一體化濕度校準(zhǔn)裝置的研制

張學(xué)范，崔劍，辛宗偉，蔡晨，荀其寧，劉運峰

（中國兵器工業(yè)集團第五三研究所，濟南 250031）

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一體化濕度校準(zhǔn)裝置的研制

張學(xué)范，崔劍，辛宗偉，蔡晨，荀其寧，劉運峰

（中國兵器工業(yè)集團第五三研究所，濟南 250031）

摘要介紹一體化濕度校準(zhǔn)裝置的原理、實現(xiàn)方法和性能特點。根據(jù)分流法原理研制濕度發(fā)生單元，根據(jù)露點法原理研制濕度控制單元，通過軟硬件系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制，組成一體化的濕度校準(zhǔn)裝置。對其測量不確定度進(jìn)行了評定，在露點-50～20℃范圍內(nèi)，擴展不確定度U=0.3℃（k=2）；在露點-70～-50℃范圍內(nèi)，擴展不確定度U=0.5℃（k=2）。該裝置具有自動化程度高、量值準(zhǔn)確可靠、平衡時間短、便于移動或攜帶等特點，能夠擴展分流法濕度發(fā)生器的應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞濕度；露點；發(fā)生器；校準(zhǔn)

濕度用于表示氣體中的水分含量，在航天、航空、兵器、核能、船舶、電子等行業(yè)的武器裝備研制、生產(chǎn)、儲存過程中是一項重要的計測參數(shù)。運載火箭、艦載導(dǎo)彈、岸艦導(dǎo)彈等對所用高壓氣體的露點有嚴(yán)格的指標(biāo)要求，如果氣體露點過高，可能在系統(tǒng)中產(chǎn)生“冰堵”現(xiàn)象，導(dǎo)致火箭發(fā)動機停機或制導(dǎo)系統(tǒng)失靈，將造成嚴(yán)重的事故。在國防系統(tǒng)的武器裝備倉庫、洞庫、導(dǎo)彈豎井等國防工程及環(huán)境試驗、火炸藥及軍用電子器件的生產(chǎn)制造過程中均需對環(huán)境濕度進(jìn)行測控，濕度過高對軍工產(chǎn)品質(zhì)量將產(chǎn)生不利影響，而濕度過低又易引起靜電感應(yīng)，產(chǎn)生事故隱患。

國防系統(tǒng)已經(jīng)裝備了大量的濕度測量儀器，所有類型的濕度測量儀器必須定期校準(zhǔn)才能保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性，因而需要建立濕度校準(zhǔn)裝置。濕度校準(zhǔn)裝置一般有兩種方式，一種方式是由濕度發(fā)生器發(fā)生不同濕度的氣體，由精密露點儀完成準(zhǔn)確定值；另一種是采用精密的濕度發(fā)生器發(fā)生已知濕度的氣體。目前常用的濕度發(fā)生器有分流法濕度發(fā)生器、單壓法濕度發(fā)生器、雙壓法濕度發(fā)生器、雙溫法濕度發(fā)生器、雙溫雙壓法濕度發(fā)生器、滲透法濕度發(fā)生器等［1-7］，這些發(fā)生器各有優(yōu)、缺點，適用于不同的應(yīng)用場合。

分流法濕度發(fā)生器是用途非常廣泛的一種濕度發(fā)生器，其特點是結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速、操作方便、準(zhǔn)確度能滿足一般工作器具的校準(zhǔn)要求，同時容易實現(xiàn)便攜要求，但在獨立作為標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器使用時，分流法濕度發(fā)生器的準(zhǔn)確度不如單壓法、雙壓法、雙溫法等濕度發(fā)生器。

為提高分流法濕度發(fā)生器的準(zhǔn)確度，擴展其應(yīng)用范圍，滿足實驗室應(yīng)用以及現(xiàn)場校準(zhǔn)的要求，筆者綜合采用露點控制技術(shù)和分流法濕度發(fā)生技術(shù)，研制了露點控制單元和濕度發(fā)生單元，通過軟硬件系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制，組成一體化的濕度校準(zhǔn)裝置，其技術(shù)指標(biāo)能夠滿足濕度校準(zhǔn)裝置的要求。

1 一體化濕度校準(zhǔn)裝置的原理與特點

1.1 分流法濕度發(fā)生器

分流法濕度發(fā)生器的原理是把一股干燥氣體準(zhǔn)確地分成已知比例的兩股，其中一股氣體在飽和器內(nèi)的純水或冰的水平表面上飽和；另一股仍然保持干燥，然后兩股氣流在混合室中混合，即可得到不同濕度的氣體［5］。分流法濕度發(fā)生器的特點是濕度調(diào)節(jié)方便、變化迅速，平衡時間短。

分流法濕度發(fā)生器的準(zhǔn)確度依賴于氣源干燥的程度、流量、溫度等，因影響其準(zhǔn)確度的因素較多，通常難以取得很高的準(zhǔn)確度，一般用于工作標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 精密露點儀

精密露點儀的工作原理是當(dāng)氣體的壓力保持不變，而使其溫度逐漸降低時，其中的水蒸氣將在某一個溫度下達(dá)到飽和狀態(tài)，凝結(jié)成露或霜，測量此時的溫度即得到該氣體的露點溫度或霜點溫度［8］。

精密露點儀測量范圍寬、操作簡單、運輸攜帶方便，其準(zhǔn)確度僅次于濕度的基準(zhǔn)方法——重量法，是一種計量部門普遍采用的濕度標(biāo)準(zhǔn)儀器，也有些國家當(dāng)作濕度基準(zhǔn)使用。目前國內(nèi)外建立濕度計量標(biāo)準(zhǔn)的計量部門中，有一部分以高準(zhǔn)確度的濕度發(fā)生器作為主標(biāo)準(zhǔn)器，多數(shù)采用精密露點儀作為濕度測量標(biāo)準(zhǔn)器，而以濕度發(fā)生器作為恒濕氣源。即使在擁有高準(zhǔn)確度濕度發(fā)生器并作為主標(biāo)準(zhǔn)器使用的計量部門，為了隨時監(jiān)測其濕度發(fā)生器的工作狀態(tài)，精密露點儀或其它高準(zhǔn)確度的濕度測量儀器也是必不可少的。

2 一體化濕度校準(zhǔn)裝置的研制

目前國內(nèi)計量部門所用的分流法濕度發(fā)生器和精密露點儀都是各自獨立工作的單臺設(shè)備，在進(jìn)行檢定校準(zhǔn)工作時，是由分流法濕度發(fā)生器按照設(shè)定濕度發(fā)生濕氣，通過精密露點儀測量準(zhǔn)確的濕度值，分流法濕度發(fā)生的濕度值與設(shè)定值一般存在偏差。為了減少分流法濕度發(fā)生器的偏差，并減少濕度校準(zhǔn)裝置的體積和重量，提高濕度校準(zhǔn)裝置的自動化程度，筆者研制了基于分流法濕度發(fā)生和露點法濕度測量原理的一體化濕度校準(zhǔn)裝置。

2.1 一體化濕度校準(zhǔn)裝置的工作原理

一體化濕度校準(zhǔn)裝置，是由干燥氣源、濕度發(fā)生單元和濕度控制單元等組成，其原理框圖見圖1。

圖1 一體化濕度校準(zhǔn)裝置原理圖

濕度發(fā)生單元按照分流法濕度發(fā)生原理，將氣源輸出的氣體通過干燥器干燥，得到氣體露點低于-70℃的干氣。將干氣分為兩路，一路氣體通過由質(zhì)量流量控制器構(gòu)成的濕氣流量控制系統(tǒng)，送入恒溫的增濕室增加濕度，增濕室根據(jù)需要可以由單級或多級濕度飽和器組成；另一路干氣通過由質(zhì)量流量控制器構(gòu)成的干氣流量控制系統(tǒng)，控制流量后與增濕室輸出的濕氣進(jìn)入混合室進(jìn)行混合，得到所需濕度的氣體，供被校準(zhǔn)的濕度測量儀器使用。根據(jù)濕度發(fā)生器發(fā)生濕度的范圍，可以對發(fā)生的濕氣用干氣進(jìn)一步稀釋，得到更低濕度的氣體。因此研制的分流法濕度發(fā)生單元包括一級稀釋和二級稀釋兩種類型，采用一級稀釋的濕度發(fā)生單元用于現(xiàn)場校準(zhǔn)，采用二級稀釋的濕度發(fā)生單元用于實驗室內(nèi)使用。

濕度控制單元基于露點法原理，用于測量和控制濕度發(fā)生單元的濕度，保證發(fā)生濕度值的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。濕度控制單元采用光電檢測、鏡面冷凝、露點法傳感器來實現(xiàn)測量，主要由露層光電檢測系統(tǒng)、鏡面制冷系統(tǒng)和鏡面溫度測控系統(tǒng)3部分組成。濕度控制單元完成濕氣檢測并反饋控制濕度發(fā)生單元的各種參數(shù)功能，使得濕度發(fā)生單元與濕度控制單元結(jié)合起來形成閉環(huán)的控制系統(tǒng)，準(zhǔn)確地按照設(shè)定值發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)濕氣。

2.2 濕度發(fā)生單元的研制

濕度發(fā)生單元的流量控制部分采用北京七星華創(chuàng)公司生產(chǎn)的高準(zhǔn)確度的質(zhì)量流量控制器［9］，分別對干氣和濕氣進(jìn)行精密調(diào)節(jié)和控制，以提供準(zhǔn)確的分流比。為了減少環(huán)境溫度的影響，對增濕器的溫度進(jìn)行控制，使之保持恒溫狀態(tài)。溫度測量控制部分由精密鉑電阻溫度傳感器、溫度測量控制電路等組成。溫度傳感器檢測飽和器的溫度，與溫度的設(shè)定值進(jìn)行比較，通過PID調(diào)節(jié)［10］，控制加熱器的功率，使飽和器溫度穩(wěn)定在預(yù)先設(shè)定的數(shù)值范圍。

飽和器是產(chǎn)生含有飽和水蒸氣的裝置，是濕度發(fā)生器的重要組成部分，建立在發(fā)生飽和濕氣基礎(chǔ)上的各種恒濕氣體發(fā)生器，其性能與飽和器的效率密切相關(guān)。在設(shè)計飽和器時需要遵循兩個原則，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(tǒng)內(nèi)的壓力降。濕度發(fā)生單元采用鼓泡式增濕飽和器，飽和器由密封的有機玻璃圓筒組成，筒內(nèi)盛適量的純水，筒底有許多小孔。干燥氣體從飽和器的底部進(jìn)入，通過小孔鼓出氣泡，氣泡經(jīng)過水層然后從頂部排出，排氣口設(shè)有由多層細(xì)金屬絲網(wǎng)篩組成的水霧分離器，其作用是捕集飽和氣中的微小水滴。為了增加氣體同水接觸的機會，以獲得充分飽和的氣體，在水中放置了一些固體顆粒。

2.3 濕度控制單元的研制

濕度控制單元采用多級半導(dǎo)體制冷器控制鏡面溫度，鏡面的制冷和加熱通過控制輸入到半導(dǎo)體制冷器的電流大小和方向來實現(xiàn)。半導(dǎo)體制冷器的熱端散熱，根據(jù)濕度控制單元的工作范圍采用風(fēng)冷、水冷或機械制冷等方式實現(xiàn)［11］。

用光電檢測系統(tǒng)檢測露的形成，用四線制精密鉑電阻元件測溫［12］。濕度控制單元的鏡面采用紫銅鍍鉻制成，利用發(fā)光二級管和光電管來確定露的生成，以穩(wěn)定的電流源驅(qū)動發(fā)光二級管作為光源，來自光源的平行光照到鏡面上被鏡面反射，反射光用光電管接收。在鏡面結(jié)露之前，入射和反射的光通量基本穩(wěn)定，當(dāng)鏡面上出現(xiàn)露時，入射光發(fā)生散射，光接收系統(tǒng)接收的光量減小，光的散射量大致和露層厚度成正比，利用光電管作為電橋的一臂，根據(jù)電橋變化來判斷露點。在檢測露點的過程中，處于不平衡狀態(tài)的電橋信號輸出直接控制半導(dǎo)體制冷器制冷電流，當(dāng)露出現(xiàn)時，電橋達(dá)到平衡，半導(dǎo)體制冷器停止制冷或反向加熱，使鏡面溫度自動保持在露點附近。濕度控制單元的發(fā)光二級管和光電接收管都是對溫度敏感的元件，為了減少環(huán)境溫度波動造成的影響，通過篩選光學(xué)器件和采用光電信號自動補償電路，保證濕度控制單元濕度測量值的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2.4 濕度校準(zhǔn)裝置的一體化

在滿足準(zhǔn)確度指標(biāo)要求的前提下，將校準(zhǔn)裝置的體積、質(zhì)量盡量縮小，以便移動和攜帶。通過合理設(shè)計校準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)，合并濕度發(fā)生單元和濕度控制單元的共用部件，將濕度發(fā)生單元和濕度控制單元的電路系統(tǒng)與氣路系統(tǒng)連接起來，構(gòu)成完整的系統(tǒng)。

一體化濕度校準(zhǔn)裝置采用Philps P89C51RD2單片機作為微控制器，采用液晶顯示器作為顯示器件。軟件系統(tǒng)采用C51語言編寫［13］，主要包括總控系統(tǒng)、濕度發(fā)生控制系統(tǒng)、露點反饋控制系統(tǒng)、顯示與鍵盤處理系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等組成。

用戶通過鍵盤在裝置的工作范圍內(nèi)任意設(shè)定發(fā)生氣體的總流量和濕度值，確認(rèn)后即可按照要求自動發(fā)生設(shè)定指標(biāo)的濕度氣體，在經(jīng)過短時間的平衡與反饋調(diào)節(jié)后，輸出氣體的濕度將達(dá)到準(zhǔn)確穩(wěn)定。用戶可以隨時通過鍵盤選擇設(shè)定值與發(fā)生值的允許偏差范圍，常用的允許偏差范圍有±0.2℃，±0.3℃，±0.5℃，±1℃以及無偏差限制（即取消反饋控制）等項選擇。

3 測量不確定度的評定

一體化濕度校準(zhǔn)裝置測量不確定度的來源于發(fā)生濕度重復(fù)性引入的不確定度，濕度控制單元露點測量引入的不確定度，濕度發(fā)生單元參數(shù)波動引入的不確定度以及氣源濕度波動引入的不確定度。

3.1 發(fā)生濕度的重復(fù)性引入的不確定度

在露點-50～20℃范圍內(nèi)，發(fā)生濕度的重復(fù)性引入的不確定度為u11=0.03℃。

在露點-70～-50℃范圍內(nèi)，發(fā)生濕度的重復(fù)性引入的不確定度為u12=0.05℃。

3.2 濕度控制單元濕度測量引入的不確定度

在露點-50～20℃范圍內(nèi)，濕度控制單元的最大濕度測量誤差為露點±0.20℃，假設(shè)服從均勻分布，k取，則濕度控制單元濕度測量引入的不確定度為

在露點-70～-50℃范圍內(nèi)，濕度控制單元的最大濕度測量誤差為露點±0.35℃，假設(shè)服從均勻分布，k取，則濕度控制單元濕度測量引入的不確定度分量為

3.3 濕度發(fā)生單元參數(shù)波動引入的不確定度

依據(jù)實驗和經(jīng)驗數(shù)據(jù)，在露點-50～20℃范圍內(nèi)，產(chǎn)生的露點波動最大為±0.05℃，假設(shè)服從均勻分布，k取，則濕度發(fā)生單元參數(shù)波動引入的不確定度為

在露點-70～-50℃范圍內(nèi)，產(chǎn)生的露點波動最大為±0.10℃，則濕度發(fā)生單元參數(shù)波動引入的不確定度分量為

3.4 氣源濕度波動引入的不確定度

依據(jù)實驗和經(jīng)驗數(shù)據(jù)，在露點-50～20℃范圍內(nèi)，氣源濕度波動最大為露點±0.10℃，假設(shè)服從均勻分布，k取，則氣源濕度的露點波動引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為

在露點-70～-50℃范圍內(nèi)，氣源露點波動最大為±0.20℃，則氣源濕度的露點波動引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為

3.5 合成不確定度和擴展不確定度

由于各不確定度分量互不相關(guān)，因此在露點-50～20℃范圍內(nèi)，一體化濕度校準(zhǔn)裝置的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

包含因子k取2，則擴展不確定度［14］：

在露點-70～-50℃范圍內(nèi)，一體化濕度校準(zhǔn)裝置的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

包含因子k取2，則擴展不確定度：

3.6 測量不確定評定的驗證

一體化濕度校準(zhǔn)裝置研制完成后，利用該裝置輸出不同露點的濕氣，得到露點示值為y；用瑞士MBW公司生產(chǎn)的373LX精密露點儀進(jìn)行測試，得到露點標(biāo)準(zhǔn)值y0，y與y0對比測量結(jié)果見表1。

表1 一體化濕度校準(zhǔn)裝置測量結(jié)果 ℃

由表1可知，一體化濕度校準(zhǔn)裝置的不確定度評定合理，其技術(shù)指標(biāo)滿足濕度校準(zhǔn)裝置的技術(shù)要求。

4 結(jié)語

通過采用集成化、小型化和自動化技術(shù)，把分流法濕度發(fā)生單元和露點法濕度控制單元組合成一體，完成了國產(chǎn)化的濕度校準(zhǔn)裝置。一體化濕度校準(zhǔn)裝置的濕度量值準(zhǔn)確可靠，響應(yīng)迅速，便于移動和攜帶，自動化程度高，適用于國防及民用系統(tǒng)的濕度計量工作，能夠顯著提高濕度檢定計量人員的工作效率。

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聯(lián)系人：張學(xué)范；E-mail： sd53@sina.com

中圖分類號：O652

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-6145（2016）01-0095-04

doi：10.3969/j.issn.1008-6145.2016.01.028

收稿日期：2015-09-08

Development of Integrated Humidity Calibration Device

Zhang Xuefan， Cui Jian， Xin Zongwei， Cai Chen， Xun Qining， Liu Yunfeng
（CNGC Institute 53， Jinan 250031， China）

AbstractThe principle，realization method and performance characteristics of the integrated humidity calibration device were introduced. Humidity generating unit was developed by adopting the method of dividing flow，the humidity control unit was developed by the dew point method，and the closed loop control was realized by the software and hardware system. An integrated humidity calibration device was obtained. The uncertainty of measurement of the device was evaluated. The expanded uncertainty was U=0.3℃（k=2） for dewpoint in the range of -50-20℃， and U=0.5℃（k=2）for dewpoint in the range of -70- -50℃ . The device has the characteristics of high degree of automation，accuracy，reliability，short balance time，easy to move or carry，so it can expand the application of the divided flow humidity generator，and improve the working efficiency of the humidity measurement personnel.

Keywordshumidity； dewpoint； generator； calibration