CN201260940Y - 分流式标准湿度发生器 - Google Patents

Abstract

一种分流式标准湿度发生器，属用于湿度测量仪器检定或校准而提供有标定湿度含量氮气的发生器。包括，数据采集与控制装置、电源电路，机箱内安装有增湿饱和器和混合室；氮气引入总管经一分支管与混合室进口连接，该分支管上依次安装有电磁阀和质量流量控制器，该总管的另一分支管上依次安装电磁阀、质量流量控制器和止逆阀后，与增湿饱和器的进口连接，增湿饱和器的出口经管路与混合室进口连接，混合室出口经管路将用于仪器检定或校准、含有标准湿度的气体引出机箱外。它具有操作方便、***误差小、精度高的特点，可满足电力行业各类湿度测量仪器检定和校准的需要。

Description

分流式标准湿度发生器

技术领域

本实用新型涉及一种标准湿度发生器，特别是提供用于湿度测量仪器的检定或校准、输出具有标准湿度含量的氮气的发生器。

背景技术

电力行业所用的各种电器，如高压开关柜、各类温度继电器、时间继电器等对其工作环境的湿度都有特定的要求，一旦湿度超过标准要求，就会发生短路故障，导致不能正常工作。这就需要使用各种湿度测量仪器来测量，实时监测电器的工作环境湿度。目前，还没有专门为电力行业各类湿度测量仪器量身定做，为其提供仪器检定或校准所需要的标准湿度发生器。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种结构简单、方便操作、精度高的分流式标准湿度发生器。

本新型的目的是这是实现的：一种分流式标准湿度发生器，包括数据采集与控制装置、电源电路、机箱，机箱内安装增湿饱和器和混合室；氮气引入总管经一分支管与混合室进口连接，该分支管上依次安装有电磁阀和质量流量控制器，该总管的另一分支管上依次安装电磁阀、质量流量控制器和止逆阀后，与增湿饱和器的进口连接，增湿饱和器的出口经管路与混合室进口连接，混合室出口经管路将用于仪器检定或校准、含有标准湿度的气体引出机箱外。

分流式湿度发生器的工作原理为：干气体按一定的比例分成两部分，一路进入增湿饱和器，被水饱和的气流在混合室中同另一股干气混合，而后进入试验腔，最后排入大气。调整两股气体的流量比，即可得到不同湿度的湿气。通过测量干气流量、饱和湿气流量、饱和器内的温度、压力、大气压等参数，即可计算出发生器发生的湿气的湿度，用于湿度测量仪器的检定或校准。

本新型的有益效果是：

1、结构简单、造价较低

2、操作方便

可采用手动控制和自动控制两种方式，方便地调整干气流量和饱和湿气流量，从而调整发生器发生的湿气湿度。

3、***误差小，精度高

饱和湿气的三个气路中，质量流量控制器的量程范围分为0.5～5SCCM(标准毫升/分)、5～50SCCM和50～500SCCM三档，干气流程中质量流量控制器的量程为2SLM(标准升/分)；氮气引入前经5A分子筛干燥管脱除多余水、再经烧结金属过滤器脱除微粒杂质以降低***误差；增湿饱和器采用两级串联，以确保足够高的饱和度。

本新型的特点和优点将在具体实施部分结合实例作进一步阐述。

附图说明

图1是本新型的***组成框图；

图2是本新型的工作原理图；

图3是图1所示增湿饱和器的一个实施例的结构图。

具体实施方式

图1中，按照功能划分，该发生器由气源部分、干气流量和湿气流量控制与测量部分、增湿饱和器、温度和压力测量部分、数据采集与控制部分以及电源部分组成。其中，湿度和压力测量部分可归属于数据采集与控制部分。

图2示出分流式标准湿度发生器的工作原理：发生器机箱内安装有增湿饱和器3和混合室4；氮气引入总管经一分支管与混合室4进口连接，该分支管上依次安装有电磁阀1a和质量流量控制器1，该总管的另一只支管一次安装电磁阀2a、质量控制流量器2和止逆阀2b后，与增湿饱和器3的进口连接，增湿饱和器3的出口经管路与混合室4进口连接，混合室出口经管路将用于仪器检定或校准含有标准湿度的气体引出机箱外。

***各组成部分如下：

1、气源部分

采用瓶装高纯氮气作气源。一般(即发生器机箱外的氮气引入总管上还依次安装有5A分子筛干燥管和烧结金属过滤器)高纯氮气的湿度小于5×10^-6(V/V)，再经内装5A分子筛的干燥管去除残余水分后可视为绝对干气，湿度为零。干燥氮气然后经烧结金属过滤器除去气体中可能含有的杂质微粒，以保护质量流量控制器。由于发生器机箱容量有限，干燥管和过滤器置于机箱外部，通过进气接口(φ6mm双卡套)，用不锈钢管或聚四氟乙烯管连接。

2、流量控制和测量部分

流量测量的准确度是分流式湿度发生器误差的主要来源。为保证流量控制和测量精度并实现计算机控制，采用质量流量控制器(MFC)控制各气路流量。该质量流量控制器的准确度为1％F.S，重复精度为0.2％F.S，流量控制范围是(2～100)％F.S(量程比为50:1)，输出信号为0～5V，流量为零时输出信号为0V，满量程时输出信号为5V。流量设定信号也为0～5V，分别对应零流量和满量程流量。工作电源为DC±15V。另有阀控线可实现阀关闭(阀控线接+15V电源)和阀清洗(阀控线接-15V电源)功能。为防止大流量范围的流量控制器在控制和测量小流量时出现误差过大的情况，实际使用的流量控制范围是(10～100)％F.S(量程比为10:1)，以进一步提高准确度。

干燥氮气进入发生器后，分为干燥气体和饱和湿气两路气流。干气流路采用一台量程为2SLM(标准升/分)的质量流量控制器进行控制和测量，使用流量范围为200～2000SCCM(标准毫升/分)。

为满足发生器的量程范围并保证准确度，饱和湿气又分为并联的三路气流，用三台质量流量控制器分段控制和测量其流量。氮气引入总管与增湿饱和器3进口之间还连接有两个分支管，且两个分支管上均依次安装有电磁阀、质量流量控制器和止逆阀。量程为5SCCM的质量流量控制器用于控制和测量0.5～5SCCM范围的流量，量程为50SCCM的质量流量控制器用于控制和测量5～50SCCM范围的流量，量程为500SCCM的质量流量控制器用于控制和测量50～500SCCM范围的流量。三路气流通常只有一路处于工作状态，另两路截止。

三路气流分别经质量流量控制器后，然后进入增湿饱和器。

为确保相应气路的完全关闭，在每台质量流量控制器前面加装一只电磁截止阀(即电磁阀)。当电磁截止阀关闭时，相应气路完全截止，流量为零，以保证气路间无相互干扰。

三只质量流量控制器的出口管路上均装有单向阀(即止逆阀)，以防止饱和器内的水回流而损坏质量流量控制器。

3、增湿饱和器(参见图3)

增湿饱和器是发生含有饱和水蒸气的湿气的装置，亦即使气流达到为水所饱和的状态，是湿度发生器的核心部件，其效率的高低直接影响湿度发生器的准确度。

本发生器的增湿饱和器为自行设计制作，采用鼓泡式原理工作。增湿饱和器呈圆柱状，内装去离子水。气流从饱和器下部经铜网分散进入饱和器内腔，在水中鼓泡而被水饱和，再从上部离开饱和器。饱和器内腔的水3c中装入洁净的纱布等亲水性物件，以进一步分散气流，提高饱和效率。

本发生器采用结构相同的两级饱和器串联方式工作，以确保足够高的饱和度率。前级为预饱和器，气流经预饱和器后基本达到饱和，再经后级饱和器完全达到饱和，从而防止在气流过大时饱和效率下降的问题。增湿饱和器3为结构相同的两台：其进口设置在底部，出口设置在顶部，内腔装填有用作为增湿材料的纱布、且进口上设置有铜网分散器3a、3d(筒体与筒顶及筒底之间设置有密封圈3b)；前级增湿饱和器的出口经管路与后级增湿饱和器的进口连接。

为防止气流带出雾沫，预饱和器内水位较高，后级饱和器内水位较低，并在后级饱和器上部出口处装设铜网过滤器3e(结构和铜网分散器3a一样)，以阻挡雾沫。

后级饱和器内设有温度传感器3g和压力传感器3f，用以测量增湿饱和器的工作参数。

流出增湿饱和器的饱和湿气通过混合室4(或三通)与干燥氮气混合成为标准湿气，通过出气接口(φ6双卡套)流出发生器，通过φ6聚四氟乙烯管引入受检仪器。

4、温度和压力测量部分

温度和压力测量部分由一支温度变送器和两支绝对压力变送器组成。

温度变送器用于测量增湿饱和器内的水温，以便计算饱和水蒸气压。该变送器的传感元件采用精度等级为1/3DIN B级的Pt1000铂电阻，转换电路部分精度为0.1％，量程为0℃～50℃，输出信号为0～5V。0℃时输出信号为0V，50℃时输出信号为5V。工作电压DC 24V。综合考虑，温度变送器的准确度可达0.1℃。

两支绝对压力变送器分别用于测量增湿饱和器内的绝对压力和大气压。压力变送器的准确度为0.2％F.S，量程为0～200kPa，工作电压DC24V，输出信号为0～5V。压力为零时输出信号为0V，满量程200kPa时输出信号为5V。

5、数据采集和控制部分

数据采集和控制部分由一块数据采集卡和一块继电器端子板组成。数据采集卡功能包括16路12位A/D信号转换、4路12位D/A信号转换，16路数字量输入(DI)和16路数字量输出(DO)，通过USB接口与计算机连接。16路继电器端子板接受数字量信号实现相应继电器的通断。

七路0～5V的电压信号(四台质量流量控制器输出的四路流量信号、温度变送器输出的一路温度信号以及两支压力变送器输出的两路压力信号)经两倍前级放大变成0～10V的电压信号，再经12位A/D转换成为0～4095的数字量，送入计算机由软件分析处理。

计算机送出的四路0～4095的数字量，经采集卡12位D/A转换后成为0～5V的电压信号，用于设定四台质量流量控制器的流量。

计算机发出的通断信号(共12路)，经采集卡数字量输出功能送出高、低电平，用于控制继电器端子板上相应继电器的通断，再继而控制四只电磁截止阀的通断和四台质量流量控制器的阀控功能(每台需用两只继电器控制)。

6、电源部分

本湿度发生器需由多种电压的直流电源供电。由于质量流量控制器对电源要求较高，要求电源纯净，电压波动不得大于5mV，一般市售开关电源无法满足要求，因此采用自行设计制作的线性稳压电源供电。220V市电经EML滤波、变压、整流、滤波、稳压等步骤成为稳定的直流电。经测试满负荷时纹波电压小于5mV，满足质量流量控制器对电源的要求。共提供4种电压：+24V电源给电磁截止阀、继电器端子板和温度、压力变送器供电；±15V电源向质量流量控制器供电；+5V电源用于数据采集卡的辅助供电，设有单独的电源开关。(通常数据采集卡可由计算机的USB接口供电，但如USB口输出电流不足导致采集卡不能正常工作，则可启用辅助供电。)

控制软件：

本湿度发生器完全采用计算机控制，除电源开关外，发生器上未设置手动开关、旋钮等操作部件。发生器通过USB电缆与计算机连接，由专门编制的软件控制发生器工作并计算流量、湿度等参数。

控制软件采用Microsoft Visual C# 2005语言编写，在Windows操作***上运行(需安装Microsoft.Net Framework 2.0)。

软件提供手动和自动两种控制方式。在手动控制方式下，可通过鼠标控制各电磁截止阀的通断、操作质量流量控制器以及输入各路设定流量值。质量流量控制器将自动控制气体流量为设定流量值。软件根据设定流量和实时采集到的温度、压力数据计算发生湿气的预设流量和湿度(以体积分数和露点温度两种单位表示)，同时根据采集到的实际流量和温度、压力数据计算发生湿气的实际流量和湿度。在质量流量控制器工作正常的情况下，实际流量等于或非常接近于设定流量，因此发生湿气流量和湿度的实际值等于或非常接近于设定值。在手动控制方式下，由于各路流量固定，当环境温度或压力变化从而导致增湿饱和器内的温度和压力发生变化时，输出湿气的湿度会相应有所变化(设定值和实际值均会变化)。

自动控制方式下，使用者不能直接操作电磁阀和质量流量控制器等元件，而是输入所需湿气的流量和湿度(可以为体积分数或露点温度)，软件通过计算自动选择气路并设定各路气的流量。在自动控制方式下，使用者只需给定所需的总流量和湿度即可，而无须关注各气路的流量分配(当然，从软件界面上仍可以知道各质量流量控制器和电磁截止阀的工作状态、参数)。当环境温度或压力发生变化时，软件会自动调整流量分配，从而保证发生的湿气湿度稳定。

湿度计算：

1、采集和控制信号的处理

计算机采集到的是12位的LSB数码，范围是0～4095，须先将其转换为电压值，再算出各信号值。

转换公式为V＝LSB×(5000/4096)，电压单位为mV。

同理，将电压(0～5000mV)转换为LSB的公式为LSB＝V/(5000/4096)。

0～5000mV的电压信号分别对应各传感器的量程范围。0mV对应量程下限(零流量、零压力或0℃)，5000mV对应量程上限(满量程流量、200kPa或50℃)。依此原则可通过电压信号计算出各信号的具体数值。

2、饱和水蒸气压的计算

饱和是一种动态平衡态，在该状态下，气相中的水蒸气浓度或密度保持恒定。在整个湿度的换算过程中，对于饱和水蒸气压公式的选取显得尤为重要。实用的饱和水蒸气压公式主要有Goff-Grattch公式和Wexler-Greenspan水气压公式。

(1)Goff-Grattch饱和水气压公式

从1947年起，世界气象组织就推荐使用Goff-Grattch的水气压方程。该方程是以后多年世界公认的最准确的公式。它包括两个公式，一个用于液-气平衡(水面)，另一个用于固-气平衡(冰面)。

对于水平面上的饱和水气压

${\mathrm{lge}}_w=10.79586(1-T_0/T)-5.02808\lg (T/T_0)$

$+1.50475\×{10}^{-4}[1-{10}^{-8.2969(T/T_0-1)}]$

$+0.42873\×{10}^{-3}\left[{10}^{4.76955(1-T_0/T)}\right]+0.78614$

式中，T₀为水三相点温度273.16K。

对于冰面上的饱和水气压

lge_i＝9.096936(1-T₀/T)-3.56654lg(T₀/T)+0.87682(1-T/T₀)+0.78614

以上两式为1966年世界气象组织发布的国际气象用表所采用。

(2)Wexler-Greenspan水气压公式

1971年，美国国家标准局的Wexler和Greenspan根据25～100℃范围水面上饱和水气压的精确测量数据，以克拉柏龙一克劳修斯方程为基础，结合卡末林-昂尼斯方程，经过简单的数学运算并参照试验数据作了部分修正，导出了0～100℃范围内水面上的饱和水气压的计算公式，该式的计算值与实验值基本符合。

${\ln e}_w=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i{T}^{i-1}+C_{n+1}\ln T$

式中常数项的个数n一般取4～8，例如n为4时，各项系数为：C₀＝-0.60436117×10⁴、C₁＝0.1893292601×10²、C₂＝-0.28244925×10^-1、C₃＝0.17250331×10^-4、C₄＝0.2858487×10。

(3)饱和水气压的简化公式

上述的饱和水气压公式被广泛使用，但二者都很复杂，不利于工程计算，特别是通过饱和水蒸气压计算水面温度的反向计算。为了简化计算，并保证足够的精度，本湿度发生器的控制软件采用了一组简化饱和水蒸气压公式。

对于水面饱和水蒸气压

lge_w＝(10.286t+661.23)/(t+237.3)

对于冰面饱和水蒸气压

lge_i＝12.5633-2670.59/(t+273.15)

通过计算机计算的0～50℃水面和-50～0℃冰面饱和水蒸气压数据显示，上述简化公式与Goff-Grattch和Wexler公式相比，其最大相对偏差小于0.2％。该精度完全满足分流式标准湿度发生器的需要。

3、发生湿气湿度的计算

设饱和湿气的流量为F_w，干气流量为F_d，增湿饱和器内温度为t，压力为p_s，大气压为p_a，则

饱和器内的水蒸气压为

p_W＝10^{(10.286t+661.23)/(t+237.3)}

饱和器内的体积分数湿度为

$V_s=\frac{p_W}{p_s-p_W}\×{10}^6$

发生湿气的体积分数湿度为

$V_r=\frac{V_s{F}_w}{F_w+F_d}$

发生湿气的露点温度(0℃以上)为

$T_d=\frac{661.13-237.3\lg (V_r{p}_a\×{10}^6)}{\lg (V_r{p}_a\×{10}^{-6})-10.286}$

若露点温度小于0℃时，则用以下公式：

$T_d=\frac{2670.59}{12.5633-\lg (V_r{p}_a\×{10}^{-6})}-273.15$

4、自动控制方式下流量的计算

使用者设定输出湿气的流量为F_t，体积分数湿度为V_r，则

$F_w=\frac{F_t{V}_r}{V_s}$

F_d＝F_t-F_w

若使用者设定的是输出湿气的露点温度T_d，则先将露点温度转换为体积分数。

露点温度大于等于0℃时：

$V_r=\frac{{10}^{(10.286T_d+661.23)/(T_d+237.3)}}{p_a}\×{10}^6$

露点温度小于0℃时：

$V_r=\frac{{10}^{12.5633-2670.59/(T_d+273.15)}}{p_a}\×{10}^6$

量程

本湿度发生器输出湿度的测量范围和流量有关，也和增湿饱和器的温度及大气压有关。增湿饱和器未设恒温装置，其温度基本相等于环境温度，一般可定为20℃。大气压取100kPa。增湿饱和器内的压力一般和大气压相差很小，也取100kPa。

理论上，在干气流量为最大2000SCCM，湿气流量为最小0.5SCCM的情况下，发生湿气的最小湿度约为6×10^-6，露点温度为-64℃，流量约为2000SCCM。当然要实际达到这么低的湿度非常困难，这需要对流路的材料、结构、密封性等作出特别优化的设计，而且***中残余水分的吹扫也是一件很困难的事情。氮气中本底水分的影响也不能够忽略。

理论上，当干气流量为零时，发生器发生饱和湿气，其相对湿度为100％，体积分数大于23000×10^-6，露点温度等于饱和器的温度，流量最大为500SCCM。为防止饱和湿气在管路中结露，通常输出的湿气相对湿度不应大于90％，体积分数约为20000×10^-6，相应的露点约为17.5℃，流量约为575SCCM。

在固定输出流量为1000SCCM的情况下，发生器可满足-55～9℃的测量范围，该范围完全满足电力行业各类湿度测量仪器检定、校准的需要。在输出湿度-55℃(20×10^-6)时，饱和湿气流量为0.9SCCM，干气流量为999.1SCCM；在输出湿度9℃(1148×10^-6)时，饱和湿气流量为491SCCM，干气流量为509SCCM。特殊情况下可通过改变输出流量来扩展量程。增大输出流量可降低下限，减小输出流量可提高上限。

Claims (7)

1、一种分流式标准湿度发生器，包括，数据采集与控制装置、电源电路、机箱，其特征是：所述机箱内安装有增湿饱和器(3)和混合室(4)；氮气引入总管经一分支管与混合室(4)进口连接，该分支管上依次安装有电磁阀(1a)和质量流量控制器(1)，该总管的另一分支管上依次安装电磁阀(2a)、质量流量控制器(2)和止逆阀(2b)后，与增湿饱和器(3)的进口连接，增湿饱和器(3)的出口经管路与混合室(4)进口连接，混合室出口经管路将用于仪器检定或校准、含有标准湿度的气体引出机箱外。

2、根据权利要求1所述分流式标准湿度发生器，其特征是：所述氮气引入总管与增湿饱和器(3)进口之间还连接有两个分支管，且两个分支管上均依次安装有电磁阀、质量流量控制器和止逆阀。

3、根据权利要求2所述分流式标准湿度发生器，其特征是：所述氮气引入总管与增湿饱和器(3)进口之间的三个分支管上的三个质量流量控制器的量程分别为5标准毫升/分：50标准毫升/分、500标准毫升/分；氮气引入总管与混合室(4)之间分支管上的质量流量控制器的量程为2标准升/分。

4、根据权利要求1或2或3所述分流式标准湿度发生器，其特征是：所述增湿饱和器(3)为结构相同的两台：其进口设置在底部，出口设置在顶部，内腔装填有用作为增湿材料的纱布、且进口上设置有铜网分散器；前级增湿饱和器的出口经管路与后级增湿饱和器的进口连接。

5、根据权利要求4所述分流式标准湿度发生器，其特征是：所述后级增湿饱和器内设置有温度传感器(3g)和压力传感器(3f)。

6、根据权利要求5所述分流式标准湿度发生器，其特征是：所述后级增湿饱和器的上部出口处设置有铜网过滤器(3e)。

7、根据权利要求6所述分流式标准湿度发生器，其特征是：所述机箱外的氮气引入总管上还依次安装有5A分子筛干燥管和烧结金属过滤器。

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