单压法标准湿度发生器的设计及不确定度评定

郑胜清，张 强，杨 逸

（江苏省计量科学研究院，南京 210007）

单压法标准湿度发生器的设计及不确定度评定

郑胜清，张 强，杨 逸

（江苏省计量科学研究院，南京 210007）

标准湿度发生器在湿度量传的过程中起到重要的作用。我们设计开发的标准湿度发生器采用单压法原理，使用某单位自主研制的压缩空气干燥器、分流法湿度发生器产生的气源，通过温度、压力、饱和器系统的合理设计，能够发生（-70℃～+20℃）露点范围的湿气气源，量值范围宽，准确度高。经过冷镜式精密露点仪的验证，结果表明装置满足我国湿度一级标准的技术指标。按照不确定度评定方法评定了装置的不确定度。

湿度发生器；饱和器；湿度不确定度；单压法

概述

标准湿度发生器是在一定的温度、压力下产生具有一定湿度的气体，用来校准湿度测量仪器（又称湿度计）的装置。为了满足校准溯源性的需要，很多国家实验室已经建立了各种类型的湿度发生器。其原理主要包括：单压法、双温双压法、分流法、扩散渗透法等。其中，分流法湿度发生器受到流量测量的限制，主要用于中、高湿范围，渗透法湿度发生器也受到气源干燥性和流量控制准确度的影响。

单压法和双温双压法湿度发生器，主要靠改变气体的温度、压力，通过准确测量温度、压力量值，根据相关公式，如国际公认的SONNTAG饱和水蒸气压公式，来计算出气体中的水份含量。这样露点就可以溯源至温度及压力这些物理量。由于主要受温度和压力测量的影响，而温度和压力现阶段的测量技术已达到很高的准确度，因此多数情况下是采用单压法和双压法湿度发生器既作为湿度源，也作为标准器，对湿度测量仪器进行检定或校准。

某单位研制的分流法湿度发生器能够提供准确度优于±0.5℃DP的气源，发生气源露点范围为（-70℃～+20℃），稳定性优于±0.05℃。参考单压法湿度发生器的原理，我们研制了一套标准湿度发生器，与上述分流法湿度发生器结合在一起，可替代精密露点仪作为一级标准器使用。另一方面，也将对现有的一级标准冷镜式精密露点仪的使用起到监督作用，及时发现问题，更好的保证量值传递的合理性。

1 装置设计开发

1.1 工作原理

设备参考单压法的原理，在现有分流法湿度发生器的出气口配备一套恒温装置及冷凝器，将冷凝器的温度设定为低于分流法湿度发生器所发生气体的露点温度，使得由分流法湿度发生器产生的气源通过冷凝器时，多余的水蒸汽以液态水或固态冰的形式冷凝下来，通过精确测量气体冷凝时的温度Ts和压力Ps，根据饱和水蒸气压公式，便可以准确的计算出由标准湿度发生器所提供的气体的露点Ts。流程见图1 。

发生器采用单压法原理设计，最重要的部分在于饱和器，即冷凝器和恒温槽的设计。考虑到恒温槽温度的不均匀性，饱和器体积应尽可能的小，但是饱和度尽可能的接近100%。恒温槽的测量范围和技术参数也应符合本项目的指标要求。进入冰（水）饱和器的气源，在到达出口之前，应经过充分冷凝，从而使出口气体的露点与饱和器的温度一致。饱和器的尺寸与许多独立的参数有关，包括进、出气温度、气体流量、冷凝水的多少、材料的导热系数等。进、出气口露点相差越大，冷凝水的量越多。为了让气体的热交换尽可能的充分，本装置设计了一定长度的螺旋形盘管，从而保证冰饱和器的饱和度。饱和器盘管选用了不锈钢材料，外径8mm，内径6mm。根据能量守恒原理，利用简单的热交换模型，管内流经的气体与管壁进行传热，气体放出的热量被管路吸收传递给制冷剂，同时，根据气体的进出口温度，从而能够求出某一段气体在管路中放出的热量，建立热平衡关系，从而计算出所需管路的长度。饱和器及恒温槽示意图见图2。

图1

此外，在气体流经饱和器出气口和被检仪器的进气口处，分别测量管路中的压力，从而精确得到系统的压力降，以便对产生露点进行修正。基于单压法原理，以及实测压力降的值优于10Pa，对露点的影响基本可以忽略不计。

1.2 不确定度评定

对于单压法湿度发生器，由于其直接实现露点，在理想状态下，出气口的露点应该等于恒温装置的温度。但是由于气体的饱和程度不可能是100%，冷凝器至出气口之间管路对水蒸气的吸附和脱附也不可能完全一样，以及流速对出气口露点的影响、拉乌尔效应、温度测量准确度、压力测量的准确度等的影响，为出气口的露点测量带来了不确定度。其中，温度和压力测量的准确度是比较容易确定，因为这两者直接受到现有测量技术的限制，可以直接计算出对发生露点的影响。

我们知道，在单压法湿度发生器系统中，按照理想气体状态方程，有如下方程：

其中es（Td）、es（Ts）、f（Ps,Ts）、f（PUUT,Td）、PUUT、Ps分别表示出气口露点温度Td对应的饱和水汽压、饱和器温度Ts对应的饱和水汽压、水蒸气在压力Ps和温度Ts下对应的增强因子、在压力PUUT和温度Td下对应的增强因子、测量室的压力、饱和器的压力。

根据SONNTAG公式，对水面来说，露点和饱和水汽压的关系如下：

对于冰面来说，

其中，ew(T)、ei(T)分别表示水面和冰面上的饱和水蒸气压，T表示露点/霜点温度，单位为K。

单压法标准湿度发生器出气露点的不确定度来源，主要由以下几部分组成，①饱和度，②温度测量，③压力测量，④吸附和解析，⑤污染物等。

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饱和度引入的不确定度，根据实验结果，优于0.02℃；温度测量部分，包括标准铂电阻测温不确定度、恒温槽的不均匀性、温度显示部分的分辨率等；压力测量部分，包括测量饱和器压力的压力传感器引入的不确定度、压力显示装置的分辨率、出气口即连接被检仪器测量室的测压不确定度、压力降引入的不确定度；水蒸气的泄露和解析、污染等引入的不确定度由参考文献给出的数值直接引用。

图2 饱和器及恒温槽示意图

为了尽可能的满足装置的预期指标，选用了准确度等级较高的HART公司的二等标准铂电阻和GE公司绝压变送器。其中二等标准铂电阻温度计，其扩展不确定度为0.01℃（k=3），标准不确定度为0.01/3=0.0034℃。选用压力变送器的扩展不确定度为0.025%（k=3），其标准不确定度为0.025%/3＝0.0083%。

恒温装置的不均匀性为0.02℃，按均匀分布，计算其标准不确定度为0.02/1.73＝0.012℃。

压力在101.325kPa左右时，根据公式1～3，计算得出压力不确定度对露点的影响为0.004℃（评估20℃露点时得出的结论，因为该露点受压力测量的影响最大，其他点均优于该数据）。

以露点-70℃为例，计算不确定度如表1所示。

表1 不确定度

2 实验结果

由DP30精密露点仪对装置的准确度进行了比对测量，每个月测量一次，分别记录每次的偏差数据，不同测量点在不同时间下的测量结果见图3。

结果证明单压法标准湿度发生器的技术参数能够符合项目预期实现的目标，稳定性良好，且满足我国湿度量传系统中对一级标准器的要求即：露点的发生范围为（-70℃～+20℃）DP，在-70℃～-50℃DP之间，最大允差优于±0.3℃DP，-50℃～-20℃DP之间，最大允差优于±0.2℃DP，在-20℃～+20℃DP之间，最大允差优于±0.15℃DP。

图3 测量结果

[1] 李英干, 范金鹏. 湿度测量[M ] .北京: 气象出版社, 1990.

[2] JJF 1059 - 1999, 测量不确定度评定与表示[S].

[3] C W Meyer, W W Miller, D C Ripple, and G E Scace DESIGN AND PERFORMANCE OF THE NEW NIST HYBRID HUM IDITY GENERATOR ，Published in Proceedings of NCSLI 2008 Workshop and Symposium (Boulder, CO:NCSLI, 2008), on CD

[4] 张文东等.标准露点发生装置的研制[J].上海计量测试,1995.6.

[5] 易洪. 湿度测量的新进展及发展趋势[J].中国计量 . 2007.2.

[6] Martti Heinonen UNCERTAINTY IN HUM IDITY MEASUREMENTS，PUBLICATION OF THE EUROMET WORKSHOP P758 J4/2006.

Design and Uncertainty Evaluation of Single Pressure Method Standard Humidity Generator

ZHENG Sheng-qing，ZHANG Qiang，YANG Yi
（Jiangsu Institute of Metrology, Nanjing 210007）

This paper is mainly concerned with theice flashover character istic under lighticing condition. According to the plate model with hydrophobic surface, the effect of impact factors, including gaplength, gap position and dist ribution, melting time and pollution level, on the ice flashover process were analyzed. It was found that gaps due to non-uni formicing initiated the partialarcs. It was shown in Ucurve between gap length and ice flashover vol tage, and gaps closed to the elect rode were more inclined to be suffered. Melting time showed a U curve trend with the ice flashover vol tage due to the variation of melting water film resistance. However, pollution level was in positive relationship withice flashover voltage, and flashover channel were always occur red in the contamination-ice inter face. Finally, according to the experiment in the artificial climate chamber, partial arcs were always initiated along the rod and lower surface of shed which could be hardlyiced, and there was an decreasing trend betweenice flashover vol tage and pollution level.

composite insulator; icing; flashover; space; contamination

TM855

A

1004-7204（2014）03-0055-04

郑胜清（1981－ ），女，江苏南京人，江苏省计量科学研究院，本科，主要从事湿度计量检测。