安永利

【摘要】為了更好地做好濕度傳感器校準(zhǔn)工作，遼寧省計量科學(xué)研究院與相關(guān)科研部門基于分流法的原理，合作研制了一種分流法濕度發(fā)生器。本裝置具有溫度范圍寬、準(zhǔn)確度較高、使用方便等優(yōu)點，非常適合對濕度相關(guān)產(chǎn)品檢定量繁重的科研院所和計量單位，同時也為國內(nèi)濕度校準(zhǔn)實驗室選擇濕度發(fā)生器提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】濕度發(fā)生器;分流法;相對濕度

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2022.03.026

Development of Mixed-flow Humidity Generator

AN Yong-li

（Liaoning Institute of Measurement，Shengyang 110004，China）

Abstract：In order to test the Humidity Sensor better，Liaoning Institute of Measurement has made one kind of mixed-flow humidity generator with one scientific research institution. This device has wide temperature range and high accuracy，it is easy to operate. It is suitable for research institutions and measurement institutions which have a lot of humidity related products to test. At the same time，it also provides a reference basis for domestic humidity calibration laboratories to select humidity generator.

Key words：humidity generator;mixed-flow;relative humidity

1引言

由于濕度與醫(yī)藥、電子、化工、電力等相關(guān)行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量及安全有重要關(guān)系，因此在許多場合需要使用濕度計、濕度傳感器以及露點儀來進(jìn)行過程參數(shù)的監(jiān)控及環(huán)境監(jiān)控。這些儀器的準(zhǔn)確度需要通過定期或不定期的檢定或校準(zhǔn)來提供保證。在檢定時一般需要使用濕度發(fā)生器來提供具有穩(wěn)定的溫度及濕度的氣流，并配以精密露點儀作為標(biāo)準(zhǔn)器來進(jìn)行該類儀器的檢定及校準(zhǔn)工作。

目前，濕度發(fā)生器的生產(chǎn)公司及產(chǎn)品型號眾多，采用分流法原理生產(chǎn)的相對濕度發(fā)生器有：美國GE公司的Humilab，英國MICHELL公司的HG-1，HG-10，瑞士ROTRONIC的HygroGen;采用雙壓法原理生產(chǎn)的相對濕度發(fā)生器有：美國Thunder的2500，奧地利E+E公司的HUMOR10-20等。但這些濕度發(fā)生器的價格較高，并且其發(fā)生氣體的溫度或濕度不能滿足濕度傳感器校準(zhǔn)規(guī)范中對濕度傳感器所發(fā)生氣體的溫度或濕度的要求。采用國外生產(chǎn)的濕度發(fā)生器時經(jīng)常容易產(chǎn)生各種問題，如在國外產(chǎn)品報價中有的不含恒溫水浴;有的不含露點儀;采用電容法濕度傳感器作為測量及控制系統(tǒng)時需定期進(jìn)行校準(zhǔn)，不能作為標(biāo)準(zhǔn)計量器具進(jìn)行量值傳遞，而且校準(zhǔn)傳感器時要將被檢傳感器置于氣室中來進(jìn)行校準(zhǔn)，因此需要較大的流量以避免外界空氣溫濕度的干擾。

為了解決上述問題，遼寧省計量科學(xué)研究院與相關(guān)科研部門合作研制了一種濕度發(fā)生器，專為濕度校準(zhǔn)實驗室檢定及校準(zhǔn)濕度傳感器而設(shè)計。該裝置含有恒溫水浴，并且使用方法簡單，符合國家濕度傳感器校準(zhǔn)規(guī)范對濕度發(fā)生器的要求。若配置擴(kuò)展不確定度為0.1℃或0.2℃的露點儀，以及擴(kuò)展不確定度為0.1℃的溫度計，可達(dá)到一級或二級濕度標(biāo)準(zhǔn)計量器具的要求。

該裝置在檢定傳感器時，氣室與傳感器可以做到較好的密封，因此受外界空氣溫濕度的影響較小，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度較高，使用方便，并可同時檢定或校準(zhǔn)8只濕度傳感器。遼寧省計量科學(xué)研究院研制的這款裝置工作效率高，所需費用比國外同類產(chǎn)品的低，具有較高的性價比。

各個公司濕度發(fā)生器的性能指標(biāo)比對情況詳見表1。

2分流法濕度發(fā)生器工作原理

分流法濕度發(fā)生器工作原理為：將一股干氣按比例準(zhǔn)確地分為兩股，其中一股干氣經(jīng)過換熱后進(jìn)入飽和器成為飽和濕氣，另一股則經(jīng)過換熱后仍為干氣，與上一股已經(jīng)達(dá)到飽和的濕氣經(jīng)過一定比例混合均勻后進(jìn)入測試室，通過調(diào)節(jié)兩股氣流的流量比例，即可獲得不同相對濕度的樣氣。

校準(zhǔn)濕度傳感器時，由濕度發(fā)生器產(chǎn)生穩(wěn)定的具有一定濕度的氣源，利用精密露點儀及溫度計測得露點值及溫度值。根據(jù)相對濕度的定義，通過公式計算得到準(zhǔn)確的相對濕度值，將該值作為標(biāo)準(zhǔn)值來校準(zhǔn)濕度傳感器。該標(biāo)準(zhǔn)值可溯源至精密露點儀及標(biāo)準(zhǔn)溫度計。

濕度傳感器校準(zhǔn)方法原理如圖1所示。

分流法濕度發(fā)生器能夠提供連續(xù)、快速、均勻變化的濕度環(huán)境場，在對傳感器進(jìn)行動態(tài)特性測試的場合中使用時有比較明顯的優(yōu)勢。分流法濕度發(fā)生器應(yīng)用比較普遍，這是因為分流法濕度發(fā)生裝置所提供濕度量值的準(zhǔn)確度相對較高，制造成本較低且能夠快速提供不同濕度范圍的樣氣。

分流式濕度發(fā)生器流程簡圖如圖2所示。

3主要內(nèi)容

3.1技術(shù)指標(biāo)

溫度范圍：5～60℃;溫度穩(wěn)定性：±0.05℃;濕度發(fā)生范圍：5%RH～95%RH;濕度偏差：±1.0%RH;露點范圍：-30～60℃;露點穩(wěn)定性：±0.1℃。

3.2技術(shù)方案

3.2.1氣源

采用普氮、高純氮氣鋼瓶或干燥后的壓縮空氣作氣源。發(fā)生器所能發(fā)生濕度的最低限值取決于壓縮氣體的濕度，若不能達(dá)到要求可選擇干燥管，以達(dá)到要求。

3.2.2管路及閥門

所有管路及閥門均為進(jìn)口產(chǎn)品，采用計量閥來調(diào)整兩股氣流的流量，可以做到流量穩(wěn)定，最終通過露點儀及標(biāo)準(zhǔn)溫度計來進(jìn)行測量，然后通過計算定值。

3.2.3飽和器

這里采用的是“迷宮”式飽和器。氣體從管的一端分三路進(jìn)入互相隔離的螺旋形通道。通道位于水面的上方。飽和器的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于氣流的導(dǎo)流板，使氣體不斷折回水面，從而有足夠的機(jī)會同水接觸。被飽和的氣體從管的另一端排出“迷宮”式飽和器原理如圖3所示。

該濕度發(fā)生器飽和效率較高，濕度發(fā)生范圍從5%RH～95%RH。當(dāng)然，在滿足要求的條件下，也可以采用其他形式的飽和器。

3.2.4恒溫裝置

分流法濕度發(fā)生器的原理是一股飽和氣與一股干氣混合產(chǎn)生具有一定的溫度及濕度的氣流，所發(fā)生的氣流的溫度及濕度穩(wěn)定性受飽和器的溫度影響較大。因此恒溫水浴的波動度一定要小。本裝置所選水浴的制冷系統(tǒng)及控溫系統(tǒng)等關(guān)鍵部件均采用進(jìn)口產(chǎn)品，水浴內(nèi)徑500 mm，控溫范圍5～60℃，水平溫差0.01℃，垂直溫差0.02℃，溫度波動度±0.015℃，完全滿足相關(guān)校準(zhǔn)規(guī)范的要求。

3.2.5測試裝置

測試裝置專為濕度傳感器的校準(zhǔn)而設(shè)計，分混合室和測試室兩部分?；旌鲜沂铅?0×200的圓柱體，有兩個進(jìn)氣孔，一個排氣孔，氣孔接頭選擇1/4英寸接頭，混合室腔體要求內(nèi)拋光。測試室有多個密封接口，同時備有多個尺寸的密封墊，可以校準(zhǔn)不同尺寸的濕度傳感器，并最多可同時檢定8只濕度傳感器，工作效率較高。被試傳感器與測試室要做到較好的密封。整個測試裝置采用材料為316不銹鋼制成，接口尺寸為1/4英寸，在常溫常壓下的氦氣檢漏率為1×10^-6STD·mL/s。

4需要注意和改進(jìn)的地方

用單個氮氣鋼瓶做氣源時，氣壓不足應(yīng)及時更換。因為氣壓不足時，干燥氣源本身濕度波動較大，影響出氣質(zhì)量。這是所有濕度發(fā)生器共同的問題。建議用干燥后的壓縮空氣作氣源。如果用氣瓶最好把多個鋼瓶并聯(lián)使用，并及時更換。

進(jìn)行高濕校準(zhǔn)時要注意環(huán)境溫度的影響。尤其是高溫高濕時，環(huán)境溫度低于工作室溫度，被測樣品表面會有結(jié)露現(xiàn)象，這是正常的，此時應(yīng)適當(dāng)延長試驗時間。

該裝置的計量閥調(diào)整為手動操作，存在人為影響，如果強(qiáng)調(diào)重復(fù)性，需要反復(fù)調(diào)整，適當(dāng)延長試驗時間;如果把計量閥改為質(zhì)量流量計，采集數(shù)字信號再用程序?qū)崿F(xiàn)微機(jī)控制，不但能提高重復(fù)性，還能提高工作效率。

目前該裝置的氣體輸出是10L/min，完全可以滿足大多數(shù)實驗室工作需要。如果需要更多的排氣量，還需試驗改進(jìn)。

5未來展望

該裝置與精密露點儀配套使用，成功實現(xiàn)了在溫度5～60℃條件下，濕度傳感器的校準(zhǔn)工作，對濕度計量檢定和濕度傳感器制造及應(yīng)用企事業(yè)單位有一定的參考價值。未來如果把恒溫裝置的介質(zhì)換成低溫介質(zhì)，把制冷系統(tǒng)改成復(fù)疊式，保溫層做特殊處理，采集數(shù)字信號實現(xiàn)微機(jī)控制，則可實現(xiàn)低溫條件下的濕度校準(zhǔn)。這是一個新的領(lǐng)域，還需要大量的實驗來驗證。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張學(xué)范，崔劍，辛宗偉，等.一體化濕度校準(zhǔn)裝置的研制[J].化學(xué)分析計量，2016，25（1）：95-98.

[2]蘇娜.分流法便攜式濕度發(fā)生器的研究與設(shè)計[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2020.