分流法湿度发生器的研制

安永利

【摘要】为了更好地做好湿度传感器校准工作，辽宁省计量科学研究院与相关科研部门基于分流法的原理，合作研制了一种分流法湿度发生器。本装置具有温度范围宽、准确度较高、使用方便等优点，非常适合对湿度相关产品检定量繁重的科研院所和计量单位，同时也为国内湿度校准实验室选择湿度发生器提供参考依据。

【關键词】湿度发生器;分流法;相对湿度

【DOI编码】10.3969/j.issn.1674-4977.2022.03.026

Development of Mixed-flow Humidity Generator

AN Yong-li

（Liaoning Institute of Measurement，Shengyang 110004，China）

Abstract：In order to test the Humidity Sensor better，Liaoning Institute of Measurement has made one kind of mixed-flow humidity generator with one scientific research institution. This device has wide temperature range and high accuracy，it is easy to operate. It is suitable for research institutions and measurement institutions which have a lot of humidity related products to test. At the same time，it also provides a reference basis for domestic humidity calibration laboratories to select humidity generator.

Key words：humidity generator;mixed-flow;relative humidity

1引言

由于湿度与医药、电子、化工、电力等相关行业的产品质量及安全有重要关系，因此在许多场合需要使用湿度计、湿度传感器以及露点仪来进行过程参数的监控及环境监控。这些仪器的准确度需要通过定期或不定期的检定或校准来提供保证。在检定时一般需要使用湿度发生器来提供具有稳定的温度及湿度的气流，并配以精密露点仪作为标准器来进行该类仪器的检定及校准工作。

目前，湿度发生器的生产公司及产品型号众多，采用分流法原理生产的相对湿度发生器有：美国GE公司的Humilab，英国MICHELL公司的HG-1，HG-10，瑞士ROTRONIC的HygroGen;采用双压法原理生产的相对湿度发生器有：美国Thunder的2500，奥地利E+E公司的HUMOR10-20等。但这些湿度发生器的价格较高，并且其发生气体的温度或湿度不能满足湿度传感器校准规范中对湿度传感器所发生气体的温度或湿度的要求。采用国外生产的湿度发生器时经常容易产生各种问题，如在国外产品报价中有的不含恒温水浴;有的不含露点仪;采用电容法湿度传感器作为测量及控制系统时需定期进行校准，不能作为标准计量器具进行量值传递，而且校准传感器时要将被检传感器置于气室中来进行校准，因此需要较大的流量以避免外界空气温湿度的干扰。

为了解决上述问题，辽宁省计量科学研究院与相关科研部门合作研制了一种湿度发生器，专为湿度校准实验室检定及校准湿度传感器而设计。该装置含有恒温水浴，并且使用方法简单，符合国家湿度传感器校准规范对湿度发生器的要求。若配置扩展不确定度为0.1℃或0.2℃的露点仪，以及扩展不确定度为0.1℃的温度计，可达到一级或二级湿度标准计量器具的要求。

该装置在检定传感器时，气室与传感器可以做到较好的密封，因此受外界空气温湿度的影响较小，数据的准确度较高，使用方便，并可同时检定或校准8只湿度传感器。辽宁省计量科学研究院研制的这款装置工作效率高，所需费用比国外同类产品的低，具有较高的性价比。

各个公司湿度发生器的性能指标比对情况详见表1。

2分流法湿度发生器工作原理

分流法湿度发生器工作原理为：将一股干气按比例准确地分为两股，其中一股干气经过换热后进入饱和器成为饱和湿气，另一股则经过换热后仍为干气，与上一股已经达到饱和的湿气经过一定比例混合均匀后进入测试室，通过调节两股气流的流量比例，即可获得不同相对湿度的样气。

校准湿度传感器时，由湿度发生器产生稳定的具有一定湿度的气源，利用精密露点仪及温度计测得露点值及温度值。根据相对湿度的定义，通过公式计算得到准确的相对湿度值，将该值作为标准值来校准湿度传感器。该标准值可溯源至精密露点仪及标准温度计。

湿度传感器校准方法原理如图1所示。

分流法湿度发生器能够提供连续、快速、均匀变化的湿度环境场，在对传感器进行动态特性测试的场合中使用时有比较明显的优势。分流法湿度发生器应用比较普遍，这是因为分流法湿度发生装置所提供湿度量值的准确度相对较高，制造成本较低且能够快速提供不同湿度范围的样气。

分流式湿度发生器流程简图如图2所示。

3主要内容

3.1技术指标

温度范围：5～60℃;温度稳定性：±0.05℃;湿度发生范围：5%RH～95%RH;湿度偏差：±1.0%RH;露点范围：-30～60℃;露点稳定性：±0.1℃。

3.2技术方案

3.2.1气源

采用普氮、高纯氮气钢瓶或干燥后的压缩空气作气源。发生器所能发生湿度的最低限值取决于压缩气体的湿度，若不能达到要求可选择干燥管，以达到要求。

3.2.2管路及阀门

所有管路及阀门均为进口产品，采用计量阀来调整两股气流的流量，可以做到流量稳定，最终通过露点仪及标准温度计来进行测量，然后通过计算定值。

3.2.3饱和器

这里采用的是“迷宫”式饱和器。气体从管的一端分三路进入互相隔离的螺旋形通道。通道位于水面的上方。饱和器的结构相当于气流的导流板，使气体不断折回水面，从而有足够的机会同水接触。被饱和的气体从管的另一端排出“迷宫”式饱和器原理如图3所示。

该湿度发生器饱和效率较高，湿度发生范围从5%RH～95%RH。当然，在满足要求的条件下，也可以采用其他形式的饱和器。

3.2.4恒温装置

分流法湿度发生器的原理是一股饱和气与一股干气混合产生具有一定的温度及湿度的气流，所发生的气流的温度及湿度稳定性受饱和器的温度影响较大。因此恒温水浴的波动度一定要小。本装置所选水浴的制冷系统及控温系统等关键部件均采用进口产品，水浴内径500 mm，控温范围5～60℃，水平温差0.01℃，垂直温差0.02℃，温度波动度±0.015℃，完全满足相关校准规范的要求。

3.2.5测试装置

测试装置专为湿度传感器的校准而设计，分混合室和测试室两部分。混合室是Φ80×200的圆柱体，有两个进气孔，一个排气孔，气孔接头选择1/4英寸接头，混合室腔体要求内抛光。测试室有多个密封接口，同时备有多个尺寸的密封垫，可以校准不同尺寸的湿度传感器，并最多可同时检定8只湿度传感器，工作效率较高。被试传感器与测试室要做到较好的密封。整个测试装置采用材料为316不锈钢制成，接口尺寸为1/4英寸，在常温常压下的氦气检漏率为1×10^-6STD·mL/s。

4需要注意和改进的地方

用单个氮气钢瓶做气源时，气压不足应及时更换。因为气压不足时，干燥气源本身湿度波动较大，影响出气质量。这是所有湿度发生器共同的问题。建议用干燥后的压缩空气作气源。如果用气瓶最好把多个钢瓶并联使用，并及时更换。

进行高湿校准时要注意环境温度的影响。尤其是高温高湿时，环境温度低于工作室温度，被测样品表面会有结露现象，这是正常的，此时应适当延长试验时间。

该装置的计量阀调整为手动操作，存在人为影响，如果强调重复性，需要反复调整，适当延长试验时间;如果把计量阀改为质量流量计，采集数字信号再用程序实现微机控制，不但能提高重复性，还能提高工作效率。

目前该装置的气体输出是10L/min，完全可以满足大多数实验室工作需要。如果需要更多的排气量，还需试验改进。

5未来展望

该装置与精密露点仪配套使用，成功实现了在温度5～60℃条件下，湿度传感器的校准工作，对湿度计量检定和湿度传感器制造及应用企事业单位有一定的参考价值。未来如果把恒温装置的介质换成低温介质，把制冷系统改成复叠式，保温层做特殊处理，采集数字信号实现微机控制，则可实现低温条件下的湿度校准。这是一個新的领域，还需要大量的实验来验证。

【参考文献】

[1]张学范，崔剑，辛宗伟，等.一体化湿度校准装置的研制[J].化学分析计量，2016，25（1）：95-98.

[2]苏娜.分流法便携式湿度发生器的研究与设计[D].南京：南京信息工程大学，2020.