双温双压法低露点标准湿度发生器.docx

双温双压法低露点标准湿度发生器张文东殷龙德 双温双压法低露点标准湿度发生器 张文东 殷龙德 丁逸民 杨遂平 (上海市计量测试技术研究院 200040) 【摘 要】通过采用双温双压法原理 ,研制了一套微量水分发生装置 。该装置能发生露点范围为 20～ - 74 ℃D. P 的恒定含水量的气体 ,其测试室的变温范围为 20～ - 60 ℃,变压范围为 100～1000 k Pa (绝对压力) ,其三倍标准偏 差最大不确定度为 ±0 . 15 ℃D. P 。装置适合于各类露点仪和水分分析仪器的计量校正 。 本装置中设计制作了能耐受 1M Pa 压力并且既适用于水面又适用于冰面的叠盘迷宫式饱和器 ,该饱和器由 12 个内有螺旋式气流通道的不锈钢圆盘组成 ,总的传质通道长度超过 60 米 ,保证了其在低温和压力条件下的饱 和度接近 100 % 。 【关键词】计量 ; 湿度发生器 ; 饱和器 1 . 引 言 气体中微量水分检测在半导体 、微电子 、冶金 、 化纤等工艺过程以及在军工 、航天等领域都是极为 重要的 。目前用于这方面的检测仪器主要有镜面 式露点仪 、P2 O5 电解式水分仪 、红外气体分析仪以 及 Al2 O3 电容式露点仪 ,其中前三种仪器由于使用 条件 、测量原理 、操作维护等的限制 ,一般用于实验 室气体水分分析和间断式测量 ; 而 Al2 O3 电容式露 点仪因其可以连续检测 、使用方便 、低湿灵敏度好 等特点 ,被广泛用作工业现场过程检测控制仪器 , 但是它的缺点是存在长期漂移 ,且露点越低漂移越 严重 ,且不耐污染 ,而露点仪用户最关心的往往是 仪器低露点段的精度 ,因此这类仪器需要在短时间 内定期校正 。由于低露点段的精密校正设备尚无 现成产品 ,而国内计量部门和大型企业又有迫切的 需求 ,如江苏仪征化纤股份有限公司 ,气体用量极 大且对含水量要求很高 ,进口了大量露点仪进行监 测 ,为了对这些仪器定期标定 ,也需要一套低露点 标定设备 。为此 ,我们决定合作进行此项目的研究 工作 ,希望研制出一套露点下限达 - 75 ℃D . P 的精 密湿度发生装置 。 2 . 发生原理 标准湿 度 发 生 器 的 原 理 主 要 有 以 下 几 种 : 1 . 基于热力学气体状态方程导出的方法 ,包括双温法 和双压法 ; 2 . 通过干湿两股气体以不同的比例混 合而得 到 一 定 含 水 量 的 标 准 气 体 的 方 法 , 即 双 流 法 ;3 . 渗透管法 。鉴于后两种方法均涉及到气体 质量流量及干气本底含水量等参数 ,难于实现较高 的精度和较低的露点范围 ,我们采用热力学双温双 压法原理1 来建造本装置 。该原理是首先在饱和 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 (如图 1) 。 装置出口湿气的露点可用下式2 计算 : e ( T d) = Pc/ Ps f ( Ps , Ts ) / f ( Pc , Tc) e ( Ts) ( 1) 式中 , Ps 为饱和器压力 ; Pc 为测试室压力 ; Ts 为饱 和器温度 ; Tc 为测试室温度 ; T d 为出口气体露点 ; e 为水的饱和蒸气压力 ; f 为增强因子 。 图 1 装置原理框图 水的饱和蒸气压力 e 为温度的单值函数 , 其数值可 3 通过 Wexler 方程 计算得到 :露点 T d 是饱和蒸气 压 e 的反函数 , 其数值也由 Wexler 方程得到 。式 (1) 是根据道尔顿定律推导出来的 ,而实际气体混 合物并不完全遵守道尔顿定律 ,因此增强因子 f 是 对实际气体的性质偏离理想气体的修正 ,其数值由 4 ,5 Greenspan and Goff 方程计算得到 。 根据式 ( 1) ,可以通过两种方法来获得不同露 点的气体 ,一是改变饱和器压力 Ps ,另一为改变饱 和器温度 Ts 。为使装置不至于过分庞大 , 饱和器 最大压力设计为 1 . 1M Pa ,由此产生的露点改变小 于 20 ℃D . P 。因此 ,当需要大幅度改变出口气体露 点时 ,可通过改变饱和器的温度来实现 。为了使出 口气体露点达到 - 75 ℃D . P 以下 ,饱和器温度至少 降至 - 60 ℃以下 。 3 . 装置构成 装置由发生器主机和温度压力测控装置两部 分组成 ,其外型尺寸分别为 2000 ×850 ×140 mm 和 学术论文Techn ical Exchange·25 ·《上海计量测试》2002 年 29 卷第一期 学术论文 Techn ical Exchange ·25 · 《上海