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温湿度现场校准技术的国内外发展现状


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多参数控制系统温湿度现场校准技术





( 中航工业成都飞机工业( 集团) 有限公司质量管理部, 四川 成都 610092 )

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要: 本文介绍了温湿度现场校准技术的国内外

发展现状, 论述了多参数控制系统温湿度现场校准技术的研究环境、 基本原理与校准方法, 分析了多参 数控制系统温湿度现场校准装置的工作原理 、 组成部分及其各部分装置的基本工作原理与预期达成目标, 并阐述了该技术相对于现阶段国内外温湿度现 场校准技术的主要技术难点与优点比较 。 关键词: 多参数控制; 温湿度; 现场校准 中图分类号: TB9 文献标识码: A 国家标准学科分类代码: 410. 55 DOI: 10. 15988 / j. cnki. 1004 - 6941. 2015. 02. 012

Field Calibration Technique on Multi - Parameters Control System for Temperature and Humidity
Li Heng 随着大型武器装备研制生产中新型材料、 新工艺的 应用, 对各种环境条件的要求越来越高 , 各种材料理化试 验( 包括高低温试验、 盐雾试验等 ) 的工艺要求也越来越 严格。温、 湿度控制系统及环境试验设备是大型武器装 备研制生产过程及性能试验中不可缺少的一个重要组成 部分, 由于大多数环境控制系统及环境试验设备不易搬 动不易拆卸, 要求对温度和湿度传感器进行现场校准或 与显示装置或仪表现场成套校准 。多参数控制系统温湿 度现场校准技术, 可实现现场对温湿度传感器进行温度 和湿度的综合检定校准, 实现试验 ( 科研 ) 及生产现场环 境控制系统及各种环境试验设备的现场温湿度场测试 , 以及温湿度传感器进行现场系统校准, 开展对温湿度一 体的传感器的温度和湿度的检定工作; 还可以针对环境 试验设备的温湿度偏差、 均匀性及波动度进行自动检测、 校准, 以解决以往温湿度校准仪器多、 体积大、 不能同时 校准等问题, 改变传统需要拆卸 ( 多数系统不允许较长 时间停机) 到计量单位送检为定期到现场校准, 满足大 型武器装备的生产试验要求, 确保其研制生产过程中环 境控制系统及各种环境试验设备的准确可靠 , 提高校准 工作效率。 1 1. 1 多参数控制系统温湿度现场校准技术 现状分析 温湿度控制系统及环境试验设备是现阶段大型武器 装备研制生产过程及性能试验不可缺少的一个重要组成 部分, 各种先进的环境控制系统及环境试验设备也应运
收稿日期: 2014 - 11 - 03

而生。如用于复合材料加工净化间的温湿度控制系统 、 理化试验、 特设实验使用的如 TC - 02H 湿热老化试验 TCL - C20 环境试验箱、 箱、 交变湿热环境试验设备、 盐 雾试验箱等。这些系统和设备均采用了先进的计算机控 制系统或智能化仪表控制系统, 具有自动化程度高, 温湿 度传感器及显示装置准确度高, 温湿度均匀性好、 波动较 小等特点, 确保了生产环境的要求和各种试验的需要。 这些系统和设备的测量范围温度覆盖 - 70℃ ~ 320℃ , 湿 度覆盖 30% RH ~ 99% RH, 需要校准的范围较宽, 并且由 于大多数环境控制系统及环境试验设备不易搬动不易拆 卸, 要求对温度和湿度传感器进行现场校准或与显示装 置或仪表现场成套校准。但是到现场校准需携带的设备 多: 温度、 湿度各自一套测量检定系统, 不同传感器提供 不同的工作电源, 输出不同信号对应的不同测量仪器, 如: 电压, 电流, 脉冲, 电阻, 标准接口等, 有的甚至不明 确, 所以大部分系统长期得不到校准 。 为保障生产环境控制系统的准确度及环境试验设备 温湿度控制的准确性及均匀性, 必须对其进行周期校准, 确保其满足生产及试验的工艺要求。 环境控制系统、 环 湿度量值传递一旦得不到保证, 甚至会 境试验设备的温、 造成重大的经济损失。 从行业的需求方面来看, 大型武 器装备的研制和生产的工艺控制环节都须进行环境控制 系统及试验设备温度、 湿度的校准。 目前国外对环境控制系统及环境试验设备大都采用 现场校准及自动化校准, 即对温湿度传感器进行现场校

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准或与显示装置或仪表现场成套校准, 对环境试验设备 应用高精度温、 湿度传感器对其温湿度偏差、 温湿度均匀
表1 型号 湿度量程 温度量程 湿度精度 温度精度 供气 接口 气室尺寸 外形尺寸 型号 缺点 SRH - 1MC135 0% RH ~ 100% RH 5℃ ~ 60℃ ± 1% rh( 10 ~ 90% rh) ± 0. 5℃ 包含压缩机 RS - 232 135mm( 直径) × 240mm 800mm × 650mm × 1000mm SRH - 1MC135 ( 1 ) 体积大而且价格较高 ( 2 ) 温 度均匀度较差 ( 3 ) 无法检 定温 度传感器 环境温度 ± 0. 5% / 压缩机可选 RS - 232 120mm × 250mm × 120mm 520mm × 400mm × 320 mm HG - 1 HG - 1 2% RH ~ 90% RH

性及波动度进行自动校准。国外常用的几种便携式温湿 度发生器对比见表 1 。
ROTRONIC HygroGen 5% RH ~ 95% % RH 5℃ ~ 50℃ ± 1% RH( 10 ~ 90 ) % RH; ± 1. 5% RH( 90 ~ 95 ) % RH ± 0. 2℃ 自带气泵 RS - 232 2升 455mm × 420mm × 212mm ROTRONIC HygroGen ( 1 ) 温度均匀度较差 ( 2 ) 无法检 定温度传感器 5℃ ~ 50℃ ± 1% RH( 10 ~ 90% RH) ; ± 1. 5% RH( 90 ~ 95 ) % RH ± 0. 2℃ 自带气泵 RS - 232 2升 450mm × 360mm × 210mm M2000 ( 1 ) 温度均匀度较差( 2 ) 无法检 定温度传感器 M2000 10% RH ~ 97% % RH

便携式温湿度发生器对比数据

( 1 ) 无法变温 ( 2 ) 温度均匀度较 差 ( 3 ) 无法检定温度传感器

据了解国内由于技术条件的限制, 目前国内还没有 研制出可便携式的温湿度一体综合校准的温湿度发生 器, 现有的大多数便携式温湿度发生器的相对湿度范围 为 10% RH ~ 95% RH ( 5℃ ~ 50℃ ) , 而且目前大多数温 湿度发生器只有一个测量室, 并且测量室腔体较大, 造成 腔体内部的温度均匀度和波动度不能满足温湿度一体的 传感器的温度检定环境要求。而国防系统大多数单位尚 未开展对湿度传感器、 温湿度指示调节仪表的系统校准 , 环境试验设备的湿度性能指标也未能进行校准 , 这将是 极大的质量隐患。 目前国内许多高校、 科研院及生产厂家也在相继开 展此类相关温湿度现场一体化校准技术的研究 。为保障 生产环境控制系统的准确度及环境试验设备温湿度控制 的准确性及均匀性, 确保其满足生产及试验的工艺要求 。 需要开发多参数控制系统温湿度现场校准技术的研究 。 现阶段成都飞机工业 ( 集团 ) 有限责任公司已经掌 握了温湿度设备检定校准技术, 并具有经国防科工委以 “XK 国防 - JLJG - 2 - 041 ” 编号为 的国防计量技术机构 许可证授权的国防 5115 二级计量站( 湿度检定装置计量 1993]量 129 号 标准) 和经四川省技术监督局“川技监[ 文” 授权的四川飞机专用计量器具检定站 ( 湿度检定装 置计量标准 ( 四川社会公用标准 ) ) 。 公司于 2011 年引 进了 Votsch 公司研发的 C4 - 340 型气候试验箱和中航 工业北京长城计量测试研究所研发的 CIMM - TH - 0510 型分流法湿度发生器装置, 装置用于对大型武器装备研 制生产中温度和湿度传感器的现场校准或与显示装置或 仪表现场成套校准。在现场温湿度校准方面具有丰富的 理论研究基础和较强的科研技术研发能力 。 1. 2 多参数控制系统温湿度现场校准技术的工作原理 多参数控制系统温湿度现场校准装置由便携式计算 机、 高精度数字多用表、 低电势扫描器、 高精度高稳定性

便携式温湿度发生器、 打印机等组成, 是集计算机、 微电 测技术和自动测试技术于一体的新型高智能化的校准装 置, 可对各类型湿度传感器、 温湿度环境试验设备进行温 湿度校准。该校准装置是以计算机系统为核心, 利用专 用的校准软件, 用热电偶或热电阻、 高精度的温湿度一体 化传感器、 采用温湿度发生器等作测温、 测湿及提供一个 稳定的温湿度测试场, 可进行多通道的温度、 湿度一体化 测量, 实现各类型温湿度传感器、 环境控制系统、 环境试 验设备的自动校准。多参数控制系统温湿度现场校准装 置的工作原理框图如图 1 所示。多参数控制系统温湿度 现场校准装置各部件的工作原理如下 :

图1

校准装置工作原理图

1. 2. 1

便携式温湿度发生装置

本技术中的温湿度发生器采用的原理为双压法 , 原 2 , , 理图如图 所示 气源采用现场的气源 无论是瓶装气或 者压缩站空气, 设计有专门接口。 双压法原理是首先在 饱和器中产生一股一定温度压力的饱和湿气 , 然后将该 湿气通过减压阀减至预定的压力, 于是就得到了该压务 。 下的一定含水量的标准湿气 装置出口湿气的相对湿度 可用下式计算:

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Uc =

P c e w ( T s ) f( P s , Ts ) × 100 % P s e w ( T c ) f( P c , Tc )

1. 2. 5

测控装置

式中: P s —饱和器压力; P c —测试室压力; T s —饱和 器温度; T c —测试室温度; U c —出口气体的相对湿度; e— 水的饱和蒸气压力; f—增强因子。 根据相对湿度的计算公式可知, 饱和器和测量室的 温度和压力是两个最主要的参数 , 因此温度、 压力的测量 和控制对于整套系统至关重要。目前, 在温度、 压力的测 量和控制方面, 已经有了不少成熟可靠的解决方案 。

温湿度发生器的温度控制装置的主要作用是为饱和 装置提供均匀、 稳定的温场。 测控系统基本结构如图 3 所示, 从气源出来的空气经过多级过滤器 , 过滤掉其中所 含的冷凝水、 油滴和固态杂质, 得到较为洁净的空气, 此 时的空气在常温状态下已基本达到饱和 。然后依次经过 减压阀和质量流量控制器进入饱和器, 在高压低温的条 件下在饱和 器 内 达 到 饱 和, 然后经过质量流量控制器 ( 相当于膨胀阀) , 减压膨胀至大气压左右输出。

图2

温湿度发生器装置原理图

图3

温湿度发生器测控系统原理图

1. 2. 2

稳压装置

为了保证进入温湿度发生器的压力稳定, 采用减压 稳压阀, 使得气源出来的气体出口压力可以做到十分稳 定, 下游流量基本不变。 这样减压稳压措施有效保证了 进入温湿度发生器的压力稳定, 使出口的标准湿气湿度 值十分稳定。 1. 2. 3 饱和器系统 温湿度发生器的饱和器系统主要作用是在产生要求 的饱和气体, 设计要保证气体能够达到 100% 饱和。 饱 和器系统分别为冰饱和器系统和水饱和器系统 。冰饱和 器系统的主要作用是在零度以下产生要求的饱和气体 ; 水饱和器系统的设计要保证气体在零度以上能够达到 100% 饱和。而饱和器系统的结构设计是系统的关键所 在, 并且要防止出现过饱和现象。 该温湿度发生器产生 的标 准 湿 度 范 围 为: 10% RH ~ 95% RH ( - 10℃ ~ + 70℃ ) , 相当于露点范围为: - 30℃ ~ 68℃ 。 1. 2. 4 测量室系统 温湿度发生器的测量室是提供已知湿度气体和已知 温度的工作空间, 可以将被检定的温湿度传感器置于腔 内。测量室的容积和形状根据具体检定的湿度传感器的 需要设计。可以将被检定的湿敏元件或者小型湿度传感 器以及温度传感器分别置于湿度测量室和温度测量腔 内。这样既保证了湿度腔体的大容积, 又保证了温度测 量腔体的均匀度和波动度。测量室的容积和形状根据具 体检定的湿度传感器和温度传感器的需要设计 。另外还 方便引气式传感器的检定校准。 提供标准湿气的接口,
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通过调节饱和槽进气口和出气口的流量来使饱和槽 内的压力趋于稳定。质量流量控制器就是用于对气体的 质量流量进行精密测量和控制, 压力传感器用于饱和槽 压力的测量, 饱和槽压力控制的基本原理是通过两个质 量流量控制器调节饱和槽入口和出口的流量 , 使饱和槽 的压力达到动态平衡, 同时通过压力传感器测得饱和槽 的压力实时反馈给质量流量控制器进行控制 ; 在压力达 到动态平衡的状态下, 系统地入口处和出口处的流量也 会达到一稳定的状态, 而且两者的流量基本相同, 因此也 实现了系统流量的控制。压力控制原理图如图 4 所示。

图4

饱和器压力控制原理图

1. 2. 6

温湿度自动检测装置

温湿度自动检测装置主要是根据现有的环境试验设 备检测方法和标准, 编写上位机软件, 整个温湿度自动检

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测装置主要由以下几个组成部分 : 笔记本电脑, 多路采集 设备, 铂电阻, 各种热电偶, 湿度传感器和测试软件。 如 图 5 所示:

和 JJF1101 - 2003《环境试验设备温度、 湿度校准规范 》 编制相应的现场校准软件。 1. 4 多参数控制系统温湿度现场校准技术的主要优点 在技术体系上: 由于国内对于温湿度一体化传感器 同时测量和现场在线测量没有专门的标准或规范 , 本技 术主要针对试验 ( 科研 ) 过程中及生产现场中温湿度传 感器及温湿度测量仪表的校准方法和经验进行的分析研

图5

温湿度自动检测系统组成图

究, 提高温湿度发生器的能效, 从而保证正确的测量数 据, 提高了准确性, 有效地保障了现场在线测量校准 。 在技术原理上: 可实现现场对温湿度传感器进行温 度和湿度的综合高精度检定校准, 其精度满足温湿度传 感器的检定要求, 实现试验 ( 科研 ) 及生产现场温湿度场 的现场温湿度场测试, 以及对温湿度传感器进行校准, 还 可以针对环境试验设备温湿度偏差、 均匀性及波动度进 行自动检测、 校准。 在技术水平上: 利用专用的校准软件, 用热电偶或热 电阻、 高精度的温湿度传感器、 采用温湿度发生器等作测 温、 测湿及提供一个稳定的温湿度场 , 可同时进行多通道 的温度、 湿度测量, 实现各类型温湿度传感器、 环境控制 系统、 环境试验设备的自动校准。 温湿度发生器产生的 相对湿度范围为 10% RH ~ 95% RH( - 10℃ ~ + 70℃ ) 。 2 结束语 多参数控制系统温湿度现场校准技术及其相应的校 准装置可实现温湿度传感器进行温度和湿度指示的综合 实现试验( 科研) 及生产现场温湿度的现场温 检定校准, 湿度场测试, 以及对温湿度传感器进行现场系统校准 , 开 展对温湿度一体的传感器的温度和湿度的检定工作 ; 并 可对环境试验设备温湿度偏差、 均匀性及波动度进行自 动检测、 校准, 以满足大型武器装备的生产试验要求, 确 保其研制生产过程中环境控制系统及各种环境试验设备 的准确可靠。同时能为西南片区军工企业提供环境控制 系统及环境试验设备温度、 湿度校准的技术支持服务。
参考文献 [ 1]Chen Jiahai. A new On - site And On - line Auto - Calibration Scheme For Large - size Measurement And Control System [A] . Qi Jiming and Cui jianping ,Conference Proceedings of the Seventh International Conference on Electronic Measurement & Instruments[C] . Beijing China ; International Academic Publisher / Beijing world Publishing Corporation , 2005 , 2 ~ 611 ~ 614. [ 2] JJF1101 - 2003 《环境试验设备温度、 [ S] . 2003. 湿度校准规范》 [ 3] GB / T 5170. 2 - 2008 《电工电子产品环境试验设备检验方法温度 , 2008. 试验设备》 [ 4] M] . 北京: 原子能出版社, 2002. 廖理等. 热学计量[

采集软件 是 整 个 测 试 系 统 的 核 心 部 分, 程序采用 Visual Basic 语言编写软件前台界面, 以 Access 数据库作 为后台管理, 在设计主要分为五大块: 用户管理, 传感器 管理, 查询系统, 采集参数设置和数据采集主界面, 如图 6 所示:

图6

采集软件原理图

整个软件 在 设 计 过 程 中 默 认 设 置 基 本 按 照 GB / T 5170 - 2008 系列标准要求完成, 如布点、 采集间隔、 采集 组数、 数据处理等, 但相对单一的检定规程, 软件设计过 程中也加以考虑, 具有广泛的灵活性和更大的拓展空间 。 1. 3 多参数控制系统温湿度现场校准技术的主要难点 ( 1 ) 温湿度发生器的饱和器设计: 发生器发生的标 准湿气的准确度要求饱和器内的饱和湿空气的饱和度要 求达到 99. 9% 以上。 ( 2 ) 温湿度发生器的温度控制: 温度的稳定性和温 场的均匀性以及温度测量的不确定度十分关键 。 ( 3 ) 温湿度发生器的压力控制的稳定性: 一定精度 的恒压控制技术难度较大, 尤其是压力范围较大时。 ( 4 ) 温湿度自动检测系统软件编制: 现场设备的温 需参照 GB / T 5170. 2 - 2008 湿度数据自动采集和处理, 《电工电子产品环境试验设备检验方法温度试验设备 》
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作者简介: 李恒, 女, 助理工程师。 工作单位: 中航工业成都飞机工业( 集 团) 有限公司质量管理部。通讯地址: 610092 四川省成都市西郊黄田坝。


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