分流式标准湿度发生器的研制

湿度发生器在标定各类湿度工作仪时作为动态湿度源,一般不单独使用.山东五三研究所将分流式湿度发生器DPG-300G型(对美国DPG-300型的改造产品)单独作为二级湿度标准器使用.因该仪器没有湿度显示,在单独作为二级标准器使用时,输出气体的湿度值是根据干、湿气体流量比与增湿饱和器内的温度关系计算的.由于是从两流量计和温度计读取数据,流量计和温度计要有很高的准确度,并且要定期标定.同时人为读数误差直接影响标定的准确程度,以及温度波动使输出气体的湿度不稳定等,都给标定工作带来困难.为此,山东五三所与北京理工大学合作,联合开发研制可以独立作为二级湿度标准的分流式标准湿度发生器.

1　分流式湿度发生器原理

分流式湿度发生器气源采用干氮气,干氮气通过两流量计按一定比例分两路,一路进入增湿饱和器;另一路直接与饱和器输出的湿气体混合后,成为具有一定湿度的气体输出[1].

设通过两流量计的流量比α=q1/q2,饱和器输出的湿气混合比为γs,混合室内的气体混合比为γ.则有[2,3]

式中　Mrw为水的相对分子质量;MrN为氮气的相对分子质量;p为饱和器内的压力,在这里为大气压;t为饱和器内的温度;td为混合室内气体的露点温度.将式(2)(3)代入式(1),整理得

当大气压恒定时,饱和水气压pw为温度的函数.由式(4)可看出,产生混合气体的露点温度td取决于干、湿气体流量比α和增湿饱和器内的温度t.根据分流式湿度发生器原理可知,对所要求一定湿度的气体可通过调整流量比实现;要使输出气体湿度稳定,就要控制饱和器内的温度恒定;要单独作为湿度标准仪器,就应具有对输出气体的湿度随机显示、打印的功能.

2　研制方案及功能实现

研制的湿度发生器要求满足如下主要技术性能:发生露点温度范围为-30℃～+20℃;湿度显示准确度为±2%RH;增湿饱和器内温度波动不大于±0.1℃;具有随机显示、打印等功能.根据功能要求,在发生器中引入微机控制系统,实现对饱和器内温度进行自动控制,同时根据流量比α和饱和器内温度与混合气体湿度关系td=f(α,t)进行信号处理,并显示、打印输出气体湿度值.原理框图如图1所示.

　　单片机系统实时采集饱和器内温度t的信号Rt,输出控制信号V将电加热饱和器内温度控制在所设定的温度值上;同时采集两台质量流量计的输出信号Vq1和Vq2,经处理后显示、打印输出气体湿度值.从理论上讲,该方案技术路线正确、可行,但进一步分析、论证发现实现此方案存在问题:①湿度与流

量比、温度的关系td=f(α,t)要依据近似关系式,单片机进行该数学模型的处理,存在模型误差;②流量q1,q2及温度t的检测信号直接参与计算湿度值,因此对两台质量流量计及温度传感器的准确度要求很高,很难保证仪器准确度的要求.