双温双压法低露点标准湿度发生器

　　1.引　言

　　气体中微量水分检测在半导体、微电子、冶金、化纤等工艺过程以及在军工、航天等领域都是极为重要的。目前用于这方面的检测仪器主要有镜面式露点仪、P2O5电解式水分仪、红外气体分析仪以及Al2O3电容式露点仪,其中前三种仪器由于使用条件、测量原理、操作维护等的限制,一般用于实验室气体水分分析和间断式测量;而Al2O3电容式露点仪因其可以连续检测、使用方便、低湿灵敏度好等特点,被广泛用作工业现场过程检测控制仪器,但是它的缺点是存在长期漂移,且露点越低漂移越严重,且不耐污染,而露点仪用户最关心的往往是仪器低露点段的精度,因此这类仪器需要在短时间内定期校正。由于低露点段的精密校正设备尚无现成产品,而国内计量部门和大型企业又有迫切的需求,如江苏仪征化纤股份有限公司,气体用量极大且对含水量要求很高,进口了大量露点仪进行监测,为了对这些仪器定期标定,也需要一套低露点标定设备。为此,我们决定合作进行此项目的研究工作,希望研制出一套露点下限达-75℃D.P的精密湿度发生装置。

　　2.发生原理

　　标准湿度发生器的原理主要有以下几种:

　　1）.基于热力学气体状态方程导出的方法,包括双温法和双压法;

　　2）.通过干湿两股气体以不同的比例混

　　合而得到一定含水量的标准气体的方法,即双流法;3.渗透管法。鉴于后两种方法均涉及到气体质量流量及干气本底含水量等参数,难于实现较高的精度和较低的露点范围,我们采用热力学双温双压法原理[1]来建造本装置。该原理是首先在饱和器中产生一股一定温度压力的饱和湿气,然后将该湿气通过减压阀减至预定的压力,于是就得到了该压务下的一定含水量的标准湿气(如图1)。装置出口湿气的露点可用下式计算：

式中,Ps为饱和器压力;Pc为测试室压力;Ts为饱和器温度;Tc为测试室温度;Td为出口气体露点;e为水的饱和蒸气压力;为增强因子。

　　水的饱和蒸气压力e为温度的单值函数,其数值可通过Wexler方程[3]计算得到:露点Td是饱和蒸气压e的反函数,其数值也由Wexler方程得到。式(1)是根据道尔顿定律推导出来的,而实际气体混合物并不完全遵守道尔顿定律,因此增强因子f是对实际气体的性质偏离理想气体的修正,其数值由Greenspan and Goff[4,5]方程计算得到。

　　根据式(1),可以通过两种方法来获得不同露点的气体,一是改变饱和器压力Ps,另一为改变饱和器温度Ts。为使装置不至于过分庞大,饱和器最大压力设计为1.1MPa,由此产生的露点改变小于20℃D.P。因此,当需要大幅度改变出口气体露点时,可通过改变饱和器的温度来实现。为了使出口气体露点达到-75℃D.P以下,饱和器温度至少降至-60℃以下。