高压标准水蒸气发生装置及方法

技术领域

本发明属于标准水蒸气技术领域，具体涉及一种高压标准水蒸气发生装置及方法。

背景技术

标准水蒸气发生装置又称为“标准湿度发生装置”，是在一定条件下能够恒定发生特定压力、流量和含量的水蒸气气流，提供一个恒定的湿度环境的装置。该标准水蒸气发生装置主要用于对各种湿敏元器件、湿度传感器、湿度表及标准露点仪等湿度计量设备的检定/校准，广泛应用于气象、环保、国防、科研、航天、原子能、化工、工业生产、计量院所等领域。

目前，市面上的标准水蒸气发生装置和方法，通常只能发生常压的水蒸气，不能发生0.1～1MPa的高压水蒸气。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种高压标准水蒸气发生装置及方法。本发明所采用的技术方案如下：

高压标准水蒸气发生装置，包括：饱和室、气路系统、恒温设备和控制系统，控制系统分别电性连接饱和室、气路系统和恒温设备，气路系统分别连通气源、饱和室和待检测的湿度计量设备，恒温设备为饱和室提供恒定的温度，气路系统包括进气管路、出气管路、加热管路和气路切换管路，饱和室包括高温饱和室与低温饱和室，通过气路切换管路选择高温饱和室或者低温饱和室，出气管路连通低温饱和室和待检测的湿度计量设备，加热管路连通高温饱和室和待检测的湿度计量设备；控制系统完成对气路系统的进气流量、饱和室温度、饱和室气路切换、气路系统的加热管路温度和恒温设备温度的监测与控制。

优选的，恒温设备采用恒温油槽系统或者加热带加风扇结构。

优选的，恒温油槽系统包括：恒温工作腔、搅拌系统、加热系统、制冷系统和温控系统，恒温工作腔分别连通加液管路和放液管路，搅拌系统、加热系统和制冷系统位于恒温工作腔内部，加热系统和制冷系统分别与温控系统电性连接，搅拌系统、加热系统、制冷系统和温控系统分别与电源系统电性连接，恒温工作腔中设计有液位报警开关。

优选的，加热带加风扇结构为：铜管缠绕在饱和室的外壁，在铜管上固定安装加热带和风扇。

优选的，进气管路上分别依次设置有压力调节阀、质量流量控制器和电磁阀。

优选的，控制系统采用RS485通讯电缆分别电性连接饱和室、气路系统和恒温设备。

优选的，控制系统包括主控板与触摸屏。

高压标准水蒸气发生方法，应用前述的高压标准水蒸气发生装置，包括以下步骤：

根据测量和校准要求，通过设定饱和室压力与体积分数计算出饱和室内的饱和水蒸气压，计算出饱和室所需设定的露点温度；通过控制系统控制恒温设备工作，将饱和室的温度调节到所需设定的露点温度；将气源接入进气管路，根据检测需要将饱和室连接待检测的湿度计量设备的测量室；符合测量和校准要求的高压标准水蒸气持续输入待检测的湿度计量设备的测量室内，完成湿度计量设备的测量和校准。

优选的，通过设定饱和室压力P与体积分数w计算出饱和室内的饱和水蒸气压e

式中：w为体积分数，％；e

优选的，饱和室采用鼓泡式饱和室，加水量的容积计算公式为：

式中，V

水的密度为1.0×10

Q＝cmΔt (4)

式中，Q为加热带所需加热量，c为水的比热容，m为水的质量，△t为水需要升高的温度。

本发明的有益效果：

本发明的高压标准水蒸气发生装置，结构科学合理，操作方便，可以在待检测的湿度计量设备的测量室内得到压力范围为0.1～1.0MPa，体积分数范围为0.5％～15％的高压标准水蒸气，满足湿度计量设备的检定/校准需求。

附图说明

图1是本发明实施例的高压标准水蒸气发生装置的结构和原理图；

图2是本发明实施例的恒温油槽系统的结构和原理图；

图3是本发明实施例的气路系统的结构和原理图；

图4是本发明实施例的控制系统的结构和原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

高压标准水蒸气发生装置，包括：饱和室、气路系统、恒温设备和控制系统，控制系统分别电性连接饱和室、气路系统和恒温设备，气路系统分别连通气源、饱和室和待检测的湿度计量设备(比如露点仪)，恒温设备连接饱和室为饱和室提供恒定的温度。气路系统包括进气管路、出气管路、加热管路和气路切换管路等，为气体在发生装置内提供不同条件下的流通路径；饱和室分为两部分，分别为高温饱和室与低温饱和室，可以根据待测露点仪发生露点温度的不同，通过气路切换管路选择高温段或者低温段的饱和室进行水汽饱和，出气管路连通低温饱和室和待检测的湿度计量设备，加热管路连通高温饱和室和待检测的湿度计量设备；控制系统完成对气路系统的进气流量、饱和室温度、饱和室气路切换、气路系统的加热管路温度和恒温设备温度的监测与控制。

各系统和设备之间的气路连接采用1/4卡套接头与1/4npt螺纹连接，各系统和设备之间的数据通讯均采用RS485连接的方式。

该发生装置的各系统部件协同工作，如图1所示，该发生装置使用氮气或空气压缩机作为气源，气源通过进气管路连通饱和室的进气口，进气管路上分别依次设置有压力调节阀1、质量流量控制器和电磁阀，电磁阀靠近饱和室，饱和室的出气口通过出气管路或者加热管路连通待检测的湿度计量设备。电磁阀作为进气管路的开关部件，气源出气后首先经过压力调节阀1将进气压力调节至所需压力值，然后气源通过质量流量控制器进入特定温度下的饱和室内，在饱和室内产生饱和水蒸气，再通过压力调节阀2和恒温设备的加热管路，最后气源进入待检测的湿度计量设备内，最终在待检测的湿度计量设备的测量室内得到压力范围为0.1～1.0MPa，体积分数范围为0.5％～15％的高压标准水蒸气。

根据技术指标要求，计算出饱和室的温度范围，恒温设备设计工作温度范围为-5～115℃，波动度与均匀性指标应分别满足0.1℃、0.1℃/30min。

恒温设备可根据不同需求，采用恒温油槽系统或者加热带与风扇结合(发生气体压力在0.5MPa以上，不可制冷)的方式，为饱和室提供稳定均匀的温度环境。

若需要长期在0.1～1.0MPa压力范围下使用，则选择恒温油槽系统作为恒温设备为饱和室控温，饱和室直接放置在恒温油槽系统的恒温工作腔内，恒温油槽系统提供的温场均匀性较好；若选择加热带与风扇结合的方式作为恒温设备为饱和室控温，饱和室的外壁缠绕铜管，利用铜管提高导热效果，在铜管上安装加热带和风扇，该方式虽然温场均匀性略差，但设备体积较小且升降温速率较快。综合考虑热传导和耐高温水汽腐蚀，饱和室的材质优选316不锈钢。

若选择恒温油槽系统作为恒温设备，恒温油槽系统包括：恒温工作腔、搅拌系统、加热系统、制冷系统和温控系统，恒温工作腔分别连通加液管路和放液管路，用于向恒温工作腔加入油液或者排空油液。搅拌系统、加热系统和制冷系统位于恒温工作腔内部，搅拌系统可以使油液温度均匀，加热系统和制冷系统分别与温控系统电性连接，通过温控系统进行温度调节，搅拌系统、加热系统、制冷系统和温控系统分别与电源系统电性连接。考虑到影响设备稳定运行的因素，恒温工作腔中设计有液位报警开关，为了防止油液液位过低时恒温工作腔内的加热丝持续工作，从而造成加热损坏，若液位报警开关开启，则恒温工作腔内的加热负载停止工作。恒温油槽系统的总体结构如图2所示。

饱和室是气体进行水汽饱和的装置，其设计原则是要确保气体与水有充分的接触时间且出气不能夹带水滴，同时要减少气体在饱和系统内的压力损失。根据上节中选择恒温设备的不同，饱和室的设计原理也不同。若选择恒温油槽系统作为恒温设备，则需要计算出的饱和室的露点温度范围，将饱和室设计为高温饱和室与低温饱和室两个饱和室并联的形式；若选择加热带与风扇结合的方式为恒温设备，则直接选用鼓泡式饱和室即可，鼓泡式饱和室是现有技术。

如图3所示，选择恒温油槽系统作为恒温设备时，气路系统包括进气管路、加热管路、出气管路和气路切换管路等，为气体在发生装置内提供不同条件下的路径。出气管路设计在低温饱和室出气与测量室进气之间，加热管路设计在高温饱和室出气与测量室进气之间，防止高温露点气体在高温饱和室与测量室之间的管路中冷凝，在对应的加热管路中紧密的缠绕硅橡胶加热带，加热驱动元件选用单相功率调整器。气路切换管路通过管路和电磁阀实现。图3中的MFC是气体质量流量控制器。

如图4所示，控制系统由主控板与触摸屏组成。通过主控板与连接控制部件的通讯，完成气流量、饱和温度、加热管路温度、饱和室气路切换的数据监测与控制。优选的，主控板采用西门子S7-200。

高压标准水蒸气发生方法，应用前述的高压标准水蒸气发生装置，包括以下步骤：

根据测量和校准要求，通过设定饱和室压力与体积分数计算出饱和室内的饱和水蒸气压，计算出饱和室所需设定的露点温度。通过控制系统控制恒温设备工作，将饱和室的温度调节到所需设定的露点温度。将气源接入进气管路，根据检测需要将饱和室连接待检测的湿度计量设备的测量室。符合测量和校准要求的高压标准水蒸气持续输入待检测的湿度计量设备的测量室内，完成湿度计量设备的测量和校准。

进一步的，通过设定饱和室压力P与体积分数w计算出饱和室内的饱和水蒸气压e

式中：w为体积分数，％；e

根据公式(1)、(2)可计算出不同饱和室压力值下，饱和室所需发生的露点温度范围为-2.8～110℃。O为输出气体流量，理论计算值如下表二所示：

若选择加热带与风扇结合的方式作为恒温设备，加热带的选取还需要对加热带功率进行大致估算。其中，饱和室的加热若不考虑饱和室外壁的热阻，加热系统需将饱和室内的水加热到115℃，饱和室采用鼓泡式饱和室，加水量的容积计算公式为：

式中，V

水的密度为1.0×10

Q＝cmΔt (4)

式中，Q为加热带所需加热量，c为水的比热容，m为水的质量(由水密度与水体积相乘计算)，△t为水需要升高的温度。

根据所需加热量以及加热时间，即可选择硅橡胶加热带的加热功率。

在军工、航天等领域，火箭、飞行器、战车等装备动力系统的研制和测试阶段，需要采用高压湿度测量设备对尾焰、尾气等中的高压湿度进行测量。

进一步的，在高压标准水蒸气发生装置出气口接入减压阀，使得出气压力减小至0.1MPa(常压)，再接入MBW373精密露点仪对出气露点温度进行测量。该型号的精密露点仪体积小、成本低，便于与整台仪器集成一体；若采用高压湿度测量设备体积庞大、成本高。

由表二可知高压标准水蒸气发生装置不同压力下对应的露点发生范围，根据公式(5)转化为常压下露点，并与MBW373精密露点仪的测量值进行比较。

式中：f为被测气体增值系数，为被测气体温度与压力的函数；T

本发明实施例中，未详细描述的技术特征均为现有技术或者常规技术手段，在此不再赘述。

最后需要说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此。本领域技术人员应该理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。