分流法湿度发生器的设计

国网河北省电力公司电力科学研究院 刘克成 张立军 马慧芳河南省日立信股份有限公司 朱会

0 引言

分流法湿度发生器是通过流量控制器把一股干气分成两股，一股通过饱和水槽，然后再通过恒温气室变成饱和湿气与另一股干气进行混合，通过控制干气和饱和湿气的流量，可以配置露点输出为-70℃-10℃的混合湿气，流量可达到10L。可以满足多台湿度仪表的校准工作。

1 系统介绍

分流法湿度发生器[1]对干气源的干燥程度要求很高，干气源的干燥程度在一定程度上决定了低湿混合湿气输出的精度，为了保证气源的干燥，在湿度发生器的进气端增加气源干燥系统，对输入露点-40℃的干气通过高分子膜干燥器，把气源露点降到-60℃，然后通过13X分子筛进行深度干燥，最终露点干燥到-75℃。质量流量计A、B组合成湿气气源，A的量程50ml,B的量程2000ml,通过两个不同量程的湿气质量流量计，可以满足宽量程露点输出。质量流量计C为干气源量程为5000ml，电磁阀1为两位三通电磁阀，电磁阀2为常闭二位二通电磁阀，电磁阀3为常开两位两通电磁阀，饱和水槽是一种倒立的U型相连的两个圆柱容器，让干气通过水槽进行增湿。由于我们对经过饱和水槽的湿气进行降温控制，所以对饱和器结构没有特殊要求，只要求能够与水有更大接触面积和时间。恒温气室是湿度发生器设计的核心部件，它决定了湿气的饱和程度和湿气输出的准确性。在一块100＊80mm的紫铜上按照图2上所示进行钻孔加工，用堵头把侧面两个钻孔进行密封，最终的管路是从图的左侧进，右侧出。管路长度最长，可以满足气体的完全降温。凸出地方安装帕尔贴和PT100。

图1 湿度发生器结构图

来自饱和水槽的湿气从恒温气室的一侧进，另一侧出，完成气体的降温作用。恒温气室的温度设定比饱和水槽的温度低5-10℃，输出的湿气就是设定温度下的饱和湿气。

饱和湿气和干气按照下面的计算公式就可以计算出对应的混合湿气露点[2]，当输出为霜点时计算公式为（1），为露点时计算公式为 （2）。

在matlab仿真软件中输入对应的计算公式进行算法反推导，已知露点温度和输出气体总流量计算干气流量和湿气流量。

运算推导出输出露点为-40℃的混合湿气，在恒温气室温度控制10℃条件下，干气流量Qd=989.65ml，湿气流量Qw=10.35ml。用冷境原理的标准表michelle S800RS，测量输出的混合湿气露点。S800RS每一分钟记录一个测量露点值，图4为80分钟内对湿度发生器输出露点的记录，输出露点值在-40℃到-40.2℃，露点波动0.2℃，满足二级标准湿度源对露点稳定性的要求。

图2 恒温气室管路

图3 安装好的恒温气室

图4 S800RS测量输出露点

图5 湿度发生器硬件框图

图6 湿度发生器软件架构

图7 湿度算法C语言程序

2 湿度发生器硬件及软件设计

2.1 硬件设计

湿度发生器硬件设计主要包括电源模块，485/232通信模块，AD转换模块，控制帕尔贴制冷模块，驱动电磁阀电路和存储数据模块等组成。设计的难点是通过PWM调控mosfet-N功率管，来控制帕尔贴，控制的算法是通过实时采集PT100温度采样值，与设定控制目标采样值进行PID控制。质量流量控制器与单片机之间是通过485进行数据通信，通过人机交互界面，输入需要输出的混合湿气露点和流量，通过湿度算法计算出湿气流量和干气流量，单片机把控制流量的信息通过modbus协议传递给质量流量控制器，完成流量输出控制。

2.2 软件设计

编辑环境是在Keil uVision4环境下进行编辑，软件架构包括与上位机及质量流量计进行通信的子程序，AD7718数据采集子程序，PID控制恒温气室子程序。根据matlab对湿度计算的公式，并进行了验证，用C语言把湿度算法进行编程。程序的入口是根据上位机设定的输出露点和流量来计算干气流量和湿气流量，把计算得到的干、湿气流量送给质量流量计进行流量控制。图7为根据露点和流量反推干气流量和湿气流量的C语言算法，这个算法是michelle公司他们湿度仪表上常用的算法公式。

3 湿度发生器性能影响因素

湿度测量过程一般是从低湿往高湿进行测量，减少了管路残留的湿气对测量结果的影响。在测量-60℃及以下的湿气时，需要用干气进行管路和设备的长时间吹干，时间至少30min。当长时间不使用或者输出高湿气后，管路里面的湿气是可以通过干气进行吹干，但是恒温气室里面会有水珠，恒温气室和干气混合处的一段管子残留的水汽会影响湿度发生器输出湿气的准确性和稳定度，我们在做测试的过程中就发现过输出高湿气后配不出低湿气体。通过分析就是恒温气室在制冷过程中有大量水珠产生，水珠的缓慢气化影响了管路里面的湿气。我们通过控制电磁阀3和电磁阀2，用来自质量流量计C的干气对恒温气室进行吹洗，通过干气对恒温气室的吹洗，去掉了恒温气室残留的水珠和大量水汽。这是影响湿度发生器准确性和稳定性的重要一点。

影响湿度发生器的另一个问题是质量流量计内漏影响，尤其是在低湿，当使用50ml的质量流量计进行湿气输出时，并联在管路上的质量流量计B的内漏就会对湿气流量造成影响。在质量流量计的输出口串上一个两位三通电磁阀1，通过电磁阀1把质量流量计内漏的气体排放到管路外面，不对湿气总流量产生影响。

恒温气室温度的波动也会对输出湿气露点产生影响。当设定恒温气室温度10℃时，通过查阅饱和水蒸气压力表可以知道温度波动0.2℃时，水蒸气压力波动16pa,当恒温气室温度设定5℃时，同样温度波动0.2℃时，水蒸气压力波动12pa。可以通过降低恒温气室的温度达到减少露点输出波动。

4 结束语

在设计和安装调试湿度发生器的过程中，质量流量计的内漏和精度，恒温气室温度的波动，管路的布局，都会对湿度发生器的精度产生影响，上述三点是我们在实际设计调试过程中发现的对湿度发生器影响比较大的问题。通过与中国计量院的标准湿度表BWM373进行测试比对，露点在-70℃到-60℃输出露点与设定露点误差1℃以内，-55℃到10℃误差小于0.5℃，输出露点波动小于0.3℃，可以满足二级标准表的对湿度发生器的要求。

[1]李英干，范金鹏.湿度测量.北京：气象出版社，1990∶336-340.

[2]崔剑，张学范.分流式湿度发生器设计及不确定度分析[J],测量与设备，2006.NO1242-43.