專利名稱：一種快速準(zhǔn)確測定低濕氣體露點(diǎn)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用鏡面原理快速測定露點(diǎn)的方法和裝置，特別適合于在極端高溫環(huán)境下低濕度氣體露點(diǎn)的快速準(zhǔn)確測定。
背景技術(shù)：
冷鏡式露點(diǎn)儀測量露點(diǎn)的原理為一束光照射到可控制溫度的拋光鏡面上，由光電傳感器接收管接受其反射光。當(dāng)鏡面干燥時(shí)，其反射光最大，即發(fā)射光被完全翻身并由光電傳感器接收管接收。樣氣流經(jīng)露點(diǎn)冷鏡室的冷凝鏡，通過等壓制冷，使得樣氣達(dá)到飽和結(jié)露狀態(tài)。當(dāng)鏡面上凝結(jié)水分成霜層時(shí)，發(fā)射光被散射，從而接受的反射光強(qiáng)度減弱。該接收信號(hào)比較放大后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入處理器，經(jīng)計(jì)算后控制冷泵的制冷電流，從而控制鏡面溫度并使鏡面保持在一定溫度，此時(shí)鏡面霜層保持一定的厚度，維持此厚度霜層時(shí)，光電傳感器接收管接收的反射光能量損失至目標(biāo)值，即氣體中的水蒸氣在鏡面上冷凝成霜并達(dá)到相對平衡狀態(tài)，維持霜層為一特定厚度，此時(shí)鏡面的溫度由溫度傳感器測量并記錄為被測氣體的露點(diǎn)。冷鏡式露點(diǎn)測定的主要優(yōu)點(diǎn)是精度高，尤其在采用半導(dǎo)體制冷和光電檢測技術(shù)后，不確定度甚至可達(dá)O. rc ;最大的缺點(diǎn)是響應(yīng)速度較慢，尤其在檢測低濕度氣體的露點(diǎn)時(shí)，平衡時(shí)間甚至達(dá)幾個(gè)小時(shí)，而且此方法對樣氣的清潔性和腐蝕性要求也較高，否則會(huì)影響光電檢測效果或產(chǎn)生‘偽結(jié)露’造成測量誤差。針對低濕度氣體露點(diǎn)測定速度慢的問題，美國專利(US5139344)通過輔助加濕裝置，向低濕氣體輔助加濕來縮短平衡時(shí)間，這樣測定時(shí)間可以縮短至10-15分鐘。然而對于未知?dú)怏w由于加濕量和加濕點(diǎn)難以準(zhǔn)確控制，容易造成系統(tǒng)振蕩，從而延長穩(wěn)定時(shí)間。中國發(fā)明專利(CN101236166B)通過控制方法的改進(jìn)來縮短平衡時(shí)間。即在消露過程中，根據(jù)光能量偏差和光能量偏差變化率的不同區(qū)間設(shè)定相對應(yīng)的電流調(diào)整步長，并通過在當(dāng)前制冷電流上加或減等于此步長的電流值來調(diào)整制冷電流的大小，控制鏡面溫度以控制霜層厚度，使之逐漸逼近特定厚度，從而消除系統(tǒng)失調(diào)而出現(xiàn)的振蕩?，F(xiàn)有的測定方法都是在使待測氣體中的水分充分結(jié)霜后，來控制鏡面溫度，消除過多結(jié)霜使霜層厚度達(dá)到設(shè)定值，來測定露點(diǎn)。然而鏡面霜層的形成相對于冷泵冷端溫度有一定的滯后性。當(dāng)霜層過厚時(shí)，會(huì)導(dǎo)致冷泵斷電，冷端溫度快速升高，通過鏡面的氣體十分干燥，水分子在鏡面凝結(jié)的速度小于逃逸的速度，霜層將變薄；雖然即將達(dá)到特定霜層厚度電流迅速恢復(fù)，但因鏡面溫度不能迅速降低，導(dǎo)致霜層厚度變得過薄甚至消失。此時(shí)冷泵啟動(dòng)迅速強(qiáng)制冷，鏡面迅速凝結(jié)成霜，導(dǎo)致結(jié)霜層過厚，周而復(fù)始。因此，鏡面達(dá)到特定霜層厚度常需要經(jīng)過較長時(shí)間的動(dòng)態(tài)調(diào)整過程。對于在高溫環(huán)境下，由于冷泵熱端熱量積累，散熱困難，冷泵制冷能力之間下降，有時(shí)甚至很難使冷端再次制冷到低于露點(diǎn)的溫度，導(dǎo)致露點(diǎn)難以或無法完成測量。因此如何快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)各種濕度氣體的露點(diǎn)的測定成為業(yè)界亟待解決的難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是1)傳統(tǒng)的鏡面式測定露點(diǎn)方法和裝置所需穩(wěn)定時(shí)間長，對于低濕度氣體的露點(diǎn)難以或無法測量；2)具有輔助加濕裝置的鏡面式露點(diǎn)儀由于加濕的時(shí)間和加濕量難以準(zhǔn)確控制，造成系統(tǒng)振蕩延長測定時(shí)間，或者是加濕點(diǎn)位于露點(diǎn)附近時(shí)，會(huì)造成等幅振蕩而無法完成測量。3)在高溫環(huán)境下，測定低濕度氣體的露點(diǎn)時(shí)由于制冷量限制而難以完成測量。本發(fā)明提供一種采用鏡面原理快速準(zhǔn)確判斷低濕度氣體露點(diǎn)的方法，具體技術(shù)方案和步驟為控制器記錄反射鏡面的反/散射光的能量的初始值Rtl,并實(shí)時(shí)監(jiān)測鏡面快速降溫過程中反射鏡面的反/散射光的能量Rx，計(jì)算它們的差值A(chǔ)R ;當(dāng)Λ R超過某一設(shè)定值時(shí)，鏡面上開始結(jié)露，記錄此時(shí)的鏡面溫度T1和反/散射光的能量R1，作為預(yù)判的露點(diǎn)溫度和反/散射光的能量的設(shè)定值；控制系統(tǒng)迅速調(diào)整制冷電壓，調(diào)整幅度由KlX (R1-Rx)+Κ2X (T1-Tx)計(jì)算，其中Kl和Κ2為常數(shù)，當(dāng)Λ T (即T1-Tx)小于O. 2度時(shí)，即可判斷此時(shí)測量值接近被測氣體的真實(shí)露點(diǎn).然后適當(dāng)調(diào)整制冷片的制冷量，確保調(diào)整前后的反/散射光能量變化率趨近于零，此時(shí)鏡面的結(jié)露速度與消露速度基本相同，反/散射光的能量也達(dá)到設(shè)定值，鏡面的溫度即為被測氣體的露點(diǎn)。本發(fā)明還提供一種基于上述露點(diǎn)判斷方法的露點(diǎn)儀，它包括冷鏡室、制冷電路、光電測量電路、溫度測量電路，控制器和輸入輸出單元；其中冷鏡室內(nèi)有發(fā)光二極管、光敏二極管、制冷單元、拋光反射鏡面及鉬電阻溫度傳感器；光電測量電路與冷鏡室內(nèi)的發(fā)光二極管和光敏二極管連接，制冷電路與制冷單元連接，溫度測量電路與鉬電阻溫度傳感器連接，控制器與制冷電路、光電測量電路、溫度測量電路連接。露點(diǎn)測量過程中，控制器調(diào)節(jié)制冷電路的制冷電壓，通過制冷單元對反射鏡面進(jìn)行快速制冷，同時(shí)通過光電測量電路實(shí)時(shí)監(jiān)測鏡面的反射光能量，計(jì)算與初始值差A(yù)R;當(dāng)Λ R超過某一設(shè)定值時(shí)，溫度測量電路測定此時(shí)的鏡面溫度，控制器將其作為預(yù)判露點(diǎn)，按照公式KlX (R1-RxHDX (T1-Tx)計(jì)算并迅速調(diào)整制冷電壓，使溫度的變化量AT小于設(shè)定值且反/散射光能量在溫度調(diào)整前后的變化量趨近于零，此時(shí)溫度測量電路測定的鏡面溫度就是待測氣體的露點(diǎn)溫度。本發(fā)明所述的方法和裝置在結(jié)露的過程中進(jìn)行露點(diǎn)的判斷，解決了以前方法測量低濕度氣體時(shí)由于水分過少霜層厚度不能達(dá)到特定厚度造成測量不能完成的難題，而且避免了輔助加濕方法測定過程中的系統(tǒng)振蕩。更為重要的本發(fā)明是在結(jié)露過程中來測定露點(diǎn)，而非在充分結(jié)露后消露過程中來測定。這樣就可以大大縮短時(shí)間，而且沒有輔助加濕裝置，減少系統(tǒng)的復(fù)雜程度，有利于提高控制的穩(wěn)定性和精確度。


圖I為本發(fā)明提供的鏡面式露點(diǎn)儀結(jié)構(gòu)示意框2為本方法控制流程3為本方法與傳統(tǒng)方法、輔助加濕方法測定時(shí)波形示意4為加濕不當(dāng)所造成地阻尼振蕩波形示意圖
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖與具體實(shí)例進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)施方式。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可由本說明所揭示的內(nèi)容了解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明也可以通過其它不同的具體實(shí)例加以實(shí)施和應(yīng)用。本發(fā)明提供一種快速測定低濕度氣體露點(diǎn)的冷鏡式露點(diǎn)儀，其結(jié)構(gòu)示意如圖I所示。它包括冷鏡室、制冷電路、光電測量電路、溫度測量電路，控制器和輸入輸出單元。其中冷鏡室包括由發(fā)光二極管I、光敏二極管2和鏡面3組成的光電監(jiān)測單元、鉬電阻4和制冷單元5 ;測量電路由光電檢測電路6、測溫電路7和制冷電路8組成，分別與冷鏡室的光電監(jiān)測單元、鉬電阻4和制冷單元5連接；輸入輸出單元包括操作按鍵10、液晶顯示屏11和USB接口 12。測量過程中，發(fā)光二極管發(fā)射光，光敏二極管接收鏡面反射或散射的光，制冷單元 對鏡面制冷。當(dāng)被檢測的氣體掠過冷的鏡面時(shí)，在鏡面上形成霜層?？刂破魍ㄟ^監(jiān)測電路實(shí)時(shí)監(jiān)測反射光的能量，當(dāng)反射光的能量差超過某一設(shè)定值時(shí)，認(rèn)為鏡面上已經(jīng)開始結(jié)露，記錄此時(shí)的鏡面溫度，將其作為預(yù)判的露點(diǎn)；控制系統(tǒng)及時(shí)調(diào)整制冷電壓，使鏡面溫度接近預(yù)判露點(diǎn)溫度。當(dāng)溫度的波動(dòng)小于O. 2度時(shí)，即可確定為被測氣體的露點(diǎn)。圖2示出本方法和裝置測定露點(diǎn)的流程示意圖。開始測量后，制冷系統(tǒng)對鏡面快速強(qiáng)制制冷，控制器通過光電監(jiān)測系統(tǒng)記錄反/散射光能量的初始值R0,并實(shí)時(shí)監(jiān)測鏡面的反/散射光能量Rx，計(jì)算它們的差值△! ，當(dāng)AR小于設(shè)定值時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行強(qiáng)制制冷；而當(dāng)Δ R超過某一設(shè)定值時(shí)，即可判斷鏡面上正在迅速結(jié)露，此時(shí)鏡面溫度與實(shí)際待測露點(diǎn)值相當(dāng)，也可判斷待測氣體濕度低于該點(diǎn)的溫度，控制系統(tǒng)記錄此時(shí)的鏡面溫度T1和反/散射光能量％。傳統(tǒng)露點(diǎn)測量方法中，降低鏡面溫度，直到鏡面的露層厚度達(dá)到設(shè)定值，當(dāng)氣體的濕度較低時(shí)，厚度增量 水分的含量X時(shí)間，所以傳統(tǒng)方法時(shí)間測定較長。隨后進(jìn)入露點(diǎn)的精確測定階段。根據(jù)預(yù)判的露點(diǎn)溫度，調(diào)整制冷電壓，調(diào)整幅度由KlX (R「RX)+K2 X (T1-Tx)計(jì)算，其中Kl和K2為常數(shù)。當(dāng)Λ T (即T1-Tx)小于O. 2度時(shí)，即可判斷此時(shí)測量值接近被測氣體的真實(shí)露點(diǎn)。然后適當(dāng)調(diào)整制冷片的制冷量(鏡面溫度)，確保調(diào)整前后的反/散射光能量變化Λ R趨近于零，此時(shí)鏡面的結(jié)露速度與消露速度基本相同，反/散射光的能量也達(dá)到設(shè)定值R1，鏡面的溫度即為被測氣體的露點(diǎn)。圖3和圖4中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為鏡面溫度，示出本發(fā)明所提供的方法和裝置及其它方法在測定低濕度氣體露點(diǎn)時(shí)鏡面溫度變化曲線的差別。傳統(tǒng)的方法鏡面溫度均需要多個(gè)個(gè)振蕩調(diào)整過程才能達(dá)到被測氣體的實(shí)際露點(diǎn)。測定低濕度氣體露點(diǎn)時(shí)，利用輔助加濕可以縮短振蕩調(diào)整的周期，然而，如果加濕量和加濕時(shí)間點(diǎn)掌握不當(dāng)，又會(huì)造成如圖4所示的阻尼振蕩，而不能完成測量過程。而利用本發(fā)明提供的方法和裝置測定露點(diǎn)過程中基本上沒有溫度的振蕩調(diào)整過程。因此可以大大縮短測定時(shí)間，對于低濕度氣體也能快速得到準(zhǔn)確地測定結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種快速準(zhǔn)確測定低濕氣體露點(diǎn)的裝置，包括冷鏡室、制冷電路、光電測量電路、溫度測量電路，控制器和輸入輸出單元；其中冷鏡室內(nèi)有發(fā)光二極管、光敏二極管、制冷單元、反射鏡面及鉬電阻溫度傳感器；光電測量電路與冷鏡室內(nèi)的發(fā)光二極管和光敏二極管連接，制冷電路與冷鏡室內(nèi)的制冷單元連接，溫度測量電路與鉬電阻溫度傳感器連接；控制器控制制冷電路、光電測量電路和溫度測量電路的協(xié)調(diào)工作；其特征在于所述的控制器包括以下控制步驟 記錄鏡面反/散射光能量的初始值； 實(shí)時(shí)采集鏡面反/散射光能量； 計(jì)算鏡面反/散射光能量的變化，并判斷是否超過某一設(shè)定值； 計(jì)算控制制冷電壓的數(shù)字量，并轉(zhuǎn)換成制冷工作電壓； 計(jì)算制冷電壓調(diào)整前后的溫度變化量，并判斷是否低于某一設(shè)定值； 控制制冷工作電壓，使鏡面反/散射光能量能量及其變化量接近設(shè)定值。
2.一種快速準(zhǔn)確測定低濕氣體露點(diǎn)的方法，運(yùn)用如權(quán)利要求I所述的裝置，它包括如下步驟 控制器記錄反射鏡面的反/散射光的能量的初始值R。，并實(shí)時(shí)監(jiān)測鏡面快速降溫過程中反射鏡面的反/散射光的能量Rx，計(jì)算它們的差值A(chǔ)R ; 當(dāng)A R超過某一設(shè)定值時(shí)，記錄此時(shí)的鏡面溫度T1和反/散射光的能量R1，作為預(yù)判的露點(diǎn)溫度和反射光能量設(shè)定值； 按照KlX (R1-Rx)+K2X (T1-Tx)計(jì)算并調(diào)整制冷電壓，其中Kl和K2為特征常數(shù)； 當(dāng)T1-Tx小于0. 2度時(shí)，適當(dāng)調(diào)整制冷電壓，控制調(diào)整前后的反/散射光能量變化率趨近于零，且反射光能量達(dá)到設(shè)定值； 測定此時(shí)鏡面溫度即為被測氣體的露點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種利用冷鏡式原理測定低濕度氣體露點(diǎn)的方法和裝置。在快速制冷過程中，鏡面反/散射光能量變化超過設(shè)定值作為露點(diǎn)預(yù)判依據(jù)；控制器調(diào)整制冷電壓，使鏡面溫度迅速接近此溫度；當(dāng)溫度的調(diào)整幅度小于設(shè)定值，反/散射光能量達(dá)到設(shè)定值且變化量趨近于零時(shí)，判斷此時(shí)的鏡面溫度即為被測氣體的露點(diǎn)。本發(fā)明解決了現(xiàn)有方法和裝置利用充分結(jié)露后消露過程測定低濕度氣體露點(diǎn)所需時(shí)間長、需要借助于輔助加濕裝置或不能完成測定的問題，具有不受測定環(huán)境條件和待測氣體濕度大小等因素限制以及不需要輔助加濕裝置、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N25/66GK102636519SQ20111003687
公開日2012年8月15日 申請日期2011年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月12日
發(fā)明者李軍遠(yuǎn), 章嘯 申請人:北京興泰學(xué)成儀器有限公司