分流式全自動濕度發生系統

王 森,蔣書波,王 洋

(南京工業大學浦口校區,南京 211816)

分流式全自動濕度發生系統

王 森,蔣書波*,王 洋

(南京工業大學浦口校區,南京 211816)

測量濕度的儀器、方法和濕敏元件種類繁多,為了保證濕度測量的準確性,國家計量部門會對濕度檢測設備進行定期校準。在分流法原理基礎上結合LabVIEW軟件研究并設計了一套二級分流式濕度發生系統,可實現相對濕度以及露點氣體的發生。該系統已應用于實際濕度測量設備的校驗,結果表明可發生濕度范圍10% RH～90% RH,精度在0.5% RH以內,可發生露點范圍-70 ℃～10 ℃,不確定度為0.074 ℃。

濕度發生;計量校準;分流法;不確定度

任何物理量的測量以及控制都需建立一定的標準基礎,濕度也同樣如此。然而不管利用何種原理、何種設備測量氣體濕度,由于工作溫度環境的變化,設備中的傳感器會產生溫漂,器件長時間使用,其性能也會發生改變[1],因此需要計量部門對濕度檢測設備進行定期校準。計量部門的校準工作需要一定的標準,對于濕度檢測儀器的校準而言,需要提供濕度已知的標準氣體。濕度發生器就是在一定條件下能發生水蒸氣含量恒定且可知的氣流或氣氛的裝置的總稱[2]。

而分流式濕度發生器一直因其發生原理簡單,比較容易實現,且成本低廉等優點廣泛應用于濕度檢測設備的校驗工作中。然而傳統的分流式濕度發生器通常只能發生高濕度氣體,難以發生滿足校準露點測量儀器所需要的低濕度氣體。為此本文在分流法原理基礎上結合LabVIEW軟件研究并設計了一套二級分流式濕度發生系統,可實現相對濕度以及露點氣體的發生。

1 工作原理

濕度發生器原理見圖1所示。

圖1 濕度發生器原理

相對濕度的發生是基于傳統的分流法原理,首先采用干燥的空氣或者氮氣作為氣源,將干燥氣體分作兩股,其中一股在一定的溫度條件下,利用飽和裝置進行增濕,成為飽和濕氣[3]。隨后與具有相同溫度的另一股干氣進行混合,利用兩臺質量流量控制器準確控制飽和濕氣以及干氣的流量,由此得到相對濕度恒定且連續可調的恒濕氣流[4]。利用上述分流法原理可以實現10% RH～90% RH濕度氣體發生,因此基于上述原理的濕度發生器能夠滿足一般以相對濕度為測量單位的濕度檢測設備(濕度計)的校驗。

然而對于測量氣體中微量水分的濕度測量設備(露點儀等)的校驗,兩路分流法原理就無能為力了。因此,繼承并發展了分流法,利用二級分流的方法實現低濕氣體的發生,即將兩路分流法發生出的濕度已知濕氣與另一路干氣混合,使發生氣濕度進一步下降。試驗證明此種方法露點發生范圍能夠達到-70 ℃～10 ℃,可應用于一般低濕氣體檢測設備的校準過程。

2 發生器設計

通過濕度發生器原理圖對濕度發生系統的總體結構有了大概的認識,而對于系統的具體實現過程則需要借助系統具體的工藝流程進行介紹,如圖2所示。

圖2 系統工藝流程

相對濕度的發生:將來自干燥器的潔凈壓縮空氣通過質量流量控制器MFC1、MFC2控制不同的流量,分別用QD1、QD2表示。QD2經過恒溫罐2進入飽和器,與飽和器中的水分充分接觸后成為飽和濕氣QW2。而后QW2經過濕氣緩沖罐穩定濕度以及流量后,與經過恒溫罐1的QD1混合獲得一級稀釋氣QH1,QH1的流量由QD1與QW2的總流量決定。QH1經過三通閥的調節進入溫濕度測試腔體。供被檢儀器(以相對濕度為檢測單位濕度檢測設備)測量。

露點的發生:將來自干燥器的潔凈空氣另分出一路,由質量流量控制器MFC4控制流量為QD4;一級稀釋氣QH1分為兩路,一路通過三通閥的控制,不再進入溫濕度測試腔體,而是通過四通閥排空,另一路由質量流量控制器MFC3控制流量為QW3;將QD4與QW3進行混合稱為二級稀釋氣QH2,而后輸出給露點標準器或者被檢儀器。此時,一級稀釋氣QH1在與干氣QD4的混合過程中,進一步降低濕度,最終測試結果顯示通過二級稀釋氣發生的露點下限能夠達到-70 ℃以下。在QD1與QW2混合后管路中加入壓力傳感器,采集濕度發生過程管路中一級稀釋氣壓力,作為壓力修正函數的參考值。

想要實現相對濕度以及露點的準確發生,對干燥氣源、飽和濕氣以及恒溫槽的要求很高,下面對系統的幾個主要的部分作簡要介紹。

2.2 干燥器設計

干燥的潔凈空氣是整個濕度發生系統的基礎,只有干氣足夠干,才能實現低濕露點的發生。使用壓縮空氣作為氣源時,需要通過干燥器對壓縮空氣進行預處理,即去雜以及除濕。

干燥器主要利用變壓吸附原理,利用壓力的變化使干燥罐分子篩顆粒吸除空氣中的水分。圖3所示為干燥器工藝流程圖,包括兩個干燥罐,4個電磁閥,4個單向閥以及緩沖罐等。從空壓機中抽送的壓縮空氣需要通過一個減壓閥進行減壓,才能向干燥器管路輸送穩定常壓的空氣。

圖3 干燥器管路工藝流程圖

空氣進入干燥器后,通過4個電磁閥不同的通斷狀態控制干燥過程,整個干燥過程分為4個過程,反復執行:

(1)干燥罐同時加壓

電磁閥1和電磁閥2通,電磁閥3和電磁閥4不通,壓縮空氣分別經電磁閥1和電磁閥2通向干燥罐1和干燥罐2后,再經過4個單向閥以及針閥組成的管路后進入緩沖罐,此過程為過度階段,此時可觀察到2個壓力表的壓力值不斷增大,此過程持續20 s時間,利用加壓吸附原理去除壓縮空氣中的水分,獲得干氣,同時使管路中氣體壓力均衡。

(2)干燥罐1工作,干燥罐2再生

電磁閥1和電磁閥3通,電磁閥2和電磁閥4不通,空氣經電磁閥1、干燥罐1以及單向閥1后,一路經過濾器輸出給緩沖罐,作為干燥器的輸出;一路經過針閥,反吹干燥罐2后通過電磁閥3排空。此時,干燥罐2壓力為常壓,處于減壓解吸狀態,反吹的作用在于吹除解吸出的多余水分,用于干燥罐2的再生。此過程持續50 s。

(3)干燥罐同時加壓

此過程與過程(1)過程相同。

(4)干燥罐2工作,干燥罐1再生

電磁閥2和電磁閥4通,電磁閥1和電磁閥3不通,空氣經電磁閥2、干燥罐2以及單向閥2后,一路經過濾器輸出給緩沖罐,作為干燥器的輸出;一路經過針閥,反吹干燥罐1后通過電磁閥4排空。此時,干燥罐1壓力同樣為常壓,處于減壓解吸狀態,反吹的作用在于吹除解吸出的多余水分,用于干燥罐1的再生。此過程同樣持續50 s。

為了使干燥罐輸出干氣更加平緩,在出氣端放置緩沖罐。干氣從細小管路進入緩沖罐較大空間時,氣流變得平緩且均勻,能為濕度發生系統提供更加穩定的氣源。

2.3 飽和器設計

預飽和器作為預處理部分,在QD2進入飽和器前先通過預飽和器,形成具有一定濕度的氣體。圖4為預飽和器的示意圖,采用塔板式與鼓泡式相結合的結構,圓柱形的罐子內部由圓形鐵片分割成多個小空間,每個鐵片的邊緣有一小角度彎折以便氣體通過,每個圓形鐵片上貯存一定的水量。為了增加氣體與水的接觸可能,不同于傳統搭板式結構,設計干氣從預飽和器的底部通入。預飽和器底部與第1塊圓形鐵片之間注滿水,干氣通過鼓泡形式進入,與罐底部的水充分接觸,并在每個圓片組成的小空間內通過,增加與水接觸的時間以增加飽和度。

圖4 預飽和器示意圖

2.3.2 飽和器

由濕度發生原理可知,理想濕氣的飽和度為100%,為了達到或盡可能接近這一目標,經過預飽和器已具有一定飽和度的氣體需要經過飽和器進行二次飽和。飽和器采用離心式原理,如圖5所示。內部位于水面上方有一個與水面成45°的噴嘴,氣體從側面沿著切線方向進入飽和器,然后在氣流沖擊以及離心力的作用下,氣體與水充分接觸達到加濕效果[5]。

圖5 飽和器三視圖

飽和器溫度由恒溫槽1控制,氣體經過飽和器后,通入由恒溫槽2控溫的濕氣緩沖罐內,一則使濕氣有充足的時間混合均勻,其次由于溫度越低,氣體的飽和水汽壓越低,也即氣體更容易飽和。由此恒溫槽1的溫度設置比恒溫槽2溫度低0.1 ℃～0.3 ℃,使濕氣過飽和從而確保濕氣在恒溫槽2的溫度下飽和度達到100%。為了防止過飽和氣體離開飽和器時帶走液態水分,使氣體管路變濕,影響后續濕度發生的準確性,緩沖罐的出口部分設計燒結氣液分離器。

3 人機交互部分設計

人機交互部分為校驗人員提供操作平臺,所有對濕度發生系統的控制指令都是通過這個平臺下達的,其程序流程如圖6所示。

圖6 上位機流程圖

人機交互界面分為露點發生、濕度發生、待機狀態以及溫度控制4個部分。人機交互界面是濕度發生系統用戶實際的操作界面,系統需要的控制命令都是通過人機交互界面輸入;用戶需要的反饋信息,包括流量、溫度、壓力等實時信息也都是通過人機交互界面進行展示。

圖7 露點發生界面

人機交互界面切換通過點擊界面上方的狀態按鈕實現。其中露點發生界面主要由3部分組成:露點發生控制區、實時流量顯示區和圖表區。如圖7所示,相對濕度發生界面與露點發生界面比較相似,不同的是相對濕度的設定更加自由,可以直接手動輸入隨意的濕度設定值,而且控制發生的流量以及實測流量都只對應干氣1以及濕氣1;待機狀態界面是控制當濕度發生結束或者暫停時為管路提供持續的低流量氣體,因此發生的4路流量都是固定的,在待機狀態界面可以監測4路流量的實際控制情況;溫度控制部分主要用于實現與溫控表的通訊以及控制,溫度控制界面如圖8所示。主要包括串口配置、讀/寫參數設置、讀/寫控制、溫控表實時示值以及溫度歷史記錄圖5部分構成。

圖8 溫度控制界面

校驗人員主要通過露點以及濕度發生界面控制系統發生對應目標濕度的氣體。通過上下位機通訊實現數據交流,命令濕度控制系統執行相應操作,結合氣路控制實際濕度發生。確定濕度發生過程結束時,上位機能夠根據通訊采集的實際發生濕度相關數據,自動生成校準報表。

（2）在改性瀝青混合料的路用性能實驗中，改性瀝青混和料的動穩定度從860次·mm-1增加至2400次·mm-1，摻入MY瀝青砂添加劑的改性瀝青混合料的動穩定度和基質瀝青混合料相比有明顯的改善。同時，改性瀝青混合料的凍融劈裂強度比為80.6%，與比普通瀝青混合料高2%，MY瀝青砂添加劑的摻入可以提高瀝青混合料的抗水損害性能，并且其它技術指標能夠滿足道路瀝青的路用性能要求。

4 系統分析與測試結果

4.1 不確定度分析

在濕度發生系統中,影響濕氣濕度的不確定度來源主要包括以下幾部分:溫度場引入的不確定度分量u(T);飽和器的飽和度引入的不確定度分量u(e);氣源濕度引入的不確定度分量u(g);流量引入的不確定度分量u(q);修正函數引入的不確定度分量u(f)。根據不確定度傳播率,最終不確定度u的計算公式為:

(1)

根據試驗驗證,飽和器內飽和濕氣的飽和度造成的不確定度不會超過±0.0175 ℃,服從三角分布,由此:

使用空壓機的壓縮空氣減壓后通過干燥裝置干燥后作為干氣源,通過精密露點儀多次實測,干氣露點均值為-74 ℃,對應體積比值為1.409×10-6。考慮到干氣的制備以及再生干燥器的使用時效等因素影響,實驗證明,干氣最大偏差3 ℃對應改變露點溫度不超過0.02 ℃,由此:

根據流量控制部分的設計,需要將0.15 ℃作為露點控制精度。流量控制的不穩定帶來的露點不確定小于0.15 ℃,服從三角分布,由此:

修正函數關系式建立在實驗數據的基礎上,通過熱力學理論方程推出的,在(0～1×105)Pa的壓力范圍內準確度為1×10-4(95%的置信概率,k為2),同樣根據試驗數據,對應的露點不確定度不會超過±0.018 ℃,則:

上述各項關于露點引入的不確定度各不相關,根據不確定度傳播定律式(1)可得:

而國家標準文件對于露點發生器的要求為優于0.15 ℃,因此本濕度發生系統露點發生部分滿足國家校驗標準。

4.2 發生器準確度測試結果

4.2.1 相對濕度發生結果展示

濕度發生系統搭建完成后,恒溫槽1溫度設置為20 ℃,恒溫槽2溫度設置為19.8 ℃,發生10% RH,30% RH,50% RH,70% RH,90% RH固定相對濕度點。選用一臺穩定性和分辨率較好的高精露點儀(瑞士MBW373)分別測量各發生相對濕度點。測試結果見表1,可以看出濕度發生的最大誤差為0.2% RH,而根據373測量的溫度結果,溫度偏差在±0.04 ℃內。

表1 相對濕度發生結果

4.2.2 露點發生結果展示

恒溫槽1溫度設置為15 ℃,恒溫槽2溫度設置為14.8 ℃,發生-70 ℃、-60 ℃、-50 ℃、-40 ℃、-30 ℃、-20 ℃、-10 ℃、1 ℃,10 ℃固定露點進行露點發生測試。同樣采用高精露點儀MBW373分別測量各發生露點。

觀察表內結果可以發現,氣體濕度越低,實現露點的精確發生越困難。以MBW373示值作為標準,濕度發生系統在-70 ℃～-50 ℃范圍內優于±0.06 ℃;在-50 ℃～-20 ℃范圍內優于±0.04 ℃;在-50 ℃～-20 ℃范圍內優于±0.03 ℃,與總合成的標準不確定度做比較,本系統設計的濕度發生器發生的濕度偏差小于系統總不確定度。恒溫槽2的控溫誤差在±0.04 ℃內。測量壓力的壓力傳感器放置在一級稀釋氣管路,用于修正一級水汽壓。

表2 露點發生結果 單位:℃

5 結論

(1)采用分流法原理成功研制了一套可實現相對濕度以及露點氣體發生的標準濕度發生器,解決了分流法濕度發生器發生氣體濕度高的問題。結果表明可發生濕度范圍10% RH～90% RH,可發生露點范圍-70 ℃～10 ℃;

(2)通過LabVIEW編寫的上位機人機界面對濕度發生器進行控制,同時可通過人機界面監測發生器的運行狀態,實現了系統的全自動運行;

(3)對系統的精度及不確定度進行了試驗分析,結果為相對濕度發生的最大誤差為0.2% RH,溫控最大誤差為±0.06 ℃,露點發生的不確定度為0.074 ℃。

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The Automatic Divided-Flow Humidity Producing System

WANGSen,JIANGShubo*,WANGYang

(Nanjing University of Technology Pukou Campus,Nanjing 211816,China)

Nowadays,there are a wide variety of instruments,methods and sensors used in humidity measurement. In order to ensure the accuracy of humidity measurement,National Measurement Bureau calibrates the instruments regularly. On the basis of Divided Flow and combining the LabVIEW software,works on the research and the design of secondary-divided-flow humidity-producing-system is verified that which can realize the occurrence of relative humidity and dew point. The system has been applied to the actual humidity calibration equipment. The results show this equipment can occur humidity from 20% RH to 90% RH within the accuracy of 0.5% RH;occur dew point from -70 ℃ to 10 ℃ with the uncertainty 0.074 ℃.

humidity occurrence;metrology calibration;divided-flow method;uncertainty

2016-05-10 修改日期:2016-06-30

TP29

A

1005-9490(2017)03-0742-06

C:7230E

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.045