Технологическая классификация и принципиальный анализ температурных регулирующих устройств в камерах для испытаний на соляной туман

Температурный контроль как основной функциональный узел камер для испытаний на соляной туман непосредственно определяет надежность моделирования соляного туманного воздействия и воспроизводимость результатов испытаний. Температурные регулирующие устройства осуществляют автоматическое управление исполнительными механизмами нагрева и охлаждения путем считывания изменений температуры в испытательном пространстве, вызывая физические эффекты внутри коммутационных элементов, которые инициируют действия по замыканию или размыканию цепи. В зависимости от принципа температурного датчика и способа регулирования эти устройства можно разделить на пять технологических категорий, каждая из которых имеет свои конструктивные особенности и области применения.

I. Термостат давления: классическое решение на основе фазового переноса
Термостат давления широко применялся в ранних конструкциях камер для испытаний на соляной туман, и его технический принцип основан на характеристиках давления фазового перехода рабочей жидкости в герметичной температурной системе. Это устройство состоит из чувствительного элемента (термобаллона), капиллярной трубки, эластичной диафрагменной камеры и микровыключателя, образуя замкнутую сеть передачи давления. Термобаллон заполнен жидкостями с низкой температурой кипения (такими как хлористый метил или хладагент R134a) или насыщенным паром. При повышении температуры внутри камеры чувствительный элемент поглощает тепло, вызывая испарение и расширение рабочей жидкости. Приращение давления передается по капиллярной трубке к диафрагменной камере, заставляя мембрану смещаться. Когда температура достигает заданного порога, механическое усилие камеры преодолевает предварительное усилие пружины, приводя в действие мгновенный механизм для быстрого открытия или закрытия контактов, тем самым осуществляя управление нагревательным контуром.
Преимущества такого термостата заключаются в простой конструкции, низкой стоимости и отсутствии необходимости во внешнем питании. Однако его точность ограничена гистерезисом механических компонентов, что приводит к типичному диапазону отклонения температуры ±3~5°C, что не может удовлетворить требования высокоточных испытаний. Кроме того, длина капиллярной трубки и радиус ее изгиба значительно влияют на ослабление давления, поэтому при установке требуется строгое соблюдение технических спецификаций, чтобы избежать механических повреждений, которые могут снизить чувствительность термодатчика.
II. Термостат с быстрым размыканием/замыканием: термомеханический механизм биметаллической пластины
Термостат с быстрым размыканием использует биметаллическую пластину как основной температурный датчик, и его технологическая суть заключается в механическом напряжении, возникающем при компоновке двух металлов с существенно различающимися коэффициентами линейного расширения (таких как латунь и инвар). При повышении температуры в рабочей камере биметаллической пластины активный слой (с высоким коэффициентом расширения) удлиняется больше, чем пассивный слой, вызывая изгиб в сторону пассивного слоя. Когда накопленное напряжение достигает критического значения, пластина мгновенно (за миллисекунды) переворачивается, приводя в действие контактный механизм через изолирующий толкатель для быстрого размыкания или замыкания. Этот процесс характеризуется четким дифференциалом между температурой срабатывания и температурой возврата (обычно 5~15°C), что эффективно предотвращает дрожание контактов.
Такие устройства отличаются высокой скоростью отклика, надежной работой и длительным сроком службы (свыше 100 000 циклов), поэтому особенно подходят для цепей безопасности, таких как защита от перегрева нагревательных элементов и аварийные сигнализации при отказе вентиляторов. Однако их температурная уставка определяется процессом формования биметаллической пластины, что затрудняет последующую регулировку и снижает гибкость. Следовательно, они непригодны для сценариев точного температурного контроля, требующих непрерывного плавного регулирования.
III. Термостат жидкостного расширения: линейная датчиковая технология на основе теплового расширения жидкости
Термостат жидкостного расширения часто используется в вспомогательных контурах температурного контроля в камерах среднего и начального уровня, и его принцип работы основан на объемном эффекте теплового расширения и сжатия жидкости. Температурный датчик состоит из нержавеющей стали гофрированной трубки, чувствительной трубки и капиллярной трубки, заполненной жидкостью с высоким коэффициентом расширения (такой как этанол, керосин или силиконовое масло). Изменения температуры вызывают линейное объемное расширение жидкости внутри чувствительной трубки, заставляя гофрированную трубку смещаться по оси. Это смещение усиливается рычажным механизмом и приводит в действие микровыключатель. Такой термостат обеспечивает точность температурного контроля ±2°C при умеренной стоимости и широко применяется в бытовой технике и системах температурного контроля легкой промышленности.
При использовании в условиях соляного тумана необходимо уделять особое внимание коррозионной стойкости температурного датчика к хлорид-ионам. Материал гофрированной трубки рекомендуется из нержавеющей стали 316L или с никелевым покрытием. Кроме того, длина капиллярной трубки обычно ограничена тремя метрами; избыточная длина увеличит задержку теплопередачи, вызывая перерегулирование. Его механическая конструкция определяет относительно низкую скорость отклика, что делает его непригодным для сложного программируемого температурного контроля, требующего быстрого переключения.
IV. Цифровой термостат: интеллектуальная интеграция датчиков и микропроцессоров
Цифровой термостат представляет основное технологическое направление современных камер для испытаний на соляной туман, преобразуя температурные переменные в непрерывные электрические сигналы через NTC термисторы или термопары типа K. Чувствительный элемент размещается в пути циркуляции воздушного потока рабочей камеры для сбора данных температуры в реальном времени. После обработки высокоточными операционными усилителями сигнал подается на АЦП микроконтроллера (MCU), осуществляя преобразование аналогового сигнала в цифровой. Контроллер включает ПИД-алгоритмы или программы нечеткой логики, выполняя пропорционально-интегрально-дифференциальные расчеты отклонений между измеренными и заданными значениями, и выводит ШИМ-сигналы для управления твердотельными реле (ТСР) или тиристором, обеспечивая непрерывное точное регулирование мощности нагрева.
Технические преимущества таких устройств впечатляют: точность температурного контроля может достигать ±0,1~0,5°C, поддерживается многоточечное программирование и хранение данных, имеются функции связи RS485 или Ethernet для удобной интеграции в лабораторные информационные управляющие системы (LIMS). Их высокая чувствительность обеспечивается АЦП с разрешением 16 бит и выше, а также цифровой фильтрацией, эффективно подавляющей электромагнитные помехи и дрейф датчиков в условиях соляного тумана. Однако цифровые системы предъявляют более высокие требования к качеству питания, требуя установки независимых фильтрующих устройств, и стоят в 3~5 раз дороже механических термостатов.
V. Электронный термостат: схема непрерывного регулирования на основе аналоговых цепей
Электронный термостат по сути является системой управления на аналоговых цепях, использующей вольфрамовые нити, медные терморезисторы или керамику с положительным температурным коэффициентом (PTC) в качестве температурных датчиков. Сопротивление таких датчиков изменяется примерно линейно с температурой и подключается к мостовой схеме Уитстона, состоящей из сетей точных резисторов, операционных усилителей и компараторов. При отклонении температуры от заданного значения неуравновешенное напряжение моста усиливается для управления транзисторами или силовыми МОП-транзисторами, непрерывно регулируя нагревательный ток и обеспечивая бесконтактное ступенчатое регулирование мощности.
Это решение отличается компактной конструкцией и небольшими габаритами, при управляемой мощности до нескольких киловатт широко применяется в бытовых кондиционерах и малогабаритных термостатах. Его преимущество заключается в отсутствии механических контактов и высокой надежности. Однако точность температурного контроля ограничена температурным дрейфом и долгосрочной стабильностью аналоговых компонентов, обычно составляющей ±1~2°C. Кроме того, аналоговые цепи обладают слабой помехозащищенностью. В условиях сильной коррозии и высокой влажности камер для испытаний на соляной туман печатные платы требуют конформного покрытия, что увеличивает стоимость изготовления. По сравнению с цифровыми контроллерами его функциональность ограничена, и сложная программируемая логика управления и регистрация данных не могут быть реализованы.
Рекомендации по техническому выбору и комплексному применению
Различные температурные регулирующие устройства могут формировать взаимодополняющие конфигурации в камерах для испытаний на соляной туман: основная система управления должна использовать цифровой термостат для обеспечения высокой точности и программируемости процесса испытаний; критические цепи безопасности (такие как защита от перегрева) должны быть оснащены термостатами с быстрым размыканием для резервной защиты; управление пуском и остановкой воздушных конденсаторов может осуществляться термостатами давления; вспомогательный нагрев или функции размораживания могут использовать термостаты жидкостного расширения или электронные. При выборе необходимо комплексно оценивать требования к точности испытательных стандартов, бюджет оборудования, возможности по обслуживанию и уровень цифровизации лаборатории для построения оптимальной стратегии температурного контроля, тем самым обеспечивая долгосрочную стабильную работу и достоверность данных испытаний на коррозию в соляном тумане.