便攜式高溫露點濕度發生器的研制

呂國義，鞏娟，何萌，楊永軍，胡艷青

(航空工業北京長城計量測試技術研究所，北京 100095)

0 引言

隨著國防科技工業武器裝備的快速發展，對高溫露點或高溫條件相對濕度參數的校準溯源需求越來越多，如在使用燃料電池作為電源的大型武器裝備上，在采用核燃料作為動力的核潛艇、大型艦船上等，都涉及到高溫露點、高溫高濕的環境，甚至測試環境溫度超過100 ℃；另外在一些工業干燥行業也需要高溫的溫濕度測量。因此，高露點溫度或高溫相對濕度的參數存在著溯源需求，便攜式高溫露點溫度發生器的研制對于高溫露點的溯源校準提供了基礎。

1 原理

濕度發生器是指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，根據用途通常可分為相對濕度發生器和露點發生器，一般采用雙壓法、雙溫法、雙溫雙壓法和分流法居多，本文采用單溫法原理實現高溫露點的發生。本項目研制的發生器主要用于某軍工單位特定高溫下的濕熱試驗，即將高露點濕度發生器發生的高露點溫度樣氣通入指定的恒溫腔體中，并置換原有的氣體，得到高溫下的相對濕度樣氣，實現在特定的高溫高濕環境下開展相關樣品的性能試驗工作的目的。

單溫法是指濕度發生器氣源在恒溫條件下，通過換熱器和飽和器(可以采用多級飽和)實現設定溫度條件下的飽和，從而實現設定溫度條件下的露點樣氣發生。高溫露點樣氣的露點溫度均在室溫之上，因此在樣氣的輸出管路上需要進行保溫甚至加熱管路所處環境溫度至少大于露點溫度3 ℃以上，否則氣體管路內部容易結露，發生的露點樣氣溫度也會產生變化，不能達到預期的效果。

2 結構設計

高溫露點發生器主體由恒溫設備、換熱器、飽和器、測控系統和管路加熱系統組成，具體結構原理如圖1所示。

氣體通過減壓閥和流量計調節流量，進入恒溫裝置的換熱器中，之后再進入飽和器進行鼓泡加濕，氣體達到飽和后，通過出氣口與連接管路進入恒溫工作腔(反應器工作區間)，出氣口與恒溫工作腔之間通過加熱器包裹的連接管連接。圖1中的Ts為飽和器的溫度，T1為加熱管路的溫度，Tc為工作腔的溫度。通過發生器的測控系統設置恒溫體欲發生的目標溫度和相對濕度，通過內部程序換算得到發生器的發生露點溫度值，將恒溫裝置的溫度設定為該值，即可實現特定溫度條件下的相對濕度環境產生。

圖1 發生器工作原理圖

2.1 換熱飽和器一體式結構設計

氣體進入恒溫設備后，為了實現設定溫度下的飽和，在進入飽和器前，盡可能的通過換熱器使其溫度與設定溫度一致，從而達到最大程度的飽和，考慮結構緊湊的要求，將換熱器與飽和器設計成一體式結構，即在飽和器的外壁上纏繞紫銅盤管，使空氣流經盤管與恒溫設備內的介質經過充分的換熱后，進入到飽和器中。

為了增加換熱效果，換熱器盤管選用導熱系數較好的紫銅管。具體管內氣體的換熱情況如圖1所示，A為槽液，B為管壁，C為管內流動氣體。設槽液溫度為T1,管子入口時的氣體溫度為T0，出口時的溫度為T，氣體自上而下流動。

圖2 換熱管內傳熱模型

實際的傳熱過程包括以下幾個方面：①槽液A與換熱管外壁進行強迫對流換熱；②通過管壁的導熱；③換熱管內壁與管內氣體的對流換熱；④管內氣體的內部導熱；⑤系統各部分間的輻射傳熱。

根據換熱管路內表面通過傳熱系數計算得到的對流換熱量與根據氣體的總流量和進出口溫升計算出換熱量建立熱平衡關系，進而得出換熱器理論上需要的換熱管路長度，為換熱器的設計提供理論支撐。

飽和器是整個裝置的關鍵核心部件，在設計時應遵循兩個基本原則：一是使氣體與水有充分的接觸面積和接觸時間；二是盡量減少氣體在飽和系統內壓力降。為了達到預期的飽和度設計目的，采用鼓泡法原理，飽和器由內裝去離子水或蒸餾水的金屬圓筒組成，氣體從飽和器底部進入飽和器，并與水充分混合，在飽和器中進行傳熱與傳質，使氣體達到飽和狀態。采用鼓泡的方法具有增濕效率高、體積小的優點，但同時也帶來飽和氣中夾帶霧沫的缺點，呈現過飽和狀態，因此為了防止在鼓泡式飽和器中出現過飽和狀態，增加了氣霧分離結構。具體結構如圖3所示。

圖3 飽和器結構示意圖

該飽和器的設計分為上下兩層，通過增加不銹鋼濾網隔開，濾網直徑很小，在1 mm以內，飽和的濕空氣經過濾網后，可以除去夾帶的水滴；飽和器的下層裝有蒸餾水，換熱器以盤管形式盤在飽和器外壁上，氣體在進入飽和器之前會先進入換熱器，使其與槽體進行充分的換熱，確保溫度最終達到恒溫設備設定的溫度，再進入飽和器與水面接觸，達到飽和的目的。為了增加飽和器內的換熱效果和飽和效果，飽和器的下端設計有導熱翅片，以增加進入飽和器內氣體的換熱效果；另外飽和器中有填料，使氣體能夠增加在水里的接觸面積，達到充分飽和，通過這樣的措施基本可以實現99%以上的飽和度。

在飽和器的上層留有測壓孔，飽和氣體通過盤管后降溫接入壓力傳感器進行壓力測試，同樣在飽和器的上層安裝有精密級溫度傳感器，用于測試飽和氣體的溫度，以上得到的溫度和壓力參數對最終露點或相對濕度的發生作修正計算。

2.2 恒溫體設計

恒溫體采用定制的微型恒溫槽，與換熱飽和器結構配合，控制系統采用日本島電公司的SR23型0.1級溫度控制器，留有通訊接口，與總體控制系統結合。

微型恒溫槽選用微型制冷壓縮機，結合側攪拌的設計和精密溫度控制，為飽和器提供一個溫度均勻且穩定的恒溫環境，在保證指標滿足要求的基礎上，壓縮設備體積，提高設備的便攜性。便攜式恒溫設備的技術參數如表1所示。

表1 便攜式恒溫槽技術參數

2.3 管路加熱電路

本項目研制的發生器需要將發生的高露點氣體通入到客戶要求得恒溫腔中，因此從發生器的露點出氣口到恒溫腔氣體的入口大概有1～2 m的距離，對于高于室溫的高溫露點樣氣管路必須對其進行加熱。

選用加熱帶將氣體管路包覆，控溫傳感器選用工業pt100鉑電阻并將其放在管路中心處緊貼管路，埋在加熱帶里，加熱帶外部再包裹保溫材料，管路兩端的包覆要略富裕，確保整個管路都能起到加熱作用，溫度控制器放在發生器內部。具體的結構見圖4。

2.4 測控系統

發生器整個系統采用觸摸屏與其他硬件通訊，如高露點濕度發生器和加熱管路的溫度控制器分別通過RS232和RS485方式進行通訊，通過觸摸屏實現集中控制，可以根據設置的溫度和相對濕度自動換算對應發生的露點溫度，具體的硬件連接示意圖如圖5所示。

觸摸屏控制器將各硬件部分有機地結合起來、統一調度,并承擔著數據采集、分析、控制和顯示任務。

軟件編制的流程如圖6所示。

3 性能試驗

分別開展露點溫度和高溫相對濕度的試驗，標準器選用瑞士MBW公司的373LHX型號的精密露點儀進行比對，該露點儀既能開展露點溫度測試又能開展相對濕度測試。

圖4 管路加熱系統示意圖

圖5 控制硬件連接示意圖

圖6 軟件流程圖

1)露點參數測試

將發生器發生的露點溫度樣氣從出氣口引出直接通入到露點儀中，氣體流量設置小于1 L/min，測試數據見表2。

表2 露點溫度試驗數據 ℃

2)相對濕度參數測試

客戶要求發生器在60 ℃對10%RH，30%RH，50%RH，70%RH和90%RH五個點進行測試，以此要求為依據開展相關測試工作，設計與用戶所用結構、體積相同的恒溫工作腔，放置到恒溫槽中，設置恒溫槽溫度60 ℃，模擬用戶所用測試腔。具體試驗數據如表3。

該試驗數據表明加熱管路發揮了作用，在相對濕度測試過程中其露點溫度的允差與直接進行露點溫度允差相比的數據比較接近。

表3 高溫相對濕度試驗數據

4 結論

主要對高露點濕度發生器的原理、結構及飽和器的設計、測控系統的設計進行了描述。通過對露點溫度和高溫相對濕度參數的試驗表明該發生器在5～95 ℃的露點發生內最大露點允差不超過1 ℃，且在低溫段露點溫度的允差好于高溫段，在60 ℃下相對濕度參數的試驗數據表明，在10%RH～90%RH范圍相對濕度的最大允差不超過1%RH，同樣在低濕范圍的數據好于高濕。總的來看該發生器可以開展工業露點儀尤其是高溫露點儀的校準，同樣,提供恒溫環境后也可以開展高溫相對濕度計的校準工作。