基于双温双压法的湿度发生器控制系统设计

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 2.61MB 65 页 15积分

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摘要

本文在对几种湿度发生方法全面分析研究后，着重分析了双温双压法湿度发

生的流程及测控方法，并且搭建了软硬件测控平台，进行了大量的实验研究。在

实验研究的基础上，为了达到更好的控制效果，对硬件和相应的测控软件进行了

多次的优化、改动。本论文的研究工作为设计高精度、快响应速度、高可靠性的

湿度发生器提供了经验。本文在分析和比较了几种湿度发生方法后，最终采用双

温双压法；充分理解了系统中压力测控子系统、流量测控子系统和温度测控子系

统的作用和测控功能的实现。通过上下位机大量的 LabVIEW、PLC 编程和调试，对

几种不同的可选方案进行了可行性验证、判定和修改，确定出湿度发生测控系统

的最终方案。本文采用新颖的压力、流量测量和控制方法，通过 LabVIEW 软件、

PLC 软件对压力和流量进行闭环测控，达到了很好的效果和测控精度。

本论文通过对各个子系统的研究、编程和调试，设计了一个高精度、快速响

应、高可靠性的湿度发生测控系统。理论研究和实验结果均表明，系统无论是在

精度、响应速度，还是可靠性方面均达到了国内先进水平。

本文的研究和实验为湿度测控系统的可行性及实际应用提供了理论和实验依

据，也为湿度测控系统的开发提供了新颖的思路。

关键词：双温双压湿度 LabVIEW

ABSTRACT

After analyzing and researching several ways about how to bring humidity, this

paper analyses sequence and way of measure and control with double temperature and

double pressure primarily, and builds a flat about SW and HW, then do many

experiments. Base on experiments and research, in order to get better effect of control,

optimize the SW and HW many times. And research of this paper offer experiences for a

double temperature and double pressure generator. Afte analyses and researches several

ways about humidity，this paper selects way of double temperature and double pressure

finally. Understand the functions about subsystems of press, flux and temperature, and

understand how to carry out functions of measurement and control. By making many

programmers and test with LabVIEW and PLC, this paper confirms the final project of

humidity generator system. This paper introduces novel way about press and flux

measurement and control. This system measures press and flux by SW of LabVIEW and

PLC, and get a good effect.

After the research, program and test about several subsystems, build a high

precision, fast response and high reliability humidity generator measurement and

control system. Research of theory and result of experiment indicate that precision 、

response time and reliability of this system are keep ahead in our Country.

Researches and experiments of this paper offer evidence for theory and experiment,

also offer some novel ways for measure and control of humidity system.

Keywords: double temperature and double pressure, humidity,

LabVIEW

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .......................................................... 1

§1.1 课题背景 ................................................... 1

§1.2 标准湿度发生器 ............................................. 1

§1.3 国内外发展现状 ............................................. 2

§1.4 本文的主要工作 ............................................. 4

§1.5 本章小结 ................................................... 4

第二章双温双压法湿度发生器的工作原理 ................................ 5

§2.1 双温双压法工作原理 ......................................... 5

§2.1.1 双压法工作原理 ........................................ 5

§2.1.2 双温法工作原理 ........................................ 7

§2.1.3 双温双压法工作原理 .................................... 7

§2.2 双温双压法湿度发生器基本工作过程 ........................... 7

§2.2.1 双温双压法湿度发生器气路原理 .......................... 7

§2.2.2 双温双压法湿度发生器控制流程 ......................... 14

§2.3 温度、压力、流量测控要求 .................................. 15

§2.3.1 温度测控要求 ......................................... 15

§2.3.2 压力和流量测控要求 ................................... 15

§2.3.3 液位控制要求 ......................................... 16

§2.4 本章小结 .................................................. 16

第三章湿度发生器测控系统硬件设计 ................................... 17

§3.1 测控系统方案选择 .......................................... 17

§3.2 DA 输出卡的选择 ............................................ 18

§3.2.1 PCI2303 参数 ......................................... 18

§3.2.2 PCI2303 接口调用方法 ................................. 19

§3.3 IEEE488 标准介绍 ........................................... 19

§3.4 温度测量与控制设计 ........................................ 21

§3.5 压力测量与控制设计 ........................................ 24

§3.6 质量流量测量与控制 ........................................ 26

§3.7 本章小结 .................................................. 28

第四章 PLC 程序设计 .................................................. 29

§4.1 PLC 控制程序设计 ........................................... 29

§4.2 步进电机控制程序设计 ...................................... 29

§4.3 PLC 编程口通信协议 ......................................... 34

§4.3.1 FX 编程口通信协议 1 ................................... 34

§4.3.2 FX 编程口通信协议 2 ................................... 35

§4.4 本章小结 .................................................. 36

第五章计算机监控软件设计 ........................................... 37

§5.1 虚拟仪器技术简介 .......................................... 37

§5.2 系统需求分析 .............................................. 37

§5.3 各功能模块编程 ............................................ 38

§5.3.1 串口地址分配 ......................................... 38

§5.3.2 labVIEW 串口编程 ..................................... 39

§5.3.3 阿尔泰 DA 卡编程 ...................................... 40

§5.3.4 测温仪 HART1529 编程 .................................. 42

§5.3.5 温控仪 SR23 编程 ...................................... 43

§5.3.6 IEEE488 通讯编程 ..................................... 45

§5.3.7 压力控制编程 ......................................... 46

§5.3.8 labVIEW 测控主程序编程 ............................... 48

§5.4 本章小结 .................................................. 51

第六章模块调试及系统调试 ........................................... 52

§6.1 压力部分调试 .............................................. 52

§6.2 调试记录 .................................................. 52

§6.3 整体调试 .................................................. 53

§6.4 本章小结 .................................................. 54

第七章总结与展望 ................................................... 55

§7.1 总结 ...................................................... 55

§7.2 展望 ...................................................... 55

参考文献 ............................................................ 56

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 59

附录 ................................................................ 60

致谢 .............................................................. 62

第一章绪论

§1.1 课题背景

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。湿度(Humidity)是指气体中水蒸气的含量。湿度最

早在气象领域受到重视,后来逐渐拓展到其它行业。目前，湿度的应用已遍及工业、

农业、国防、科研等各个领域。就以 IT 行业为例,集成电路芯片的生产全过程需

要严格控制湿度、通讯设备机房要求恒温恒湿环境、通讯电缆也需要充干燥空气

驱湿。可以说哪里有现代科技,哪里就离不开湿度[30]。

湿度无论是在工业生产还是人们的日常生活中都越来越起着重要的作用。工

业发达国家在这方面投入了大量的人力和物力进行研究，包括中国在内的许多发

展中国家也对此给予了特别关注。

综上所述，湿度的广泛需求、人居环境健康的需求和能源系统平衡的要求，

对目前湿度发生方式和精度提出了挑战。本文的测控对象是温度及压力，可提供

全新的湿度发生方法：双温双压湿度发生法，它的主要特点是在整合双压法和双

温法之上能实现湿度测控的高精度、快速响应、高可靠性。

§1.2 标准湿度发生器

下文依次介绍双压法湿度发生器、双温法湿度发生器、低霜点湿度发生器、

分流法湿度发生器。

1、双压法湿度发生器工作原理是：根据道尔顿分压定律可知，随着气相总压

力的改变，气相中各组分气体的分压也成比例变化。因此，在保持环境温度不变

的条件下，通过改变气体的总压力得到所需的水蒸气分压，从而达到改变相对湿

度的目的。双压湿度发生器是目前准确度最高的湿度标准源。

为保证双压法的精度，必须使高压气体的湿度保持恒定，其饱和度要达到

99.7%以上；其次，必须保证主饱和器、校正室的温度完全相等而且恒定；三是压

力测定必须非常准确[2]。

双压法的最大优点是可以输出标准湿度的气流，便于湿度标准的传递、湿度

传感器的校正，又能确定自身的准确度。其次，压力平衡快动力学惰性小，精度

小于±1%RH，已被认定为国家一级基准湿度发生装置。该装置的缺点是体积庞大，

造价高。

2、双温法湿度发生器原理：双温法标准湿度发生装置是根据相对湿度的定义

基于双温双压法的湿度发生器控制系统设计

而建立起来的。双温法湿度发生装置整个成一封闭循环回路，在循环泵 Z的驱动

下，回路中的空气进入恒温油槽 A。经过热交换管 R1 后，空气基本上达到恒温油

槽A的温度 ts 而进入饱和器 S。饱和器 S盛有充足的蒸馏水，使空气和水充分接

触而达到温度 ts 下的含有饱和水蒸气的湿空气。从饱和器Ｓ流出的空气直接进入

恒温槽 B，经热交换管 RZ 后，使空气温度达到恒温油槽温度 tc（tc﹥ts），并进入

处于同一温度下的校正室Ｃ。由于 tc﹥ts，因此，在 ts 下的饱和水蒸气的空气已不

再饱和。这样，校正室内的空气的实际水蒸气分压在数值上即为 ts 下的饱和水蒸

气压 es[2]。

由上可知，只要改变恒温槽 A 的温度，即改变 ts，就能改变 es 值，从而可在

校正室内获得 tc 温度下的一系列相对湿度。如果同时改变恒温槽 A、B的温度 ts

和tc，即可获得不同温度下的各种相对湿度。恒温槽 A、B 的温度，可以通过电加

热或冷却而任意改变。

双温法湿度发生装置将湿度的控测转变为温度的控测，而后者又十分成熟，

易于实现，加之多次封闭循环，可保证饱和器内空气充分饱和，所以该装置准确

度、精度较高，可作为国家一级湿度标准。

3、低露点湿度发生器：低露点湿度发生器是一种专门用于低湿领域校正的能

够发生水汽含量低至 ppm 级（即低于百万分之一）气体的设备。和双温法相似，

露点湿度发生器制备已知湿度气体的过程是一个等压变温过程。经过充分干燥的

气体首先流经一个热交换器然后进入饱和器，换热器和饱和器均浸没在一个恒温

液体槽中。饱和器是一根螺旋形金属盘管。管的内表面为大约 1mm 厚的薄冰层所

覆盖。通过饱和器的气流距离冰层表面不超过 4mm 。在流速为 2L/min 时，气体

的平均传质时间大约 7s。

干气流经过换热器到达恒温槽后，接着进入饱和器，因为使气流达到饱和所

需的水汽量非常小，所以管内冰的升华作用不会导致冰面温度明显下降，另外，

由于盘管足够长，气体的饱和过程在盘管的前部就己完成，盘管其余部分只是作

为饱和气体最后换热之用。通过饱和器的气体不存在明显的压力降。饱和器出口

端气体的温度与饱和器的温度相同或十分接近，所以这一温度可视为气流的露点

温度。

§1.3 国内外发展现状

上节阐述了双压法、双温法、低露点法等湿度发生器，本节介绍湿度测量方

法发展的历史。

湿度测量从原理上划分有二、三十种之多。但湿度测量始终是世界计量领域

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摘要：

摘要本文在对几种湿度发生方法全面分析研究后，着重分析了双温双压法湿度发生的流程及测控方法，并且搭建了软硬件测控平台，进行了大量的实验研究。在实验研究的基础上，为了达到更好的控制效果，对硬件和相应的测控软件进行了多次的优化、改动。本论文的研究工作为设计高精度、快响应速度、高可靠性的湿度发生器提供了经验。本文在分析和比较了几种湿度发生方法后，最终采用双温双压法；充分理解了系统中压力测控子系统、流量测控子系统和温度测控子系统的作用和测控功能的实现。通过上下位机大量的LabVIEW、PLC编程和调试，对几种不同的可选方案进行了可行性验证、判定和修改，确定出湿度发生测控系统的最终方案。本文采用新颖的压力...

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