湿度标准设备中饱和器的设计与应用

　　0　引言

　　湿度是最重要的气象要素之一。随着科学技术的发展,测湿仪器和传感器的准确度和测量范围不断提高和扩大。了解掌握湿度敏感元件、传感器在低温下工作时的测量性能,对提高探空仪的测量准确度非常重要。因此,准确地检定、测试湿度敏感元件和传感器是全国各气象计量单位所面临的重要课题。为全面地考核其性能指标,保证测试数据的准确、可靠,使测试设备、测试手段都上一个新台阶,在研制湿度标准设备时,对饱和器进行了塔板式迷宫设计。

　　1　设计思路

　　湿度通常用相对湿度(水面和冰面)、露点和霜点来表述。

　　湿度标准设备是能产生并连续输出恒温恒湿气体的装置,可用于对湿度敏感元件、湿度传感器或露点仪的标定检定、测试。饱和器是湿度标准设备的心脏,要获得相对湿度必须保证饱和器的输出是100%的饱和湿气,而饱和湿气的形成就必须使气体在水面上走过足够长度的路径,使水分子充分蒸发,从而达到饱和。拟采用双压法产生标准湿度环境,把饱和器和测试室浸没在同一恒温液体槽中,经过净化、干燥的压缩气体进入饱和器,使其在加压状态下被水汽饱和,然后减压膨胀进入测试室。测试室主要技术指标要求如下[1,2]:

　　温度范围:-30~40℃;

　　湿度范围:10%~98%RH;

　　湿度均匀性:1%RH;

　　湿度稳定性:±1% RH/15 min;

　　湿度允许误差:±1%RH;

　　湿度变换时间:在同一温度条件下湿度<85%RH时改变10%RH的时间不超过2 min;湿度≥85%RH时改变10%RH的时间不超过5 min。

　　2　关键问题及解决方法

　　2.1　饱和器的设计

　　双压法湿度发生器是根据道尔顿定律设计的,由道尔顿定律可得到如下关系式:

　　式中:ew和Ps分别为饱和器中的饱和水汽分压和气体的总压;ec和Pc分别为测试室中的水汽分压和气体的总压。

　　根据定义,在温度t时,低压下的气体的相对湿度可按下式计算:

　　因此,要获得准确的相对湿度必须保证饱和器输出100%的饱和湿气。饱和湿气是由气体在水面上走过足够长的路径,使水分子充分蒸发达到水汽饱和而产生的。为保证湿度标准设备在-30~40℃的宽温度范围正常工作,将饱和器设计为塔板式迷宫结构。气体达到水汽饱和的路径长度可以通过充分的实验来确定。在-30℃条件下,气体以20 l/min的流速流过饱和器,输出100%饱和湿气时的路径长度就是饱和器所需要的总路径。在40℃条件下,流出的最大水气密度为51 g/m3,按20 l/min计算的流量为:

　　按照30 h连续工作时间计算饱和器中的用水量为: