基于紅外測濕傳感器的濕度檢定箱設(shè)計(jì)

許 超，杜智濤，韓桂梅，王 洋，張雙羽，范雪波，王華英

(1.北京市國瑞智新技術(shù)有限公司，北京 100081；2.61540部隊(duì)，北京 100029；3.北京威世德科技有限公司，北京 100081；4.北京市氣象探測中心，北京100089；5.北京市密云區(qū)氣象局，北京101500)

0 引言

機(jī)械式溫濕度計(jì)和數(shù)字式溫濕度計(jì)的使用越來越廣泛，已經(jīng)遍及工農(nóng)業(yè)、國防、科技等各領(lǐng)域，對于溫濕度參數(shù)的測量準(zhǔn)確度要求也越來越高。濕度檢定箱作為用于檢定、校準(zhǔn)機(jī)械式濕度計(jì)、數(shù)字式濕度計(jì)和其他濕度傳感器的重要設(shè)備，其均勻性和穩(wěn)定性對于檢測結(jié)果有著極其重要的影響。

相對濕度是空氣中實(shí)際水汽壓除以當(dāng)時(shí)溫度下飽和水汽壓的結(jié)果，而飽和水汽壓是溫度的指數(shù)函數(shù)，溫度的變化直接影響相對濕度量值[1]。因此，測試室中的溫度恒定特別重要，即濕度檢定/校準(zhǔn)設(shè)備應(yīng)是恒溫恒濕箱[2]。

濕度檢定箱溫度、濕度控制方式是測試室中溫度、濕度均勻性、波動(dòng)度的決定因素[3]。文章介紹的濕度箱采用了氣液換熱的控溫方法控制測試室的氣體溫度；濕度控制采用了干濕氣混合并通過PID反饋控制的控濕方案，采用時(shí)間常數(shù)很小的激光吸收式濕度傳感器對濕度進(jìn)行測量和反饋控制，可以減少濕度平衡時(shí)間，有效減小測試室內(nèi)的濕度波動(dòng)。

1 常規(guī)溫濕度箱工作原理

目前常規(guī)溫濕度箱的溫度控制是在測試室內(nèi)安裝蒸發(fā)器和加熱管，通過降低蒸發(fā)器的溫度來實(shí)現(xiàn)降溫，通過加熱管加熱實(shí)現(xiàn)氣體升溫，這種常規(guī)溫度控制方式的缺點(diǎn)是蒸發(fā)器的實(shí)際溫度比測試室控制溫度低3～5 ℃。由于存在大的溫度梯度，其溫度均勻性要達(dá)到要求非常困難，由于濕度和溫度的相關(guān)性，濕度均勻度同樣無法保證，特別是90%RH以上的濕度，溫度相差1 ℃，濕度差就可達(dá)到5%RH以上。因此，常規(guī)溫濕度箱不能保證濕度均勻，同時(shí)還存在達(dá)不到95%RH以上高濕，水汽凝結(jié)在蒸發(fā)器上的現(xiàn)象。

常規(guī)濕度箱的濕度控制原理包括干濕氣混合法，其加濕、去濕和反饋控制通常是濕敏電容或干濕表傳感器。濕敏電容隨時(shí)間漂移嚴(yán)重，當(dāng)其長時(shí)間處于高濕環(huán)境時(shí)，會出現(xiàn)失效現(xiàn)象。干濕球法需要人工更換紗布，且要求風(fēng)速穩(wěn)定，濕球放出的水汽還會使測試室的濕度逐漸增加，造成濕度不穩(wěn)定。

2 新型濕度檢定箱設(shè)計(jì)方案

2.1 工作原理

新型濕度檢定箱由測試室、濕度標(biāo)準(zhǔn)器、干氣源、濕氣源、恒溫槽、溫度濕度測控模塊和壓力泵等部分組成(圖1)。

圖1 新型溫濕度檢定箱組成

測試室內(nèi)氣體溫度通過換熱器與恒溫槽中的恒溫水進(jìn)行循環(huán)換熱，實(shí)現(xiàn)精確控溫；恒溫槽由溫度濕度測控模塊采用壓縮機(jī)制冷方式進(jìn)行穩(wěn)定水溫控制。通過控制干氣源和濕氣源的輸出流量調(diào)節(jié)測試室濕度。干氣和濕氣的混合量由溫度和濕度控制模塊通過采集測試室內(nèi)紅外測濕儀(紅外激光式濕度傳感器)的濕度值對干氣源和濕氣源進(jìn)行實(shí)時(shí)PID控制實(shí)現(xiàn)，測試室內(nèi)的濕度標(biāo)準(zhǔn)器則提供標(biāo)準(zhǔn)的溫度值和濕度值。

由于采用了紅外濕度測控技術(shù)，使測試室內(nèi)濕度能在5 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)從20%RH～80%RH的變化。由于紅外測濕反應(yīng)時(shí)間達(dá)到毫秒量級，可以保證測試室內(nèi)濕度能迅速從一個(gè)測濕點(diǎn)到另一個(gè)測濕點(diǎn)的轉(zhuǎn)變，且不會出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，能夠穩(wěn)定控制在目標(biāo)濕度，并長時(shí)間保持。

2.2 溫度控制設(shè)計(jì)

測試室溫度控制結(jié)構(gòu)和流程如圖2所示。

圖2 測試室溫控?zé)峤粨Q流程

測試室的溫度控制采用液體-氣體換熱模式實(shí)現(xiàn)，在測試室底部安裝翅片換熱器，換熱器內(nèi)部的水通過泵在換熱器和恒溫槽之間循環(huán)流動(dòng)。由于水的熱容大、控制穩(wěn)定性好，同時(shí)換熱器表面為金屬翅片，換熱效率非常高，因此換熱器的金屬表面始終處于與水溫相同的恒溫狀態(tài)。換熱器表面翅片與測試室內(nèi)氣體在風(fēng)扇的作用下強(qiáng)制進(jìn)行熱交換，使測試室內(nèi)氣溫與水溫時(shí)間處于熱平衡狀態(tài)。

測試室內(nèi)壁設(shè)計(jì)成雙層結(jié)構(gòu)，夾層內(nèi)流動(dòng)著恒溫水，使測試室內(nèi)壁也在與水進(jìn)行熱交換，進(jìn)一步減小了測試室氣體與水之間的溫差，通過這種合理換熱和循環(huán)風(fēng)操作使換熱器、金屬壁與氣體溫差在0.3 ℃以內(nèi)，整個(gè)測試室的溫度均勻度在0.2 ℃內(nèi)，同時(shí)保證了在進(jìn)行高濕控制時(shí)不結(jié)露。

恒溫水槽采用壓縮機(jī)制冷、加熱管加熱方式進(jìn)行溫控，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 恒溫槽水溫控制熱交換流程

恒溫槽采用高準(zhǔn)確度PID溫度控制技術(shù)，控制分辨力：0.01 ℃，均勻度：0.02 ℃，波動(dòng)度：±0.01 ℃。因此，液體的溫度控制準(zhǔn)確度非常高。

2.3 濕度控制設(shè)計(jì)

能為濕度控制提供濕度反饋的測量儀表中，通風(fēng)干濕表、濕敏電容和露點(diǎn)儀等都存在響應(yīng)時(shí)間長的問題。當(dāng)測試室內(nèi)實(shí)際濕度已達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，由于測量儀表的響應(yīng)時(shí)間滯后，測試室內(nèi)濕度就會超過目標(biāo)濕度，造成控制和反饋不同步，導(dǎo)致濕度過沖和反復(fù)震蕩現(xiàn)象。

新型濕度檢定箱采用了全新的紅外測濕技術(shù)，其響應(yīng)時(shí)間為毫秒量級，能及時(shí)響應(yīng)測試室內(nèi)的濕度變化并同步反饋給PID控制電路，快速對干氣和濕氣的進(jìn)氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使測試室的濕度控制在設(shè)定點(diǎn)上而且不過沖。

3 測試結(jié)果

在國家氣象計(jì)量站和國家計(jì)量院分別對2臺設(shè)備(編號分別為1581017和1651002)進(jìn)行檢測，編號為1581017的新型濕度檢定箱的溫度、濕度均勻度和波動(dòng)度測量結(jié)果如表1和表2所示。

表1 濕度測試結(jié)果 %RH

表2 溫度測試結(jié)果 ℃

測試數(shù)據(jù)表明溫度波動(dòng)度最大范圍為±0.04 ℃，溫度均勻度最大值為0.18 ℃，濕度波動(dòng)度最大值為±0.2%RH，濕度均勻度最大值為0.78%RH。這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)性能優(yōu)于目前氣象計(jì)量部門所有在用的濕度檢定箱和恒溫恒濕箱。

對編號為1651002的新型濕度檢定箱進(jìn)行了溫度和濕度均勻性測試，在測試室內(nèi)取6個(gè)測試位置(上中下平面位置)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如表3所示。

表3 溫濕度性能測試

測試數(shù)據(jù)表明：新型濕度檢定箱溫度波動(dòng)度最大范圍為±0.1 ℃，溫度均勻度最大值為0.2 ℃，濕度波動(dòng)度最大范圍為±0.3%RH，濕度均勻度最大值為0.6%RH。

上述測試數(shù)據(jù)表明，新型濕度檢定箱在溫濕度的均勻度和波動(dòng)度指標(biāo)方面高于計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求，對提高溫濕度表(計(jì))的計(jì)量能力具有重要意義。

4 結(jié)束語

文章介紹了新型濕度檢定箱的設(shè)計(jì)方案，分析了濕度檢定箱測試室溫度、濕度均勻度和波動(dòng)度的控制方法、液氣換熱控溫和紅外控濕技術(shù)。通過實(shí)際測試結(jié)果表明，新型濕度檢定箱在溫濕度的均勻度、穩(wěn)定性和控制時(shí)間方面都優(yōu)于計(jì)量規(guī)程要求，符合濕度量值傳遞規(guī)定。