便攜式高溫露點(diǎn)濕度發(fā)生器的研制

呂國(guó)義，鞏娟，何萌，楊永軍，胡艷青

(航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100095)

0 引言

隨著國(guó)防科技工業(yè)武器裝備的快速發(fā)展，對(duì)高溫露點(diǎn)或高溫條件相對(duì)濕度參數(shù)的校準(zhǔn)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(dòng)力的核潛艇、大型艦船上等，都涉及到高溫露點(diǎn)、高溫高濕的環(huán)境，甚至測(cè)試環(huán)境溫度超過100 ℃；另外在一些工業(yè)干燥行業(yè)也需要高溫的溫濕度測(cè)量。因此，高露點(diǎn)溫度或高溫相對(duì)濕度的參數(shù)存在著溯源需求，便攜式高溫露點(diǎn)溫度發(fā)生器的研制對(duì)于高溫露點(diǎn)的溯源校準(zhǔn)提供了基礎(chǔ)。

1 原理

濕度發(fā)生器是指在一定條件下能發(fā)生水蒸氣含量恒定且可知的氣流或氣氛的裝置，根據(jù)用途通常可分為相對(duì)濕度發(fā)生器和露點(diǎn)發(fā)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(shí)現(xiàn)高溫露點(diǎn)的發(fā)生。本項(xiàng)目研制的發(fā)生器主要用于某軍工單位特定高溫下的濕熱試驗(yàn)，即將高露點(diǎn)濕度發(fā)生器發(fā)生的高露點(diǎn)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(duì)濕度樣氣，實(shí)現(xiàn)在特定的高溫高濕環(huán)境下開展相關(guān)樣品的性能試驗(yàn)工作的目的。

單溫法是指濕度發(fā)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(jí)飽和)實(shí)現(xiàn)設(shè)定溫度條件下的飽和，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)定溫度條件下的露點(diǎn)樣氣發(fā)生。高溫露點(diǎn)樣氣的露點(diǎn)溫度均在室溫之上，因此在樣氣的輸出管路上需要進(jìn)行保溫甚至加熱管路所處環(huán)境溫度至少大于露點(diǎn)溫度3 ℃以上，否則氣體管路內(nèi)部容易結(jié)露，發(fā)生的露點(diǎn)樣氣溫度也會(huì)產(chǎn)生變化，不能達(dá)到預(yù)期的效果。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高溫露點(diǎn)發(fā)生器主體由恒溫設(shè)備、換熱器、飽和器、測(cè)控系統(tǒng)和管路加熱系統(tǒng)組成，具體結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

氣體通過減壓閥和流量計(jì)調(diào)節(jié)流量，進(jìn)入恒溫裝置的換熱器中，之后再進(jìn)入飽和器進(jìn)行鼓泡加濕，氣體達(dá)到飽和后，通過出氣口與連接管路進(jìn)入恒溫工作腔(反應(yīng)器工作區(qū)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(fā)生器的測(cè)控系統(tǒng)設(shè)置恒溫體欲發(fā)生的目標(biāo)溫度和相對(duì)濕度，通過內(nèi)部程序換算得到發(fā)生器的發(fā)生露點(diǎn)溫度值，將恒溫裝置的溫度設(shè)定為該值，即可實(shí)現(xiàn)特定溫度條件下的相對(duì)濕度環(huán)境產(chǎn)生。

圖1 發(fā)生器工作原理圖

2.1 換熱飽和器一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣體進(jìn)入恒溫設(shè)備后，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)定溫度下的飽和，在進(jìn)入飽和器前，盡可能的通過換熱器使其溫度與設(shè)定溫度一致，從而達(dá)到最大程度的飽和，考慮結(jié)構(gòu)緊湊的要求，將換熱器與飽和器設(shè)計(jì)成一體式結(jié)構(gòu)，即在飽和器的外壁上纏繞紫銅盤管，使空氣流經(jīng)盤管與恒溫設(shè)備內(nèi)的介質(zhì)經(jīng)過充分的換熱后，進(jìn)入到飽和器中。

為了增加換熱效果，換熱器盤管選用導(dǎo)熱系數(shù)較好的紫銅管。具體管內(nèi)氣體的換熱情況如圖1所示，A為槽液，B為管壁，C為管內(nèi)流動(dòng)氣體。設(shè)槽液溫度為T1,管子入口時(shí)的氣體溫度為T0，出口時(shí)的溫度為T，氣體自上而下流動(dòng)。

圖2 換熱管內(nèi)傳熱模型

實(shí)際的傳熱過程包括以下幾個(gè)方面：①槽液A與換熱管外壁進(jìn)行強(qiáng)迫對(duì)流換熱；②通過管壁的導(dǎo)熱；③換熱管內(nèi)壁與管內(nèi)氣體的對(duì)流換熱；④管內(nèi)氣體的內(nèi)部導(dǎo)熱；⑤系統(tǒng)各部分間的輻射傳熱。

根據(jù)換熱管路內(nèi)表面通過傳熱系數(shù)計(jì)算得到的對(duì)流換熱量與根據(jù)氣體的總流量和進(jìn)出口溫升計(jì)算出換熱量建立熱平衡關(guān)系，進(jìn)而得出換熱器理論上需要的換熱管路長(zhǎng)度，為換熱器的設(shè)計(jì)提供理論支撐。

飽和器是整個(gè)裝置的關(guān)鍵核心部件，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循兩個(gè)基本原則：一是使氣體與水有充分的接觸面積和接觸時(shí)間；二是盡量減少氣體在飽和系統(tǒng)內(nèi)壓力降。為了達(dá)到預(yù)期的飽和度設(shè)計(jì)目的，采用鼓泡法原理，飽和器由內(nèi)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(jìn)入飽和器，并與水充分混合，在飽和器中進(jìn)行傳熱與傳質(zhì)，使氣體達(dá)到飽和狀態(tài)。采用鼓泡的方法具有增濕效率高、體積小的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也帶來飽和氣中夾帶霧沫的缺點(diǎn)，呈現(xiàn)過飽和狀態(tài)，因此為了防止在鼓泡式飽和器中出現(xiàn)過飽和狀態(tài)，增加了氣霧分離結(jié)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 飽和器結(jié)構(gòu)示意圖

該飽和器的設(shè)計(jì)分為上下兩層，通過增加不銹鋼濾網(wǎng)隔開，濾網(wǎng)直徑很小，在1 mm以內(nèi)，飽和的濕空氣經(jīng)過濾網(wǎng)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(jìn)入飽和器之前會(huì)先進(jìn)入換熱器，使其與槽體進(jìn)行充分的換熱，確保溫度最終達(dá)到恒溫設(shè)備設(shè)定的溫度，再進(jìn)入飽和器與水面接觸，達(dá)到飽和的目的。為了增加飽和器內(nèi)的換熱效果和飽和效果，飽和器的下端設(shè)計(jì)有導(dǎo)熱翅片，以增加進(jìn)入飽和器內(nèi)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(dá)到充分飽和，通過這樣的措施基本可以實(shí)現(xiàn)99%以上的飽和度。

在飽和器的上層留有測(cè)壓孔，飽和氣體通過盤管后降溫接入壓力傳感器進(jìn)行壓力測(cè)試，同樣在飽和器的上層安裝有精密級(jí)溫度傳感器，用于測(cè)試飽和氣體的溫度，以上得到的溫度和壓力參數(shù)對(duì)最終露點(diǎn)或相對(duì)濕度的發(fā)生作修正計(jì)算。

2.2 恒溫體設(shè)計(jì)

恒溫體采用定制的微型恒溫槽，與換熱飽和器結(jié)構(gòu)配合，控制系統(tǒng)采用日本島電公司的SR23型0.1級(jí)溫度控制器，留有通訊接口，與總體控制系統(tǒng)結(jié)合。

微型恒溫槽選用微型制冷壓縮機(jī)，結(jié)合側(cè)攪拌的設(shè)計(jì)和精密溫度控制，為飽和器提供一個(gè)溫度均勻且穩(wěn)定的恒溫環(huán)境，在保證指標(biāo)滿足要求的基礎(chǔ)上，壓縮設(shè)備體積，提高設(shè)備的便攜性。便攜式恒溫設(shè)備的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 便攜式恒溫槽技術(shù)參數(shù)

2.3 管路加熱電路

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

選用加熱帶將氣體管路包覆，控溫傳感器選用工業(yè)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(gè)管路都能起到加熱作用，溫度控制器放在發(fā)生器內(nèi)部。具體的結(jié)構(gòu)見圖4。

2.4 測(cè)控系統(tǒng)

發(fā)生器整個(gè)系統(tǒng)采用觸摸屏與其他硬件通訊，如高露點(diǎn)濕度發(fā)生器和加熱管路的溫度控制器分別通過RS232和RS485方式進(jìn)行通訊，通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)集中控制，可以根據(jù)設(shè)置的溫度和相對(duì)濕度自動(dòng)換算對(duì)應(yīng)發(fā)生的露點(diǎn)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(jī)地結(jié)合起來、統(tǒng)一調(diào)度,并承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集、分析、控制和顯示任務(wù)。

軟件編制的流程如圖6所示。

3 性能試驗(yàn)

分別開展露點(diǎn)溫度和高溫相對(duì)濕度的試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)器選用瑞士MBW公司的373LHX型號(hào)的精密露點(diǎn)儀進(jìn)行比對(duì)，該露點(diǎn)儀既能開展露點(diǎn)溫度測(cè)試又能開展相對(duì)濕度測(cè)試。

圖4 管路加熱系統(tǒng)示意圖

圖5 控制硬件連接示意圖

圖6 軟件流程圖

1)露點(diǎn)參數(shù)測(cè)試

將發(fā)生器發(fā)生的露點(diǎn)溫度樣氣從出氣口引出直接通入到露點(diǎn)儀中，氣體流量設(shè)置小于1 L/min，測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

表2 露點(diǎn)溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù) ℃

2)相對(duì)濕度參數(shù)測(cè)試

客戶要求發(fā)生器在60 ℃對(duì)10%RH，30%RH，50%RH，70%RH和90%RH五個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，以此要求為依據(jù)開展相關(guān)測(cè)試工作，設(shè)計(jì)與用戶所用結(jié)構(gòu)、體積相同的恒溫工作腔，放置到恒溫槽中，設(shè)置恒溫槽溫度60 ℃，模擬用戶所用測(cè)試腔。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3。

該試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明加熱管路發(fā)揮了作用，在相對(duì)濕度測(cè)試過程中其露點(diǎn)溫度的允差與直接進(jìn)行露點(diǎn)溫度允差相比的數(shù)據(jù)比較接近。

表3 高溫相對(duì)濕度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

主要對(duì)高露點(diǎn)濕度發(fā)生器的原理、結(jié)構(gòu)及飽和器的設(shè)計(jì)、測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了描述。通過對(duì)露點(diǎn)溫度和高溫相對(duì)濕度參數(shù)的試驗(yàn)表明該發(fā)生器在5～95 ℃的露點(diǎn)發(fā)生內(nèi)最大露點(diǎn)允差不超過1 ℃，且在低溫段露點(diǎn)溫度的允差好于高溫段，在60 ℃下相對(duì)濕度參數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在10%RH～90%RH范圍相對(duì)濕度的最大允差不超過1%RH，同樣在低濕范圍的數(shù)據(jù)好于高濕?？偟膩砜丛摪l(fā)生器可以開展工業(yè)露點(diǎn)儀尤其是高溫露點(diǎn)儀的校準(zhǔn)，同樣,提供恒溫環(huán)境后也可以開展高溫相對(duì)濕度計(jì)的校準(zhǔn)工作。