Журнал «ИСУП» (Информатизация и системы управления в промышленности)
КИПиА, метрология, АСУ ТП, энергетика, АСКУЭ, промышленный интернет, контроллеры, экология, электротехника, автоматизации в промышленности, испытательные системы, промышленная безопасность

Метрологическое обеспечение измерений относительной влажности воздуха в условиях серийного производства термогигрометров

Для обеспечения серийного производства гигрометров научно-техническое предприятие «ТКА» разработало высокопроизводительные эталоны – генераторы влажного газа серий «ТКА-ГВЛ» и «ТКА-КВЛ». В статье описаны их конструктивные особенности, функциональные возможности, приведены характеристики. Рассмотрены также вопросы повышения инструментального качества проектируемых прецизионных гигрометров, имеющих погрешность измерения не выше 1 % относительной влажности.

ООО «НТП «ТКА», г. Санкт-Петербург

TKA.png

скачать pdf >>

На территории РФ в обращении находятся миллионы средств измерений, среди которых приборы для измерения физических факторов, включая температуру и влажность, составляют значительную долю.

Наше предприятие производит в год порядка пяти тысяч приборов в 30 модификациях, которые предназначены для измерений световой обстановки и параметров микроклимата в производственных и рабочих помещениях. Приборы, содержащие каналы измерений относительной влажности и температуры, составляют 25 % от общего выпуска. Примерно столько же приборов поступает на проведение очередных поверок, калибровок и сервисное обслуживание. Итого за год через наш калибровочный центр проходит ориентировочно 2,5 тыс. термогигрометров, которые имеют абсолютные погрешности измерений (не более): по относительной влажности – ±3,0 %, по температуре – ±0,2 °C.

По мере увеличения темпов выпуска термогигрометров мы столкнулись с необходимостью разработки собственных высокопроизводительных эталонов, в результате чего в нулевых годах был создан и сертифицирован в качестве эталона генератор влажного газа «ТКА-ГВЛ», работающий на принципе смешения двух потоков газа (воздуха), сухого и влажного, с ручным заданием уровня влажности двумя ротаметрами (рис. 1). Этот генератор имеет погрешность измерений 1 %, время рабочего цикла при диапазоне влажности (1–99) % и с интервалами задания рабочих точек в (5–10) % составляет около 4 часов (табл. 1).

Ris_1.jpg

Рис. 1. Генератор влажного газа «ТКА-ГВЛ»

В дальнейшем был разработан и сертифицирован полностью автоматизированный генератор с электронным управлением уровня влажности (с помощью двух кнопок: «больше», «меньше»), с шагом задания 1 % относительной влажности.

Генератор выпускается в двух модификациях: «ТКА-ГВЛ‑01-1» – рабочий эталон 1‑го разряда с абсолютной погрешностью ±1,0 %, диапазон воспроизведения влажности от 1 до 100 %; «ТКА-ГВЛ‑01-2» – рабочий эталон 2‑го разряда, с абсолютной погрешностью ±2,0 % (рис. 2). Рабочий цикл генераторов составляет около двух часов, что позволяет за рабочую смену исследовать порядка 15–18 термогигрометров. В комплектность генератора 1‑го разряда входит образцовый термогигрометр, в настоящее время это Rotronic модификации HygroPalm. Генератор снабжен шестью рабочими портами, не требует подключения к внешним газовым магистралям, питание 220 В 50 Гц, имеет двухстороннюю связь с ПК. Воспроизведение требуемого уровня влажности обеспечивается с помощью программно управляемых встроенных компрессоров. Генератор содержит встроенный контрольный термогигрометр, обеспечивающий функционирование по заданной программе, а также дополнительный внешний термогигрометр, подключаемый к генератору и обеспечивающий контроль окружающих условий по температуре, влажности и атмосферному давлению.

Ris_2.jpg

Рис. 2. Генератор влажного газа «ТКА-ГВЛ‑01-1»

Данный тип генераторов производится с 2013 года, калибровочный центр НТП «ТКА» оснащен четырьмя такими эталонами (рис. 3). Эти генераторы имеют спрос у метрологических служб России.

Ris_3.jpg

Рис. 3. Калибровочный центр ООО НТП «ТКА»

В качестве опции к генератору можно подключать камеру «ТКА-КВЛ» (рис. 4). Камера имеет 6 рабочих портов, диаметры которых могут выбираться при заказе.

Ris_4.jpg

Рис. 4. Камера влажности «ТКА-КВЛ» с 6 рабочими портами

Для обеспечения исследований габаритных термогигрометров нами разработана камера влажности «ТКА-КВЛ‑03» (рис. 5), которая имеет полезный объем 8,3 л, содержит встроенный контрольный термогигрометр и подключается к генератору «ТКА-ГВЛ‑01» с помощью гибкого шланга и быстросъемных адаптеров (рис. 6).

Ris_5.jpg

Рис. 5. Камера влажности «ТКА-КВЛ‑03», рабочий объем 8,3 л


Ris_6.jpg

Рис. 6. Камера влажности «ТКА-КВЛ‑03» подключена к генератору «ТКА-ГВЛ‑01»

В настоящее время по результатам государственных испытаний завершается оформление сертификата новой модели генератора – «ТКА-ГВЛ‑03», в которой совмещены функции генератора «ТКА-ГВЛ‑01» и камеры «ТКА-КВЛ‑03» (рис. 7). Активация рабочих камер (либо шести малых, либо одной большой, либо всех камер одновременно) обеспечивается тумблером, расположенным на лицевой панели генератора, при этом соединительных шлангов и адаптеров уже не требуется. В генераторе предусмотрен контроль влажности осушителя (сорбента) с отображением ее величины на дисплее генератора. При превышении некоторого критического значения (например, 5 % отн. влажности, этот уровень задается в настройках генератора) включается сигнальная лампа на лицевой панели, информирующая о необходимости замены сорбента. Генератор укомплектован образцовым прибором Rotronic модификации HygroPalm (рис. 8).

Ris_7.jpg

Рис. 7. Генератор влажного газа «ТКА-ГВЛ‑03»


Ris_8.jpg

Рис. 8. Расположение измерительного зонда контрольного термогигрометра в рабочей камере № 7 генератора «ТКА-ГВЛ‑03»

Для проведения выездных работ на месте расположения проверяемых приборов разработан портативный калибратор влажности «ТКА-КВЛ‑04» (рис. 9). Калибратор содержит в своем составе генератор влажности, рабочую камеру на 8,3 л, встроенный в камеру контрольный термогигрометр и дисплей. Выпускается в двух модификациях: «ТКА-КВЛ‑04‑Р» (управление уровня влажности двумя ротаметрами повышенного ресурса) и «ТКА-КВЛ‑04‑Э» (электронное управление).

Ris_9.jpg

Рис. 9. Калибратор влажности «ТКА-КВЛ‑04»

Характеристики разработанного оборудования приведены в табл. 1.

Таблица 1. Основные характеристики линейки генераторов производства НТП «ТКА» (увеличить изображение)

Tab_1_small.png

Наличие на предприятии рабочих эталонов требует их соответствующей метрологической поддержки, по цепочке от Государственного первичного эталона либо вторичного эталона влажности [1, 2], включая методы и средства дистанционной метрологии [3]. Сегодня для этого используется в том числе ряд гигрометров‑компараторов, к которым, на наш взгляд, было бы целесообразно добавить новые отечественные образцы с повышенными метрологическими и эксплуатационными свойствами.

Уровень метрологических требований к подобным приборам можно оценить по характеристикам гигрометра-компаратора, входящего в состав Государственного первичного эталона влажности ГЭТ 151-2014: диапазон относительной влажности – от 5 до 98 %, СКО – не более 0,05 %, неисключенная систематическая погрешность (НСП) – не более 0,2 % [2, 4].

Отметим, что нелинейность передаточной характеристики (ПХ) вносит определенный вклад в бюджет погрешностей гигрометра. Минимизация погрешности, обусловленной нелинейностью ПХ, решается с использованием методов цифровой линеаризации выходного сигнала гигрометра. Первичное сглаживание (линеаризация) ПХ чувствительного элемента емкостного датчика влажности реализуется, как правило, с помощью полиномов, что имеет, на наш взгляд, как положительные, так и отрицательные стороны.

Сегодня широко используются интеллектуальные цифровые датчики влажности и температуры, в которых первоначальное сглаживание ПХ чувствительных элементов уже обеспечено производителем, внесено в алгоритм обработки сигнала, а выходной цифровой сигнал характеризуется коридором типовых погрешностей (включая нелинейность ПХ), приводимых в технической документации, например в [10].

Проведенные нами исследования различных типов интеллектуальных датчиков подтверждают, что у них имеется некоторая остаточная нелинейность ПХ в пределах от 1 до 3 % отн. влажности. С этим обстоятельством приходится считаться, особенно при проектировании точных, максимально линейных термогигрометров, вводя соответствующие поправочные функции в алгоритм их работы.

Так, для интеллектуальных датчиков влажности и температуры типов ЕЕH210, SHT85 исходные погрешности по влажности δRH могут достигать значений до ±3 % RH, что видно из графиков, приведенных на рис. 10 и 11.

Ris_10.jpg

Рис. 10. Датчик ЕЕH 210: результаты обработки выходного сигнала


Ris_11.jpg

Рис. 11. Датчик SHT85: результаты обработки выходного сигнала

При составлении алгоритма введения корректирующих поправок мы полагаем, что исходная погрешность гигрометра δRH имеет нелинейный, знакопеременный характер и может быть аналитически аппроксимирована как результат суммирования трех функций вида [5]:

δRHTRUE = a + b •│ (RHTRUE – RH0) │α ,   (1)

где a, b, RH0 – константы, индивидуальные для определенного типа датчика; α может принимать значения 1 или 2; RHTRUE – значение влажности, измеренное датчиком с учетом его температуры.

Таким образом:
1. Введение первой поправки ΔRH1 = -δRHTRUE, которая имеет знакопеременный характер, позволяет понизить нелинейность ПХ во всем диапазоне измерения:
RH1 = RHTRUE + ΔRH1.     (2)

2. Введение второй поправки ΔRH2 = -δRH1, имеющей только положительные значения, позволяет компенсировать «провал» ПХ в определенной части диапазона измерения:
RH2 = RH1 + ΔRH2.      (3)

3. Введение третьей поправки ΔRH3 = -δRH2, имеющей только отрицательные значения, позволяет компенсировать «горб» ПХ в определенной части диапазона измерения:
RH3 = RH2 + ΔRH3.      (4)

4. Для дальнейшего улучшения линейности ПХ мы вводим операцию сглаживания (выпрямления) функции RH3 по эталонным значениям влажности, используя метод минимизации среднего квадрата ошибки:

RHCORR = [A + B • RH3] ± √ (σ RHCORR)2,    (5)

где А, В – аддитивный и мультипликативный сдвиги функции RH3 (смещение нуля и масштабирование ПХ); RHCORR – результирующее значение влажности, отображаемое на дисплее прибора; √ (σ RHCORR)2 – итоговая величина среднего квадрата ошибки (СКО) определения прибором величины относительной влажности в сравнении с истинной (эталонной) влажностью.

Предложенный метод минимизации нелинейности ПХ гигрометров обеспечивает в рассмотренных случаях измерение относительной влажности с остаточной нелинейностью не выше ±0,3 % RH относительно образцового средства. При таком подходе требуется индивидуальная градуировка гигрометра, вычисление и запись в память прибора параметров a, b, α, RH0, A, B, оценка погрешности √ (σ RH3)2, контрольная проверка настроенного прибора в генераторе влажности и дальнейшее исследование его долговременной стабильности.

На рис. 10 представлены результаты обработки выходного сигнала от датчика типа ЕЕH 210, на рис. 11 – от датчика типа SHT85. В табл. 2 приведены результаты расчета констант поправочных функций для этих двух типов исследованных датчиков. Так, для первого датчика введение поправок позволило понизить ожидаемые значения СКО от 0,2 до 0,03 %, а для второго датчика – от 0,8 до 0,13 %, что подтверждает эффективность предложенного метода минимизации нелинейности ПХ.

Таблица 2. Результаты определения поправочных функций для двух типов датчиков влажности

Tab_2.png

С учетом вышеизложенного были изготовлены опытные образцы термогигрометра с применением рассмотренных интеллектуальных датчиков влажности и температуры (рис. 12). Основные характеристики: диапазон измерения относительной влажности – от 0 до 100 %; цена младшего разряда – 0,01 %; диапазон измерения температуры – от –50 до +8 °C с погрешностью ±0,2 °C, цена младшего разряда – 0,01 °C. Алгоритм обработки сигналов содержит вычисление поправок по формулам (1–5), а также вычисление/отображение температур точки росы и влажного термометра.

Ris_12.jpg

Рис. 12. Опытный образец прецизионного термогигрометра

Для проверки фактического метрологического качества измерения приборами влажности было проведено их исследование на комплексе гигрометрической аппаратуры, включающей генератор влажного газа первого разряда «ТКА-ГВЛ‑01-1», образцовые термогигрометры Rotronic HP 22‑А, HP 23‑А, термогигрометр Rotronic HP 32 (с зондами HC2A‑S, HC2A‑SH), зонд Rotronic Hygro Clip HC2A-S. На рис. 13 приведены результаты этого исследования, содержащего 5 циклов измерений (1 цикл/день). Видно, что в диапазоне влажности от 0 до 98 % остаточные (неисключенные) погрешности лежат в коридоре значений –0,3 % / +0,4 % отн. влажности. Полученный нами результат сопоставим с метрологическим качеством рабочего эталона 1 разряда – генератора влажного газа 2000SP GEO [6], в котором используется зонд Rotronic Hygro Clip HC2A‑S, а пределы допускаемой абсолютной погрешности воспроизводимой относительной влажности при температуре 23 ± 0,3 °C составляют ±0,5 %.

Ris_13.jpg

Рис. 13. Исследование метрологического качества измерения влажности опытным образцом термогигрометра: остаточные погрешности

Полученные предварительные результаты по качеству измерений нашим прибором соответствуют требованиям поверочной схемы [1]. Основные технические решения в области создания гигрометров и генераторов влажности защищены авторским правом [5, 7, 8, 9].


Заключение

Современные тенденции метрологии направлены не только на повышение качества эталонного оборудования, но и на максимальное обеспечение условий и доступности проведения калибровок и поверок аттестованными метрологическими службами. Цифровая метрология должна быть легализована без снижения достоверности проведенных, в том числе дистанционных, испытаний.

Необходимым условием стабильности поддержания единства измерений в РФ является замещение импортной техники отечественной, не уступающей по своим характеристикам лучшим зарубежным аналогам. Создание такой аппаратуры, по нашему мнению, возможно исключительно при тесном взаимодействии производителей оборудования и служб системы Госстандарта.


Литература

1. ГОСТ 8.547-2009 ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений влажности газов.
2. Анашко А. А., Винге А. Ф., Винге М. А., Морозов С. А. Метрологические возможности Государственного первичного эталона единиц относительной влажности газов, молярной (объемной) доли влаги, температуры точки росы/инея ГЭТ 151-2014 // Измерительная техника. 2017. № 2.
3. Сольский М. Б. Перспективы дистанционной поверки средств измерений влажности газов. Доклад ­ВНИИФТРИ на Всероссийском съезде метрологов и приборостроителей. Москва, 2019.
4. Наборы поверочные стационарные для средств измерений относительной влажности воздуха производства GEO Cali­bration Inc., США, ГРСИ РФ № 76316-19. Методика поверки УБЖК.413614.012 МП, 2019 г.
5. Y. A. Barbar, M.N, Golikov, K. A. Tomsky. Transfer characteristic linearization of relative humidity sensors. TEMPMEKO & ISHM 2010, Portoroz, Slovenia. Book of Abstracts Volume A, p. 101.
6. Генераторы влажного газа MODEL 2000SP производства GEO Calibration Inc., США, ГРСИ РФ № 76317-19. Методика поверки УБЖК.413614.010 МП, 2019 г.
7. Патент на полезную модель № 134297 «Генератор влажного газа». Зарегистрирован в Госреестре изобретений РФ 10 ноября 2013 г.
8. Патент на изобретение № 2540885 «Генератор влажного газа и способ генерации газа с требуемой влажностью». Зарегистрирован в Госреестре изобретений РФ 23 декабря 2014 г.
9. Патент на полезную модель № 183258 «Генератор влажного газа». Зарегистрирован в Госреестре изобретений РФ 14 сентября 2018 г.
10. Digital humidity and temperature sensor EEEH210. Datasheet V1.0 April 2016. E+E ELECTRONIK GMBH.

Опубликовано в журнале ИСУП № 5(89)_2020

Ю. А. Барбар, к. т. н., технический директор,
К. А. Томский, д. т. н., генеральный директор,
Д. Е. Щур, зам. технического директора,
М. А. Рысков, главный конструктор,
ООО «НТП «ТКА», г. Санкт-Петербург,
тел.: +7 (812) 331‑1981,
e‑mail: info@tkaspb.ru,
сайт: tkaspb.ru


STEGO. Покупать комплектом – дешевле!
Нагреватель+Термостат 01140.0-00
Нагреватель+Термостат 01140.0-00 + Гигростат 01246.0-00
www.stego.de