新型雙光路鏡面露點儀設計

李亞萍，晏云昌，王三霞，汪獻忠

(1．鄭州大學物理工程學院，河南鄭州 450001；2．河南日立信有限公司，河南鄭州 450001)

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新型雙光路鏡面露點儀設計

李亞萍1，晏云昌2，王三霞2，汪獻忠1

(1．鄭州大學物理工程學院，河南鄭州 450001；2．河南日立信有限公司，河南鄭州 450001)

設計出雙光路的露點測量儀，測量光經(jīng)分光后，一路直接被光電管接收，作為參考信號，能夠?qū)鈴娮詣舆M行溫度補償；另一路經(jīng)鏡面反射和散射后被光電管接收，使反射光和散射光線都可以聚焦于測量，不浪費光線，光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及放大后控制制冷器制冷，使氣體中的水蒸氣在鏡面上冷凝并達到相平衡狀態(tài)，通過測溫電路測出露層溫度。同時合理選擇各個部分的材料和元器件并設計出高精度的硬件電路及控制系統(tǒng)。通過實驗驗證，儀表可以快速穩(wěn)定，測量精度大大提高。

濕度測量；露點溫度；鏡面露點儀；雙光路

0 引言

氣體濕度是指氣體中水蒸汽的含量。一個看似簡單的量值，深究起來，涉及相稱復雜的物理-化學分析和計算，其測量易受很多因素影響，遠不如溫度壓力等參數(shù)的測量那么成熟，濕度測量始終是世界計量領域中的難題之一。很多工業(yè)生產(chǎn)過程中都需要測量氣體濕度，濕度檢測是氣體或壓縮空氣質(zhì)量等級控制和完善氣源系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)[1]，在等壓的條件下使氣體中水蒸氣冷卻至凝聚相出現(xiàn)，通過控制露層傳感器露層的溫度，使氣體中的水蒸氣與水的平展面呈熱力學相平衡狀態(tài)，準確測量此時露層的溫度，即為該氣體的露點溫度。

目前，測定水分儀器品種繁多，主要方法有重量法、電解法、阻容法、露點法等。其中電解法對氣體流量要求很高，干燥時間長，阻容法[2]精度差，壽命短，測試時間長，耗氣量大；露點法[3-5]是一種高精度的測量方法，且穩(wěn)定性好，耗氣量小，壽命長。在國內(nèi)鏡面露點儀主要用來作為濕度計量的標準器具來使用。文中介紹的雙光路鏡面露點儀就是一種采用光電檢測、半導體制冷、鏡面冷凝自動平衡測定露點溫度的先進儀器，光源性能好，設計了先進的光路系統(tǒng)，制冷效率髙，功耗低，測量速度快，可以滿足于現(xiàn)場應用。

1 雙光路鏡面露點儀工作原理

鏡面露點儀在恒定壓力下，使氣體以一定流速經(jīng)過密閉氣室，被測量氣體通過露點測量室時掠過冷鏡面，當鏡面溫度高于該氣體的露點溫度時，鏡面呈干燥狀態(tài)，此時，發(fā)光二極管發(fā)出的光照在分光鏡上，分光鏡將光分成兩路，一路由光電管完全接收，另一路通過透鏡照在鏡面上，一部分光線發(fā)生散射外，其他光線幾乎完全反射，由光電傳感器感應到并輸出光電信號，經(jīng)控制回路比較、放大，驅(qū)動熱電泵由四級帕爾貼(Peltier)元件組成，對鏡面制冷，當鏡面溫度降至樣氣的露點溫度時，鏡面上開始結(jié)露，光照在鏡面上后出現(xiàn)漫反射，光電傳感器感應到的反射光信號隨之減弱，此變化經(jīng)控制回路比較、放大后調(diào)節(jié)熱電泵激勵，使其制冷功率減小，這樣通過自動控制使冷鏡面上的露與氣體中的水蒸氣呈相平衡狀態(tài)，鏡面溫度由一緊貼在冷鏡面下方的Pt100鉑電阻溫度傳感器感應，準確測量出鏡面的溫度(即露層的溫度)，從而獲得氣體的露點溫度。雙光路露點儀原理圖如圖1所示。

圖1 雙光路露點儀原理圖

圖2 雙光路露點儀結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)設計

雙光路鏡面露點儀具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。該露點儀主要由光路部分、制冷控制部分、氣路部分和電子顯示部分組成。

光路部分：主要由發(fā)光管、接收管等器件組成光路檢測系統(tǒng)。發(fā)光管發(fā)出的光線經(jīng)分光鏡后分成兩路光信號，一路完全由光電管接收，溫度升高時，光電接收管的信號增強，由此調(diào)整發(fā)光強度，使入射光強保持恒定，分光鏡的設計對入射光強自動溫度補償，即使溫度不同，也能保持入射光的強度恒定。另一路通過透鏡照射到鏡面上，透鏡聚焦，可以控制光路強度，使所有的光線都聚焦于測量。由于要求光源對鏡面的照度須具有良好的穩(wěn)定性，因此對光源的激勵源采用一可調(diào)恒流源，為了使其保持較好的熱穩(wěn)定性，恒流源經(jīng)過溫度補償。雙光路系統(tǒng)提供了更高的測量靈敏度和精確性?？梢詫崟r檢測鏡面結(jié)露狀態(tài)。光路系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 光路系統(tǒng)圖

制冷控制部分：露點測量存在很多因素的影響[6]，如鏡面污染，“過冷水”[7-8]現(xiàn)象等，但對露點儀的精度起著決定性影響的因素是鏡面溫度的穩(wěn)定性[9]。光電轉(zhuǎn)換電路將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，輸出放大后，經(jīng)過24位的高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片，其分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快，而且接口方便，電路簡單、應用靈活，送至ARM單片機進行處理運算后由D/A輸出相應的控制信號并經(jīng)過功率放大來調(diào)控四級Peltier元件控制制冷，閉環(huán)控制最終使鏡面溫度平衡在露點溫度附近，再經(jīng)測溫電路測量露點溫度和環(huán)境溫度，送至單片機進行處理后保存并顯示露點溫度值。測溫電路采用四線制方式，接線時電路回路和電壓測量回路獨立分開接線，能有效消除連接導線的電阻和接觸電阻對Pt100鉑電阻測溫精度的影響，測量精度高，適用于在高精度的測溫場所。制冷部分主要由鏡面、冷堆、基座、熱管散熱器和風扇組成，鏡面嵌在冷堆的冷面，冷堆嵌在基座內(nèi)，通過散熱器散熱并由風扇冷卻。制冷能力強，效率高。

氣路部分：其氣室采用了鋁合金材料氧化后(黑化處理)加工而成，使其具有一定的抗腐蝕能力。為了提高光橋電路的信噪比，露點室內(nèi)腔需噴涂一層10 μm 左右的黑色氟塑料，減少光的二次反射。頂蓋、氣室、鏡面都能拆卸，方便擦拭鏡面或更換鏡面，它們之間都要用密封墊進行密封，使樣氣免受環(huán)境空氣的干擾。鏡面須選擇應以憎水、導熱性好、耐腐蝕、硬度高、光學性能好為依據(jù)[10]。采用導熱性能良好的紫銅材料，和焊接在制冷電堆上面銅塊是靠螺紋結(jié)合的，其表面鍍銠使其具有一定的反射系數(shù)并能抗樣氣的腐蝕。鏡面的下部紫銅塊要保證和制冷半導體之間的良好的導熱性，使鉑熱電阻與鏡面的溫度梯度減小到最小。氣路部分包括取氣接頭、取樣管、不銹鋼針型調(diào)節(jié)閥、快速插頭、測量室、流量計、排氣管等，采樣管采用聚四氟乙烯管，保證了測量準確度。

電子顯示部分：采用彩色液晶顯示觸摸屏，實時顯示當前測量的露點溫度、平衡過程曲線圖、流量、時間等信息。具有報警、自檢測、歷史存儲及查詢，電量及流量檢測，校準等功能。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件主要由界面接口程序、系統(tǒng)自檢程序、校準程序、初始化程序、溫度測量程序、加熱和制冷程序、數(shù)據(jù)采集及處理程序等組成。

開機后程序首先進行系統(tǒng)自檢，完成系統(tǒng)外圍器件和內(nèi)部配置的開機初始化操作，并進行傳感器自檢，然后根據(jù)標志位的狀態(tài)判斷在用戶的操作下，系統(tǒng)所出的菜單層級，并由此做出正確的響應，軟件程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

儀器進入測試狀態(tài)時，光信號在經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換電路后，輸出0～2.5 V的電壓，在經(jīng)過高精度的A/D轉(zhuǎn)換后，送給單片機進行數(shù)據(jù)處理，處理結(jié)果通過PWM波的方式經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換及功率放大后控制制冷器進行制冷。在數(shù)據(jù)處理中，設數(shù)據(jù)采樣所得露層的厚度為L，目標露層為Ls，控制偏移量為L0，當LLs+L0時，單片機控制制冷器停止制冷，使露層在樣氣的帶動下逐漸變薄，當Ls

4 實驗及分析

為了驗證雙光路露點儀的性能，做了如下準確性和快速性的測量實驗。

4．1 雙光路露點儀準確性實驗

通過國標檢定規(guī)程JJG 499-2004中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程精密露點儀[11]，使用高準確度濕度計MBW373作為實驗標準，采用高純氮氣，檢定順序為-60 ℃、-50 ℃、-40 ℃、-30 ℃、-20 ℃、-10 ℃對雙光路露點儀進行實驗，待濕度計和儀器的示值相對穩(wěn)定后，其波動值小于其最大允許誤差，儀器示值穩(wěn)定30 min后，每隔2 min記錄一組數(shù)據(jù)，累計記錄6組數(shù)據(jù)得到儀表的示值平均值，與高準確度濕度計MBW373進行對比，計算出示值誤差，結(jié)果如表1。

表1 露點測量對比實驗結(jié)果 ℃

實驗結(jié)果可以看出，在-50 ℃以下的露點時，示值誤差達到0.3℃，-50℃以上最大示值誤差為0.2℃，精密露點儀檢定規(guī)程中規(guī)定，對于-50～20℃的露點范圍，一級表的最大允許誤差為0.2℃．雙光路鏡面露點儀通過實驗驗證其精度可控制在0.2℃以內(nèi)，符合國家精密露點儀的檢定并達到一級標準，實現(xiàn)了對氣體的準確測量。

4．2 雙光路露點儀的快速性實驗

實驗中濕度發(fā)生器產(chǎn)生露點溫度為-40℃的氣體，分別并聯(lián)連接到雙光路露點儀、作為參考對比的阻容式露點儀，以及高準確度濕度計MBW373進行露點測量，結(jié)果如圖5所示。

圖5 -40℃氣體測量圖

由圖5可以看出，當標準濕度發(fā)生器設定值為-40℃，高準確度濕度計MBW373由-40.3℃最終穩(wěn)定在-40.2℃，以高準確度濕度計MBW373的測量曲線做為參考標準，雙光路露點儀的測量速度快于阻容式露點儀和高準確度濕度計MBW373，并且和高準確度濕度計MBW373最終都穩(wěn)定在-40.2℃，而阻容式露點儀穩(wěn)定在-40.4℃．從而可以看出雙光路測量系統(tǒng)具有快速準確的性能。

5 結(jié)束語

雙光路鏡面露點儀的光路系統(tǒng)可以實現(xiàn)入射光強溫度補償，通過實驗驗證其精度可控制在0.2 ℃以內(nèi)，使得露點測量快速、準確。同時散熱器的合理選擇和高精度冷堆控制系統(tǒng)的設計，使制冷工作效率大大提高，降低了系統(tǒng)的功耗。能夠長時間的連續(xù)保持高精度測量，操作方便簡單。實驗證明，該儀器運行可靠，穩(wěn)定，精度高，可以適用于對濕度嚴格要求的場合。

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Design of Dew-point Hygrometer with Double Optical Routes

LI Ya-ping1，YAN Yun-chang2，WANG San-xia2，WANG Xian-zhong1

(1．College of Physics Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China；2．Henan Relations Ltd．，Zhengzhou 450001，China)

A dew point hygrometer with double optical path was designed.Through the beam splitter,one of the measuring light roads was directly

by the photoelectric tube as the reference signal,and can automatically compensate temperature of the light intensity; the other path in the mirror was received by photoelectric cell after specular reflection and refraction,so all lights can be focused on the measurement without waste.The light signal was conversed by the photoelectric circuit,and then controlled the refrigerator after enlarged.When the gases get condensation equilibrium,dew point temperature was measured by temperature measurement circuit.We selected reasonable materials and components and designed the hardware circuit and control system with high accuracy.Through experimental verification,the instrument can be rapid and stable,and the measurement accuracy is improved.

humidity measurement;dew-point temperature;dew-point hygrometer;double- optical path

郭弦(1984—)，工程師，碩士，主要研究方向為工程測量。 E-mail：agm65@sina．com 黎小毛(1979—)，工程師，碩士研究生，主要研究方向為工程測量。E-mail:advanced123@sina.com

2014-01-07 收修改稿日期：2014-11-08

TH832

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1002-1841(2015)01-0038-03