一体化湿度校准装置的研制

张学范，崔剑，辛宗伟，蔡晨，荀其宁，刘运峰

（中国兵器工业集团第五三研究所，济南 250031）



一体化湿度校准装置的研制

张学范，崔剑，辛宗伟，蔡晨，荀其宁，刘运峰

（中国兵器工业集团第五三研究所，济南 250031）

摘要介绍一体化湿度校准装置的原理、实现方法和性能特点。根据分流法原理研制湿度发生单元，根据露点法原理研制湿度控制单元，通过软硬件系统实现闭环控制，组成一体化的湿度校准装置。对其测量不确定度进行了评定，在露点-50～20℃范围内，扩展不确定度U=0.3℃（k=2）；在露点-70～-50℃范围内，扩展不确定度U=0.5℃（k=2）。该装置具有自动化程度高、量值准确可靠、平衡时间短、便于移动或携带等特点，能够扩展分流法湿度发生器的应用领域。

关键词湿度；露点；发生器；校准

湿度用于表示气体中的水分含量，在航天、航空、兵器、核能、船舶、电子等行业的武器装备研制、生产、储存过程中是一项重要的计测参数。运载火箭、舰载导弹、岸舰导弹等对所用高压气体的露点有严格的指标要求，如果气体露点过高，可能在系统中产生“冰堵”现象，导致火箭发动机停机或制导系统失灵，将造成严重的事故。在国防系统的武器装备仓库、洞库、导弹竖井等国防工程及环境试验、火炸药及军用电子器件的生产制造过程中均需对环境湿度进行测控，湿度过高对军工产品质量将产生不利影响，而湿度过低又易引起静电感应，产生事故隐患。

国防系统已经装备了大量的湿度测量仪器，所有类型的湿度测量仪器必须定期校准才能保证测量结果的准确性和一致性，因而需要建立湿度校准装置。湿度校准装置一般有两种方式，一种方式是由湿度发生器发生不同湿度的气体，由精密露点仪完成准确定值；另一种是采用精密的湿度发生器发生已知湿度的气体。目前常用的湿度发生器有分流法湿度发生器、单压法湿度发生器、双压法湿度发生器、双温法湿度发生器、双温双压法湿度发生器、渗透法湿度发生器等［1-7］，这些发生器各有优、缺点，适用于不同的应用场合。

分流法湿度发生器是用途非常广泛的一种湿度发生器，其特点是结构简单、响应迅速、操作方便、准确度能满足一般工作器具的校准要求，同时容易实现便携要求，但在独立作为标准湿度发生器使用时，分流法湿度发生器的准确度不如单压法、双压法、双温法等湿度发生器。

为提高分流法湿度发生器的准确度，扩展其应用范围，满足实验室应用以及现场校准的要求，笔者综合采用露点控制技术和分流法湿度发生技术，研制了露点控制单元和湿度发生单元，通过软硬件系统实现闭环控制，组成一体化的湿度校准装置，其技术指标能够满足湿度校准装置的要求。

1 一体化湿度校准装置的原理与特点

1.1 分流法湿度发生器

分流法湿度发生器的原理是把一股干燥气体准确地分成已知比例的两股，其中一股气体在饱和器内的纯水或冰的水平表面上饱和；另一股仍然保持干燥，然后两股气流在混合室中混合，即可得到不同湿度的气体［5］。分流法湿度发生器的特点是湿度调节方便、变化迅速，平衡时间短。

分流法湿度发生器的准确度依赖于气源干燥的程度、流量、温度等，因影响其准确度的因素较多，通常难以取得很高的准确度，一般用于工作标准。

1.2 精密露点仪

精密露点仪的工作原理是当气体的压力保持不变，而使其温度逐渐降低时，其中的水蒸气将在某一个温度下达到饱和状态，凝结成露或霜，测量此时的温度即得到该气体的露点温度或霜点温度［8］。

精密露点仪测量范围宽、操作简单、运输携带方便，其准确度仅次于湿度的基准方法——重量法，是一种计量部门普遍采用的湿度标准仪器，也有些国家当作湿度基准使用。目前国内外建立湿度计量标准的计量部门中，有一部分以高准确度的湿度发生器作为主标准器，多数采用精密露点仪作为湿度测量标准器，而以湿度发生器作为恒湿气源。即使在拥有高准确度湿度发生器并作为主标准器使用的计量部门，为了随时监测其湿度发生器的工作状态，精密露点仪或其它高准确度的湿度测量仪器也是必不可少的。

2 一体化湿度校准装置的研制

目前国内计量部门所用的分流法湿度发生器和精密露点仪都是各自独立工作的单台设备，在进行检定校准工作时，是由分流法湿度发生器按照设定湿度发生湿气，通过精密露点仪测量准确的湿度值，分流法湿度发生的湿度值与设定值一般存在偏差。为了减少分流法湿度发生器的偏差，并减少湿度校准装置的体积和重量，提高湿度校准装置的自动化程度，笔者研制了基于分流法湿度发生和露点法湿度测量原理的一体化湿度校准装置。

2.1 一体化湿度校准装置的工作原理

一体化湿度校准装置，是由干燥气源、湿度发生单元和湿度控制单元等组成，其原理框图见图1。

图1 一体化湿度校准装置原理图

湿度发生单元按照分流法湿度发生原理，将气源输出的气体通过干燥器干燥，得到气体露点低于-70℃的干气。将干气分为两路，一路气体通过由质量流量控制器构成的湿气流量控制系统，送入恒温的增湿室增加湿度，增湿室根据需要可以由单级或多级湿度饱和器组成；另一路干气通过由质量流量控制器构成的干气流量控制系统，控制流量后与增湿室输出的湿气进入混合室进行混合，得到所需湿度的气体，供被校准的湿度测量仪器使用。根据湿度发生器发生湿度的范围，可以对发生的湿气用干气进一步稀释，得到更低湿度的气体。因此研制的分流法湿度发生单元包括一级稀释和二级稀释两种类型，采用一级稀释的湿度发生单元用于现场校准，采用二级稀释的湿度发生单元用于实验室内使用。

湿度控制单元基于露点法原理，用于测量和控制湿度发生单元的湿度，保证发生湿度值的稳定和准确。湿度控制单元采用光电检测、镜面冷凝、露点法传感器来实现测量，主要由露层光电检测系统、镜面制冷系统和镜面温度测控系统3部分组成。湿度控制单元完成湿气检测并反馈控制湿度发生单元的各种参数功能，使得湿度发生单元与湿度控制单元结合起来形成闭环的控制系统，准确地按照设定值发生标准湿气。

2.2 湿度发生单元的研制

湿度发生单元的流量控制部分采用北京七星华创公司生产的高准确度的质量流量控制器［9］，分别对干气和湿气进行精密调节和控制，以提供准确的分流比。为了减少环境温度的影响，对增湿器的温度进行控制，使之保持恒温状态。温度测量控制部分由精密铂电阻温度传感器、温度测量控制电路等组成。温度传感器检测饱和器的温度，与温度的设定值进行比较，通过PID调节［10］，控制加热器的功率，使饱和器温度稳定在预先设定的数值范围。

饱和器是产生含有饱和水蒸气的装置，是湿度发生器的重要组成部分，建立在发生饱和湿气基础上的各种恒湿气体发生器，其性能与饱和器的效率密切相关。在设计饱和器时需要遵循两个原则，一是使气体与水有充分的接触面积和接触时间，二是尽量减少气体在饱和系统内的压力降。湿度发生单元采用鼓泡式增湿饱和器，饱和器由密封的有机玻璃圆筒组成，筒内盛适量的纯水，筒底有许多小孔。干燥气体从饱和器的底部进入，通过小孔鼓出气泡，气泡经过水层然后从顶部排出，排气口设有由多层细金属丝网筛组成的水雾分离器，其作用是捕集饱和气中的微小水滴。为了增加气体同水接触的机会，以获得充分饱和的气体，在水中放置了一些固体颗粒。

2.3 湿度控制单元的研制

湿度控制单元采用多级半导体制冷器控制镜面温度，镜面的制冷和加热通过控制输入到半导体制冷器的电流大小和方向来实现。半导体制冷器的热端散热，根据湿度控制单元的工作范围采用风冷、水冷或机械制冷等方式实现［11］。

用光电检测系统检测露的形成，用四线制精密铂电阻元件测温［12］。湿度控制单元的镜面采用紫铜镀铬制成，利用发光二级管和光电管来确定露的生成，以稳定的电流源驱动发光二级管作为光源，来自光源的平行光照到镜面上被镜面反射，反射光用光电管接收。在镜面结露之前，入射和反射的光通量基本稳定，当镜面上出现露时，入射光发生散射，光接收系统接收的光量减小，光的散射量大致和露层厚度成正比，利用光电管作为电桥的一臂，根据电桥变化来判断露点。在检测露点的过程中，处于不平衡状态的电桥信号输出直接控制半导体制冷器制冷电流，当露出现时，电桥达到平衡，半导体制冷器停止制冷或反向加热，使镜面温度自动保持在露点附近。湿度控制单元的发光二级管和光电接收管都是对温度敏感的元件，为了减少环境温度波动造成的影响，通过筛选光学器件和采用光电信号自动补偿电路，保证湿度控制单元湿度测量值的准确性和稳定性。

2.4 湿度校准装置的一体化

在满足准确度指标要求的前提下，将校准装置的体积、质量尽量缩小，以便移动和携带。通过合理设计校准装置的结构，合并湿度发生单元和湿度控制单元的共用部件，将湿度发生单元和湿度控制单元的电路系统与气路系统连接起来，构成完整的系统。

一体化湿度校准装置采用Philps P89C51RD2单片机作为微控制器，采用液晶显示器作为显示器件。软件系统采用C51语言编写［13］，主要包括总控系统、湿度发生控制系统、露点反馈控制系统、显示与键盘处理系统、通讯系统等组成。

用户通过键盘在装置的工作范围内任意设定发生气体的总流量和湿度值，确认后即可按照要求自动发生设定指标的湿度气体，在经过短时间的平衡与反馈调节后，输出气体的湿度将达到准确稳定。用户可以随时通过键盘选择设定值与发生值的允许偏差范围，常用的允许偏差范围有±0.2℃，±0.3℃，±0.5℃，±1℃以及无偏差限制（即取消反馈控制）等项选择。

3 测量不确定度的评定

一体化湿度校准装置测量不确定度的来源于发生湿度重复性引入的不确定度，湿度控制单元露点测量引入的不确定度，湿度发生单元参数波动引入的不确定度以及气源湿度波动引入的不确定度。

3.1 发生湿度的重复性引入的不确定度

在露点-50～20℃范围内，发生湿度的重复性引入的不确定度为u11=0.03℃。

在露点-70～-50℃范围内，发生湿度的重复性引入的不确定度为u12=0.05℃。

3.2 湿度控制单元湿度测量引入的不确定度

在露点-50～20℃范围内，湿度控制单元的最大湿度测量误差为露点±0.20℃，假设服从均匀分布，k取，则湿度控制单元湿度测量引入的不确定度为

在露点-70～-50℃范围内，湿度控制单元的最大湿度测量误差为露点±0.35℃，假设服从均匀分布，k取，则湿度控制单元湿度测量引入的不确定度分量为

3.3 湿度发生单元参数波动引入的不确定度

依据实验和经验数据，在露点-50～20℃范围内，产生的露点波动最大为±0.05℃，假设服从均匀分布，k取，则湿度发生单元参数波动引入的不确定度为

在露点-70～-50℃范围内，产生的露点波动最大为±0.10℃，则湿度发生单元参数波动引入的不确定度分量为

3.4 气源湿度波动引入的不确定度

依据实验和经验数据，在露点-50～20℃范围内，气源湿度波动最大为露点±0.10℃，假设服从均匀分布，k取，则气源湿度的露点波动引入的标准不确定度分量为

在露点-70～-50℃范围内，气源露点波动最大为±0.20℃，则气源湿度的露点波动引入的标准不确定度分量为

3.5 合成不确定度和扩展不确定度

由于各不确定度分量互不相关，因此在露点-50～20℃范围内，一体化湿度校准装置的合成标准不确定度：

包含因子k取2，则扩展不确定度［14］：

在露点-70～-50℃范围内，一体化湿度校准装置的合成标准不确定度：

包含因子k取2，则扩展不确定度：

3.6 测量不确定评定的验证

一体化湿度校准装置研制完成后，利用该装置输出不同露点的湿气，得到露点示值为y；用瑞士MBW公司生产的373LX精密露点仪进行测试，得到露点标准值y0，y与y0对比测量结果见表1。

表1 一体化湿度校准装置测量结果 ℃

由表1可知，一体化湿度校准装置的不确定度评定合理，其技术指标满足湿度校准装置的技术要求。

4 结语

通过采用集成化、小型化和自动化技术，把分流法湿度发生单元和露点法湿度控制单元组合成一体，完成了国产化的湿度校准装置。一体化湿度校准装置的湿度量值准确可靠，响应迅速，便于移动和携带，自动化程度高，适用于国防及民用系统的湿度计量工作，能够显著提高湿度检定计量人员的工作效率。

参 考 文 献

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联系人：张学范；E-mail： sd53@sina.com

中图分类号：O652

文献标识码：A

文章编号：1008-6145（2016）01-0095-04

doi：10.3969/j.issn.1008-6145.2016.01.028

收稿日期：2015-09-08

Development of Integrated Humidity Calibration Device

Zhang Xuefan， Cui Jian， Xin Zongwei， Cai Chen， Xun Qining， Liu Yunfeng
（CNGC Institute 53， Jinan 250031， China）

AbstractThe principle，realization method and performance characteristics of the integrated humidity calibration device were introduced. Humidity generating unit was developed by adopting the method of dividing flow，the humidity control unit was developed by the dew point method，and the closed loop control was realized by the software and hardware system. An integrated humidity calibration device was obtained. The uncertainty of measurement of the device was evaluated. The expanded uncertainty was U=0.3℃（k=2） for dewpoint in the range of -50-20℃， and U=0.5℃（k=2）for dewpoint in the range of -70- -50℃ . The device has the characteristics of high degree of automation，accuracy，reliability，short balance time，easy to move or carry，so it can expand the application of the divided flow humidity generator，and improve the working efficiency of the humidity measurement personnel.

Keywordshumidity； dewpoint； generator； calibration