气源湿度恒温干燥系统的制作方法

本发明涉及一种用于渗透法湿度发生器中的气源湿度恒温干燥系统，属于环境测量领域。

背景技术：

湿度的测量与控制，在国民经济建设中具有重要意义。因为湿度影响着自然界的物理、化学和生物过程；影响气体的多个方面的特性，包括热、电、光和传递过程；还会影响材料中的水分含量，导致材料的尺寸发生变化，此外湿度还能引起金属的腐蚀，甚至能决定生物的生死存亡等等。湿度的测量与控制还广泛应用于航空、航天、仓储、气象、电力、石油化工、半导体制造、原子能、微电子、超高纯气体供给系统等领域。湿度测量已成为国际标准化组织和国际有关技术委员会关注的焦点。在ISO9000质量体系认证、ISO17025实验室认可中均对湿度控制有明确的要求。一个良好的环境质量可减少由此引发的技术争端、保证产品质量。另外，随着石油化工、电子、电力、冶金等现代工业的发展，宇航、原子能、超低温等尖端科学技术的快速发展，低湿测量与控制日益受到人们的重视，并得到广泛运用。随着石油化工、电子、电力、冶金等现代工业的发展，宇航、原子能、超低温等尖端科学技术的快速发展，目前对于低湿测量需求也日益增加。

渗透法湿度发生器设计基于渗透法的原理。渗透法的原理是基于干载气以一定的流速带走渗透出某一膜的水气。当膜的一侧与纯水接触，另一侧流过一股干气时，由于膜两侧的水气分压不同，于是水气通过膜向另一侧渗透。由渗透管渗透出来的水气用恒定流量的干载气全部载带出来，经过均匀混合后输出，得到水蒸气含量一定的湿气。当改变温度、干气流量或更换不同渗透率的渗透管时，就能获得不同湿度的气体。物质透过渗透膜的渗透率取决于所用物质本身的性质、组成成分、渗透膜的面积、温度和膜两侧的压力梯度。

根据国标JJG2046-90《湿度计量器具检定系统》，低湿测量仪表的校准可以采取图1所示的两种方式。从中可以看出湿度发生器是湿度仪表校准过程中必不可少的。为了使得湿度发生器能够最大程度地发挥作用，对空气进行干燥处理形成稳定流量的符合各种指标要求的低湿度空气是湿度发生器必然的配置，但目前没有较好的装置可以实现类似的功能。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种气源湿度恒温干燥系统。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种气源湿度恒温干燥系统，包括气源子系统和恒温箱子系统，其中所述气源子系统由空气压缩机、浮子流量计、空气干燥机和质量流量计构成，所述恒温箱子系统由多个阀门和多个渗透室构成；所述空气压缩机、浮子流量计、空气干燥机和质量流量计按照空气进入的方向依次设置，所述多个渗透室包括第一渗透室、第二渗透室和第三渗透室，三个渗透室分布对称，并列设置，所述多个阀门包括第一阀门和第二阀门分别设置在三个渗透室的两端。

优选的，上述多个渗透室内部均设置有渗透管，渗透管为聚四氟乙烯或聚四氟乙烯丙烯材料制成，壁厚0.3mm～0.5mm。

优选的，上述渗透管置于100℃的恒温槽中，放置24小时，按选定的时间间隔周期地称量渗透管的重量变化，从而得出渗透管的渗透率。

优选的，上述干燥系统首先通过无油空气压缩机从周围环境中吸收空气，经过压缩给气体加压同时去油，气体进入恒温箱子系统中的渗透室，与水蒸气混合，浮子流量计设置在空气压缩机和空气干燥机之间；质量流量计设置在气源子系统和恒温箱子系统之间。

优选的，空气依次经过气源子系统中的空气压缩机、浮子流量计、空气干燥机和质量流量计成为干燥载气，再经过恒温箱子系统，从多个渗透室后形成低湿气体。

相较于现有技术，本发明提供的气源湿度恒温干燥系统，采用了流量控制装置的方式使得准确度大大提高，通过质量流量计的使用实现了精调流量，使得整体的恒温干燥系统不仅进行了干燥，同时保证了精度高调节速度快。

附图说明

图1(a)和图1(b)为湿度仪表校准框图；

图2为本发明气源湿度恒温干燥系统结构示意图；

图3(a)为A型结构渗透管结构示意图；

图3(b)为B型结构渗透管结构示意图；

图3(c)为C型结构渗透管结构示意图。

附图标记：1-气源子系统；11-空气压缩机；12-浮子流量计；13-空气干燥机；14-质量流量计；2-恒温箱子系统；21-第一渗透室；22-第二渗透室；23-第三渗透室；24-第一阀门；25-第二阀门；3-空气；4-干燥载气；5-低湿气体。

具体实施方式

本发明提供一种气源湿度恒温干燥系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供的气源湿度恒温干燥系统，包括气源子系统1和恒温箱子系统2，其中气源子系统1由空气压缩机11、浮子流量计12、空气干燥机13和质量流量计14构成，恒温箱子系统2由多个阀门和多个渗透室构成；空气压缩机11、浮子流量计12、空气干燥机13和质量流量计14按照空气3进入的方向依次设置，多个渗透室包括第一渗透室21、第二渗透室22和第三渗透室23，三个渗透室分布对称，并列设置，多个阀门包括第一阀门24和第二阀门25分别设置在三个渗透室的两端。

气源子系统1包括无油空气压缩机11、、浮子流量计12、空气干燥器13和质量流量计14，它为湿度发生器提供干燥载气。干燥载气的作用是在渗透室和渗透管产生的水蒸气充分混合，作为水蒸气的载体。在本实施例中，采用一台无油空气压缩机和一台空气干燥机来制备干燥载气。无油空气压缩机从周围环境中吸收空气，经过压缩给气体加压同时去油。去油的目的是为了后续在干燥机中达到最佳干燥效果。

经过空气压缩机的气体具有了一定的压力和流速，之后进入空气干燥机。最终输出低湿气体中的含水量应该是全部由渗透管产生的，这样可以根据渗透管的材料、形状、温度计算出渗透率，从而能够产生符合要求的低湿气体。所以要求水蒸气的载体的含水量极其低，达到可以忽略的程度。经过空气干燥机后，气体进入恒温箱中的渗透室，与水蒸气混合。

为了达到调节流量的目的，在空气压缩机和空气干燥机之间接有一个浮子流量计；在空气干燥机和恒温箱之间接有一个质量流量计。浮子流量计的作用是粗调流量，对精度要求不高，但由于空气压缩机输出的气体具有较大的压力，因而在强度方面要求浮子流量计能够承受较大的压力。质量流量计的作用是精调流量，干燥载气的流量和渗透管的渗透率共同决定了最终输出气体的湿度，所以对质量流量计的要求是精度高，调节速度快。

由于渗透法湿度发生器属于低露点标准湿度发生器，故气源采用干燥的空气，要求气源的露点低于-70℃，需增加空气干燥机对输入的气体进行干燥处理。

干燥机常用的吸附剂有活性氧化铝和分子筛，就吸附能力而言，这两种吸附剂都很优秀。活性氧化铝在有强大吸附能力的同时还综合具备了许多优良的物理及化学性能。因此，在大多数干燥器首选活性氧化铝，特别在无热再生情况下，活性氧化铝几乎是获取高于-40℃露点温度压缩空气的必然选择。但是，该吸附剂在低水分环境下的吸附能力远不如分子筛，所以在获取低干燥压缩空气，例如露点温度低于-60℃时，则需选择分子筛。

分子筛热稳定性好、化学稳定性高和吸附性能强的特点。从吸附性质来讲，与活性炭、硅胶、氧化铝等其它吸附剂比较，其特点是：

（1）分子筛具有选择性吸附的特性，由于分子筛的细孔孔径大小是一定的，只能吸附能通过这些孔道的分子，对于形状和大小不同的分子，分子直径比孔径大的就不能进入细孔的内部。

（2）分子筛孔道中，相对孔壁会产生力场叠加的现象，使其吸附性有明显提高，故在较高温下仍有相当大的吸附容量，如在水蒸汽压较低的情况下，比硅胶等其它吸附剂有较高的吸附能力，而且在高温也能保持比较高的吸附能力。

（3）分子筛是极性吸附剂，其吸附作用不仅取决于被吸附物质分子直径，而且受其极性的影响，如对极性分子，特别对水有很大的亲合力。

分子筛有3A、4A、5A三种类型。5A分子筛的孔径约5A，一般称为钙分子筛。它除具有3A、4A分子筛所具有的功效外，还可吸附C3-C4正构烷烃、氯乙烷、溴乙烷、丁醇等有机溶剂。

流量控制器采用质量流量计，质量流量计准确度较以前大大提高，准确度可达1%，满足渗透法湿度发生的需要。

恒温箱子系统2由三个渗透室：第一渗透室21、第二渗透室22、第三渗透室23以及两个阀门：第一阀门24和第二阀门25组成。三个渗透室的分布应当是对称的，这样有利于热量的均匀分布，同时在选材上要选择合适的材料，做到既有利于热量传导，又能够减轻重量。另外需要注意的是，渗透室两端的阀门必须同步切换，这样才能保证不同湿度的气体不会相互干扰。

在渗透室中放置有渗透管，常用的渗透管类型有三种，如图3所示。本系统采用的是B型结构，主要考虑方便制作。因为A型结构需要把渗透管与不锈钢管连接起来；C型结构需要把渗透管与玻璃管连接起来。这两种链接密封性不足，很容易造成由于密封不好而产生的水分外漏。

对渗透管的配置，首先是选择适宜做渗透管的材料。一般选取性能稳定的聚四氟乙烯或聚四氟乙烯丙烯材料，要求管壁均匀、无缺陷和机械损伤。当渗透管的管壁厚度大于0.5mm时渗透率较小，壁厚小于0.2mm时强度不够，一般选择壁厚在0.3mm～0.5mm的管材。不同的渗透面积有不同的渗透率，渗透管的几何参数可根据需要进行设计。

其次是渗透管的预处理。因为渗透速率与膜的材料及其密度、厚度、有效渗透面积、材料的物理特性（如亲水或憎水）以及膜两侧的水汽分压差等有关。亲水材料较憎水材料有较高的渗透率，而前者通常比后者含有较多可溶于水或能被水淬取的物质。这些物质如不彻底清除将使其对水的渗透速率随时间而发生变化，从而影响渗透率的稳定性。所以在制作渗透管时需要进行预处理，用水和适当的有机溶剂进行清洗和浸泡，并在比工作温度稍高的温度下活化（老化处理）一段时间，这是获得稳定的渗透性能必不可少的程序。

最后是渗透管的渗透率标定。由于制作工艺和材料结构的不均匀性等原因，不可能制造出渗透率完全相同的渗透管。因此，对于在同一环境下不同的渗透管则有不同的渗透率。对于每一支渗透管，其渗透率的数值要单独进行标定，标定的方法是采用称重法。考虑到管型、水气压性质和合适的渗透率，渗透管通常在100℃下进行标定。其方法是将渗透管置于100℃的恒温槽中，放置一定的时间，通常为24h，按选定的时间间隔周期地称量渗透管的重量变化，从而得出渗透管的渗透率。

本发明的工作原理是：空气3依次经过气源子系统1中的空气压缩机11、浮子流量计12、空气干燥机13和质量流量计14后成为干燥载气4，再经过恒温箱子系统2，从多个渗透室（21、22、23）后形成低湿气体5。

空气干燥机13来制备干燥载气。无油空气压缩机11从周围环境中吸收空气3，经过压缩给气体3加压同时去油。去油的目的是为了后续在空气3干燥机13中达到最佳干燥效果。经过空气压缩机11的气体具有了一定的压力和流速，之后进入空气干燥机13。在设计方案中，最终输出低湿气体中的含水量应该是全部由渗透管产生的，这样可以根据渗透管的材料、形状、温度计算出渗透率，从而能够产生符合要求的低湿气体。所以要求水蒸气的载体的含水量极其低，达到可以忽略的程度。经过空气干燥机13后，气体进入恒温箱子系统2中的渗透室21、22、23，与水蒸气混合。为了达到调节流量的目的，在空气压缩机11和空气干燥机13之间接有一个浮子流量计12；在空气干燥机13和恒温箱子系统2之间接有一个质量流量计14，如图2所示。浮子流量计12的作用是粗测流量，对精度要求不高，但由于空气压缩机11输出的气体具有较大的压力，因而在强度方面要求浮子流量计12能够承受较大的压力。质量流量计14的作用是精测流量，干燥载气的流量和渗透管的渗透率共同决定了最终输出气体的湿度，所以对质量流量计14的要求是精度高，稳定性好。

相较于现有技术，本发明提供的气源湿度恒温干燥系统，采用了流量控制装置的方式使得准确度大大提高，通过质量流量计的使用实现了精调流量，使得整体的恒温干燥系统不仅进行了干燥，同时保证了精度高调节速度快。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。