崔體運(yùn) 張文東 沈淘淘 張勇/上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

溫濕度檢定箱的自控裝置

崔體運(yùn) 張文東 沈淘淘 張勇/上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

在滿足JJG 205-2005規(guī)程技術(shù)要求的情況下，對(duì)已有溫濕度檢定箱加裝自動(dòng)控制裝置。 這項(xiàng)改進(jìn)不僅節(jié)省了購(gòu)置新設(shè)備的資金，同時(shí)還為溫濕度檢定箱增加了保護(hù)程序，摒除了人為操作溫濕度檢定箱的失誤，提高工作效率，滿足客戶多元化的需求。

溫濕度檢定箱；自動(dòng)控制

0 引言

各類機(jī)械式溫濕度計(jì)和數(shù)字式溫濕度計(jì)使用越來越廣泛，已經(jīng)遍及工農(nóng)業(yè)、國(guó)防、科技等各領(lǐng)域，同時(shí)對(duì)于溫濕度參數(shù)的準(zhǔn)確度要求也越來越高。溫濕度檢定箱作為用于檢定/校準(zhǔn)機(jī)械式溫濕度計(jì)和數(shù)字式溫濕度計(jì)的重要配套設(shè)備，其均勻性和穩(wěn)定性對(duì)于檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度有著極其重要的影響。

目前送檢的各類溫濕度計(jì)檢測(cè)數(shù)量大幅度增加。為了滿足社會(huì)日益增長(zhǎng)的檢測(cè)需求，需要購(gòu)置溫濕度檢定箱或者對(duì)目前的箱子進(jìn)行升級(jí)改造，提高工作效率?？紤]到國(guó)際先進(jìn)品牌的溫濕度檢定箱的采購(gòu)成本高昂、國(guó)內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊以及實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地等問題，故對(duì)已有XLS-Ⅲ型溫濕度檢定箱加裝自控裝置，提高其工作效率。

1 方案

1.1 溫濕度檢定箱工作原理

溫濕度檢定箱從工作原理上來分主要有兩大類，一類是加熱蒸汽加濕、制冷去濕法，另一類是通過雙溫法。XLS-Ⅲ型溫濕度檢定箱采用雙溫法工作原理，雙溫分別為箱體內(nèi)氣體溫度和氣體流經(jīng)其表面的水溫。由于水溫不同，其水面飽和狀態(tài)下含有水蒸氣的量不同，導(dǎo)致氣體流經(jīng)表面帶走的水蒸氣量不同，以此來控制溫濕度。

1.2 自控裝置的方案設(shè)計(jì)

分析整個(gè)自動(dòng)控制過程，結(jié)合溫濕度箱的出廠設(shè)置，對(duì)系統(tǒng)輸入量與輸出量做了設(shè)定，見圖1。溫濕度控制模塊型號(hào)為C8051，數(shù)據(jù)采集傳輸采用485數(shù)據(jù)通信。此套溫濕度控制系統(tǒng)以自動(dòng)計(jì)算設(shè)定溫濕度值，并發(fā)出指令至執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成操作。整個(gè)過程自動(dòng)化完成，排除人為操作失誤的影響。

圖1 控制模塊輸入量與輸出量設(shè)計(jì)

自控裝置的設(shè)計(jì)主要基于以下兩個(gè)方面。

1.2.1 相對(duì)濕度與露點(diǎn)關(guān)系的理論基礎(chǔ)

相對(duì)濕度是指空氣中水蒸氣的摩爾分?jǐn)?shù)與相同溫度（T）、壓力（p）下純水表面飽和水蒸氣的摩爾分?jǐn)?shù)之比，用百分?jǐn)?shù)表示。

式中：e—水蒸氣分壓，Pa；

ew—飽和水蒸氣壓，Pa

相對(duì)濕度越小，就表示是空氣離飽和態(tài)越遠(yuǎn)，尚有吸收更多水蒸氣的能力，即空氣越干燥，吸收水蒸氣能力越強(qiáng)；反之，相對(duì)濕度越大，吸收水蒸氣能力越弱，即空氣越潮濕。相對(duì)濕度反映了濕空氣中水蒸氣含量接近飽和的程度，故又稱飽和度。

飽和水蒸氣壓即濕空氣處于露點(diǎn)溫度或霜點(diǎn)溫度（飽和狀態(tài)時(shí)）時(shí)水蒸氣所占的分壓值。采用Michell Instrument Ltd 中使用的飽和水蒸氣壓計(jì)算公式，一組是簡(jiǎn)化的，一組是復(fù)雜的。

結(jié)合溫濕度檢定箱實(shí)際情況，僅考慮在水面上，采用簡(jiǎn)化公式如下：

其中溫度范圍：-45～60 ℃；不確定度小于0.6%，置信空間95%。

露點(diǎn)計(jì)算公式是將求飽和水蒸氣壓簡(jiǎn)化公式中的溫度值反推，反推公式如下：

在-45～60 ℃溫度范圍內(nèi)，露點(diǎn)溫度td的不確定度為0.04 ℃。

1.2.2 露點(diǎn)計(jì)算值與噴淋水溫度關(guān)系的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

雙溫法溫濕度檢定箱其實(shí)就是控制噴淋水溫度，通過設(shè)定值控制系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出目標(biāo)濕氣的露點(diǎn)值，而露點(diǎn)值作為控制系統(tǒng)的一個(gè)中間量，必須轉(zhuǎn)化為噴淋水溫度才能實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的控制，為此進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同箱體溫度下水箱溫度與露點(diǎn)溫度對(duì)照表

由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量比較大，分別采用了線性、非線性兩種方式進(jìn)行擬合。經(jīng)過計(jì)算線性擬合得到的公式，在部分情況下誤差較大，故采用了非線性擬合。期間對(duì)三項(xiàng)式與二項(xiàng)式擬合結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，兩者之間誤差都不大于±0.1 ℃，結(jié)合控制模塊的情況，采用了計(jì)算較為簡(jiǎn)單快捷的二項(xiàng)式擬合結(jié)果，其誤差結(jié)果見表2。

20 ℃時(shí)，擬合公式：

T水箱= -0.005 7T2露點(diǎn)+1.343 4T露點(diǎn)-5.248 9

30 ℃時(shí)，擬合公式：

T水箱= -0.006 8T2露點(diǎn)+1.458 2T露點(diǎn)-7.952 6

如果設(shè)定其他箱體溫度t（介于20～30 ℃）下的濕度，露點(diǎn)與水箱溫度的計(jì)算采用插值法，可得t溫度下水箱溫度設(shè)定值為

Tt= T20+ 0.1（T30- T20）（t - 20）

表2 擬合結(jié)果與實(shí)際值誤差表

1.3 自動(dòng)控制流程

首先將Michell Optidew Vision露點(diǎn)儀設(shè)置到REMOTE狀態(tài)，箱體溫度、水箱溫度、環(huán)境露點(diǎn)傳感器儀表通信自檢，如果有通信故障啟動(dòng)報(bào)警，返回“通信故障”提示；結(jié)合溫濕度檢定箱的出廠配置情況，為了保護(hù)設(shè)備安全高效運(yùn)行，對(duì)箱體溫度、水箱溫度的工作溫度做了限制，同時(shí)環(huán)境露點(diǎn)對(duì)溫濕度檢定箱的工作環(huán)境做了監(jiān)測(cè)，如果超出范圍則報(bào)警，并提示“儀器故障”。

以上均為自動(dòng)控制裝置工作前的自我監(jiān)測(cè)與保護(hù)，如果無異常，則進(jìn)入設(shè)定模式，設(shè)定所需要的溫度與濕度值。初始化狀態(tài)為：水箱閥板切換至低濕通道；設(shè)定箱體溫度值20.0 ℃；設(shè)定水箱溫度值2.8 ℃；設(shè)定相對(duì)濕度值40%RH。

通過控制面板，分別設(shè)定箱體溫度與相對(duì)濕度，控制模塊根據(jù)設(shè)定值計(jì)算出目標(biāo)濕氣的露點(diǎn)值，再次通過露點(diǎn)值與噴淋水溫度的關(guān)系式，轉(zhuǎn)化為對(duì)噴淋水溫度的設(shè)定，完成雙溫法控制循環(huán)。

高低濕通道的切換遵循以下原則：高濕低濕通道的切換取決于環(huán)境濕度的高低與溫濕度檢定箱的設(shè)定濕度值，如果需要發(fā)生的濕氣露點(diǎn)值高于環(huán)境露點(diǎn)值2 ℃DP，通道處于高濕通道；否則處于低濕通道。

2 自控裝置的檢測(cè)

2.1 控制誤差

通過控制面板設(shè)定箱體溫度與相對(duì)濕度值，經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)得到自控裝置控制誤差實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表3。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，加裝自動(dòng)控制裝置的溫濕度檢定箱控制誤差：濕度≤0.3%RH，溫度基本無誤差。

2.2 溫濕度檢定箱均勻度與波動(dòng)度

溫濕度檢定箱作為溫濕度計(jì)檢定裝置的輔助設(shè)備，溫濕度的均勻度與波動(dòng)度是衡量其性能的重要指標(biāo)。按照J(rèn)JG 205-2005《機(jī)械式溫濕度計(jì)》附錄D 《溫濕度檢定箱的溫濕度均勻度、波動(dòng)度測(cè)試方法》，分別對(duì)改造前后溫濕度檢定箱的均勻性與波動(dòng)度進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)設(shè)備為rotronic精密溫濕度記錄儀，檢測(cè)前后于同一套標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器內(nèi)校準(zhǔn)，消除彼此間的測(cè)量誤差。溫濕度檢定箱均勻度與波動(dòng)度檢測(cè)結(jié)果見表4。

表3 自控裝置控制誤差實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 溫濕度檢定箱均勻度與波動(dòng)度檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)結(jié)果顯示，XLS-Ⅲ型溫濕度檢定箱是否加裝自控裝置均滿足JJG 205-2005對(duì)溫濕度檢定箱的技術(shù)指標(biāo)。

3 結(jié)語

通過對(duì)XLS-Ⅲ型溫濕度檢定箱加裝自動(dòng)控制裝置，在滿足JJG 205-2005對(duì)溫濕度檢定箱的技術(shù)要求之外，同加裝自控裝置之前相比還有以下幾個(gè)方面的改進(jìn)：

1）摒除人為操作失誤的因素，提高溫濕度檢定箱工作效率。

2）程序中設(shè)置了保護(hù)參數(shù)，如溫濕度參數(shù)設(shè)定超限返回預(yù)警信息。

3）節(jié)省了大量資金。國(guó)外生產(chǎn)的一臺(tái)自控的溫濕度箱售價(jià)普遍在50萬元左右，本裝置費(fèi)用不超過20萬元，同時(shí)性能指標(biāo)滿足要求。

本裝置經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，能夠穩(wěn)定、高效地工作，可以考慮推廣。

[1]李英干,范金鵬.濕度測(cè)量[M].北京：氣象出版社, 1990.

[2]張文東.空氣流速和自熱效應(yīng)對(duì)濕度傳感器測(cè)量準(zhǔn)確度的影響[J].上海計(jì)量試,2012.3∶36-39.

[3]楊世銘，陶文銓. 傳熱學(xué)，4 版[M].北京∶高等教育出版社,2006.

Automatic control device for temperature and humidity test chamber

Cui Tiyun, Zhang Wendong, Shen Taotao, Zhang Yong
（Shanghai Insitute of measurement and Testing Technology）

The temperature and humidity test chamber was equipped with automatic control, which meets technical requirements of JJG 205-2005. It not only saved the initial cost of purchasing new equipment, but also added the protection program for the temperature and humidity test chamber to exclude the issues which were caused by manual operation. This improvement improved work efficiency, and can meet the diversified customer requirements.

Temperature and humidity test chamber;automatic control