高露點濕度標準裝置的研制

胡艷青 ,柴塬 ,陳潔新 ,劉嘉 ,白雪松 ,聶晶

(1.航空工業北京長城計量測試技術研究所,北京100095;2.鄭州輕工業大學 軟件學院,河南 鄭州450002;3.北京航空航天大學 前沿科學技術創新研究院,北京 100191)

0 引言

高溫環境下的濕度測量在工業領域中具有重要作用,許多設備及裝備需要在高溫高濕環境下進行測試[1],例如:燃料電池中的增濕系統需要在溫度為200℃且相對濕度為90%的環境中進行測試;核動力裝置控制系統中的溫濕度計需要在高于100 ℃的條件下監測濕度值,其測量數據的準確與否將直接決定控制效果的好壞;在工業干燥行業中也需要開展高溫條件下的濕度測量,等等。

目前,常用的高溫濕度計有瑞士Rotronic、芬蘭Vaisala 等公司的相關產品。其中,Rotronic 公司研制的HC2 型高溫濕度計,相對濕度范圍為5%～95%(溫度范圍-100～200 ℃),對應的露點溫度上限可達150 ℃,允許誤差為±3 ℃。Vaisala 公司研制的HMT334 系列高溫濕度計,可在溫度范圍50～180 ℃下,0～100%RH 全量程測量。

在實際應用中,高溫濕度計往往需要測量高于100 ℃的露點溫度,但是目前我國濕度計量基準中露點溫度溯源的最高上限為80 ℃,超過80 ℃則無法開展溯源,因此需要研究溫度上限更高的高露點濕度標準裝置,擴展高露點濕度參數量傳范圍。

國外早在2010 年已開展了高露點濕度標準裝置的研究,并建立了相應標準[2]。例如:美國NIST 基于干濕氣混流原理研制了露點溫度為85～200 ℃,壓力為0.2～1.6 MPa 的高露點濕度標準裝置。隨著科技水平的提高,國內對于高露點濕度校準技術的發展也越來越重視,各計量機構開展了不同溫度范圍的高溫濕度發生裝置研究,例如:國家計量院研制了基于雙溫雙壓法原理的高溫濕度發生裝置,該裝置可產生露點溫度為90℃的高溫高濕氣體,用于開展檢定和校準工作。但是目前國內尚無法實現露點溫度高于100 ℃的濕度計校準。

基于這種情況,本文研制了一套高露點濕度標準裝置,該裝置可發生的露點溫度范圍為80～150 ℃,對應測量室內的溫度范圍為80～200 ℃,壓力范圍為0～1 MPa,能夠有效滿足高露點濕度量值溯源需求。

1 原理及構成

1.1 發生原理

高露點濕度標準裝置采用雙溫雙壓法[3],原理圖如圖1 所示。其工作過程為:氣源系統流出氣體進入飽和系統,在飽和系統內產生一定溫度和壓力下的飽和濕氣,經減壓閥和排氣閥減壓后,飽和濕氣進入測量室,通過改變測量室的壓力產生不同露點的氣體。

圖1 高露點濕度標準裝置發生原理圖

測量室內的氣體露點計算公式為

式中:Td為測量室內氣體的露點溫度,℃;Ts為飽和系統內氣體的露點溫度,℃;e(Td),e(Ts)分別為溫度Td,Ts對應的飽和水蒸氣壓,Pa;Pc為測量室內的壓力,Pa;Ps為飽和系統內的壓力,Pa。

在100 ℃范圍內,水的飽和蒸汽壓采用Wexler 方程計算[4],對于100 ℃以上的溫度范圍,目前國際上尚未有飽和水蒸氣壓的經驗公式,本文仍采用Wexler方程計算

公式(2)中的各系數值如表1 所示。

表1 g 系數列表值

1.2 裝置結構組成

高露點濕度標準裝置由恒溫系統、預飽和系統、飽和系統、測量室和溫度、壓力測量與控制系統等部分組成,如圖2 所示。恒溫系統的作用是為飽和系統和測量系統提供恒定的溫場。溫度是濕度發生裝置中最重要的參數之一,在壓力不變的情況下,飽和系統的溫度和露點溫度直接相關,因此溫度的測量與控制在整套裝置中尤為重要。

圖2 高露點濕度標準裝置總體結構圖

高露點濕度標準裝置的恒溫系統采用一體雙槽式結構[5],飽和系統和測量室所處的恒溫環境采用油浴的方式實現,以確保溫場的均勻性和穩定性;預飽和系統溫場的均勻性與穩定性對露點溫度的測量結果影響不大,因此預飽和系統采用加熱帶纏繞方式加熱。為實現80～150 ℃的露點環境,恒溫系統的具體技術指標為:溫度范圍為50～ 200 ℃,溫度均勻性為0.01 ℃,溫度穩定性為0.01 ℃/30 min。

氣體的傳熱傳質過程在飽和系統內完成,飽和系統屬于兩相流接觸的場所,由式(1)可知,飽和系統出氣的露點溫度與裝置所能實現的露點溫度成正比,為了提高系統的飽和效率,裝置采用預飽和系統與飽和系統雙級飽和的方式[6]。

在設計飽和系統時,需要考慮溫度Ts和壓力Ps兩個關鍵參數,由于飽和系統耐溫范圍為50～200 ℃,耐壓范圍為0～1 MPa。因此采用“鼓泡式”結構設計。預飽和系統與飽和系統的結構完全相同,均為316L 不銹鋼材質,壁厚為3 mm,總體尺寸為Φ100 mm ×215 mm,內腔尺寸為Φ94 mm×205 mm。

飽和腔體采用上層和下層分離結構設計,上端和下端分別設有注水口和排水口,注水口安裝有鎖緊螺母,排水口連接排水管路。氣體在進入飽和系統之前先進入換熱器,進行充分換熱之后再進入飽和系統與水面接觸,達到飽和的目的。飽和系統三維結構如圖3所示。

圖3 飽和系統三維結構圖

飽和系統采用多孔出氣法增加氣體與水的接觸面積,提高飽和效率。由于氣體與水面充分接觸后易夾帶水滴,在飽和系統出氣處設計有絲網分離器。絲網分離器的分離效率η和壓力損失ΔP是影響飽和系統飽和性能的主要因素。絲網分離器的孔徑大小是設計的關鍵,為了盡可能地提高氣液分離效率,減小壓力損失,針對不同孔徑,對絲網分離器的分離效率和壓力損失進行計算,結果如表2 所示。綜合考慮分離效率和壓力損失,最終絲網分離器選用孔徑為400 目的金屬絲網。

表2 不同孔徑的絲網分離器分離效率和壓力損失計算結果

飽和系統與測量室之間的氣體傳輸管路為自動加熱管路,其溫度總是高于飽和系統5～10 ℃。聯合調節氣體傳輸管路中的減壓閥和排氣閥,改變測量室內的氣體壓力,獲取不同露點溫度值。

測量室由帶有法蘭密封的不銹鋼腔體和對外供氣加熱管路組成。供氣加熱管路可根據需要設定加熱溫度,便于進行裝置的溯源或連接其他抽氣式被校設備。測量室的變溫范圍為80～200 ℃,最大耐壓1 MPa。法蘭密封蓋上開有不同規格的密封螺紋孔,可同時校準多支高露點傳感器。

2 試驗及不確定度分析

為了驗證裝置所能發生的露點溫度范圍,選用芬蘭VAISALA 公司生產的HMT334 高露點濕度計進行測試[7]。測試時,高露點濕度計的探頭與測量室之間采用螺紋密封連接,測量室內的溫度設定為180 ℃,飽和系統的溫度Ts設定為150 ℃,飽和壓力Ps設定為1.0 MPa,聯合調節減壓閥和排氣閥,使測量室內的壓力Pc在0～1.0 MPa 范圍內變化,將實際測得的Ts,Ps和Pc值代入式(1),并依據飽和水蒸氣壓方程,計算得出不同壓力下對應的露點溫度值[8]。將高露點濕度標準裝置所發生的露點溫度值與濕度計實際測得的值進行對比,結果如圖4 所示。

圖4 高露點濕度標準裝置與濕度計測量結果對比圖

根據圖4 可知,高露點濕度標準裝置可實現80～150 ℃的露點溫度,對應測量室內的壓力范圍為0～1 MPa。露點溫度的計算公式為

式中:Td為露點溫度,℃;ew(Td)為露點溫度下的飽和水蒸氣壓,Pa;ci,di為露點溫度計算系數,數值分別為c0=207.98233,c1=-20.156028,c2=0.46778925,c3=-9.2288067 × 10-6,d0=1,d1=-0.13319669,d2=5.6577518×10-3,d3=-7.5172865×10-5。

飽和室溫度Ts對應的飽和水蒸氣壓計算公式為

根據式(3)和式(4),保證Ts,Ps和Pc中兩個參數不變,微小地改變第三個參數值,計算靈敏系數。各靈敏系數值[9]如表3 所示。

表3 靈敏系數值

露點溫度不確定度[10]的主要分量包括飽和系統內溫度測量與控制引入的標準不確定度u1、飽和系統壓力測量與控制引入的不確定度u2、測量室壓力引入的不確定度u3、飽和系統飽和度引入的不確定度u4、飽和水蒸氣壓引入的不確定度u5、增強因子fs引入的不確定度u6、增強因子fc引入的不確定度u7、水蒸氣濃度變化引入的不確定度u8。各不確定度分量大小如表4所示。

表4 標準不確定度分量

露點溫度的合成標準不確定度的計算公式為

擴展不確定度計算公式為

計算得出不同露點溫度下的擴展不確定度如表7所示。

表5 不同露點溫度下的擴展不確定度 ℃

3 結論

利用雙溫雙壓法原理,通過優化設計高飽和度的飽和系統,研制了高露點濕度標準裝置,實現露點溫度80～150℃,測量室壓力0～1 MPa,露點溫度的擴展不確定度U=0.34～0.80℃(k=2)。該裝置結構緊湊,操作方便,拓展了濕度的量傳范圍。

未來還需進行裝置重復性和穩定性試驗,對裝置的飽和系統進行系統地飽和效率評價,提高裝置的不確定度,完善我國濕度量傳體系,滿足高露點濕度參數的量值溯源需求。