分流法濕度發(fā)生器的設(shè)計

國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院 劉克成 張立軍 馬慧芳河南省日立信股份有限公司 朱會

0 引言

分流法濕度發(fā)生器是通過流量控制器把一股干氣分成兩股，一股通過飽和水槽，然后再通過恒溫氣室變成飽和濕氣與另一股干氣進行混合，通過控制干氣和飽和濕氣的流量，可以配置露點輸出為-70℃-10℃的混合濕氣，流量可達到10L。可以滿足多臺濕度儀表的校準工作。

1 系統(tǒng)介紹

分流法濕度發(fā)生器[1]對干氣源的干燥程度要求很高，干氣源的干燥程度在一定程度上決定了低濕混合濕氣輸出的精度，為了保證氣源的干燥，在濕度發(fā)生器的進氣端增加氣源干燥系統(tǒng)，對輸入露點-40℃的干氣通過高分子膜干燥器，把氣源露點降到-60℃，然后通過13X分子篩進行深度干燥，最終露點干燥到-75℃。質(zhì)量流量計A、B組合成濕氣氣源，A的量程50ml,B的量程2000ml,通過兩個不同量程的濕氣質(zhì)量流量計，可以滿足寬量程露點輸出。質(zhì)量流量計C為干氣源量程為5000ml，電磁閥1為兩位三通電磁閥，電磁閥2為常閉二位二通電磁閥，電磁閥3為常開兩位兩通電磁閥，飽和水槽是一種倒立的U型相連的兩個圓柱容器，讓干氣通過水槽進行增濕。由于我們對經(jīng)過飽和水槽的濕氣進行降溫控制，所以對飽和器結(jié)構(gòu)沒有特殊要求，只要求能夠與水有更大接觸面積和時間。恒溫氣室是濕度發(fā)生器設(shè)計的核心部件，它決定了濕氣的飽和程度和濕氣輸出的準確性。在一塊100＊80mm的紫銅上按照圖2上所示進行鉆孔加工，用堵頭把側(cè)面兩個鉆孔進行密封，最終的管路是從圖的左側(cè)進，右側(cè)出。管路長度最長，可以滿足氣體的完全降溫。凸出地方安裝帕爾貼和PT100。

圖1 濕度發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖

來自飽和水槽的濕氣從恒溫氣室的一側(cè)進，另一側(cè)出，完成氣體的降溫作用。恒溫氣室的溫度設(shè)定比飽和水槽的溫度低5-10℃，輸出的濕氣就是設(shè)定溫度下的飽和濕氣。

飽和濕氣和干氣按照下面的計算公式就可以計算出對應(yīng)的混合濕氣露點[2]，當輸出為霜點時計算公式為（1），為露點時計算公式為 （2）。

在matlab仿真軟件中輸入對應(yīng)的計算公式進行算法反推導(dǎo)，已知露點溫度和輸出氣體總流量計算干氣流量和濕氣流量。

運算推導(dǎo)出輸出露點為-40℃的混合濕氣，在恒溫氣室溫度控制10℃條件下，干氣流量Qd=989.65ml，濕氣流量Qw=10.35ml。用冷境原理的標準表michelle S800RS，測量輸出的混合濕氣露點。S800RS每一分鐘記錄一個測量露點值，圖4為80分鐘內(nèi)對濕度發(fā)生器輸出露點的記錄，輸出露點值在-40℃到-40.2℃，露點波動0.2℃，滿足二級標準濕度源對露點穩(wěn)定性的要求。

圖2 恒溫氣室管路

圖3 安裝好的恒溫氣室

圖4 S800RS測量輸出露點

圖5 濕度發(fā)生器硬件框圖

圖6 濕度發(fā)生器軟件架構(gòu)

圖7 濕度算法C語言程序

2 濕度發(fā)生器硬件及軟件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

濕度發(fā)生器硬件設(shè)計主要包括電源模塊，485/232通信模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊，控制帕爾貼制冷模塊，驅(qū)動電磁閥電路和存儲數(shù)據(jù)模塊等組成。設(shè)計的難點是通過PWM調(diào)控mosfet-N功率管，來控制帕爾貼，控制的算法是通過實時采集PT100溫度采樣值，與設(shè)定控制目標采樣值進行PID控制。質(zhì)量流量控制器與單片機之間是通過485進行數(shù)據(jù)通信，通過人機交互界面，輸入需要輸出的混合濕氣露點和流量，通過濕度算法計算出濕氣流量和干氣流量，單片機把控制流量的信息通過modbus協(xié)議傳遞給質(zhì)量流量控制器，完成流量輸出控制。

2.2 軟件設(shè)計

編輯環(huán)境是在Keil uVision4環(huán)境下進行編輯，軟件架構(gòu)包括與上位機及質(zhì)量流量計進行通信的子程序，AD7718數(shù)據(jù)采集子程序，PID控制恒溫氣室子程序。根據(jù)matlab對濕度計算的公式，并進行了驗證，用C語言把濕度算法進行編程。程序的入口是根據(jù)上位機設(shè)定的輸出露點和流量來計算干氣流量和濕氣流量，把計算得到的干、濕氣流量送給質(zhì)量流量計進行流量控制。圖7為根據(jù)露點和流量反推干氣流量和濕氣流量的C語言算法，這個算法是michelle公司他們濕度儀表上常用的算法公式。

3 濕度發(fā)生器性能影響因素

濕度測量過程一般是從低濕往高濕進行測量，減少了管路殘留的濕氣對測量結(jié)果的影響。在測量-60℃及以下的濕氣時，需要用干氣進行管路和設(shè)備的長時間吹干，時間至少30min。當長時間不使用或者輸出高濕氣后，管路里面的濕氣是可以通過干氣進行吹干，但是恒溫氣室里面會有水珠，恒溫氣室和干氣混合處的一段管子殘留的水汽會影響濕度發(fā)生器輸出濕氣的準確性和穩(wěn)定度，我們在做測試的過程中就發(fā)現(xiàn)過輸出高濕氣后配不出低濕氣體。通過分析就是恒溫氣室在制冷過程中有大量水珠產(chǎn)生，水珠的緩慢氣化影響了管路里面的濕氣。我們通過控制電磁閥3和電磁閥2，用來自質(zhì)量流量計C的干氣對恒溫氣室進行吹洗，通過干氣對恒溫氣室的吹洗，去掉了恒溫氣室殘留的水珠和大量水汽。這是影響濕度發(fā)生器準確性和穩(wěn)定性的重要一點。

影響濕度發(fā)生器的另一個問題是質(zhì)量流量計內(nèi)漏影響，尤其是在低濕，當使用50ml的質(zhì)量流量計進行濕氣輸出時，并聯(lián)在管路上的質(zhì)量流量計B的內(nèi)漏就會對濕氣流量造成影響。在質(zhì)量流量計的輸出口串上一個兩位三通電磁閥1，通過電磁閥1把質(zhì)量流量計內(nèi)漏的氣體排放到管路外面，不對濕氣總流量產(chǎn)生影響。

恒溫氣室溫度的波動也會對輸出濕氣露點產(chǎn)生影響。當設(shè)定恒溫氣室溫度10℃時，通過查閱飽和水蒸氣壓力表可以知道溫度波動0.2℃時，水蒸氣壓力波動16pa,當恒溫氣室溫度設(shè)定5℃時，同樣溫度波動0.2℃時，水蒸氣壓力波動12pa。可以通過降低恒溫氣室的溫度達到減少露點輸出波動。

4 結(jié)束語

在設(shè)計和安裝調(diào)試濕度發(fā)生器的過程中，質(zhì)量流量計的內(nèi)漏和精度，恒溫氣室溫度的波動，管路的布局，都會對濕度發(fā)生器的精度產(chǎn)生影響，上述三點是我們在實際設(shè)計調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的對濕度發(fā)生器影響比較大的問題。通過與中國計量院的標準濕度表BWM373進行測試比對，露點在-70℃到-60℃輸出露點與設(shè)定露點誤差1℃以內(nèi)，-55℃到10℃誤差小于0.5℃，輸出露點波動小于0.3℃，可以滿足二級標準表的對濕度發(fā)生器的要求。

[1]李英干，范金鵬.濕度測量.北京：氣象出版社，1990∶336-340.

[2]崔劍，張學(xué)范.分流式濕度發(fā)生器設(shè)計及不確定度分析[J],測量與設(shè)備，2006.NO1242-43.