高露點(diǎn)濕度標(biāo)準(zhǔn)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(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所,北京100095;2.鄭州輕工業(yè)大學(xué) 軟件學(xué)院,河南 鄭州450002;3.北京航空航天大學(xué) 前沿科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新研究院,北京 100191)

0 引言

高溫環(huán)境下的濕度測(cè)量在工業(yè)領(lǐng)域中具有重要作用,許多設(shè)備及裝備需要在高溫高濕環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試[1],例如:燃料電池中的增濕系統(tǒng)需要在溫度為200℃且相對(duì)濕度為90%的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試;核動(dòng)力裝置控制系統(tǒng)中的溫濕度計(jì)需要在高于100 ℃的條件下監(jiān)測(cè)濕度值,其測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否將直接決定控制效果的好壞;在工業(yè)干燥行業(yè)中也需要開(kāi)展高溫條件下的濕度測(cè)量,等等。

目前,常用的高溫濕度計(jì)有瑞士Rotronic、芬蘭Vaisala 等公司的相關(guān)產(chǎn)品。其中,Rotronic 公司研制的HC2 型高溫濕度計(jì),相對(duì)濕度范圍為5%～95%(溫度范圍-100～200 ℃),對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度上限可達(dá)150 ℃,允許誤差為±3 ℃。Vaisala 公司研制的HMT334 系列高溫濕度計(jì),可在溫度范圍50～180 ℃下,0～100%RH 全量程測(cè)量。

在實(shí)際應(yīng)用中,高溫濕度計(jì)往往需要測(cè)量高于100 ℃的露點(diǎn)溫度,但是目前我國(guó)濕度計(jì)量基準(zhǔn)中露點(diǎn)溫度溯源的最高上限為80 ℃,超過(guò)80 ℃則無(wú)法開(kāi)展溯源,因此需要研究溫度上限更高的高露點(diǎn)濕度標(biāo)準(zhǔn)裝置,擴(kuò)展高露點(diǎn)濕度參數(shù)量傳范圍。

國(guó)外早在2010 年已開(kāi)展了高露點(diǎn)濕度標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究,并建立了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)[2]。例如:美國(guó)NIST 基于干濕氣混流原理研制了露點(diǎn)溫度為85～200 ℃,壓力為0.2～1.6 MPa 的高露點(diǎn)濕度標(biāo)準(zhǔn)裝置。隨著科技水平的提高,國(guó)內(nèi)對(duì)于高露點(diǎn)濕度校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展也越來(lái)越重視,各計(jì)量機(jī)構(gòu)開(kāi)展了不同溫度范圍的高溫濕度發(fā)生裝置研究,例如:國(guó)家計(jì)量院研制了基于雙溫雙壓法原理的高溫濕度發(fā)生裝置,該裝置可產(chǎn)生露點(diǎn)溫度為90℃的高溫高濕氣體,用于開(kāi)展檢定和校準(zhǔn)工作。但是目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)露點(diǎn)溫度高于100 ℃的濕度計(jì)校準(zhǔn)。

基于這種情況,本文研制了一套高露點(diǎn)濕度標(biāo)準(zhǔn)裝置,該裝置可發(fā)生的露點(diǎn)溫度范圍為80～150 ℃,對(duì)應(yīng)測(cè)量室內(nèi)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(diǎn)濕度量值溯源需求。

1 原理及構(gòu)成

1.1 發(fā)生原理

高露點(diǎn)濕度標(biāo)準(zhǔn)裝置采用雙溫雙壓法[3],原理圖如圖1 所示。其工作過(guò)程為:氣源系統(tǒng)流出氣體進(jìn)入飽和系統(tǒng),在飽和系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生一定溫度和壓力下的飽和濕氣,經(jīng)減壓閥和排氣閥減壓后,飽和濕氣進(jìn)入測(cè)量室,通過(guò)改變測(cè)量室的壓力產(chǎn)生不同露點(diǎn)的氣體。

圖1 高露點(diǎn)濕度標(biāo)準(zhǔn)裝置發(fā)生原理圖

測(cè)量室內(nèi)的氣體露點(diǎn)計(jì)算公式為

式中:Td為測(cè)量室內(nèi)氣體的露點(diǎn)溫度,℃;Ts為飽和系統(tǒng)內(nèi)氣體的露點(diǎn)溫度,℃;e(Td),e(Ts)分別為溫度Td,Ts對(duì)應(yīng)的飽和水蒸氣壓,Pa;Pc為測(cè)量室內(nèi)的壓力,Pa;Ps為飽和系統(tǒng)內(nèi)的壓力,Pa。

在100 ℃范圍內(nèi),水的飽和蒸汽壓采用Wexler 方程計(jì)算[4],對(duì)于100 ℃以上的溫度范圍,目前國(guó)際上尚未有飽和水蒸氣壓的經(jīng)驗(yàn)公式,本文仍采用Wexler方程計(jì)算

公式(2)中的各系數(shù)值如表1 所示。

表1 g 系數(shù)列表值

1.2 裝置結(jié)構(gòu)組成

高露點(diǎn)濕度標(biāo)準(zhǔn)裝置由恒溫系統(tǒng)、預(yù)飽和系統(tǒng)、飽和系統(tǒng)、測(cè)量室和溫度、壓力測(cè)量與控制系統(tǒng)等部分組成,如圖2 所示。恒溫系統(tǒng)的作用是為飽和系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)提供恒定的溫場(chǎng)。溫度是濕度發(fā)生裝置中最重要的參數(shù)之一,在壓力不變的情況下,飽和系統(tǒng)的溫度和露點(diǎn)溫度直接相關(guān),因此溫度的測(cè)量與控制在整套裝置中尤為重要。

圖2 高露點(diǎn)濕度標(biāo)準(zhǔn)裝置總體結(jié)構(gòu)圖

高露點(diǎn)濕度標(biāo)準(zhǔn)裝置的恒溫系統(tǒng)采用一體雙槽式結(jié)構(gòu)[5],飽和系統(tǒng)和測(cè)量室所處的恒溫環(huán)境采用油浴的方式實(shí)現(xiàn),以確保溫場(chǎng)的均勻性和穩(wěn)定性;預(yù)飽和系統(tǒng)溫場(chǎng)的均勻性與穩(wěn)定性對(duì)露點(diǎn)溫度的測(cè)量結(jié)果影響不大,因此預(yù)飽和系統(tǒng)采用加熱帶纏繞方式加熱。為實(shí)現(xiàn)80～150 ℃的露點(diǎn)環(huán)境,恒溫系統(tǒng)的具體技術(shù)指標(biāo)為:溫度范圍為50～ 200 ℃,溫度均勻性為0.01 ℃,溫度穩(wěn)定性為0.01 ℃/30 min。

氣體的傳熱傳質(zhì)過(guò)程在飽和系統(tǒng)內(nèi)完成,飽和系統(tǒng)屬于兩相流接觸的場(chǎng)所,由式(1)可知,飽和系統(tǒng)出氣的露點(diǎn)溫度與裝置所能實(shí)現(xiàn)的露點(diǎn)溫度成正比,為了提高系統(tǒng)的飽和效率,裝置采用預(yù)飽和系統(tǒng)與飽和系統(tǒng)雙級(jí)飽和的方式[6]。

在設(shè)計(jì)飽和系統(tǒng)時(shí),需要考慮溫度Ts和壓力Ps兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù),由于飽和系統(tǒng)耐溫范圍為50～200 ℃,耐壓范圍為0～1 MPa。因此采用“鼓泡式”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。預(yù)飽和系統(tǒng)與飽和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完全相同,均為316L 不銹鋼材質(zhì),壁厚為3 mm,總體尺寸為Φ100 mm ×215 mm,內(nèi)腔尺寸為Φ94 mm×205 mm。

飽和腔體采用上層和下層分離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),上端和下端分別設(shè)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(jìn)入飽和系統(tǒng)之前先進(jìn)入換熱器,進(jìn)行充分換熱之后再進(jìn)入飽和系統(tǒng)與水面接觸,達(dá)到飽和的目的。飽和系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 飽和系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)圖

飽和系統(tǒng)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(tǒng)出氣處設(shè)計(jì)有絲網(wǎng)分離器。絲網(wǎng)分離器的分離效率η和壓力損失ΔP是影響飽和系統(tǒng)飽和性能的主要因素。絲網(wǎng)分離器的孔徑大小是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,為了盡可能地提高氣液分離效率,減小壓力損失,針對(duì)不同孔徑,對(duì)絲網(wǎng)分離器的分離效率和壓力損失進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如表2 所示。綜合考慮分離效率和壓力損失,最終絲網(wǎng)分離器選用孔徑為400 目的金屬絲網(wǎng)。

表2 不同孔徑的絲網(wǎng)分離器分離效率和壓力損失計(jì)算結(jié)果

飽和系統(tǒng)與測(cè)量室之間的氣體傳輸管路為自動(dòng)加熱管路,其溫度總是高于飽和系統(tǒng)5～10 ℃。聯(lián)合調(diào)節(jié)氣體傳輸管路中的減壓閥和排氣閥,改變測(cè)量室內(nèi)的氣體壓力,獲取不同露點(diǎn)溫度值。

測(cè)量室由帶有法蘭密封的不銹鋼腔體和對(duì)外供氣加熱管路組成。供氣加熱管路可根據(jù)需要設(shè)定加熱溫度,便于進(jìn)行裝置的溯源或連接其他抽氣式被校設(shè)備。測(cè)量室的變溫范圍為80～200 ℃,最大耐壓1 MPa。法蘭密封蓋上開(kāi)有不同規(guī)格的密封螺紋孔,可同時(shí)校準(zhǔn)多支高露點(diǎn)傳感器。

2 試驗(yàn)及不確定度分析

為了驗(yàn)證裝置所能發(fā)生的露點(diǎn)溫度范圍,選用芬蘭VAISALA 公司生產(chǎn)的HMT334 高露點(diǎn)濕度計(jì)進(jìn)行測(cè)試[7]。測(cè)試時(shí),高露點(diǎn)濕度計(jì)的探頭與測(cè)量室之間采用螺紋密封連接,測(cè)量室內(nèi)的溫度設(shè)定為180 ℃,飽和系統(tǒng)的溫度Ts設(shè)定為150 ℃,飽和壓力Ps設(shè)定為1.0 MPa,聯(lián)合調(diào)節(jié)減壓閥和排氣閥,使測(cè)量室內(nèi)的壓力Pc在0～1.0 MPa 范圍內(nèi)變化,將實(shí)際測(cè)得的Ts,Ps和Pc值代入式(1),并依據(jù)飽和水蒸氣壓方程,計(jì)算得出不同壓力下對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度值[8]。將高露點(diǎn)濕度標(biāo)準(zhǔn)裝置所發(fā)生的露點(diǎn)溫度值與濕度計(jì)實(shí)際測(cè)得的值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖4 所示。

圖4 高露點(diǎn)濕度標(biāo)準(zhǔn)裝置與濕度計(jì)測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖

根據(jù)圖4 可知,高露點(diǎn)濕度標(biāo)準(zhǔn)裝置可實(shí)現(xiàn)80～150 ℃的露點(diǎn)溫度,對(duì)應(yīng)測(cè)量室內(nèi)的壓力范圍為0～1 MPa。露點(diǎn)溫度的計(jì)算公式為

式中:Td為露點(diǎn)溫度,℃;ew(Td)為露點(diǎn)溫度下的飽和水蒸氣壓,Pa;ci,di為露點(diǎn)溫度計(jì)算系數(shù),數(shù)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(duì)應(yīng)的飽和水蒸氣壓計(jì)算公式為

根據(jù)式(3)和式(4),保證Ts,Ps和Pc中兩個(gè)參數(shù)不變,微小地改變第三個(gè)參數(shù)值,計(jì)算靈敏系數(shù)。各靈敏系數(shù)值[9]如表3 所示。

表3 靈敏系數(shù)值

露點(diǎn)溫度不確定度[10]的主要分量包括飽和系統(tǒng)內(nèi)溫度測(cè)量與控制引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1、飽和系統(tǒng)壓力測(cè)量與控制引入的不確定度u2、測(cè)量室壓力引入的不確定度u3、飽和系統(tǒng)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(qiáng)因子fs引入的不確定度u6、增強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

露點(diǎn)溫度的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算公式為

擴(kuò)展不確定度計(jì)算公式為

計(jì)算得出不同露點(diǎn)溫度下的擴(kuò)展不確定度如表7所示。

表5 不同露點(diǎn)溫度下的擴(kuò)展不確定度 ℃

3 結(jié)論

利用雙溫雙壓法原理,通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)高飽和度的飽和系統(tǒng),研制了高露點(diǎn)濕度標(biāo)準(zhǔn)裝置,實(shí)現(xiàn)露點(diǎn)溫度80～150℃,測(cè)量室壓力0～1 MPa,露點(diǎn)溫度的擴(kuò)展不確定度U=0.34～0.80℃(k=2)。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊,操作方便,拓展了濕度的量傳范圍。

未來(lái)還需進(jìn)行裝置重復(fù)性和穩(wěn)定性試驗(yàn),對(duì)裝置的飽和系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)地飽和效率評(píng)價(jià),提高裝置的不確定度,完善我國(guó)濕度量傳體系,滿足高露點(diǎn)濕度參數(shù)的量值溯源需求。