CN108970430A - 便携式低湿水汽发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种便携式低湿水汽发生装置，包括：压缩气瓶、减压阀、第1流量调节阀、第1三通阀、水汽饱和器和混合器，所述压缩气瓶用于存储并向输气管路提供压缩气体；所述减压阀用于对输气管路中的气体进行第一次降压；所述第1流量调节阀用于对第一次降压后的气体进行流量控制，从而进行第二次降压；所述第1三通阀用于将两级降压后的气体分流到干气管路和湿气管路，所述干气管路与所述混合器相连通，所述湿气管路通过所述水汽饱和器与所述混合器相连通。本发明可以发生宽范围的水汽，并且所发生的水汽具有较好的稳定性，结构简单、便于携带、操作方便、成本小。

Description

便携式低湿水汽发生装置
技术领域
本发明属于计量校准领域，涉及密封元器件水汽分析仪器的校准技术，尤其涉及一种便携式低湿水汽发生装置。
背景技术
密封元器件内部水汽含量超标是导致密封器件失效的主要原因之一，在元器件可靠性研究中，为了消除外部环境中湿气因素的影响，提高元器件的质量可靠性，元器件器的外壳一般都作了密封防潮处理，并通过填充干燥空气或高纯氮气以保证密封腔体内部处于低湿度的状态，同时，对密封元器件内部低湿水汽的含量进行严格测量控制。小腔体内部水汽质谱分析仪，是一种用来分析检测电子元器件密封腔体内的水汽含量的高分辨率分析仪器，广泛应用于密封封装类电子元器件内部水汽检测。密封元器件水汽分析仪器需要有标准低湿水汽进行标定，而低湿水汽需要水汽发生装置产生，因此对能够产生低湿水汽的发生装置有大量需求。
现有的水汽发生方式主要有三种，第一种是利用恒温恒湿箱产生恒湿气流，第二种是基于混合法产生恒湿水汽的分流法，第三种是基于热力学P、V、T关系配制水汽的双压、双温法。
恒温恒湿箱产生恒湿气流法可以直接调节工作空间(测试腔)内的气体的温度和湿度，在工作空间内形成某一特定环境空间，适合进行产品环境试验，发生湿度的范围(5～98)％RH，装置稳定性好，应用广泛。但是，恒温恒湿箱产生恒湿气流法无法发生低湿水汽，特别是水汽含量为ppm级(1×10-6)的低湿水汽。
分流法通过调节干湿气流量(混合比)得到想要的水汽浓度的气体，湿度发生范围宽，但发生的气氛湿度稳定性与气体流量控制阀有很大关系，一般不太稳定。双压法、双温法从基本物理原理出发，具有可靠的理论基础，温度、压力可以精确测量控制，可以发生水汽浓度为(40～23000)×10-6的恒定气流，压力、温度调节方便，水汽发生器响应快，可以实时发生水汽，但是，在发生低湿气氛时，双压法气流前后需要较大的压差，需配置压缩机、恒温槽，如气流压差不大，则发生的水汽浓度范围大大缩小，双温法气流前后则需要较大的温差，需配置加热、制冷及控温设备，如气流温差不大，则发生的水汽浓度范围(湿度范围)大大缩小，如配置这些设备，可以满足水汽浓度范围，但是这些设备体积庞大、笨重，使得整体的水汽发生装置不便于携带，不能满足现场计量校准需要。
发明内容
本发明针对现有湿度发生装置的不足之处，目的在于提供一种结构简单、便于携带、操作方便、成本小的便携式低湿水汽发生装置，能够发生范围宽、稳定性好的低湿水汽。
为了实现上述目的，本发明的一个方面提供一种便携式低湿水汽发生装置，包括：压缩气瓶、减压阀、第1流量调节阀、第1三通阀、水汽饱和器和混合器，所述压缩气瓶用于存储并向输气管路提供压缩气体；所述减压阀用于对输气管路中的气体进行第一次降压；所述第1流量调节阀用于对第一次降压后的气体进行流量控制，从而进行第二次降压；所述第1三通阀用于将两级降压后的气体分流到干气管路和湿气管路，所述干气管路与所述混合器相连通，所述湿气管路通过所述水汽饱和器与所述混合器相连通。
根据本发明的上述方面的便携式低湿水汽发生装置，可以发生宽范围的水汽，并且所发生的水汽具有较好的稳定性，结构简单、便于携带、操作方便、成本小。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的便携式低湿水汽发生装置的结构示意图；
图2为本发明一种实施方式的水汽饱和器的结构示意图；
图3为本发明一种实施方式的混合器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明实施方式的便携式低湿水汽发生装置采用双压分流结合法发生水汽，分流法发生水汽的优点是发生的水汽浓度范围宽，缺点是气流不易稳定，而双压法能够产生稳定气流，通过将双压法和分流法二者相结合，可兼具二者的优点，既可以发生宽范围的水汽，又能具有较好的稳定性。
本实施方式采用瓶装压缩气体作为气源，瓶装压缩气选择(4～8)L的钢瓶，没有配置大型气体压缩设备，便于装置的小型化。瓶装压缩气的压力可达10Mpa。采用高纯氮气(氮气纯度为99.999％以上)作为气源，气源很干净，没有其他颗粒，不需要气体过滤器。气源水分含量极小，不需要配备气体干燥器，便于装置小型化便携化。
图1为本发明一种实施方式的便携式低湿水汽发生装置的结构示意图。如图1所示，高纯氮气储存在4L～8L的压缩气瓶11(承压钢瓶)中，经过减压阀12将管路中的氮气压力降到1.5MPa～8.0MPa，该处压力由第1压力表13测量监控，然后经过第1流量调节阀15调节管路中的气体流量，管路中的氮气压力降到0.15MPa～4.0MPa，经过两级降压的高纯氮气通过第1三通阀16，第1三通阀16将气流分为两股，流经水汽饱和器22的氮气称为湿气，不流经水汽饱和器的氮气称为干气，第2流量调节阀17和第3流量调节阀18可以分别对干气和湿气进行流量控制，水汽饱和器22的顶端有加水口21，需添加水时打开阀门从该处加少量水(20～80滴左右)，不需添加水时该处为关闭状态，从水汽饱和器22出来的湿气经过计量阀23膨胀减压，将压力降为0.12MPa～0.16MPa，该处压力由第3压力表24精确测量，然后与不流经水汽饱和器22的干气通过第2三通阀25在混合器26中充分混合，之后形成一股新的湿气流，该湿气流中水汽含量可以通过精密露点仪27准确测定。
本实施方式的低湿水汽发生装置还可以包括：与第1压力表13连接的第3三通阀14、对流经第3流量调节阀18的氮气压力进行测量的第2压力表19、与该第2压力表19连接的第4三通阀20。
本实施方式的低湿水汽发生装置发生水汽范围属于低湿水汽，是量值为水汽体积百分含量为(10～20000)×10-6的低湿水汽。
第1三通阀16可以将降压后的高纯压缩氮气分为两股气流，一股经过水汽饱和器22、计量阀23再进入混合器26(称为湿气)，一股直接通入混合器26(称为干气)，通过第2流量调节阀17和第3流量调节阀18调节两股气体的流量大小，起到控制湿气与干气流量比的作用，根据分流法发生水汽的原理，即起到调节气流中水汽含量的作用。
本实施方式的低湿水汽发生装置需要加水时，拧开加水口21的出管线上的螺丝就可以从此处加水，加水时一次加20～80滴左右，加水口21设在水汽饱和器22的最上端，这样所滴入的水在重力作用下向下流入水汽饱和器22，储存在水汽饱和器22下端。
水汽饱和器22能够使高纯氮气在稳定的高压状态下饱和，然后在相同的温度下经过计量阀23膨胀降压至稳定的低压状态，即可得到恒湿氮气源。
图2为本发明一种实施方式的水汽饱和器的结构示意图。如图2所示，水汽饱和器22分为两级饱和器，包括：一级饱和器31(饱和承压钢瓶)、S流线型导流板32、密目网格33、U型管34、二级饱和器35(饱和承压钢瓶)、气体出口36、加水口21。一级饱和器31内置S流线型导流板32，水可以顺着S型导流板向下流，可将整个内板浸润。S流线型设计既然可加大氮气流与水汽接触面积，又可减少流体阻力，S型导流板上均匀分布微型小孔，气流可以通过，S型导流板倾斜角度为10°～30°，S型导流板上端与一级饱和器31外壁相连，下端与一级饱和器31外壁不相连，这样加水时微量的水就会顺着S型导流板将整个内板浸润。
图中一级饱和器31和二级饱和器35的内径约3cm～8cm，两个饱和器之间的连接管径约为0.4cm，饱和器的内径远大于连接管径，并且气流从上面流入一级饱和器31，再经过一小段连接管，再从下往上流入二级饱和器35，经过计量阀降压后流出。两级饱和器的壁面设计成圆弧面，这样有效改善气体在饱和器均匀流动问题。
两级饱和器下端放置不锈钢密目网格，网目密度为300目/100cm3～700目/100cm3，便于气体鼓泡而出。两个饱和器之间的连接管为U型，处于最低端，这样设计的好处是从饱和器最顶端加水后，水在重力作用下会流到U型管下部，使水集中在U型部位，U型部位位于两级饱和器中间，并与两级饱和器联通，这样水就集中于两级饱和器最下端。
当干燥氮气气流流入时，U型管中水随着气流一起进入饱和器，U型气管管径收窄使其远小于饱和器管径，由于饱和器管径远大于U型管径，水不够填充饱和器，气体从饱和器下端少量水中鼓泡而出，起到气体饱和作用，而水则留在了饱和器中，反之，当试验结束，关闭气源，水流回中间U型管，第一饱和器31也起到保护作用，防止水流到加水口之前的管路中，防止了湿气流入干气管路中。
从第2三通阀25出来的干气和湿气在混合器26内充分混合。图3为本发明一种实施方式的混合器的结构示意图。如图3所示，混合器26的结构根据空气动力学原理和空气的流动特性，设计成入口段41、收缩段42、恒流段43、扩张段44。从第2三通阀25出来的干气和湿气在混合器26入口段经过导流网格片，气体被入口段41的导流网格片不断地分成多股沿不同方向流向收缩段42，导流网格片形状与风扇扇叶相似，旋转弯曲的弧度能够有效的改变气体流向，便于气体混合，使干湿气体初步均匀分布在入口段41。随后气体进入收缩段42被收缩，再次改变气流流向对干湿气体进行混合，恒流段43管道管径相比收缩段再次缩小，干湿气体进一步混合均匀，最后进入扩张段44均匀流出。这样设计的混合器，干湿气体经过多次混合，最大限度减少了干湿气体不均匀，气体中水汽浓度不均匀不稳定的影响。这样设计的混合器与常见的混合器相比，不带搅拌装置，不带机电控制设备等，整个混合器体积小，轻便，符合整个低湿水汽发生装置小型化、便携化的设计思路。
本实施方式的第1流量调节阀15、第2流量调节阀17、第3流量调节阀18采样精密计量阀，避免气体流量过冲，提高气体流量控制的精确度与稳定性。流量调节阀及计量阀都是单向调节阀，气体只能单向流过调节阀，防止气体回流，防止不同流动段的气体混合。
本实施方式的气体管路外面缠绕石棉保温材料，保温性能好，可以防止气体在管路中产生冷凝，也可以减少环境温度变化对水汽发生装置的影响，装置发生水汽浓度稳定。
气体管路管线材质采用非吸湿材质，例如不锈钢和处理过的透明乙烯树脂管。采用管内壁光滑的圆管，当量粗糙度小于0.1，采用金属管材时，内壁进行抛光处理，减少气管材料对水汽的吸附脱附影响。
如上所述，本发明实施方式的低湿水汽发生装置采用双压分流结合法发生水汽，能发生水汽浓度范围为(10～20000)×10，兼具双压法和分流法二者的优点，既可以发生宽范围的水汽，又能具有较好的稳定性。与传统的水汽发生装置相比，该装置不含压缩设备、气体干燥设备、气体过滤设备、恒温槽及控制设备，是一种便携式的水汽发生装置，体积相对较小，便于现场校准大型水汽分析仪、湿度测量设备等。解决了现有湿度发生器体积大、笨重、不是便携式的、低浓度水汽不易制备等问题，提供了一种新的结构简单、便于携带、操作方便、成本小的低湿水汽装置，产生的水汽气流通过精密露点仪测量水汽浓度后，可作为标准低湿水汽对低湿水汽测量仪器进行校准，能够满足生产和实验室水汽分析仪的计量校准需求。
以上所述仅为本发明的较好的实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改，等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种便携式低湿水汽发生装置，其特征在于，包括：压缩气瓶、减压阀、第1流量调节阀、第1三通阀、水汽饱和器和混合器，
所述压缩气瓶用于存储并向输气管路提供压缩气体；
所述减压阀用于对输气管路中的气体进行第一次降压；
所述第1流量调节阀用于对第一次降压后的气体进行流量控制，从而进行第二次降压；
所述第1三通阀用于将两级降压后的气体分流到干气管路和湿气管路，所述干气管路与所述混合器相连通，所述湿气管路通过所述水汽饱和器与所述混合器相连通。
2.根据权利要求1所述的低湿水汽发生装置，其特征在于，还包括第2三通阀，流经所述水汽饱和器的所述湿气管路中的气体与不流经所述水汽饱和器的所述干气管路中的气体通过所述第2三通阀在所述混合器中混合。
3.根据权利要求1或2所述的低湿水汽发生装置，其特征在于，还包括计量阀，所述计量阀设置于所述水汽饱和器与所述混合器之间，用于对流经所述水汽饱和器的气体进行膨胀减压。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的低湿水汽发生装置，其特征在于，还包括第2流量调节阀和第3流量调节阀，分别用于对所述干气管路中的气体和所述湿气管路中的气体进行流量控制。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的低湿水汽发生装置，其特征在于，所述水汽饱和器包括一级饱和器、U型管和二级饱和器，所述一级饱和器和所述二级饱和器通过所述U型管相连接，所述一级饱和器和所述二级饱和器的内径远大于所述U型管的内径。
6.根据权利要求5所述的低湿水汽发生装置，其特征在于，所述水汽饱和器还包括S流线型导流板，所述S流线型导流板设置于所述一级饱和器内，其上端与所述一级饱和器的外壁相连。
7.根据权利要求5或6所述的低湿水汽发生装置，其特征在于，所述水汽饱和器还包括密目网格，所述密目网格设置于所述一级饱和器和所述二级饱和器的内部下端。
8.根据权利要求5-7中任意一项所述的低湿水汽发生装置，其特征在于，所述水汽饱和器还包括加水口，所述加水口设置于所述一级饱和器上端，用于向所述一级饱和器内加水。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的低湿水汽发生装置，其特征在于，所述混合器从气体入口到气体出口依次包括入口段、收缩段、恒流段和扩张段，所述入口段、收缩段、恒流段的管道管径依次缩小，所述扩张段的管道管径大于所述恒流段。
10.根据权利要求9所述的低湿水汽发生装置，其特征在于，所述入口段内设置有导流网格片，用于将气体分成多股并沿不同方向流向所述收缩段。
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