分流法濕度發生器的設計

國網河北省電力公司電力科學研究院 劉克成 張立軍 馬慧芳河南省日立信股份有限公司 朱會

0 引言

分流法濕度發生器是通過流量控制器把一股干氣分成兩股，一股通過飽和水槽，然后再通過恒溫氣室變成飽和濕氣與另一股干氣進行混合，通過控制干氣和飽和濕氣的流量，可以配置露點輸出為-70℃-10℃的混合濕氣，流量可達到10L。可以滿足多臺濕度儀表的校準工作。

1 系統介紹

分流法濕度發生器[1]對干氣源的干燥程度要求很高，干氣源的干燥程度在一定程度上決定了低濕混合濕氣輸出的精度，為了保證氣源的干燥，在濕度發生器的進氣端增加氣源干燥系統，對輸入露點-40℃的干氣通過高分子膜干燥器，把氣源露點降到-60℃，然后通過13X分子篩進行深度干燥，最終露點干燥到-75℃。質量流量計A、B組合成濕氣氣源，A的量程50ml,B的量程2000ml,通過兩個不同量程的濕氣質量流量計，可以滿足寬量程露點輸出。質量流量計C為干氣源量程為5000ml，電磁閥1為兩位三通電磁閥，電磁閥2為常閉二位二通電磁閥，電磁閥3為常開兩位兩通電磁閥，飽和水槽是一種倒立的U型相連的兩個圓柱容器，讓干氣通過水槽進行增濕。由于我們對經過飽和水槽的濕氣進行降溫控制，所以對飽和器結構沒有特殊要求，只要求能夠與水有更大接觸面積和時間。恒溫氣室是濕度發生器設計的核心部件，它決定了濕氣的飽和程度和濕氣輸出的準確性。在一塊100＊80mm的紫銅上按照圖2上所示進行鉆孔加工，用堵頭把側面兩個鉆孔進行密封，最終的管路是從圖的左側進，右側出。管路長度最長，可以滿足氣體的完全降溫。凸出地方安裝帕爾貼和PT100。

圖1 濕度發生器結構圖

來自飽和水槽的濕氣從恒溫氣室的一側進，另一側出，完成氣體的降溫作用。恒溫氣室的溫度設定比飽和水槽的溫度低5-10℃，輸出的濕氣就是設定溫度下的飽和濕氣。

飽和濕氣和干氣按照下面的計算公式就可以計算出對應的混合濕氣露點[2]，當輸出為霜點時計算公式為（1），為露點時計算公式為 （2）。

在matlab仿真軟件中輸入對應的計算公式進行算法反推導，已知露點溫度和輸出氣體總流量計算干氣流量和濕氣流量。

運算推導出輸出露點為-40℃的混合濕氣，在恒溫氣室溫度控制10℃條件下，干氣流量Qd=989.65ml，濕氣流量Qw=10.35ml。用冷境原理的標準表michelle S800RS，測量輸出的混合濕氣露點。S800RS每一分鐘記錄一個測量露點值，圖4為80分鐘內對濕度發生器輸出露點的記錄，輸出露點值在-40℃到-40.2℃，露點波動0.2℃，滿足二級標準濕度源對露點穩定性的要求。

圖2 恒溫氣室管路

圖3 安裝好的恒溫氣室

圖4 S800RS測量輸出露點

圖5 濕度發生器硬件框圖

圖6 濕度發生器軟件架構

圖7 濕度算法C語言程序

2 濕度發生器硬件及軟件設計

2.1 硬件設計

濕度發生器硬件設計主要包括電源模塊，485/232通信模塊，AD轉換模塊，控制帕爾貼制冷模塊，驅動電磁閥電路和存儲數據模塊等組成。設計的難點是通過PWM調控mosfet-N功率管，來控制帕爾貼，控制的算法是通過實時采集PT100溫度采樣值，與設定控制目標采樣值進行PID控制。質量流量控制器與單片機之間是通過485進行數據通信，通過人機交互界面，輸入需要輸出的混合濕氣露點和流量，通過濕度算法計算出濕氣流量和干氣流量，單片機把控制流量的信息通過modbus協議傳遞給質量流量控制器，完成流量輸出控制。

2.2 軟件設計

編輯環境是在Keil uVision4環境下進行編輯，軟件架構包括與上位機及質量流量計進行通信的子程序，AD7718數據采集子程序，PID控制恒溫氣室子程序。根據matlab對濕度計算的公式，并進行了驗證，用C語言把濕度算法進行編程。程序的入口是根據上位機設定的輸出露點和流量來計算干氣流量和濕氣流量，把計算得到的干、濕氣流量送給質量流量計進行流量控制。圖7為根據露點和流量反推干氣流量和濕氣流量的C語言算法，這個算法是michelle公司他們濕度儀表上常用的算法公式。

3 濕度發生器性能影響因素

濕度測量過程一般是從低濕往高濕進行測量，減少了管路殘留的濕氣對測量結果的影響。在測量-60℃及以下的濕氣時，需要用干氣進行管路和設備的長時間吹干，時間至少30min。當長時間不使用或者輸出高濕氣后，管路里面的濕氣是可以通過干氣進行吹干，但是恒溫氣室里面會有水珠，恒溫氣室和干氣混合處的一段管子殘留的水汽會影響濕度發生器輸出濕氣的準確性和穩定度，我們在做測試的過程中就發現過輸出高濕氣后配不出低濕氣體。通過分析就是恒溫氣室在制冷過程中有大量水珠產生，水珠的緩慢氣化影響了管路里面的濕氣。我們通過控制電磁閥3和電磁閥2，用來自質量流量計C的干氣對恒溫氣室進行吹洗，通過干氣對恒溫氣室的吹洗，去掉了恒溫氣室殘留的水珠和大量水汽。這是影響濕度發生器準確性和穩定性的重要一點。

影響濕度發生器的另一個問題是質量流量計內漏影響，尤其是在低濕，當使用50ml的質量流量計進行濕氣輸出時，并聯在管路上的質量流量計B的內漏就會對濕氣流量造成影響。在質量流量計的輸出口串上一個兩位三通電磁閥1，通過電磁閥1把質量流量計內漏的氣體排放到管路外面，不對濕氣總流量產生影響。

恒溫氣室溫度的波動也會對輸出濕氣露點產生影響。當設定恒溫氣室溫度10℃時，通過查閱飽和水蒸氣壓力表可以知道溫度波動0.2℃時，水蒸氣壓力波動16pa,當恒溫氣室溫度設定5℃時，同樣溫度波動0.2℃時，水蒸氣壓力波動12pa。可以通過降低恒溫氣室的溫度達到減少露點輸出波動。

4 結束語

在設計和安裝調試濕度發生器的過程中，質量流量計的內漏和精度，恒溫氣室溫度的波動，管路的布局，都會對濕度發生器的精度產生影響，上述三點是我們在實際設計調試過程中發現的對濕度發生器影響比較大的問題。通過與中國計量院的標準濕度表BWM373進行測試比對，露點在-70℃到-60℃輸出露點與設定露點誤差1℃以內，-55℃到10℃誤差小于0.5℃，輸出露點波動小于0.3℃，可以滿足二級標準表的對濕度發生器的要求。

[1]李英干，范金鵬.濕度測量.北京：氣象出版社，1990∶336-340.

[2]崔劍，張學范.分流式濕度發生器設計及不確定度分析[J],測量與設備，2006.NO1242-43.