浅谈恒温恒湿试验室的控制要求

浅谈恒温恒湿试验室的控制要求
为试验环境提供一个特定的温湿度条件已经很困难了，要达到GB/T4857.2－2005规定的23℃±2℃，50％RH±5%温湿度条件则更加困难。因此在进行标准试验室的设计、验收与保养时要格外细心。

    恒温恒湿试验室的记录、显示和输出达到规定的偏差要求对设计者来说很重要，但这些仅仅是应该考虑到的三个因素。显示器和记录仪通常与传感器相连，随时监视实验室或试验箱内某个位置的温湿度情况。传感器所反映的信息仅仅说明调节器或者控制器的工作稳定，但并不能反映实验室或试验箱内整个空间都达到了规定的温湿度条件。

    为了真实地反映试验环境温湿度条件还必须考虑以下参数：

    控制恒定率：调节器和控制器对控制传感器所在位置的恒定控制。

    传感器精度：温度和湿度传感器的不确定度。

    均匀度：由空气不流通，热源、潮湿的物品，或者与相邻空间的空气流动而导致的室内温湿度的变化梯度。

    例如，如果规定的条件是23℃±2℃/50%RH±5%，而且记录仪器显示相对湿度的精度控制在±2%以内。但是考虑均匀度和传感器精度以后，肯定达不到规定温湿度的要求。要达到更精确的试验温湿度条件需要考虑以下参数：

    1.目前市场上最好的湿度传感器的精度为±1%。

    2.通风情况下，热源的位置会影响实验室的均匀度，一般在±1%到±6%之间。

    3.将以上参数加到显示的精度(±2%)会得到整个空间的精度在±4%到±9%之间。

    试验箱或试验间要想真正达到规定的温湿度条件，设计者要分别考虑以下三方面因素的影响。

    单点恒定率（控制部分）

    在此影响因素中，必须考虑调节器与控制器间的调节变化、昼夜的变化、季节的更替以及突发情况（如试验设备的开启或关闭、开关灯或是实验室门的开启等等）对实验室内温湿度的影响。此影响因素的大小取决于设备的调节能力和控制能力。

    实验室内没有突发情况引起温湿度变化时，可以对调节器短期的控制能力进行评定。调节器的调节变化方式包括降温、加热、加湿和去湿等。

    昼夜的变化、季节的更替、突发情况等感应性因素和潜在性因素都将会引起实验室温湿度的高低变化，并对实验室温湿度的长期稳定造成影响。良好的封闭、与外界温湿度隔离、使用适当的方式补充空气，对减少实验室温湿度变化将起到很好的效果。

    应依据最大可预期的潜在性因素和感应性因素来设计温湿度调节系统。潜在性因素主要来自于人员、泄漏、水池排放和新鲜空气的补充。感应性因素来自于灯光、实验设备、人员、泄漏和新鲜空气的补充。整个调节系统必须有能力对由于昼夜的变化、季节的更替引起的温度变化进行控制。

    空气温度的精确控制要求对相对湿度进行严格控制。假设在12℃结露点上空气的含水率保持恒定，但空气温度在1.0℃之间变化，那么相对湿度就在47%和53%之间波动，0.2℃的空气温度变化将引起大于0.5%的相对湿度的变化。

传感器精度

    温度传感器比湿度传感器更精确并容易校准。由于精度为0.1℃的温度传感器比较容易买到，因此湿度的测量就成为这一领域的主要问题。

    目前，市场上出售的湿度传感器的公称精度大多数为+1%，这是一台新的传感器在一个温湿度相对稳定的条件下所能达到的最高精度。购买了一台湿度传感器以后，需在预期使用的整个温湿度范围内，反复验证其公称精度。例如，如果计划进行温湿度交变试验，那么应确保湿度传感器能够在预期的变化范围内进行温度的补偿并保证它的精度不会随温度而漂移。

    大多数湿度传感器在相对湿度为85％到90％的情况下精度会降低。

    由于湿度传感器在使用过程中精度会漂移，因此必须对其进行定期的校准。校准的间隔时间不同，取决于传感器的类型和工作环境（如温湿度变化范围、空气的洁净程度以及各种化学药品的浓度）。通常情况下，校准的间隔时间是一年，必须确认校准程度涵盖整个工作温湿度变化范围，用来校准的仪器需要有文件记录。

    可溯源的意思是仪器依据一个主要标准或者引用标准进行校准。大多数的传感器都有一份出厂校准报告，这份报告只说明其生产时的精度并不能真实反映其在实际使用过程中的情况。控制器或调节器的精度是整机电路分路上传感器的精度，它们会影响读出的精度。

    在系统运行过程中依据引用标准对控制传感器校准可以避免这些误差。

    均匀度

    均匀度是对在整个温湿度控制区域内点对点的温度和湿度的差异。影响均匀度的主要因素包括：全部热源（明显的热源与潜在的热源）、影响温湿度的负载的位置、控制传感器的位置、通风情况、空气流动量的大小、适当的隔热设施和阻隔水蒸气装置。

    全部热源（灯光、实验设备、人员、从墙壁和管道透过的热量、补充空气导致的热量变化）如果在整个受控区域内完全没有对温、湿度产生影响的负载，那么均匀度将很容易控制。一个安装有3.6米×3米×3米的恒温恒湿设备的试验室内，如果室内空气流量为600CFM(每小时换气30次)，并有一个3,000BTU(880瓦特)的负载，那么实验室的供给空气与回流实验室的空气温度会相差2.6℃。如果进入实验室的空气条件为23℃/50%RH并假定没有含水率的变化，那么回流实验室的空气的温湿度将为25.6℃/43%RH。增加空气流动量或者减少影响温湿度的负载，能减少这些误差。

    3000BTU(880瓦特)室内负载

    进入空气每小时空气流量回流空气

    23℃/50%RH15次(300CFM)300立方英尺／分钟27.8℃/37%RH

    23℃/50%RH30次(600CFM)600立方英尺／分钟25.6℃/43%RH

    23℃/50%RH45次(900CFM)900立方英尺／分钟24.5℃/45%RH

    23℃/50%RH60次(1200CFM)1200立方英尺／分钟23.9℃/48%RH

 空气的流通总量是设计空调系统并使温度负载的影响降到最低的重要因素。根据具体的操作程序与室内温湿度的负载情况，每小时25次至45次的换气量是最理想的。负载的位置也是一个重要因素。如果条件允许，最好将影响温湿度的负载安装在空气回流管道的附近，尽可能避免对剩余实验室受控空间的影响。负载的位置还会影响控制传感器的位置。控制传感器不应该安装在主要影响温湿度的负载源下方或者在回流管道的下方。

    空气管道应该适当的通过实验室。通常情况下，顶篷的供气管道与回流管道应该紧贴着受控温湿度实验室的外壁，应该避免供气管道与回流管道同时在顶篷的设计。

    安装适当的隔热设施、阻隔水蒸气装置与通风道来隔绝周围环境的影响是非常必要的。建造通风道要得当，不能过大也不能过小。为了增加通风道内空气流通的速度，应在通风道内开一个破洞，其效果要比在试验间内开一个同样大小的破洞好很多。不建外墙、不开窗户、避免过低的天花板，这些对实验室温湿度控制都是有利的。

    结论

    达到要求的温湿度环境是一项艰巨的任务，但它不是不可能实现的。如果考虑了全部影响温湿度条件的因素，那么这个目标是可以实现的。有一些关键问题一定记住：

    购买的空调系统应能进行微调；

    无论选择什么样的空调系统，设备都要有能力对实验室内部影响温度的负载和空气进行有效的调节，以便提高试验间内温湿度的均匀度；

    购买符合要求的传感器，保证安装得当，并且定期校准；

    密切注意影响温湿度的负载对实验室环境的影响，并尽量减少这些不良因素的影响；

    温湿度试验间与通风道必须由不受影响的水蒸气阻隔装置与外界隔离。

    如果以上这些因素都能被认真考虑，那么影响受控空间内温湿度精度的问题都能较容易地得到解决。