器和一台冷风机，便于当试验 室温度工况变化时，对机组进行选择开启。同时为了 减少冷负荷损失，蒸发机组直接安置在试验室内。

　　加热系统是由两组立且容量相同的电加热管 组成，通过单回路过程程序控制器的PID控制，达 到升温和维持设定温度的功能

　　送风系统采用全面孔板送风的气流组织，气 流通过静压层里的混合，均匀地送风至控制区域，有 效地保证了高低温老化试验室温度场的均匀性。

　　冷却系统由冷却水泵和冷却塔构成，为制冷系 统提供冷却水并通过冷凝压力调节装置来控制一年 四季的冷却水流量，以满足制冷系统全年运行的目 的。

　　高低温老化试验室系统装置原理如图1所示。

　　3.测控系统

　　在地磅进行高低温老化试验时，由于地磅老化试验的工艺过程要求从高温到低温再上升至高 温，每个测试温度点的恒温时间亦有区别，而且从 高温到低温试验时，温湿度上升的斜率控制稍有不 当，试件表面就会产生结露现象;此外控制系统还 要保证升温或降温速率;当试验室内控制区域温度 达到设定值时，必须对制冷机负荷进行选择和调节， 从而节约运行费用;在恒温保持阶段之后，当地磅的表面温度与中心温度趋于一致时，控制系统 能够停机进行试验以测定试件的温度补偿系数。基 于上述要求，高低温老化试验室配备具有高速模糊 PID控制的过程调节器，PID调节器由比例环节积 分环节和微分环节三部分共同构成模糊PID算法 具有稳态调节精度高，调节反应速度快，能克服系 统的超调和抑制系统的欠调，并且过程调节器还能 进行满足地磅的工艺曲线要求的程序控制的操 作。图2是地磅老化试验的一个典型过程曲线 过程曲线是由平直线和斜线组成，斜率是由目 标值和运行时间所定在编程中为了避免试件表面 结露现象的发生，不能直接将*次停机后的目标 温度值设定在40℃，需要增加一个缓冲温度点，根 据冷空气特性以及其与地磅表面的换热机理， 先将缓冲温度点设定为22℃，再由此温度在规定时 间内上升至40℃，该过程均通过模糊PID调节器控 制电加热量来实现的。

　　在此典型温度控制过程中，过程调节器根据室 内温度传感器的模拟信号值通过A/D转换后与设 定值进行比较，然后输出SSR驱动电压调节信号， 利用交流调功方式控制电加热量;同时按升降温速 率要求的设定温度点发出事件输出信号，通过吸合 事件继电器来控制制冷机和风机的停开。单回路闭 环控制系统原理图如图3所示。

　　实践证明，这种控制方式能将试验室温度波动 稳定在士 0. 3℃以内。

　　由于地磅进行高低温老化试验的zui目的 是为了获取对地磅荷重传感器的温度补偿系数，因 此计算机系统除了对地磅自身的荷重参数进行数据 采集外，在停机试验的同时还必须采集当前的实际温度值，图4给出了过程调节器与计算机之间的通 讯示意图通讯时，计算机必须根据过程调节器以 及地磅本身的通讯接口设定的地址，共同约定数据 格式波特率等通讯规约，发送通讯文件，调节器 在接受地址符合接收字符格式和校验正确后，才能 进行正常的通讯

　　4.试验结果及分析

　　为了考核所建造的地磅高低温老化试验室的设计、制造是否合理，根据GB10592- 89《高低 温试验箱技术条件》中第4款(技术要求)和第5款 (试验方法)中的内容，对试验室进行了温度均匀性 和波动性的计量标定试验，在试验室内布置21个温 度计测点，温度计采用二等标准水银温度计，测点 在试验室内的分布设置情况如图5所示。

　　经测试，各个测点的平均温度值如表1所示。

　　从测试结果可以看出，当标称测试温度为- 15C时，室内温度均匀性为士 Q 7C，温度波动性小于+ 0. 2°C ;而当标称测试温度为45C时，室内 温度均匀性为士 0. 9C，温度波动性小于士 Q 3C

　　5.结论

　　商用衡器、电子天平、汽车地磅等各类地磅产品已经进入了微电子时代，对荷重传感器的精 度要求也越来越高，作为集机械、制冷、计算机等 机电一体化的地磅高低温老化试验室的使用不 仅能提高生产效率，同时又能获得的传感器的 温度补偿系数实际应用的结果表明高低温老化试 验室采用进口可编程的单回路PID过程调节器，自 动调整试验室温度，并通过RS485通讯线与计算机 进行串行通讯，达到了温度控制准确，均匀性好，波 动度小，并且保证了试件表面在老化试验过程中做 到不发生结露，确保了产品的优良质量.