分流式全自動(dòng)濕度發(fā)生系統(tǒng)

王 森,蔣書波,王 洋

(南京工業(yè)大學(xué)浦口校區(qū),南京 211816)

分流式全自動(dòng)濕度發(fā)生系統(tǒng)

王 森,蔣書波*,王 洋

(南京工業(yè)大學(xué)浦口校區(qū),南京 211816)

測(cè)量濕度的儀器、方法和濕敏元件種類繁多,為了保證濕度測(cè)量的準(zhǔn)確性,國(guó)家計(jì)量部門會(huì)對(duì)濕度檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行定期校準(zhǔn)。在分流法原理基礎(chǔ)上結(jié)合LabVIEW軟件研究并設(shè)計(jì)了一套二級(jí)分流式濕度發(fā)生系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)相對(duì)濕度以及露點(diǎn)氣體的發(fā)生。該系統(tǒng)已應(yīng)用于實(shí)際濕度測(cè)量設(shè)備的校驗(yàn),結(jié)果表明可發(fā)生濕度范圍10% RH～90% RH,精度在0.5% RH以內(nèi),可發(fā)生露點(diǎn)范圍-70 ℃～10 ℃,不確定度為0.074 ℃。

濕度發(fā)生;計(jì)量校準(zhǔn);分流法;不確定度

任何物理量的測(cè)量以及控制都需建立一定的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ),濕度也同樣如此。然而不管利用何種原理、何種設(shè)備測(cè)量氣體濕度,由于工作溫度環(huán)境的變化,設(shè)備中的傳感器會(huì)產(chǎn)生溫漂,器件長(zhǎng)時(shí)間使用,其性能也會(huì)發(fā)生改變[1],因此需要計(jì)量部門對(duì)濕度檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行定期校準(zhǔn)。計(jì)量部門的校準(zhǔn)工作需要一定的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于濕度檢測(cè)儀器的校準(zhǔn)而言,需要提供濕度已知的標(biāo)準(zhǔn)氣體。濕度發(fā)生器就是在一定條件下能發(fā)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(fā)生器一直因其發(fā)生原理簡(jiǎn)單,比較容易實(shí)現(xiàn),且成本低廉等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于濕度檢測(cè)設(shè)備的校驗(yàn)工作中。然而傳統(tǒng)的分流式濕度發(fā)生器通常只能發(fā)生高濕度氣體,難以發(fā)生滿足校準(zhǔn)露點(diǎn)測(cè)量?jī)x器所需要的低濕度氣體。為此本文在分流法原理基礎(chǔ)上結(jié)合LabVIEW軟件研究并設(shè)計(jì)了一套二級(jí)分流式濕度發(fā)生系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)相對(duì)濕度以及露點(diǎn)氣體的發(fā)生。

1 工作原理

濕度發(fā)生器原理見圖1所示。

圖1 濕度發(fā)生器原理

相對(duì)濕度的發(fā)生是基于傳統(tǒng)的分流法原理,首先采用干燥的空氣或者氮?dú)庾鳛闅庠?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(jìn)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(jìn)行混合,利用兩臺(tái)質(zhì)量流量控制器準(zhǔn)確控制飽和濕氣以及干氣的流量,由此得到相對(duì)濕度恒定且連續(xù)可調(diào)的恒濕氣流[4]。利用上述分流法原理可以實(shí)現(xiàn)10% RH～90% RH濕度氣體發(fā)生,因此基于上述原理的濕度發(fā)生器能夠滿足一般以相對(duì)濕度為測(cè)量單位的濕度檢測(cè)設(shè)備(濕度計(jì))的校驗(yàn)。

然而對(duì)于測(cè)量氣體中微量水分的濕度測(cè)量設(shè)備(露點(diǎn)儀等)的校驗(yàn),兩路分流法原理就無(wú)能為力了。因此,繼承并發(fā)展了分流法,利用二級(jí)分流的方法實(shí)現(xiàn)低濕氣體的發(fā)生,即將兩路分流法發(fā)生出的濕度已知濕氣與另一路干氣混合,使發(fā)生氣濕度進(jìn)一步下降。試驗(yàn)證明此種方法露點(diǎn)發(fā)生范圍能夠達(dá)到-70 ℃～10 ℃,可應(yīng)用于一般低濕氣體檢測(cè)設(shè)備的校準(zhǔn)過程。

2 發(fā)生器設(shè)計(jì)

通過濕度發(fā)生器原理圖對(duì)濕度發(fā)生系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)有了大概的認(rèn)識(shí),而對(duì)于系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)過程則需要借助系統(tǒng)具體的工藝流程進(jìn)行介紹,如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工藝流程

相對(duì)濕度的發(fā)生:將來(lái)自干燥器的潔凈壓縮空氣通過質(zhì)量流量控制器MFC1、MFC2控制不同的流量,分別用QD1、QD2表示。QD2經(jīng)過恒溫罐2進(jìn)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(jīng)過濕氣緩沖罐穩(wěn)定濕度以及流量后,與經(jīng)過恒溫罐1的QD1混合獲得一級(jí)稀釋氣QH1,QH1的流量由QD1與QW2的總流量決定。QH1經(jīng)過三通閥的調(diào)節(jié)進(jìn)入溫濕度測(cè)試腔體。供被檢儀器(以相對(duì)濕度為檢測(cè)單位濕度檢測(cè)設(shè)備)測(cè)量。

露點(diǎn)的發(fā)生:將來(lái)自干燥器的潔凈空氣另分出一路,由質(zhì)量流量控制器MFC4控制流量為QD4;一級(jí)稀釋氣QH1分為兩路,一路通過三通閥的控制,不再進(jìn)入溫濕度測(cè)試腔體,而是通過四通閥排空,另一路由質(zhì)量流量控制器MFC3控制流量為QW3;將QD4與QW3進(jìn)行混合稱為二級(jí)稀釋氣QH2,而后輸出給露點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)器或者被檢儀器。此時(shí),一級(jí)稀釋氣QH1在與干氣QD4的混合過程中,進(jìn)一步降低濕度,最終測(cè)試結(jié)果顯示通過二級(jí)稀釋氣發(fā)生的露點(diǎn)下限能夠達(dá)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(fā)生過程管路中一級(jí)稀釋氣壓力,作為壓力修正函數(shù)的參考值。

想要實(shí)現(xiàn)相對(duì)濕度以及露點(diǎn)的準(zhǔn)確發(fā)生,對(duì)干燥氣源、飽和濕氣以及恒溫槽的要求很高,下面對(duì)系統(tǒng)的幾個(gè)主要的部分作簡(jiǎn)要介紹。

2.2 干燥器設(shè)計(jì)

干燥的潔凈空氣是整個(gè)濕度發(fā)生系統(tǒng)的基礎(chǔ),只有干氣足夠干,才能實(shí)現(xiàn)低濕露點(diǎn)的發(fā)生。使用壓縮空氣作為氣源時(shí),需要通過干燥器對(duì)壓縮空氣進(jìn)行預(yù)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(gè)干燥罐,4個(gè)電磁閥,4個(gè)單向閥以及緩沖罐等。從空壓機(jī)中抽送的壓縮空氣需要通過一個(gè)減壓閥進(jìn)行減壓,才能向干燥器管路輸送穩(wěn)定常壓的空氣。

圖3 干燥器管路工藝流程圖

空氣進(jìn)入干燥器后,通過4個(gè)電磁閥不同的通斷狀態(tài)控制干燥過程,整個(gè)干燥過程分為4個(gè)過程,反復(fù)執(zhí)行:

(1)干燥罐同時(shí)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(jīng)電磁閥1和電磁閥2通向干燥罐1和干燥罐2后,再經(jīng)過4個(gè)單向閥以及針閥組成的管路后進(jìn)入緩沖罐,此過程為過度階段,此時(shí)可觀察到2個(gè)壓力表的壓力值不斷增大,此過程持續(xù)20 s時(shí)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(shí)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(jīng)電磁閥1、干燥罐1以及單向閥1后,一路經(jīng)過濾器輸出給緩沖罐,作為干燥器的輸出;一路經(jīng)過針閥,反吹干燥罐2后通過電磁閥3排空。此時(shí),干燥罐2壓力為常壓,處于減壓解吸狀態(tài),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(xù)50 s。

(3)干燥罐同時(shí)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(jīng)電磁閥2、干燥罐2以及單向閥2后,一路經(jīng)過濾器輸出給緩沖罐,作為干燥器的輸出;一路經(jīng)過針閥,反吹干燥罐1后通過電磁閥4排空。此時(shí),干燥罐1壓力同樣為常壓,處于減壓解吸狀態(tài),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(xù)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(xì)小管路進(jìn)入緩沖罐較大空間時(shí),氣流變得平緩且均勻,能為濕度發(fā)生系統(tǒng)提供更加穩(wěn)定的氣源。

2.3 飽和器設(shè)計(jì)

預(yù)飽和器作為預(yù)處理部分,在QD2進(jìn)入飽和器前先通過預(yù)飽和器,形成具有一定濕度的氣體。圖4為預(yù)飽和器的示意圖,采用塔板式與鼓泡式相結(jié)合的結(jié)構(gòu),圓柱形的罐子內(nèi)部由圓形鐵片分割成多個(gè)小空間,每個(gè)鐵片的邊緣有一小角度彎折以便氣體通過,每個(gè)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(tǒng)搭板式結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)干氣從預(yù)飽和器的底部通入。預(yù)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(jìn)入,與罐底部的水充分接觸,并在每個(gè)圓片組成的小空間內(nèi)通過,增加與水接觸的時(shí)間以增加飽和度。

圖4 預(yù)飽和器示意圖

2.3.2 飽和器

由濕度發(fā)生原理可知,理想濕氣的飽和度為100%,為了達(dá)到或盡可能接近這一目標(biāo),經(jīng)過預(yù)飽和器已具有一定飽和度的氣體需要經(jīng)過飽和器進(jìn)行二次飽和。飽和器采用離心式原理,如圖5所示。內(nèi)部位于水面上方有一個(gè)與水面成45°的噴嘴,氣體從側(cè)面沿著切線方向進(jìn)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(dá)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(jīng)過飽和器后,通入由恒溫槽2控溫的濕氣緩沖罐內(nèi),一則使?jié)駳庥谐渥愕臅r(shí)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(shè)置比恒溫槽2溫度低0.1 ℃～0.3 ℃,使?jié)駳膺^飽和從而確保濕氣在恒溫槽2的溫度下飽和度達(dá)到100%。為了防止過飽和氣體離開飽和器時(shí)帶走液態(tài)水分,使氣體管路變濕,影響后續(xù)濕度發(fā)生的準(zhǔn)確性,緩沖罐的出口部分設(shè)計(jì)燒結(jié)氣液分離器。

3 人機(jī)交互部分設(shè)計(jì)

人機(jī)交互部分為校驗(yàn)人員提供操作平臺(tái),所有對(duì)濕度發(fā)生系統(tǒng)的控制指令都是通過這個(gè)平臺(tái)下達(dá)的,其程序流程如圖6所示。

圖6 上位機(jī)流程圖

人機(jī)交互界面分為露點(diǎn)發(fā)生、濕度發(fā)生、待機(jī)狀態(tài)以及溫度控制4個(gè)部分。人機(jī)交互界面是濕度發(fā)生系統(tǒng)用戶實(shí)際的操作界面,系統(tǒng)需要的控制命令都是通過人機(jī)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(shí)時(shí)信息也都是通過人機(jī)交互界面進(jìn)行展示。

圖7 露點(diǎn)發(fā)生界面

人機(jī)交互界面切換通過點(diǎn)擊界面上方的狀態(tài)按鈕實(shí)現(xiàn)。其中露點(diǎn)發(fā)生界面主要由3部分組成:露點(diǎn)發(fā)生控制區(qū)、實(shí)時(shí)流量顯示區(qū)和圖表區(qū)。如圖7所示,相對(duì)濕度發(fā)生界面與露點(diǎn)發(fā)生界面比較相似,不同的是相對(duì)濕度的設(shè)定更加自由,可以直接手動(dòng)輸入隨意的濕度設(shè)定值,而且控制發(fā)生的流量以及實(shí)測(cè)流量都只對(duì)應(yīng)干氣1以及濕氣1;待機(jī)狀態(tài)界面是控制當(dāng)濕度發(fā)生結(jié)束或者暫停時(shí)為管路提供持續(xù)的低流量氣體,因此發(fā)生的4路流量都是固定的,在待機(jī)狀態(tài)界面可以監(jiān)測(cè)4路流量的實(shí)際控制情況;溫度控制部分主要用于實(shí)現(xiàn)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(shù)設(shè)置、讀/寫控制、溫控表實(shí)時(shí)示值以及溫度歷史記錄圖5部分構(gòu)成。

圖8 溫度控制界面

校驗(yàn)人員主要通過露點(diǎn)以及濕度發(fā)生界面控制系統(tǒng)發(fā)生對(duì)應(yīng)目標(biāo)濕度的氣體。通過上下位機(jī)通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交流,命令濕度控制系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)操作,結(jié)合氣路控制實(shí)際濕度發(fā)生。確定濕度發(fā)生過程結(jié)束時(shí),上位機(jī)能夠根據(jù)通訊采集的實(shí)際發(fā)生濕度相關(guān)數(shù)據(jù),自動(dòng)生成校準(zhǔn)報(bào)表。

（2）在改性瀝青混合料的路用性能實(shí)驗(yàn)中，改性瀝青混和料的動(dòng)穩(wěn)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(dòng)穩(wěn)定度和基質(zhì)瀝青混合料相比有明顯的改善。同時(shí)，改性瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)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(shù)指標(biāo)能夠滿足道路瀝青的路用性能要求。

4 系統(tǒng)分析與測(cè)試結(jié)果

4.1 不確定度分析

在濕度發(fā)生系統(tǒng)中,影響濕氣濕度的不確定度來(lái)源主要包括以下幾部分:溫度場(chǎng)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(shù)引入的不確定度分量u(f)。根據(jù)不確定度傳播率,最終不確定度u的計(jì)算公式為:

(1)

根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證,飽和器內(nèi)飽和濕氣的飽和度造成的不確定度不會(huì)超過±0.0175 ℃,服從三角分布,由此:

使用空壓機(jī)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(diǎn)儀多次實(shí)測(cè),干氣露點(diǎn)均值為-74 ℃,對(duì)應(yīng)體積比值為1.409×10-6?？紤]到干氣的制備以及再生干燥器的使用時(shí)效等因素影響,實(shí)驗(yàn)證明,干氣最大偏差3 ℃對(duì)應(yīng)改變露點(diǎn)溫度不超過0.02 ℃,由此:

根據(jù)流量控制部分的設(shè)計(jì),需要將0.15 ℃作為露點(diǎn)控制精度。流量控制的不穩(wěn)定帶來(lái)的露點(diǎn)不確定小于0.15 ℃,服從三角分布,由此:

修正函數(shù)關(guān)系式建立在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,通過熱力學(xué)理論方程推出的,在(0～1×105)Pa的壓力范圍內(nèi)準(zhǔn)確度為1×10-4(95%的置信概率,k為2),同樣根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)不確定度不會(huì)超過±0.018 ℃,則:

上述各項(xiàng)關(guān)于露點(diǎn)引入的不確定度各不相關(guān),根據(jù)不確定度傳播定律式(1)可得:

而國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)文件對(duì)于露點(diǎn)發(fā)生器的要求為優(yōu)于0.15 ℃,因此本濕度發(fā)生系統(tǒng)露點(diǎn)發(fā)生部分滿足國(guó)家校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 發(fā)生器準(zhǔn)確度測(cè)試結(jié)果

4.2.1 相對(duì)濕度發(fā)生結(jié)果展示

濕度發(fā)生系統(tǒng)搭建完成后,恒溫槽1溫度設(shè)置為20 ℃,恒溫槽2溫度設(shè)置為19.8 ℃,發(fā)生10% RH,30% RH,50% RH,70% RH,90% RH固定相對(duì)濕度點(diǎn)。選用一臺(tái)穩(wěn)定性和分辨率較好的高精露點(diǎn)儀(瑞士MBW373)分別測(cè)量各發(fā)生相對(duì)濕度點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果見表1,可以看出濕度發(fā)生的最大誤差為0.2% RH,而根據(jù)373測(cè)量的溫度結(jié)果,溫度偏差在±0.04 ℃內(nèi)。

表1 相對(duì)濕度發(fā)生結(jié)果

4.2.2 露點(diǎn)發(fā)生結(jié)果展示

恒溫槽1溫度設(shè)置為15 ℃,恒溫槽2溫度設(shè)置為14.8 ℃,發(fā)生-70 ℃、-60 ℃、-50 ℃、-40 ℃、-30 ℃、-20 ℃、-10 ℃、1 ℃,10 ℃固定露點(diǎn)進(jìn)行露點(diǎn)發(fā)生測(cè)試。同樣采用高精露點(diǎn)儀MBW373分別測(cè)量各發(fā)生露點(diǎn)。

觀察表內(nèi)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),氣體濕度越低,實(shí)現(xiàn)露點(diǎn)的精確發(fā)生越困難。以MBW373示值作為標(biāo)準(zhǔn),濕度發(fā)生系統(tǒng)在-70 ℃～-50 ℃范圍內(nèi)優(yōu)于±0.06 ℃;在-50 ℃～-20 ℃范圍內(nèi)優(yōu)于±0.04 ℃;在-50 ℃～-20 ℃范圍內(nèi)優(yōu)于±0.03 ℃,與總合成的標(biāo)準(zhǔn)不確定度做比較,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的濕度發(fā)生器發(fā)生的濕度偏差小于系統(tǒng)總不確定度。恒溫槽2的控溫誤差在±0.04 ℃內(nèi)。測(cè)量壓力的壓力傳感器放置在一級(jí)稀釋氣管路,用于修正一級(jí)水汽壓。

表2 露點(diǎn)發(fā)生結(jié)果 單位:℃

5 結(jié)論

(1)采用分流法原理成功研制了一套可實(shí)現(xiàn)相對(duì)濕度以及露點(diǎn)氣體發(fā)生的標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器,解決了分流法濕度發(fā)生器發(fā)生氣體濕度高的問題。結(jié)果表明可發(fā)生濕度范圍10% RH～90% RH,可發(fā)生露點(diǎn)范圍-70 ℃～10 ℃;

(2)通過LabVIEW編寫的上位機(jī)人機(jī)界面對(duì)濕度發(fā)生器進(jìn)行控制,同時(shí)可通過人機(jī)界面監(jiān)測(cè)發(fā)生器的運(yùn)行狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的全自動(dòng)運(yùn)行;

(3)對(duì)系統(tǒng)的精度及不確定度進(jìn)行了試驗(yàn)分析,結(jié)果為相對(duì)濕度發(fā)生的最大誤差為0.2% RH,溫控最大誤差為±0.06 ℃,露點(diǎn)發(fā)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