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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 5? SRH - 1MC135 0% RH 100% RH 60? 90% rh) 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? M2000 10% RH 97% % RH ? 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

便携式温湿度发生器对比数据

? 1% rh( 10 ? 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

( 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 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 95% RH ( 5?

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 :

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

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 +

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。

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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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? 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:

+ 70? ) 。

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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