CN103028332A

CN103028332A - 一种高温标准湿度发生装置

Info

Publication number: CN103028332A
Application number: CN2012105647979A
Authority: CN
Inventors: 刘德允; 陈莹; 范黎锋; 陈清; 孙明伟; 董拯
Original assignee: NANJING JINABO ENVIRONMENTAL CONTROL CO Ltd
Current assignee: NANJING JINABO ENVIRONMENTAL CONTROL CO Ltd
Priority date: 2012-12-24
Filing date: 2012-12-24
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2032-12-24
Also published as: CN103028332B

Abstract

本发明属于烟气监测试验设备领域，尤其是一种高温标准湿度发生装置，包括储气罐（2）、湿气流量计（8）、发泡器（10）、恒温水槽（11）、干气流量计（15）、三通接头（16）、混合湿气流量计（17）、小型检测腔室（20）、中型检测腔室（21）组成，本发明采用了混流法，可以模拟发生高达165度下的0～30%容量（vol.）的高温湿气，并基于精密的镜面露点仪溯源校准功能。本发明在恒温水槽中专门放置了小型检测腔室、中型检测腔室，小型检测腔室放置露点仪，起监控湿度作用，可避免环境温度对湿度测量的影响，避免测试人员造成的人为误差，所以精度也较高。

Description

一种高温标准湿度发生装置

技术领域

本发明属于烟气监测试验设备领域，尤其是一种高温标准湿度发生装置。

背景技术

现在工业中烟气湿度控制已经广泛运用，各种烟气组分测量设备层出不穷。针对这些测量设备的湿度校准是一件比较麻烦的事，大多数的厂商采取的是每隔一段时间进行返厂调校，这样做误工误时，对于一些大型的测量系统是更加浪费成本。

常见的标准湿气制造方法有双压法、双温法、混合法、渗透法和饱和盐溶液法等。其中，混合法又可以分为分流法和混流法两种：前者是将一股干气精确地按比例分为两股，其中一股用水汽饱和，另一股仍保持干燥、而后进行混合；后者将饱和湿气或过热蒸汽同干气混合；湿气和干气混合进入测试室,便可得到连续流动的、水蒸气含量已知的,且可按需要迅速改变的恒湿气流。例如：申请号为200820064962.3的中国实用新型专利申请公开了一种分流式标准湿度发生器，采取的是分流法原理；其不足之处是反映速度较慢，精度波动较大，稳定性较差。

市场上类似的产品要么参比的仪表精度达不到要求；要么用于校正湿度探头的环境变化较大，不易校准等；由于标准湿气的各类参数受环境的影响较大，所以如何维持一个比较稳定的、持续的测量环境，是湿气发生装置的一个主要难题。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供一种高精度、高稳定性、数据检测方便的高温标准湿度发生装置。

本发明采用的具体技术方案如下：

一种高温标准湿度发生装置，包括储气罐2、湿气流量计8、发泡器10、恒温水槽11、干气流量计15、三通接头16、混合湿气流量计17、小型检测腔室20、中型检测腔室21组成，湿气流量计8连接到设置在恒温水槽11内部的发泡器10，三通接头16分别与恒温水槽11出口、干气流量计15和储气罐2进口连接，储气罐2出口通过混合湿气流量计17依次连接小型检测腔室20、中型检测腔室21，中型检测腔室21设有湿气出口，所述的小型检测腔室20、中型检测腔室21设置在恒温水槽11内部。

所述的储气罐2内部为迷宫板结构。

所述的储气罐2内设置有露点仪18。

所述储气罐2配置保温层及储气罐加热器3，可保证储气罐2中的湿气温度保持在120℃以上。

在上述技术方案中，储气罐2的下底面为顶点向下的圆锥面，所述的圆锥面的顶点处设置有疏水阀22。

在上述技术方案中，小型检测腔室20内设置有镜面露点仪。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用了混流法，可以模拟发生高达165度下的0〜30%容量（vol.）的高温湿气，并基于精密的镜面露点仪溯源校准功能。这种混流法方法：是通过将恒温水槽中产生的饱和湿气或过热蒸汽直接同外部输入的干气（氮气）在储气罐内混合，并经过温度传感器和镜面露点仪精密调控，即可获得连续流动的、水蒸气含量已知的,且可按需要迅速改变的恒湿气流。实验证明：这种方法反映速度较快，精度波动较小，稳定性较高。

具体方法：是通过将恒温水槽11中利用发泡器10产生的饱和湿气通过恒温水槽出口管道19直接同外部输入的干气（干气成分为氮气）在三通接头16处混合后、一起进入储气罐2内再次通过基于不同温湿度下的切线旋流和多极迷宫均匀混合，同时经过恒温水槽11内的温控器12和储气罐内的镜面露点仪18精密调控；在储气罐2内混合后，通过混合湿气流量计17、穿过小型检测腔室20和中型检测腔室21,即可得到连续流动的、水蒸气含量已知的,且可按需要迅速改变的恒湿气流。这种标准湿气的流量，是通过湿气流量计8和干气流量计15来控制输出量的，并利用镜面露点仪18对湿度值进行监控。

2、本发明在恒温水槽中专门放置了小型检测腔室、中型检测腔室，小型检测腔室放置露点仪，起监控湿度作用，并且由于小型检测腔室设置在恒温水槽内，可避免环境温度对湿度测量的影响；中型检测腔室供外部检测仪器对本产品发生的气体湿度进行测量用，检测仪器可选择高温水分仪或其他类似功能仪器，将仪器的检测传感器由湿气出口放入中型检测腔室，对湿度数据进行溯源测量。两个检测腔室分开设置可各自独立工作，避免相互干扰或影响，满足更高的精度检测需求。将混合好的湿气通过上述检测腔室，能在很短时间内获得所需的稳定的各个湿度点，并通过仪器检测湿气发生效果，避免测试人员造成的人为误差，所以精度也较高。

通过以上技术方案的实施，使得被校正仪器精度大幅提高，从而不需到现场就可实现仪表校正及其它各项实验等，降低了人员劳动强度，给实验人员以极大方便。

附图说明

图1为本发明的高温标准湿度发生装置结构示意图。

图2为高温标准湿度发生装置连接气瓶使用状态示意图。

图3为零点测试露点温度曲线图。

图4为零点测试容积比曲线图。

图5为A方案容积比曲线图。

图6为B方案容积比曲线图。

图7为仪器测试最终露点温度整体曲线图。

图8为仪器测试最终容积比整体曲线图。

图中：1、高温标准湿度发生装置，2、储气罐，3、储气罐加热器，4、湿气罐，6、干气罐，8、湿气流量计，9、加热器，10、发泡器，11、恒温水槽，12、温度控制器，13、水位控制器，15、干气流量计，16、三通接头，17、混合湿气流量计，18、露点仪，19、恒温水槽出口管道，20、小型检测腔室，21、中型检测腔室，22、疏水阀。

具体实施方式

实施例 1 ：

如图1所示，本专利的高温标准湿度发生装置1，包括储气罐2、湿气流量计8、发泡器10、恒温水槽11、干气流量计15、三通接头16、混合湿气流量计17、小型检测腔室20、中型检测腔室21组成，湿气流量计8连接到设置在恒温水槽11内部的发泡器10，三通接头16分别与恒温水槽11出口、干气流量计15和储气罐2进口连接，储气罐2出口通过混合湿气流量计17依次连接小型检测腔室20、中型检测腔室21，中型检测腔室21设有湿气出口，所述的小型检测腔室20、中型检测腔室21设置在恒温水槽11内部。

使用时，恒温水槽11控制温度范围为20℃~70℃，优选69℃~71℃；一般来说，同样体积空气的含水饱和度随着温度的变化而变化，温度越高，空气含水饱和度越高；因此，恒温水槽11内的较高温度保持能使其内的纯净水更易产生饱和水蒸汽，并缩短生成饱和水蒸气的时间；湿气由湿气罐4提供，可以选用纯净空气作为湿气，湿气经湿气流量计进入发泡器10，产生大量的气泡，气泡上升至液面时破裂，携带的大量水汽进入恒温水槽上部的空间而形成水蒸气层面，不断补充气泡和水汽使得水蒸气层面达到饱和的程度，获得饱和水蒸气（相对湿度RH≥90%）。产生的饱和水蒸气，经三通接头16进入储气罐2，干气由干气罐6提供，通常选择氮气作为干气，干气依次经干气流量计15、三通接头16进入储气罐2，干气与饱和水蒸气在储气罐2内混合，此时露点仪18可对储气罐内的混合湿气的湿度进行监测，储气罐2内的气体混合完成后，混合湿气经混合湿气流量计17、小型检测腔室20、中型检测腔室21后即可输出。其中，小型检测腔室20、中型检测腔室21均设置在恒温水槽11内部，可保证检测腔室的外部环境温度相对稳定。可以在小型检测腔室21内设置露点仪，中型检测腔室21内设置高温水分仪，对输出的混合湿气进行温湿度等相关参数的校核，此时获得的校核数据更加准确，确保系统产生的混合湿气精度高、稳定。

下文中提及的检测腔室包括小型检测腔室20和中型检测腔室21。

关于检测腔室中的相对湿度（RH），可用如下公式计算：

RH = f *100 % RH / [1-(1-f)Es(t)/Ps]------------------（1）

公式（1）中，f为分流系数（分流比）：

f = Fw / (Fw + Fd)

Fs = Fw + Fd

Fs -----高温标准湿度发生装置产生的湿气总量；

Fw -----湿气流量；

Fd -----干气流量；

Es(t)----饱和水蒸气发生器中温度为t时的水蒸气分压力（该值可通过饱和蒸汽压表中直接查出）；

Ps -----检测腔室中的压力。

本专利中，检测腔室设置在恒温水槽内，因此可以认为其中的温度、压力均相等，则：

设Ps = 1个标准大气压 = 101325 Pa，因此，根据公式（1），即可由改变Fw、Fd来获得所需的RH值，而Fw、Fd可根据本专利中湿气流量计8、干气流量计15实现精确控制。

更进一步，关于检测腔室中的绝对湿度，引用干气与湿气的混合比X 来表示绝对湿度，即使温度压力和体积发生变化，只要干气与湿气的量不变，其混合也比不变。

根据道尔顿(Dalton)分压定律，可获得以下公式：

Xs = 0.622*Es/(Ps-Es) --------（2）

Xc = 0.622*Ec/(Pc-Ec) --------（3）

式中，Xs---储气罐中干气与湿气的混合比；

Xc---检测腔室中干气与湿气的混合比；

Es----恒温水槽中湿气的分压；

Ec----检测腔室中湿气的分压；

Ps----恒温水槽中大气压力；

Pc----检测腔室中大气压力。

其中，Es和Ec可用如下简化公式计算：

In （Es ）= （10.286 ts - 2148.4909）/ (ts - 35.85) -------(4)

In （Ec ）= （10.286 tc - 2148.4909）/ (tc - 35.85) -------(5)

式(4)、(5)中，In（x）便是log e（x），即以e 为底的对数。

ts ----恒温水槽中气体的温度值；

tc ----检测腔室中气体的温度值；

实际应用中，系统将根据需要的检测腔室中空气与水蒸汽的混合比（绝对湿度）Xc和相对湿度值RH 及湿气流量大小Fs，通过改变湿气流量计的流量值Fw和干气流量计中的流量值Fd的比例及各自大小来达到；使之达到平衡这个过程，只需几秒钟；检测腔室内的湿度RH值可任意设定。

图2为本专利技术方案实施时的系统连接图，高温标准湿度发生装置1的结构如上文所述，图中湿气罐4、干气罐6分别通过湿气流量计8、干气流量计15为高温标准湿度发生装置1供气，恒温水槽11结构同公知的恒温水槽，配置有加热器9、温度控制器12、水位控制器13，从而实现恒温并保持水位。

作为对技术方案进一步的优化，本专利中储气罐2内部为迷宫板结构，使得经过三通接头16输入的饱和水蒸气和干气能够更好的混合均匀。

所述的储气罐2内设置有露点仪18。

还可以在储气罐2配置保温层及储气罐加热器3，可保证储气罐2中的湿气温度保持在120℃以上，在储气罐中提供更好的工况。

在上述技术方案中，储气罐2的下底面为顶点向下的圆锥面，所述的圆锥面的顶点处设置有疏水阀22，此结构的主要目的是为了防止使用结束后未吹扫完全，仍有少量残余湿气冷凝在底部形成水滴，影响后续使用出现湿度值不稳定的现象。

在上述技术方案中，小型检测腔室20内设置有镜面露点仪。

实施例 2

高温标准湿度发生装置1的性能测试，采用南京埃森环境技术有限公司开发的CEMS DAS实验室测试软件。测试步骤如下：

步骤 1：设定测试环境：室内，无震动，室温25℃ ；

高温标准湿度发生装置参数设定如下：

恒温水槽温控表设定48℃

检测腔室温控表设定54℃

采样时间间隔：15s

步骤 2：将湿气罐4和干气罐6分别与高温标准湿度发生装置1中的湿气流量计8和干气流量计15接口可靠连接。上述两种气体技术指标要求分别如下：

1）湿气：压缩空气：O₂ ：21% ；其余为N₂。

2）干气：氮气：纯度≧99.999% ；

步骤 3：进行设备预热，预热的同时通入纯氮气对仪器进行吹扫。

当监控恒温水槽内水温达到设定值后，开始进行测试。

上述两种气体通气气流压力均设定在0.1MPa ；

步骤 4：纯氮气吹零点测试

通入纯氮气体，对仪器零点进行测试。

控制干气6流速为20L/h，持续通纯氮50min后，露点温度（Td）被吹扫到-44.61℃，如图3所示；容积比（PPMV）被吹扫至0.01%，如图4所示。

步骤 5：利用干-湿气混合配比制造湿气环境，选择A、B二种方案如下：

A．湿气：20L/h；干气：0L/h；

按上述气流配比调节干湿气流量计大小。

通入混合气体6min后，表示数PPMV值稳定，上述配比混合的湿气湿度PPMV值稳定在11.80%±0.03%内；持续通入混合气90min，始终保持稳定。从曲线的波动程度来开，本发明的高温标准湿度发生装置产生的湿气比较稳定。

实验曲线如图5所示。

B．湿气：20L/h；干气：10L/h

5min后进入稳定的状态，PPMV表示数稳定在7.8%±0.05%之间，持续通气30min，表示数始终保持稳定。

实验曲线如图6所示。

步骤 6：测试结束，用氮气N2将仪器内部吹干。

步骤 7：仪器测试最终获得的整体曲线如图7、图8所示：（未去除坏点）。

通过以上的数据分析，可以得出如下结论：

1）根据测试的情况，本发明的高温标准湿度发生装置的反应速度还是比较快的，在5～10min内基本能够达到稳定的状态；其中，湿气发泡装置，能够维持波动在±0.5%之内，而且在较长的时间内能够维持稳定；与低湿情况相比较，高湿情况波动稍有点大，但其波动范围保持在±0.05%之间。但无论在10%还是在5%左右的湿气配比中，波动范围始终维持在±0.1%内，较好地满足了仪器的设计要求；

2）本发明高温标准湿度发生装置输出湿度值可通过改变两股气流即干气和湿气的比例来快速获得；使之达到平衡这个过程，时间只需5～6min,湿度可根据需要任意设定。

3）本发明的高温标准湿度发生装置在针对每个湿度点的变换,在同一温度下,如想改变10%RH,在不到10min内,就能达到要求。

4）本发明的高温标准湿度发生装置的精度可达到2%RH,为国家二级湿度标准。温度准确度优于0.5℃。它的精度仅次于精密露点仪。

Claims

1.一种高温标准湿度发生装置，其特征在于：包括储气罐（2）、湿气流量计（8）、发泡器（10）、恒温水槽（11）、干气流量计（15）、三通接头（16）、混合湿气流量计（17）、小型检测腔室（20）、中型检测腔室（21）组成，湿气流量计（8）连接到设置在恒温水槽（11）内部的发泡器（10），三通接头（16）分别与恒温水槽（11）出口、干气流量计（15）和储气罐（2）进口连接，储气罐（2）出口通过混合湿气流量计（17）依次连接小型检测腔室（20）、中型检测腔室（21），中型检测腔室（21）设有湿气出口，所述的小型检测腔室（20）、中型检测腔室（21）设置在恒温水槽（11）内部。

2.根据权利要求1所述的高温湿度发生装置，其特征在于：所述的储气罐（2）内部为迷宫板结构。

3.根据权利要求1所述的高温标准湿度发生装置，其特征在于：所述的储气罐（2）内设置有露点仪（18）。

4.根据权利要求1所述的高温标准湿度发生装置，其特征在于：所述储气罐（2）罐体为保温结构，还设置有储气罐加热器（3）。

5.根据权利要求1所述的高温标准湿度发生装置，其特征在于：储气罐（2）的下底面为顶点向下的圆锥面，所述的圆锥面的顶点处设置有疏水阀（22）。

6.根据权利要求1所述的高温标准湿度发生装置，其特征在于：小型检测腔室（20）内设置有镜面露点仪。