單壓法標準濕度發(fā)生器的設(shè)計及不確定度評定

鄭勝清，張 強，楊 逸

（江蘇省計量科學(xué)研究院，南京 210007）

單壓法標準濕度發(fā)生器的設(shè)計及不確定度評定

鄭勝清，張 強，楊 逸

（江蘇省計量科學(xué)研究院，南京 210007）

標準濕度發(fā)生器在濕度量傳的過程中起到重要的作用。我們設(shè)計開發(fā)的標準濕度發(fā)生器采用單壓法原理，使用某單位自主研制的壓縮空氣干燥器、分流法濕度發(fā)生器產(chǎn)生的氣源，通過溫度、壓力、飽和器系統(tǒng)的合理設(shè)計，能夠發(fā)生（-70℃～+20℃）露點范圍的濕氣氣源，量值范圍寬，準確度高。經(jīng)過冷鏡式精密露點儀的驗證，結(jié)果表明裝置滿足我國濕度一級標準的技術(shù)指標。按照不確定度評定方法評定了裝置的不確定度。

濕度發(fā)生器；飽和器；濕度不確定度；單壓法

概述

標準濕度發(fā)生器是在一定的溫度、壓力下產(chǎn)生具有一定濕度的氣體，用來校準濕度測量儀器（又稱濕度計）的裝置。為了滿足校準溯源性的需要，很多國家實驗室已經(jīng)建立了各種類型的濕度發(fā)生器。其原理主要包括：單壓法、雙溫雙壓法、分流法、擴散滲透法等。其中，分流法濕度發(fā)生器受到流量測量的限制，主要用于中、高濕范圍，滲透法濕度發(fā)生器也受到氣源干燥性和流量控制準確度的影響。

單壓法和雙溫雙壓法濕度發(fā)生器，主要靠改變氣體的溫度、壓力，通過準確測量溫度、壓力量值，根據(jù)相關(guān)公式，如國際公認的SONNTAG飽和水蒸氣壓公式，來計算出氣體中的水份含量。這樣露點就可以溯源至溫度及壓力這些物理量。由于主要受溫度和壓力測量的影響，而溫度和壓力現(xiàn)階段的測量技術(shù)已達到很高的準確度，因此多數(shù)情況下是采用單壓法和雙壓法濕度發(fā)生器既作為濕度源，也作為標準器，對濕度測量儀器進行檢定或校準。

某單位研制的分流法濕度發(fā)生器能夠提供準確度優(yōu)于±0.5℃DP的氣源，發(fā)生氣源露點范圍為（-70℃～+20℃），穩(wěn)定性優(yōu)于±0.05℃。參考單壓法濕度發(fā)生器的原理，我們研制了一套標準濕度發(fā)生器，與上述分流法濕度發(fā)生器結(jié)合在一起，可替代精密露點儀作為一級標準器使用。另一方面，也將對現(xiàn)有的一級標準冷鏡式精密露點儀的使用起到監(jiān)督作用，及時發(fā)現(xiàn)問題，更好的保證量值傳遞的合理性。

1 裝置設(shè)計開發(fā)

1.1 工作原理

設(shè)備參考單壓法的原理，在現(xiàn)有分流法濕度發(fā)生器的出氣口配備一套恒溫裝置及冷凝器，將冷凝器的溫度設(shè)定為低于分流法濕度發(fā)生器所發(fā)生氣體的露點溫度，使得由分流法濕度發(fā)生器產(chǎn)生的氣源通過冷凝器時，多余的水蒸汽以液態(tài)水或固態(tài)冰的形式冷凝下來，通過精確測量氣體冷凝時的溫度Ts和壓力Ps，根據(jù)飽和水蒸氣壓公式，便可以準確的計算出由標準濕度發(fā)生器所提供的氣體的露點Ts。流程見圖1 。

發(fā)生器采用單壓法原理設(shè)計，最重要的部分在于飽和器，即冷凝器和恒溫槽的設(shè)計?？紤]到恒溫槽溫度的不均勻性，飽和器體積應(yīng)盡可能的小，但是飽和度盡可能的接近100%。恒溫槽的測量范圍和技術(shù)參數(shù)也應(yīng)符合本項目的指標要求。進入冰（水）飽和器的氣源，在到達出口之前，應(yīng)經(jīng)過充分冷凝，從而使出口氣體的露點與飽和器的溫度一致。飽和器的尺寸與許多獨立的參數(shù)有關(guān)，包括進、出氣溫度、氣體流量、冷凝水的多少、材料的導(dǎo)熱系數(shù)等。進、出氣口露點相差越大，冷凝水的量越多。為了讓氣體的熱交換盡可能的充分，本裝置設(shè)計了一定長度的螺旋形盤管，從而保證冰飽和器的飽和度。飽和器盤管選用了不銹鋼材料，外徑8mm，內(nèi)徑6mm。根據(jù)能量守恒原理，利用簡單的熱交換模型，管內(nèi)流經(jīng)的氣體與管壁進行傳熱，氣體放出的熱量被管路吸收傳遞給制冷劑，同時，根據(jù)氣體的進出口溫度，從而能夠求出某一段氣體在管路中放出的熱量，建立熱平衡關(guān)系，從而計算出所需管路的長度。飽和器及恒溫槽示意圖見圖2。

圖1

此外，在氣體流經(jīng)飽和器出氣口和被檢儀器的進氣口處，分別測量管路中的壓力，從而精確得到系統(tǒng)的壓力降，以便對產(chǎn)生露點進行修正。基于單壓法原理，以及實測壓力降的值優(yōu)于10Pa，對露點的影響基本可以忽略不計。

1.2 不確定度評定

對于單壓法濕度發(fā)生器，由于其直接實現(xiàn)露點，在理想狀態(tài)下，出氣口的露點應(yīng)該等于恒溫裝置的溫度。但是由于氣體的飽和程度不可能是100%，冷凝器至出氣口之間管路對水蒸氣的吸附和脫附也不可能完全一樣，以及流速對出氣口露點的影響、拉烏爾效應(yīng)、溫度測量準確度、壓力測量的準確度等的影響，為出氣口的露點測量帶來了不確定度。其中，溫度和壓力測量的準確度是比較容易確定，因為這兩者直接受到現(xiàn)有測量技術(shù)的限制，可以直接計算出對發(fā)生露點的影響。

我們知道，在單壓法濕度發(fā)生器系統(tǒng)中，按照理想氣體狀態(tài)方程，有如下方程：

其中es（Td）、es（Ts）、f（Ps,Ts）、f（PUUT,Td）、PUUT、Ps分別表示出氣口露點溫度Td對應(yīng)的飽和水汽壓、飽和器溫度Ts對應(yīng)的飽和水汽壓、水蒸氣在壓力Ps和溫度Ts下對應(yīng)的增強因子、在壓力PUUT和溫度Td下對應(yīng)的增強因子、測量室的壓力、飽和器的壓力。

根據(jù)SONNTAG公式，對水面來說，露點和飽和水汽壓的關(guān)系如下：

對于冰面來說，

其中，ew(T)、ei(T)分別表示水面和冰面上的飽和水蒸氣壓，T表示露點/霜點溫度，單位為K。

單壓法標準濕度發(fā)生器出氣露點的不確定度來源，主要由以下幾部分組成，①飽和度，②溫度測量，③壓力測量，④吸附和解析，⑤污染物等。

從讀初中起，林志就暗戀上了紫云。十四歲生日那天，紫云走出家門，感覺身后有人，如幽靈一般。經(jīng)過一條深巷，古墻上閃過一道黑影，她猛然回頭，嚇出半身冷汗，吼道：“你有病啊！”

飽和度引入的不確定度，根據(jù)實驗結(jié)果，優(yōu)于0.02℃；溫度測量部分，包括標準鉑電阻測溫不確定度、恒溫槽的不均勻性、溫度顯示部分的分辨率等；壓力測量部分，包括測量飽和器壓力的壓力傳感器引入的不確定度、壓力顯示裝置的分辨率、出氣口即連接被檢儀器測量室的測壓不確定度、壓力降引入的不確定度；水蒸氣的泄露和解析、污染等引入的不確定度由參考文獻給出的數(shù)值直接引用。

圖2 飽和器及恒溫槽示意圖

為了盡可能的滿足裝置的預(yù)期指標，選用了準確度等級較高的HART公司的二等標準鉑電阻和GE公司絕壓變送器。其中二等標準鉑電阻溫度計，其擴展不確定度為0.01℃（k=3），標準不確定度為0.01/3=0.0034℃。選用壓力變送器的擴展不確定度為0.025%（k=3），其標準不確定度為0.025%/3＝0.0083%。

恒溫裝置的不均勻性為0.02℃，按均勻分布，計算其標準不確定度為0.02/1.73＝0.012℃。

壓力在101.325kPa左右時，根據(jù)公式1～3，計算得出壓力不確定度對露點的影響為0.004℃（評估20℃露點時得出的結(jié)論，因為該露點受壓力測量的影響最大，其他點均優(yōu)于該數(shù)據(jù)）。

以露點-70℃為例，計算不確定度如表1所示。

表1 不確定度

2 實驗結(jié)果

由DP30精密露點儀對裝置的準確度進行了比對測量，每個月測量一次，分別記錄每次的偏差數(shù)據(jù)，不同測量點在不同時間下的測量結(jié)果見圖3。

結(jié)果證明單壓法標準濕度發(fā)生器的技術(shù)參數(shù)能夠符合項目預(yù)期實現(xiàn)的目標，穩(wěn)定性良好，且滿足我國濕度量傳系統(tǒng)中對一級標準器的要求即：露點的發(fā)生范圍為（-70℃～+20℃）DP，在-70℃～-50℃DP之間，最大允差優(yōu)于±0.3℃DP，-50℃～-20℃DP之間，最大允差優(yōu)于±0.2℃DP，在-20℃～+20℃DP之間，最大允差優(yōu)于±0.15℃DP。

圖3 測量結(jié)果

[1] 李英干, 范金鵬. 濕度測量[M ] .北京: 氣象出版社, 1990.

[2] JJF 1059 - 1999, 測量不確定度評定與表示[S].

[3] C W Meyer, W W Miller, D C Ripple, and G E Scace DESIGN AND PERFORMANCE OF THE NEW NIST HYBRID HUM IDITY GENERATOR ，Published in Proceedings of NCSLI 2008 Workshop and Symposium (Boulder, CO:NCSLI, 2008), on CD

[4] 張文東等.標準露點發(fā)生裝置的研制[J].上海計量測試,1995.6.

[5] 易洪. 濕度測量的新進展及發(fā)展趨勢[J].中國計量 . 2007.2.

[6] Martti Heinonen UNCERTAINTY IN HUM IDITY MEASUREMENTS，PUBLICATION OF THE EUROMET WORKSHOP P758 J4/2006.

Design and Uncertainty Evaluation of Single Pressure Method Standard Humidity Generator

ZHENG Sheng-qing，ZHANG Qiang，YANG Yi
（Jiangsu Institute of Metrology, Nanjing 210007）

This paper is mainly concerned with theice flashover character istic under lighticing condition. According to the plate model with hydrophobic surface, the effect of impact factors, including gaplength, gap position and dist ribution, melting time and pollution level, on the ice flashover process were analyzed. It was found that gaps due to non-uni formicing initiated the partialarcs. It was shown in Ucurve between gap length and ice flashover vol tage, and gaps closed to the elect rode were more inclined to be suffered. Melting time showed a U curve trend with the ice flashover vol tage due to the variation of melting water film resistance. However, pollution level was in positive relationship withice flashover voltage, and flashover channel were always occur red in the contamination-ice inter face. Finally, according to the experiment in the artificial climate chamber, partial arcs were always initiated along the rod and lower surface of shed which could be hardlyiced, and there was an decreasing trend betweenice flashover vol tage and pollution level.

composite insulator; icing; flashover; space; contamination

TM855

A

1004-7204（2014）03-0055-04

鄭勝清（1981－ ），女，江蘇南京人，江蘇省計量科學(xué)研究院，本科，主要從事濕度計量檢測。