1、前言

    隨著計量法的深入，電子衡器的應(yīng)用也越來越廣泛，電子衡器正逐步替代老式的稱重計量設(shè)施，在國內(nèi)市場的占有額也日漸上升。由于地區(qū)的差異，氣候條件的不同，要求電子衡器在任何溫度情況下都具有高精度的計量性能，因此電子衡器的荷重傳感器和微電子元件都必須經(jīng)過 高低溫老化試驗，進(jìn)行必要的溫度補(bǔ)償后，才能保證得到精度穩(wěn)定和性能優(yōu)良的電子衡器。為了確保產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，必，須建造專門的電子衡器高低溫老化試驗室以便為廠家的產(chǎn)品提供準(zhǔn)確的溫度補(bǔ)償系數(shù)。
    2、設(shè)計原理和特點
    2.1 高低溫老化試驗室技術(shù)指標(biāo)
    溫室有效空間： 5000mm (L) X2700mm (W)X 2200mm (H)
    溫度控制范圍： -20℃~500℃
    溫度均勻度：溫室內(nèi)有效區(qū)域各點溫差≤土1℃：
    溫度波動度：≤±1℃
    升溫時間(滿載)： 10℃→40℃≤40分鐘
    降溫時間(滿載)： 40℃→10℃≤40分鐘

    2.2  功能特點

     高低溫老化試驗室圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用硬質(zhì)聚氨酯保溫材料，從而減少漏熱量和滿足快速變溫的要求；整個系統(tǒng)采用溫濕度顯示儀表來顯示高低溫老化試驗室的溫度和相對濕度，并可在-20℃~+50℃溫度范圍內(nèi)保持任意溫度設(shè)定點；試驗室的空氣循環(huán)采用全面孔板頂送風(fēng)，機(jī)組下回風(fēng)方式，從而保證溫度均勻，工況穩(wěn)定；而且能保證在從低溫和高溫的反復(fù)循環(huán)過程中試件表面不結(jié)露；溫控系統(tǒng)配備定時器，能實現(xiàn)獨(dú)立定時關(guān)機(jī)；并配有雙重超溫報警裝置，同時能即時自動切斷相應(yīng)設(shè)備的電源。
    2.3  試驗室基本原理
    試驗室是由空氣處理系統(tǒng)(制冷、加熱和送風(fēng)系統(tǒng))、冷卻系統(tǒng)以及電氣控制系統(tǒng)三部分組成。
    制冷系統(tǒng)對試驗室的有效區(qū)域起了降溫和除濕的作用，為了達(dá)到升降溫速率的要求，系統(tǒng)中配備了三套機(jī)組，其中壓縮冷凝機(jī)組二臺，低溫機(jī)組一臺，對應(yīng)一只雙通路表冷器和一臺冷風(fēng)機(jī)，便于當(dāng)試驗室溫度工況變化時，對機(jī)組進(jìn)行選擇開啟。同時為了減少冷負(fù)荷損失，蒸發(fā)機(jī)組直接安置在試驗室內(nèi)。
    加熱系統(tǒng)是由兩組獨(dú)立且容量相同的電加熱管組成，通過單回路過程程序控制器的PID控制，達(dá).到升溫和維持設(shè)定溫度的功能。
送風(fēng)系統(tǒng)采用全面孔板頂送風(fēng)的氣流組織，氣流通過靜壓層里的混合，均勻地送風(fēng)至控制區(qū)域，有效地保證了高低溫老化試驗室溫度場的均勻性。
    冷卻系統(tǒng)由冷卻水泵和冷卻塔構(gòu)成，為制冷系統(tǒng)提供冷卻水并通過冷凝壓力調(diào)節(jié)裝置來控制一年四季的冷卻水流量，以滿足制冷系統(tǒng)全年運(yùn)行的目的。

    高低溫老化試驗室系統(tǒng)裝置原理如圖1所示。

    3、測控系統(tǒng)

    在電子衡器進(jìn)行高低溫老化試驗時，由于衡器老化試驗的工藝過程要求從高溫到低溫再上升至高溫，每個測試溫度點的恒溫時間亦有區(qū)別，而且從高溫到低溫試驗時，溫濕度上升的斜率控制稍有不當(dāng)，試件表面就會產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象；此外控制系統(tǒng)還要保證升溫或降溫速率；當(dāng)試驗室內(nèi)控制區(qū)域溫度達(dá)到設(shè)定值時，必須對制冷機(jī)負(fù)荷進(jìn)行選擇和調(diào)節(jié)，從而節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用；在恒溫保持階段之后，當(dāng)電子衡器的表面溫度與溫度趨于一致時，控制系統(tǒng)能夠停機(jī)進(jìn)行試驗以測定試件的溫度補(bǔ)償系數(shù)。基于上述要求，高低溫老化試驗室配備具有高速模糊PID控制的過程調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)三部分共同構(gòu)成。模糊PID算法具有穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)精度高，調(diào)節(jié)反應(yīng)速度快，能克服系統(tǒng)的超調(diào)和抑制系統(tǒng)的欠調(diào)，并且過程調(diào)節(jié)器還能進(jìn)行滿足電子衡器的工藝曲線要求的程序控制的操作。圖2是電子衡器老化試驗的一-個典型過程曲線。

    過程曲線是由平直線和斜線組成，斜率是由目標(biāo)值和運(yùn)行時間所定。在編程中為了避免試件表面結(jié)露現(xiàn)象的發(fā)生，不能直接將.次停機(jī)后的目標(biāo)溫度值設(shè)定在40℃，需要增加一個緩沖溫度點，根據(jù)冷空氣特性以及其與電子衡器表面的換熱機(jī)理，先將緩沖溫度點設(shè)定為22℃，再由此溫度在規(guī)定時間內(nèi)上升至40℃，該過程均通過模糊PID調(diào)節(jié)器控制電加熱量來實現(xiàn)的。

    在此典型溫度控制過程中，過程調(diào)節(jié)器根據(jù)室內(nèi)溫度傳感器的模擬信號值通過A/D轉(zhuǎn)換后與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后輸出SSR驅(qū)動電壓調(diào)節(jié)信號，利用交流調(diào)功方式控制電加熱量；同時按升降溫速率要求的設(shè)定溫度點發(fā)出事件輸出信號，通過吸合事件繼電器來控制制冷機(jī)和風(fēng)機(jī)的停開。

    實踐證明，這種控制方式能將試驗室溫度波動穩(wěn)定在土0.3℃以內(nèi)。
    由于電子衡器進(jìn)行高低溫老化試驗的終目的是為了獲取對衡器荷重傳感器的溫度補(bǔ)償系數(shù)，因此計算機(jī)系統(tǒng)除了對衡器自身的荷重參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集外，在停機(jī)試驗的同時還必須采集當(dāng)前的實際溫度值，圖4給出了過程調(diào)節(jié)器與計算機(jī)之間的通訊示意圖。通訊時，計算機(jī)必須根據(jù)過程調(diào)節(jié)器以及衡器本身的通訊接口設(shè)定的地址，共同約定數(shù)據(jù)格式、波特率等通訊規(guī)約，發(fā)送通訊文件，調(diào)節(jié)器在接受地址符合接收字符格式和校驗正確后，才能進(jìn)行正常的通訊。

    4、試驗結(jié)果及分析

    為了考核所建造的電子衡器高低溫老化試驗室的設(shè)計、制造是否合理，根據(jù)GB10592 - 89《高低溫試驗箱技術(shù)條件》中第4款(技術(shù)要求)和第5款(試驗方法)中的內(nèi)容，對試驗室進(jìn)行了溫度均勻性和波動性的計量標(biāo)定試驗，在試驗室內(nèi)布置21個溫度計測點，溫度計采用二等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計，測點在試驗室內(nèi)的分布設(shè)置情況如圖5所示。

    經(jīng)測試，各個測點的平均溫度值如表1所示。從測試結(jié)果可以看出，當(dāng)標(biāo)稱測試溫度為一15℃時，室內(nèi)溫度均勻性為土0.7℃，溫度波動性小于士0.2℃；而當(dāng)標(biāo)稱測試溫度為45℃時，室內(nèi)溫度均勻性為土0.9℃，溫度波動性小于土0.3℃。

    5、結(jié)論

    商用衡器、電子天平、汽車衡器等各類電子衡：器產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)人了微電子時代，對荷重傳感器的精度要求也越來越高，作為集機(jī)械、制冷、計算機(jī)等機(jī)電一體化的電子衡器高低溫老化試驗室的使用不：僅能提高生產(chǎn)效率，同時又能獲得精確的傳感器的溫度補(bǔ)償系數(shù)。實際應(yīng)用的結(jié)果表明高低溫老化試驗室采用進(jìn)口可編程的單回路PID過程調(diào)節(jié)器，自動調(diào)整高低溫老化試驗室溫度，并通過RS485通訊線與計算機(jī)進(jìn)行串行通訊，達(dá)到了溫度控制準(zhǔn)確，均勻性好，波動度小，并且保證了試件表面在高低溫老化試驗過程中做到不發(fā)生結(jié)露，確保了產(chǎn)品的優(yōu)良質(zhì)量。