CN106914159B - 一种基于分流法的自适应湿度发生方法及控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于分流法的自适应湿度发生方法及控制装置，其由湿度发生器和电脑上位机两部分组成。其中湿度发生器主要组成部分为：四个质量流量控制器、饱和器、温度及压力传感器、下位机控制器。发生器发生的湿气湿度的控制是由电脑上位机控制下位机控制器，从而控制四路质量流量控制器将四路气体按比例混合来实现的。本发明结构简单，造价较低，通过在计算机上输入要发生的湿度即可使发生器自动发生固定湿度的气体。本发明发生湿气露点范围可达到‑60℃～10℃。

Description

一种基于分流法的自适应湿度发生方法及控制装置
技术领域
本发明涉及一种湿度发生方法及控制装置，更具体地说，本发明涉及一种基于分流法的自适应湿度发生方法及控制装置，可以自动发生标准湿度的气体。
背景技术
如今，湿度测量在工农业生产、环保、军事装备甚至生命安全等领域的作用越来越明显，露点测量法作为众多湿度测量方法中最精密的一种，广泛应用于各种湿度测量仪器仪表中。然而不管应用何种原理、何种设备测量露点，工作温度环境的变化会导致传感器产生温漂；器件长时间使用会改变其性能；分析检测电路的漂移等因素都会影响检测的准确性，妨碍露点测量设备的正常工作，由此需要对设备器件校准。而分流式湿度发生器就是用于校准露点测量仪器的设备。
目前分流式湿度发生器一般由干燥气源按一定的比例分成两部分，一路进入饱和器成为饱和湿气，饱和湿气与另一股干气在混合室混合，通过调整湿气与干气的混合比例达到配比需要湿度气体的目的。目前多数此类湿度发生器设备通常只能发生高湿度气体，难以发生满足校准露点测量仪器所需要的低湿度气体；如果发生低湿度气体，则质量流量控制器难以满足控制精度，导致发生湿度偏差较大，因此并不能完全满足校准露点测量仪器的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种基于分流法的自适应湿度发生方法及控制装置，使得露点达到-60℃，改善现有湿度发生器发生露点温度高的问题。
本发明的技术方案是：一种基于分流法的自适应湿度发生控制装置，包括湿度发生器和电脑上位机，湿度发生器内包括下位机控制器、减压阀、四个质量流量控制器、单向阀、饱和器、流量调节阀、温度及压力传感器。干气气源经减压阀与三个质量流量控制器相连将干气分为三路。第一路干气经单向阀通入饱和器饱和后作为饱和湿气与第二路干气混合成为一级气，混合后的一级气经过第四个质量流量控制器与第三路干气混合成为发生气。发生气经管路引出机箱外用于校准露点测量仪器。湿度发生器发生的湿气的湿度的控制是由电脑上位机控制下位机控制器，从而控制四路质量流量控制器将四路气体按比例混合来实现的。
所述干气气源为露点低于-70的干燥空气或高纯氮气。
所述温度传感器用于测量饱和器温度，压力传感器用于测量一级气的压力。
所述电脑上位机采用遗传算法计算出四个质量流量控制器的控制流量，并通过与湿度发生器的下位机控制器进行实时通讯，从而控制其发生固定露点气体，同时监控湿度发生器运行情况。
本发明的有益效果是：
1、结构简单、造价较低。
2、操作方便，适应度高
通过在计算机上输入要发生的湿度，然后计算机自动计算并控制四路质量流量控制器发生流量，从而控制发生器发生的湿气湿度。
3、发生湿气湿度范围广
本湿度发生器输出的湿气采用二级湿气发生原理，因此发生湿气湿度可以比传统分流式湿度发生器更低，湿度范围更广，因此通用性更强。
附图说明
图1是本湿度发生控制装置的组成框图。
图2是本湿度发生控制装置中的湿度发生器的原理图。
其中，1、干气气源 2、减压阀 3-6、质量流量控制器 7、单向阀 8、饱和器 9、温度传感器 10、压力传感器 11、流量调节阀 12、一级气 13、发生气
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示的是本湿度发生控制装置的组成框图。该装置主要由湿度发生器和电脑上位机两部分组成。其中湿度发生器主要组成部分为：一级干气质量流量控制器、一级湿气质量流量控制器、二级干气质量流量控制器、二级湿气质量流量控制器、饱和器、温度及压力传感器、下位机控制器。电脑上位机用于与湿度发生器实时通讯，控制湿度发生器自动发生设定的露点温度的气体，对湿度发生器四路质量流量控制器实际输出的流量、饱和器温度进行监测。
如图2所示是湿度发生器的原理图。干气气源1经过减压阀2分别连接质量流量控制器3、4、5，质量流量控制器3、4、5分别用于调节一级干气、一级湿气和二级干气的流量；一级湿气经过单向阀7和饱和器8与一级干气混合后分别通入一级流量调节阀11和质量流量控制器6；一级流量调节阀11用于调节一级气12的排空流量，当一级气压力过小时此阀要适当关闭，以保证质量流量控制器6有足够的供气压力；二级湿气与二级干气混合为发生气13输出。
所述单向阀7是为了防止饱和器里的水倒灌进入质量流量控制器4。
所述四个质量流量控制器由下位机控制器进行流量的控制与监测。
所述饱和器中安装有温度传感器9，出气处安装有压力传感器10，两个传感器测得的参数同样由下位机控制器进行监测。
所述电脑上位机与下位机控制器利用Modbus通讯协议进行实时通讯，增加了系统的稳定性及可扩展性，上位机向下位机传送四路质量流量控制器的控制参数，下位机向上位机传输四路质量流量控制器得监测值、温度和压力传感器的测量值。
所述上位机提供人机界面，实现与下位机的实时通讯。通过调用遗传算法计算，来辅助实现对四路质量流量控制器的控制流量的计算。用户在上位机人机界面上输入要发生的湿气的露点温度及干气气源的露点温度，湿度发生器则可以自动发生出设定露点的气体，同时通过上位机人机界面可以实时监测通过四路质量流量控制器的气体流量、饱和器温度和一级气压力。
流量计算：
当用户在上位机输入发生露点时，则自动调用遗传算法计算，计算出四个质量流量控制器的控制流量。首先随机确定一级湿气的流量，再分别计算出一级干气、二级湿气和二级干气的流量，然后根据适应度函数运用遗传算法计算出最佳的一级湿气的流量，从而确定其他三路气体的流量。
(1)饱和水汽压的计算公式选用改进的Magnus公式
水面饱和水汽压：
ew(t)＝610.78e17.269(T-273.16)/(T-35.86) (1.1)
T：热力学温度(K)
冰面饱和水汽压：
ei(t)＝610.78e21.87(T-273.16)/(T-7.66) (1.2)
(2)一级气流量的确定
设一级干气流量为Qfd，一级湿气流量为Qfw，二级湿气发生的最大流量为QMsw。
一级气由一级干气和一级湿气混合而成，一级气的湿度直接决定了发生气的露点发生范围。首先确定一级气总流量为二级湿气发生最大流量的2.5倍即2.5QMsw，一级湿气的流量由遗传算法确定，则一级干气流量可求得：
Qfd＝2.5QMsw-Qfw (1.3)
(3)一级气饱和水汽压的计算
设干气水汽压为ed，干气的体积为Vd；湿气水汽压为ew，湿气的体积为Vw；一级气水汽压为ef，一级气的体积为Vf；干气单位时间内通过质量流量控制器的流量为Qfd，湿气单位时间内通过质量流量控制器的流量为Qfw，一级气由一路干气和一路饱和湿气混合而成，则由道尔顿分压定律可得：
ewVw+edVd＝efVf (1.4)
可以得到：
Figure BSA0000142621900000031
其中：ed可由标准仪器进行测得，为恒定值，湿气水汽压ew可根据测得的饱和器温度由式(1.1)计算得出。
(4)二级干气流量的计算
设二级湿气流量为Qsw，二级干气流量为Qsd，发生露点设定值为T，发生气水汽压为e，发生气总流量为Q，二级气由一级气作为二级湿气和二级干气混合而成，由式(1.5)得：
Figure BSA0000142621900000032
可以得到：
其中Q根据需求进行设定，发生气水汽压e可根据发生露点设定值T带入式(1.1)或(1.2)得到，(当t≥0时用式(1.1)，当t＜0时用式(1.2))。
从而得到：
Qsw＝Q-Qsd (1.8)
(5)遗传算法适应度函数
设一级湿气、一级干气、二级湿气和二级干气的量程分别为Rfw、Rfd、Rsw、Rsd。由于质量流量控制器在满量程的百分之十以上才能保证较高的控制精度，因此确定适应度函数如下：
F(Qfw)＝4-((Rfw-Qfw)/Rfw+(Rfd-Qfd)/Rfd+(Rsw-Qsw)/Rsw+(Rsd-Qsd)/Rsd)(1.9)
式中Qfw随机产生，Qfd、Qsw和Qsd可由式1.1-1.10计算得出。
遗传算法控制器参数设置：
(1)染色体编码方式选择：编码方式选用二进制符号串进行编码，长度选为Rfw用二进制表示的位数；
(2)初始群体：在Rfw范围内随机生成初始群体，群体大小设为40；
(3)选择算子：选用较为容易实现的轮盘赌选择；
(4)终止代数：100；
(5)交叉概率：0.6；
(6)变异概率：0.05.
本湿度发生控制装置工作时，首先将干燥气源连接至湿度发生器，将湿度发生器出气口接至被检露点仪，将湿度发生器与上位机成功进行通讯。在上位设定要发生的流量、发生露点值和干气气源露点值，则上位机软件会自动计算出湿度发生器四路质量流量控制器的控制量，并将数据传输至下位机控制器，即可输出设定露点的湿气了。在此期间可通过上位机界面实时对湿度发生器四路质量流量控制器实际输出的流量、饱和器温度、一级气压力进行监测。

Claims (1)

1.一种基于分流法的自适应湿度发生控制装置，主要由湿度发生器和电脑上位机两部分组成，其中湿度发生器主要组成部分为：一级干气质量流量控制器、一级湿气质量流量控制器、二级干气质量流量控制器、二级湿气质量流量控制器、饱和器、温度及压力传感器、下位机控制器，电脑上位机用于与湿度发生器实时通讯，控制湿度发生器自动发生设定的露点温度的气体，对湿度发生器四路质量流量控制器实际输出的流量、饱和器温度进行监测，湿度发生器干气气源(1)经过减压阀(2)分别连接一级干气质量流量控制器(3)、一级湿气质量流量控制器(4)、二级干气质量流量控制器(5)，一级干气质量流量控制器(3)、一级湿气质量流量控制器(4)、二级干气质量流量控制器(5)分别用于调节一级干气、一级湿气和二级干气的流量；一级湿气经过单向阀(7)和饱和器(8)与一级干气混合后分别通入一级流量调节阀(11)和二级湿气质量流量控制器(6)；一级流量调节阀(11)用于调节一级气(12)的排空流量，当一级气压力过小时此阀要适当关闭，以保证二级湿气质量流量控制器(6)有足够的供气压力；二级湿气与二级干气混合为发生气(13)输出，上位机提供人机界面，实现与下位机的实时通讯，通过调用遗传算法计算，来辅助实现对四路质量流量控制器的控制流量的计算，用户在上位机人机界面上输入要发生的湿气的露点温度及干气气源的露点温度，湿度发生器则可以自动发生出设定露点的气体，同时上位机向下位机传送四路质量流量控制器的控制参数，下位机向上位机传输四路质量流量控制器得监测值、温度和压力传感器的测量值，因此通过上位机人机界面可以实时监测通过四路质量流量控制器的气体流量、饱和器温度和一级气压力。
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