光学产品用氮气试验室系统设计及实现

刘西强，王 滈

（陕西省电子信息产品监督检验院，陕西西安 710004）

光学产品因其不同的用途，常常处于高温、高湿、高寒等非常复杂严酷的环境中。由于光学器件敏感又关键，必须保证在复杂的温湿度环境中长时间稳定工作，因此在制造和出厂检验过程中，要经过严格的环境试验考核，以验证其工作可靠性、性能稳定性和数据的准确性。因为空气成分[1]中含有氧气和水蒸气，光学零件和仪器进行各类环境试验时，随着试验空间温度的变化，常常出现表面结露[2],使光学器件生锈、发霉、短路，空气中的氧气容易使光学芯片等表面氧化，严重影响光学产品试验结果准确性。

笔者为某光学研究所设计研制的氮气环境试验室，利用氮气化学性质稳定[3-4]，不易与其他物质发生反应，在试验室充入高纯度氮气，光学器件所在空间的氧气和水蒸气含量大幅降低，高纯度的氮气还具有受热时膨胀率低的优良特性，有效解决了上述问题。同时，通过电脑对光学产品环境试验进行实时监控，为测试人员提供了实时、准确、动态的监控方法和手段,大大提高了光学产品环境试验数据准确性和试验效率，并且降低了人工成本。

1 光学产品环境试验研究现状

环境试验是为了保证产品在规定的寿命期间，在预期的使用、运输或贮存的所有环境下，保持功能可靠性而进行的活动，是将产品暴露在自然或人工的环境条件下进行试验，以评价产品在实际使用、运输和贮存环境条件下的性能。光学产品环境试验[5]常用的有高温、低温、温度冲击、温度循环、低气压、恒定或交变湿热、砂尘、盐雾、霉菌、淋雨、太阳辐射等单一或组合环境试验。常用的设备有高温老化箱、盐雾箱、高低温箱、恒温恒湿箱、紫外线试验箱等。光学仪器的环境试验方法按IEC、MIL、ISO、GB、GJB等标准或用户要求的环境试验方式来进行。没有环境试验，就无法正确鉴别产品的品质。环境试验越真实准确，产品的可靠性越好。由于空气成分中氧气大约占21%，水蒸气大约占0.03%，克服光学实验环境中水蒸气和氧气影响的常见方式有3 种：

1）试验箱安装玻璃内门方式：打开试验箱门时外部空气水分会进入试验室，安装玻璃内门，通过操作孔操作可以降低空气进入流量。有效降低水分含量但无法改变空气中氧气的含量。

2）干风吹扫方式：将干燥空气低压吹入工作室或试样表面，凭借低露点空气对水分的吸附能力，达到干燥工作室空气的目的。在理想状态下，工作室内的水会被低露点干燥空气吸附，并被后面的干燥空气吹出工作室。需要配置空压机和干燥机。这种方式用于除去空气中的水分，有效防止凝露，但对于大容积试验室效果不明显。

3）试验室气流相对于室外为正压：调整试验室鼓风机位置和方向，使得风向循环造成内部气压大于外部气压，防止外部空气通过电缆孔和缝隙进入室内，有效降低室内空气水分含量。

以上3 种方式是人们在长期工作实践中总结出来的试验方法，有效防止实验过程中因为空气中水分造成的光学器件表面凝露的问题，大大降低了试验风险，各有利弊，但仍然无法彻底解决实际工作中的问题。

氮气保护环境试验装置是众多环境试验装备的一种，空气成分中氮气大约占78%，氮气化学性质稳定，不易与其他物质发生反应，在工作室中充入高浓度的氮气进行气氛保护，可以有效降低环境中氧气和水分含量，为光学仪器或零件提供一定温湿度条件下的高浓度氮气试验环境，使光学仪器或零件的氧化及老化程度减弱。同时因为有效降低空气中的水分含量，防止零件表面凝露、结霜及发霉等现象的发生，从而延长试样使用寿命并提高其可靠性。

文中论述了一种光学产品用氮气环境试验室的设计和实践。该装置由氮气环境试验室、制氮机及其输送系统、气氛（浓度）监测系统、强制换气系统、温度控制系统、除湿机系统及电气控制以及远程控制系统等组成，可以满足光学仪器或零件在一定温湿度时氮气环境状态下的相关试验。

2 氮气环境试验室系统设计方案

氮气环境试验室原理框图如图1 所示，氮气环境试验室由6 个子系统组成：氮气箱试验室、制氮机及其输送系统、气氛（包含氮气浓度和氧气浓度）监测系统、强制换气系统、温湿度控制系统、电气控制系统。

图1 氮气环境试验室系统原理框图

在试验室内配置了4 个摄像头，用于远程观察试验室内试件工作情况，同时在正面和两侧面布置了共4 个透明观察窗，用于近距离观察试验室中的情况。氮气环境试验室结构图见图2。

图2 氮气环境试验室结构图

2.1 主要技术指标

该氮气环境试验室按照某型光学仪器的需求进行设计，主要指标如下：

①试验室容积：50 m3，外部体积：62 m3；

②试验室温度：20±5 ℃，湿度＞35%RH；

③试验室氮气浓度：＞95%；

④氮气进气量：10 m3/h；

⑤通入氮气气源的浓度:99%；

⑥强制换气量：90 m3/min。

2.2 结构设计及安全防护

氮气环境试验室采用分段拼接式箱体结构，便于在现场快速组装。外壳材料采用冷轧钢板，酸洗后喷粉进行表面特殊处理，有效防止弱酸碱环境腐蚀。内胆材料采用不锈钢板，满焊处理。试验室内整体表面光洁平整，并耐老化、耐腐蚀、易清洗、无泄露。箱体整体骨架采用4～5 号型钢制作，牢固可靠。为了防止被试光学试样振动，将光学试样直接安装于试验室内底板中央，不与试验室四周箱体接触。底板经特殊处理，承重不小于1 500 kg/m3，倾斜度小于1%，有效防止传统结构下箱体底板的振动影响光学产品试验结果准确性。

环境试验室正面大门为左右双开门，便于试验人员进出。大门配有锁紧装置，采用环保型耐高温硅橡胶门密封条，关闭后不漏气。试验室内设置紧急开门装置，能在工作室内打开大门，以确保操作人员安全。防爆式钢化玻璃观察窗安装在正面，左右大门适当位置各1 个，照明装置位于试验室顶部中央，设置可开关控制的低压防潮防爆照明灯4 个，便于观察试验室内工作情况。

顶部设置单开门,位于环境试验室顶部中央。采用滑轨导向，气动开启，可左右移动。被试大型光学试验仪器可从顶部大门放入和移出。

超压保护仪表接口位于环境试验室后部中央，离地高度约1 800 mm，用于安装指针式电接点压力保护仪表，对环境试验室内的压力进行超压保护，当环境试验室内压力超过0.12 MPa（该阈值可调）时，停止向环境试验室内通入氮气并报警。

3 氮气环境试验系统关键技术

光学试验用氮气环境试验室设计要求非常高，其中氮气浓度、氧气浓度、温度变化等技术指标要求严格。同时在试验期间，试验室内的气氛应在控制的指标范围内，不能有任何泄漏。试样在恒应力状态暴露在试验室期间，温度变化应按照设计要求严格进行调控，否则会造成试样损坏。其关键技术主要包括氮气制备及输送技术、试验室内气氛监控技术、强制换气技术、温湿度控制技术、系统电器控制及远程监控技术。

3.1 氮气制备及输送技术

氮气制备[6-8]和输送是试验系统的重要环节之一，主要功能包括制取并向试验室内加注高纯氮气并自动控制氮气浓度。（简述氮气制备和输送的组成，如压缩空气气源、制氮机等）要求压缩空气气源压力0.7～0.8 MPa，流量大于60 m3/h，温度低于30 ℃。制氮机制取氮气的浓度要求大于99%。氮气进气量大于10 m3/h；制取氮气的压力0.6 MPa。氮气输送加气管位于试验室底部左右两侧，每侧各设计2 根加气管，各加气管上开有若干出气孔。排气口2 个，孔径100 mm，位于试验室顶部大门前、后侧边缘中央。排气口处外接管道并引到室外，外接管道长度不超过5 m。

压缩空气出口采用法兰连接，外接三通，一路引至制氮机供制取高纯氮气时使用，一路引至试验室后部中央的引气孔供各种气动部件使用。制氮机在整个试验期间始终处于工作状态，直至试验结束。

安全保护：加氮气装置与强制换气系统的进气阀门(1 个)、排气阀门(1 个)、顶部大门互锁，只有当此两只阀门及顶部大门关闭时才能向试验室内通入氮气。

3.2 气氛控制与报警技术

气氛监控主要监控试验室内氮气和氧气的浓度。氮气浓度监测器设计2 套,位于试验室顶部左、右侧1/3 处中央。按照试验要求，试验室内氮气浓度应大于95%，浓度控制精度优于±1%。氮气浓度采用数字显示，由控制仪表自动进行PID 调节，控制加氮气电磁阀的开启与关闭的占空比，以控制氮气进入试验室的量，从而实现对试验室内氮气浓度的控制，无需人工干预。

氧气浓度监测系统是对试验室内、外的氧气浓度进行监测,为试验人员进入试验室或设备安装场地提供参考。氧气浓度监测器设置2 套，一套用于监测试验室内的氧气浓度，其传感器位于试验室顶部右侧1/3处中央，一套用于监测设备安装场地的氧气浓度,其传感器安装于试验室正面大门上方。氧气浓度精度优于±1%。氧气浓度显示采用数字显示模式。

当试验室或设备安装场地氧气浓度低于20%时，报警提示，此时严禁操作人员进入试验室或设备安装场地进行作业。

3.3 强制换气技术

强制换气装置[9]主要是将加氮后工作室内的气体强制排出工作室外，同时向工作室内送入新鲜空气，为操作人员进入工作室做准备，防止窒息事故发生。

强制换气装置由1 台送气风机、1 台排气风机、进气阀门及排气阀门组成,均安装于试验室左侧面，总换气量大于90 m3/min。进气口1 个，装有送气风面。进气阀门1 个，位于进气口处，尺寸与送气风机相匹配，向试验室内加入氮气时此阀门关闭，试验室快速换气时此阀门打开。此进气阀门与送气风机互锁，只有当此阀门打开时，送气风机才能开启。排气口1 个,用于快速排气，外接排气管外径400×400 mm（宽×高,接管道不超过5 m）并接至室外。排气阀门1 个，位于排气口处，尺寸与排气风机相匹配与送气风机互锁，只有当排气阀门打开时，排气风机才能开启。排气时间3 min 能使试验室内氧气浓度恢复正常值。

3.4 温湿度控制技术

温湿度控制[10-12]系统的主要功能是对氮气试验室进行除湿及温度调控，保证氮气试验室内的环境符合试验条件。

温度调节：配置1 台4HP 的变频空调对试验室内温度进行调节，以确保试验室内的温度为20±5 ℃。

湿度控制：配置1 台转轮除湿机对试验室的空气进行除湿，确保室内的湿度小于35%RH。除湿量2.2 kg/h，处理风量450～550 m3/h，再生风量150 m3/h，除湿机位于设备试验室外。除湿机安装位置示意图见图3。

图3 除湿机安装示意图

湿度报警：配置一套湿度检测仪表，当试验室湿度高于35%RH 时报警（报警上限可根据用户要求调整,但不高于35%）。氧气浓度与湿度报警时，设备均不停止工作。

3.5 电器控制及远程操作系统

电器控制系统[13-14]是整套氮气环境试验室的控制中心，采用程序自动控制模式。主要由数据采集系统和控制系统组成。

数据采集系统负责采集各个子系统的运行数据以及监控系统传感器的数据，传输到控制中心的计算机，用于系统控制和运行分析，确保系统运行正常。

控制系统由系统控制计算机、系统软件、监控仪表、传感器及各种电器元件等组成。采用控制柜进行集中控制。所有监控仪表均配有RS485 通讯接口，能实时将所有氮气浓度、氧气浓度、温湿度数据上传到系统控制计算机进行集中处理。

控制系统运行方式采用定值运行方式。控制方式采用数字式PID 自整定调节。模式设定方式采用薄膜轻触式按键。控制特点：模块式PID 控制精度高，控制精度稳定；薄膜式按键进行设置和数字校准，方便简单；LED 数字式显示，直观易读。

控制系统具有远程控制及操作功能[15-16]，可以在系统控制计算机上对设备进行操作、参数设定等功能，通过试验箱的RS485 接口进行连接。可以实时显示氮气浓度、氧气浓度、温湿度数据及各子系统的工作状态。为了运行安全，具有远程急停功能，当出现紧急情况时可在远程控制室对设备进行急停（此时停止向工作室内充氮并关闭制氮机及空调装置电源，可以远程开启强制换气）。远程控制室内的显示器通过试验室内部安装的摄像头可以观察正在进行环境试验的光学仪器运行情况。主控制单元软件流程图如图4 所示。

图4 主控制单元软件流程图

系统启动后首先进行初始化，然后设置控制系统与控制计算机之间的通讯链路（RS485）；系统与计算机建立连接后在人机交互界面显示并存储监控仪表和传感器数据；根据实验要求通过人机交互界面对氮气环境实验室系统进行控制和操作；随时对监控报警信息进行处理，必要时关闭或重新初始化系统[17-19]。

4 实验与验证

通过详细论证和方案设计，并进行装置制造和集成调试，符合国家标准和实际工作要求，主要包括：试样表面凝露消失，光学芯片表面防氧化作用，箱体底部消除震动，系统实时报警，通讯指令下达和数据提取等均符合设计要求。氮气环境实验室达到了全部预定的设计指标，满足某光学产品试验环境条件。氮气环境试验室系统效果图见图5。

图5 氮气环境试验室效果三视图

5 结论

文中详细论述了一种光学产品用氮气环境试验室的设计和实践。该设备已运用于实际工作中，不仅解决了客户很多困扰多年的光学试验常见问题，同时规避了传统操作方式的很多弊端，为试验测试提供了实时、形象、动态的监控方法和手段，联合调试和产品试验验证，某型光学产品的环境试验效率提高了70%，人工成本降低30%以上，证明该系统设计先进，运行安全可靠，运行效果良好，为试验测试人员提供了实时、形象、动态的监控方法和手段。