温湿度检定箱的自控装置

崔体运 张文东 沈淘淘 张勇/上海市计量测试技术研究院

温湿度检定箱的自控装置

崔体运 张文东 沈淘淘 张勇/上海市计量测试技术研究院

在满足JJG 205-2005规程技术要求的情况下，对已有温湿度检定箱加装自动控制装置。 这项改进不仅节省了购置新设备的资金，同时还为温湿度检定箱增加了保护程序，摒除了人为操作温湿度检定箱的失误，提高工作效率，满足客户多元化的需求。

温湿度检定箱；自动控制

0 引言

各类机械式温湿度计和数字式温湿度计使用越来越广泛，已经遍及工农业、国防、科技等各领域，同时对于温湿度参数的准确度要求也越来越高。温湿度检定箱作为用于检定/校准机械式温湿度计和数字式温湿度计的重要配套设备，其均匀性和稳定性对于检测结果的准确度有着极其重要的影响。

目前送检的各类温湿度计检测数量大幅度增加。为了满足社会日益增长的检测需求，需要购置温湿度检定箱或者对目前的箱子进行升级改造，提高工作效率。考虑到国际先进品牌的温湿度检定箱的采购成本高昂、国内产品质量参差不齐以及实验室场地等问题，故对已有XLS-Ⅲ型温湿度检定箱加装自控装置，提高其工作效率。

1 方案

1.1 温湿度检定箱工作原理

温湿度检定箱从工作原理上来分主要有两大类，一类是加热蒸汽加湿、制冷去湿法，另一类是通过双温法。XLS-Ⅲ型温湿度检定箱采用双温法工作原理，双温分别为箱体内气体温度和气体流经其表面的水温。由于水温不同，其水面饱和状态下含有水蒸气的量不同，导致气体流经表面带走的水蒸气量不同，以此来控制温湿度。

1.2 自控装置的方案设计

分析整个自动控制过程，结合温湿度箱的出厂设置，对系统输入量与输出量做了设定，见图1。温湿度控制模块型号为C8051，数据采集传输采用485数据通信。此套温湿度控制系统以自动计算设定温湿度值，并发出指令至执行机构完成操作。整个过程自动化完成，排除人为操作失误的影响。

图1 控制模块输入量与输出量设计

自控装置的设计主要基于以下两个方面。

1.2.1 相对湿度与露点关系的理论基础

相对湿度是指空气中水蒸气的摩尔分数与相同温度（T）、压力（p）下纯水表面饱和水蒸气的摩尔分数之比，用百分数表示。

式中：e—水蒸气分压，Pa；

ew—饱和水蒸气压，Pa

相对湿度越小，就表示是空气离饱和态越远，尚有吸收更多水蒸气的能力，即空气越干燥，吸收水蒸气能力越强；反之，相对湿度越大，吸收水蒸气能力越弱，即空气越潮湿。相对湿度反映了湿空气中水蒸气含量接近饱和的程度，故又称饱和度。

饱和水蒸气压即湿空气处于露点温度或霜点温度（饱和状态时）时水蒸气所占的分压值。采用Michell Instrument Ltd 中使用的饱和水蒸气压计算公式，一组是简化的，一组是复杂的。

结合温湿度检定箱实际情况，仅考虑在水面上，采用简化公式如下：

其中温度范围：-45～60 ℃；不确定度小于0.6%，置信空间95%。

露点计算公式是将求饱和水蒸气压简化公式中的温度值反推，反推公式如下：

在-45～60 ℃温度范围内，露点温度td的不确定度为0.04 ℃。

1.2.2 露点计算值与喷淋水温度关系的大量实验数据

双温法温湿度检定箱其实就是控制喷淋水温度，通过设定值控制系统自动计算出目标湿气的露点值，而露点值作为控制系统的一个中间量，必须转化为喷淋水温度才能实现对湿度的控制，为此进行了一系列实验。部分实验数据见表1。

表1 不同箱体温度下水箱温度与露点温度对照表

由于实验数据量比较大，分别采用了线性、非线性两种方式进行拟合。经过计算线性拟合得到的公式，在部分情况下误差较大，故采用了非线性拟合。期间对三项式与二项式拟合结果进行了对比，两者之间误差都不大于±0.1 ℃，结合控制模块的情况，采用了计算较为简单快捷的二项式拟合结果，其误差结果见表2。

20 ℃时，拟合公式：

T水箱= -0.005 7T2露点+1.343 4T露点-5.248 9

30 ℃时，拟合公式：

T水箱= -0.006 8T2露点+1.458 2T露点-7.952 6

如果设定其他箱体温度t（介于20～30 ℃）下的湿度，露点与水箱温度的计算采用插值法，可得t温度下水箱温度设定值为

Tt= T20+ 0.1（T30- T20）（t - 20）

表2 拟合结果与实际值误差表

1.3 自动控制流程

首先将Michell Optidew Vision露点仪设置到REMOTE状态，箱体温度、水箱温度、环境露点传感器仪表通信自检，如果有通信故障启动报警，返回“通信故障”提示；结合温湿度检定箱的出厂配置情况，为了保护设备安全高效运行，对箱体温度、水箱温度的工作温度做了限制，同时环境露点对温湿度检定箱的工作环境做了监测，如果超出范围则报警，并提示“仪器故障”。

以上均为自动控制装置工作前的自我监测与保护，如果无异常，则进入设定模式，设定所需要的温度与湿度值。初始化状态为：水箱阀板切换至低湿通道；设定箱体温度值20.0 ℃；设定水箱温度值2.8 ℃；设定相对湿度值40%RH。

通过控制面板，分别设定箱体温度与相对湿度，控制模块根据设定值计算出目标湿气的露点值，再次通过露点值与喷淋水温度的关系式，转化为对喷淋水温度的设定，完成双温法控制循环。

高低湿通道的切换遵循以下原则：高湿低湿通道的切换取决于环境湿度的高低与温湿度检定箱的设定湿度值，如果需要发生的湿气露点值高于环境露点值2 ℃DP，通道处于高湿通道；否则处于低湿通道。

2 自控装置的检测

2.1 控制误差

通过控制面板设定箱体温度与相对湿度值，经过一系列实验得到自控装置控制误差实验数据，见表3。

从实验结果可以看出，加装自动控制装置的温湿度检定箱控制误差：湿度≤0.3%RH，温度基本无误差。

2.2 温湿度检定箱均匀度与波动度

温湿度检定箱作为温湿度计检定装置的辅助设备，温湿度的均匀度与波动度是衡量其性能的重要指标。按照JJG 205-2005《机械式温湿度计》附录D 《温湿度检定箱的温湿度均匀度、波动度测试方法》，分别对改造前后温湿度检定箱的均匀性与波动度进行检测。检测设备为rotronic精密温湿度记录仪，检测前后于同一套标准湿度发生器内校准，消除彼此间的测量误差。温湿度检定箱均匀度与波动度检测结果见表4。

表3 自控装置控制误差实验数据

表4 温湿度检定箱均匀度与波动度检测结果

检测结果显示，XLS-Ⅲ型温湿度检定箱是否加装自控装置均满足JJG 205-2005对温湿度检定箱的技术指标。

3 结语

通过对XLS-Ⅲ型温湿度检定箱加装自动控制装置，在满足JJG 205-2005对温湿度检定箱的技术要求之外，同加装自控装置之前相比还有以下几个方面的改进：

1）摒除人为操作失误的因素，提高温湿度检定箱工作效率。

2）程序中设置了保护参数，如温湿度参数设定超限返回预警信息。

3）节省了大量资金。国外生产的一台自控的温湿度箱售价普遍在50万元左右，本装置费用不超过20万元，同时性能指标满足要求。

本装置经过长时间运行，能够稳定、高效地工作，可以考虑推广。

[1]李英干,范金鹏.湿度测量[M].北京：气象出版社, 1990.

[2]张文东.空气流速和自热效应对湿度传感器测量准确度的影响[J].上海计量试,2012.3∶36-39.

[3]杨世铭，陶文铨. 传热学，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