标题试验箱的基本原理和故障分析

1. 引言
　　试验箱是指能同时施加温度、湿度应力的试验箱。随着我国工业产品研制的需要，近几年来，我国从国外引进了大批试验系统，为我国工业产品的研制和定型发挥了重要作用。但由于其本身的复杂性，使得试验箱在运行中出现了许多问题，而且出现了问题不能及时解决，大大延长了试验周期，影响了产品的研制工作。而产生这些现象的原因是对综合试验箱的工作原理不了解。为此，我们对试验箱的基本工作原理作了一些简要阐述，并介绍如何对综合试验箱试验设备的故障进行分析和判断。
2.试验箱的原理：综合试验箱由制冷系统，加热系统，控制系统，湿度系统，空气循环系统，和传感器系统等组成， 上述系统分属电气和机械制冷两大方面。下面初步叙述几个主要系统的工作原理和工作过程：

2.1 制冷系统：制冷系统是综合试验箱的关键部分之一。一般来说，试验箱的制冷方式都是机械制冷以及辅助液氮制冷，机械制冷采用蒸气压缩式制冷，该制冷方式是人工制冷中应用广泛而又经济的制冷方式之一。蒸气压缩式制冷型式有：单级制冷、多级制冷和复叠式制冷，它们主要由压缩机，冷凝器，节流机构和蒸发器组成。由于我们试验的温度低温要达到-55℃，单级制冷难以满足要求，因此综合试验箱的制冷方式一般采用复叠式制冷。下面以意大利ACS公司生产的综合试验箱的制冷系统为例作一简要介绍，图2为该制冷系统简化图。它由两部分组成，分别称为高温部分和低温部分，每一部分都是一个相对独立的制冷系统。高温部分中制冷剂（HP80）的蒸发吸收来自低温部分的制冷剂（R23）的热量而汽化；低温部分制冷剂的蒸发则从被冷却的对象（试验箱内的空气）吸热以获取冷量。高温部分和低温部分之间是用一个蒸发冷凝器联系起来的，它既是高温部分的蒸发器，也是低温部分的冷凝器。ACS试验箱的高温部分制冷剂采用中温制冷剂HP80，低温部分制冷剂采用低温制冷剂R23，箱内温度能达到-70℃。

注：图中实线表示高温机组，虚线表示低温机组，粗线表示两者的联系部分

图1 ACS试验箱制冷系统简化图

2.2 加热系统：试验箱的加热系统相对制冷系统而言，是比较简单的。它主要由大功率电阻丝组成。由于试验箱要求的升温速率较大，因此试验箱的加热系统功率都比较大，而且在试验箱的底板也设有加热器。
2.3 控制系统：控制部分是综合试验箱的核心，它决定了试验箱的升降温速率，精度等重要指标。现有试验箱的控制器大都采用PID控制，也有少部分采用PID与模糊控制相结合的控制方式。由于控制系统基本上属于软件的范畴，而且此部分在使用过程中，一般不会出现问题，因此，本文不对控制系统作太多的介绍。
2.4 湿度系统：湿度系统分为加湿和除湿两个子系统。
　　试验箱的加湿方式一般采用蒸气加湿法，即将低压蒸气直接注入试验空间加湿。这种加湿方法加湿能力强，速度快，加湿控制灵敏，尤其在降温时容易实现强制加湿。
　　试验箱的除湿方式有两种：机械制冷除湿和干燥器除湿。机械制冷除湿的除湿原理是将空气冷却到露点温度以下，使大于饱和含湿量的水气凝结析出，这样就降低了湿度。干燥器除湿是利用气泵将试验箱内的空气抽出，并将干燥的空气注入，同时将湿空气送入可循环利用的干燥器进行干燥，干燥完后又送入试验箱内，如此反复循环进行除湿。现在大部分综合试验箱采用前一种除湿方法。后一种的除湿方法，可以使露点温度达到0℃以下，适用于有特殊要求的场合，但费用较贵。
2.5 传感器系统：试验箱的传感器主要是温度和湿度传感器。温度传感器应用较多的是铂电阻和热电偶。湿度的测量方法有两种：干湿球温度计法和固态电子式传感器直接测量法。由于干湿球法测量精度不高，现在的试验箱正逐步地以固态传感器代替干湿球来进行湿度的测量。
2.6 空气循环系统空气循环系统一般由离心式风扇和驱动其运转的电机构成。它提供了试验箱内空气的循环。
3. 故障的分析判断
　　 由于试验箱是一个既有电气又有制冷机械等多个系统组成的设备，因此，一旦设备出现问题，一定要全面地对整个设备进行检查和综合分析。一般来说，分析判断的过程可以先"外"后"里"。即首先排除外部因素，如冷却水、供电等，在完全排除外部因素后，根据故障现象，对设备进行先系统分解后系统综合的分析判断，可以采用倒推的方法查找故障原因：首先按照电气接线图查找是否电气系统的问题，最后查找是否制冷系统的问题。表1提供了一些常见故障的分析表

表1 故障分析表

4.典型故障分析－－－－－－－－
　　 一试验箱在-55℃低温保持阶段出现了温度保持不住的现象，其温度曲线大致如图3。

　　 图2 温度运行曲线示意图
　　 对该故障现象进行分析：
　　 1）试验箱能够制冷，说明外部因素-冷却水的问题可以排除。

2） 由于是温度保持不住，观察制冷压缩机在试验箱运行过程中是否能够正常启动，压缩机在试验箱运行过程中都能够启动，说明从主电源到各压缩机的电气线路正常，电气系统方面也没有问题。

　　3） 电气系统没有问题，继续检查制冷系统。首先检查两组制冷机组的排气和吸气压力，发现主机组的低温（R23）级压缩机的排气和吸气压力都较正常值偏低，而且吸气压力呈抽真空状态，说明主制冷机组的制冷剂量不足。用手摸主机组R23压缩机的排气和吸气管路，发现排气管路的温度不高，吸气管路的温度也不低（未结霜），这也说明了主机组的R23制冷剂缺乏，系统漏氟。

　　4） 为确定故障原因，结合试验箱的控制过程进一步确认故障原因，该试验箱拥有两套制冷机组，一为主机组，另一为辅助机组。在降温速率较大时，两组机组同时工作，在温度保持阶段初期，两组机组依然同时工作。待温度初步稳定下来，辅助机组停止工作，由主机组来维持温度的稳定。如果主机组的R23泄漏，会使主机组制冷效果不大，由于降温过程中，两组机组同时工作，故没有温度稳定不住的现象，而只是降温速率降低。在温度保持阶段，一旦辅助机组停止工作，主机组又无制冷作用，试验箱内的空气就会缓慢上升，当温度上升到一定程度，控制系统就会启动辅助机组来降温，将温度下降至设定值（-55℃）附近，然后辅助机组又停止工作，如此反复，便会出现如图3所示的故障现象。至此，已确认为产生故障的原因是主机组的低温（R23）级机组的制冷剂R23泄漏。

　　5） 对制冷系统进行查漏，用检漏仪和肥皂水相结合的方法检查，发现是一热气旁通电磁阀的阀杆开裂了一约1cm的细缝。更换此电磁阀后，对系统重新充氟，系统运行正常。由上文可以看出，对该故障现象的分析和判断基本上是由易至难，先"外"后"里"，先"电气"后"制冷"的脉络进行分析和判断的，熟悉和了解试验箱的原理和工作过程是分析故障和判断故障的基础。

5.结束语
　　 综上所述，只有深入了解试验箱的工作原理和工作过程，才能迅速地解决试验箱在运行过程中出现的问题。希望本文能够对从事环境设备管理运行维护人员有所裨益，共同推动我国环境工程的发展。