崔體運 張文東 沈淘淘 張勇/上海市計量測試技術研究院

溫濕度檢定箱的自控裝置

崔體運 張文東 沈淘淘 張勇/上海市計量測試技術研究院

在滿足JJG 205-2005規(guī)程技術要求的情況下，對已有溫濕度檢定箱加裝自動控制裝置。 這項改進不僅節(jié)省了購置新設備的資金，同時還為溫濕度檢定箱增加了保護程序，摒除了人為操作溫濕度檢定箱的失誤，提高工作效率，滿足客戶多元化的需求。

溫濕度檢定箱；自動控制

0 引言

各類機械式溫濕度計和數(shù)字式溫濕度計使用越來越廣泛，已經(jīng)遍及工農業(yè)、國防、科技等各領域，同時對于溫濕度參數(shù)的準確度要求也越來越高。溫濕度檢定箱作為用于檢定/校準機械式溫濕度計和數(shù)字式溫濕度計的重要配套設備，其均勻性和穩(wěn)定性對于檢測結果的準確度有著極其重要的影響。

目前送檢的各類溫濕度計檢測數(shù)量大幅度增加。為了滿足社會日益增長的檢測需求，需要購置溫濕度檢定箱或者對目前的箱子進行升級改造，提高工作效率?？紤]到國際先進品牌的溫濕度檢定箱的采購成本高昂、國內產(chǎn)品質量參差不齊以及實驗室場地等問題，故對已有XLS-Ⅲ型溫濕度檢定箱加裝自控裝置，提高其工作效率。

1 方案

1.1 溫濕度檢定箱工作原理

溫濕度檢定箱從工作原理上來分主要有兩大類，一類是加熱蒸汽加濕、制冷去濕法，另一類是通過雙溫法。XLS-Ⅲ型溫濕度檢定箱采用雙溫法工作原理，雙溫分別為箱體內氣體溫度和氣體流經(jīng)其表面的水溫。由于水溫不同，其水面飽和狀態(tài)下含有水蒸氣的量不同，導致氣體流經(jīng)表面帶走的水蒸氣量不同，以此來控制溫濕度。

1.2 自控裝置的方案設計

分析整個自動控制過程，結合溫濕度箱的出廠設置，對系統(tǒng)輸入量與輸出量做了設定，見圖1。溫濕度控制模塊型號為C8051，數(shù)據(jù)采集傳輸采用485數(shù)據(jù)通信。此套溫濕度控制系統(tǒng)以自動計算設定溫濕度值，并發(fā)出指令至執(zhí)行機構完成操作。整個過程自動化完成，排除人為操作失誤的影響。

圖1 控制模塊輸入量與輸出量設計

自控裝置的設計主要基于以下兩個方面。

1.2.1 相對濕度與露點關系的理論基礎

相對濕度是指空氣中水蒸氣的摩爾分數(shù)與相同溫度（T）、壓力（p）下純水表面飽和水蒸氣的摩爾分數(shù)之比，用百分數(shù)表示。

式中：e—水蒸氣分壓，Pa；

ew—飽和水蒸氣壓，Pa

相對濕度越小，就表示是空氣離飽和態(tài)越遠，尚有吸收更多水蒸氣的能力，即空氣越干燥，吸收水蒸氣能力越強；反之，相對濕度越大，吸收水蒸氣能力越弱，即空氣越潮濕。相對濕度反映了濕空氣中水蒸氣含量接近飽和的程度，故又稱飽和度。

飽和水蒸氣壓即濕空氣處于露點溫度或霜點溫度（飽和狀態(tài)時）時水蒸氣所占的分壓值。采用Michell Instrument Ltd 中使用的飽和水蒸氣壓計算公式，一組是簡化的，一組是復雜的。

結合溫濕度檢定箱實際情況，僅考慮在水面上，采用簡化公式如下：

其中溫度范圍：-45～60 ℃；不確定度小于0.6%，置信空間95%。

露點計算公式是將求飽和水蒸氣壓簡化公式中的溫度值反推，反推公式如下：

在-45～60 ℃溫度范圍內，露點溫度td的不確定度為0.04 ℃。

1.2.2 露點計算值與噴淋水溫度關系的大量實驗數(shù)據(jù)

雙溫法溫濕度檢定箱其實就是控制噴淋水溫度，通過設定值控制系統(tǒng)自動計算出目標濕氣的露點值，而露點值作為控制系統(tǒng)的一個中間量，必須轉化為噴淋水溫度才能實現(xiàn)對濕度的控制，為此進行了一系列實驗。部分實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同箱體溫度下水箱溫度與露點溫度對照表

由于實驗數(shù)據(jù)量比較大，分別采用了線性、非線性兩種方式進行擬合。經(jīng)過計算線性擬合得到的公式，在部分情況下誤差較大，故采用了非線性擬合。期間對三項式與二項式擬合結果進行了對比，兩者之間誤差都不大于±0.1 ℃，結合控制模塊的情況，采用了計算較為簡單快捷的二項式擬合結果，其誤差結果見表2。

20 ℃時，擬合公式：

T水箱= -0.005 7T2露點+1.343 4T露點-5.248 9

30 ℃時，擬合公式：

T水箱= -0.006 8T2露點+1.458 2T露點-7.952 6

如果設定其他箱體溫度t（介于20～30 ℃）下的濕度，露點與水箱溫度的計算采用插值法，可得t溫度下水箱溫度設定值為

Tt= T20+ 0.1（T30- T20）（t - 20）

表2 擬合結果與實際值誤差表

1.3 自動控制流程

首先將Michell Optidew Vision露點儀設置到REMOTE狀態(tài)，箱體溫度、水箱溫度、環(huán)境露點傳感器儀表通信自檢，如果有通信故障啟動報警，返回“通信故障”提示；結合溫濕度檢定箱的出廠配置情況，為了保護設備安全高效運行，對箱體溫度、水箱溫度的工作溫度做了限制，同時環(huán)境露點對溫濕度檢定箱的工作環(huán)境做了監(jiān)測，如果超出范圍則報警，并提示“儀器故障”。

以上均為自動控制裝置工作前的自我監(jiān)測與保護，如果無異常，則進入設定模式，設定所需要的溫度與濕度值。初始化狀態(tài)為：水箱閥板切換至低濕通道；設定箱體溫度值20.0 ℃；設定水箱溫度值2.8 ℃；設定相對濕度值40%RH。

通過控制面板，分別設定箱體溫度與相對濕度，控制模塊根據(jù)設定值計算出目標濕氣的露點值，再次通過露點值與噴淋水溫度的關系式，轉化為對噴淋水溫度的設定，完成雙溫法控制循環(huán)。

高低濕通道的切換遵循以下原則：高濕低濕通道的切換取決于環(huán)境濕度的高低與溫濕度檢定箱的設定濕度值，如果需要發(fā)生的濕氣露點值高于環(huán)境露點值2 ℃DP，通道處于高濕通道；否則處于低濕通道。

2 自控裝置的檢測

2.1 控制誤差

通過控制面板設定箱體溫度與相對濕度值，經(jīng)過一系列實驗得到自控裝置控制誤差實驗數(shù)據(jù)，見表3。

從實驗結果可以看出，加裝自動控制裝置的溫濕度檢定箱控制誤差：濕度≤0.3%RH，溫度基本無誤差。

2.2 溫濕度檢定箱均勻度與波動度

溫濕度檢定箱作為溫濕度計檢定裝置的輔助設備，溫濕度的均勻度與波動度是衡量其性能的重要指標。按照JJG 205-2005《機械式溫濕度計》附錄D 《溫濕度檢定箱的溫濕度均勻度、波動度測試方法》，分別對改造前后溫濕度檢定箱的均勻性與波動度進行檢測。檢測設備為rotronic精密溫濕度記錄儀，檢測前后于同一套標準濕度發(fā)生器內校準，消除彼此間的測量誤差。溫濕度檢定箱均勻度與波動度檢測結果見表4。

表3 自控裝置控制誤差實驗數(shù)據(jù)

表4 溫濕度檢定箱均勻度與波動度檢測結果

檢測結果顯示，XLS-Ⅲ型溫濕度檢定箱是否加裝自控裝置均滿足JJG 205-2005對溫濕度檢定箱的技術指標。

3 結語

通過對XLS-Ⅲ型溫濕度檢定箱加裝自動控制裝置，在滿足JJG 205-2005對溫濕度檢定箱的技術要求之外，同加裝自控裝置之前相比還有以下幾個方面的改進：

1）摒除人為操作失誤的因素，提高溫濕度檢定箱工作效率。

2）程序中設置了保護參數(shù)，如溫濕度參數(shù)設定超限返回預警信息。

3）節(jié)省了大量資金。國外生產(chǎn)的一臺自控的溫濕度箱售價普遍在50萬元左右，本裝置費用不超過20萬元，同時性能指標滿足要求。

本裝置經(jīng)過長時間運行，能夠穩(wěn)定、高效地工作，可以考慮推廣。

[1]李英干,范金鵬.濕度測量[M].北京：氣象出版社, 1990.

[2]張文東.空氣流速和自熱效應對濕度傳感器測量準確度的影響[J].上海計量試,2012.3∶36-39.

[3]楊世銘，陶文銓. 傳熱學，4 版[M].北京∶高等教育出版社,2006.

Automatic control device for temperature and humidity test chamber

Cui Tiyun, Zhang Wendong, Shen Taotao, Zhang Yong
（Shanghai Insitute of measurement and Testing Technology）

The temperature and humidity test chamber was equipped with automatic control, which meets technical requirements of JJG 205-2005. It not only saved the initial cost of purchasing new equipment, but also added the protection program for the temperature and humidity test chamber to exclude the issues which were caused by manual operation. This improvement improved work efficiency, and can meet the diversified customer requirements.

Temperature and humidity test chamber;automatic control