一種新型高壓氣源露點(diǎn)測試儀的研究和設(shè)計(jì)

貝明君

摘 要：高壓氣體的露點(diǎn)測量是衡量氣體是否合格的重要指標(biāo)之一。本文介紹的高壓氣源露點(diǎn)測試儀采用新型微型制冷機(jī)對鏡面降溫，避免了傳統(tǒng)高壓氣源露點(diǎn)測量依靠高壓空氣制冷帶來的系統(tǒng)誤差，提高了冷鏡式光電露點(diǎn)測試儀的測量精度和穩(wěn)定性，同時全自動的測量模式使得操作更加簡便。在當(dāng)前高壓氣體廣泛應(yīng)用于特種船舶和其他工業(yè)領(lǐng)域的今天，可以大大地提高測量效率，具有較高的創(chuàng)新性和現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：高壓氣源；露點(diǎn)測試；研究；設(shè)計(jì)

中圖分類號：U665.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：Dew point measuring is important to determine whether gas is qualified. This paper introduces a new type of micro cooling machine to cool the mirror face， avoid the system error caused by traditional high-pressure air cooling. The cold-mirror photoelectric dew point tester is more convenient for operation with higher measurement accuracy and stability.

Key words：High-pressure gas source；Dew point test；Research；Design

1 前言

氣體濕度是指氣體中水蒸汽的含量。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)。氣體露點(diǎn)溫度是氣體常用的濕度表示方法之一，它是指用等壓冷卻的方法使氣體中的水蒸汽冷卻至凝聚相出現(xiàn)，或通過控制冷鏡面的溫度使氣體中的水蒸汽與（凝聚相）鏡面露層的平展表面呈熱力學(xué)平衡狀態(tài)，準(zhǔn)確的測出此時的溫度即為該氣體的露點(diǎn)溫度，測量氣體露點(diǎn)溫度的儀器稱為露點(diǎn)測試儀。

傳統(tǒng)的高壓氣源露點(diǎn)測量，通常是采用基于光電檢測的鏡面冷凝式露點(diǎn)測試儀（又稱冷鏡式露點(diǎn)測試儀），其制冷方式主要有半導(dǎo)體制冷和高壓空氣制冷兩種。

半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)為了達(dá)到一定的測量范圍，必須配合壓縮機(jī)和水冷系統(tǒng)使用，導(dǎo)致產(chǎn)品體積大、價格貴，且測量范圍一般只能達(dá)到-60 ℃。

高壓空氣制冷系統(tǒng)成本低、測量范圍大并且容易實(shí)現(xiàn)，但也存在明顯缺點(diǎn)：（1）高壓空氣通過小孔節(jié)流效應(yīng)進(jìn)行制冷，必須手動進(jìn)行控制，測量過程比較復(fù)雜，影響測量效率；（2）降溫速度受到制冷閥門、氣體壓力、外界溫度等方面影響，很難控制，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性；（3）當(dāng)高壓空氣水分較多時，用于節(jié)流的小孔容易堵塞，影響測量進(jìn)行；（4）光電采集系統(tǒng)靈敏度較差，加上降溫速度、氣體流量等因素的影響，采集的露點(diǎn)測量值重復(fù)性和準(zhǔn)確性差。

本文介紹一種新型的高壓氣源露點(diǎn)測試儀（暫定型號：JH-7000），它采用新型專用制冷機(jī)進(jìn)行制冷，溫度控制準(zhǔn)確，測量范圍廣泛。同時采用最新的控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)全自動測量，優(yōu)化了光電采集系統(tǒng)和軟件算法，提高了測量靈敏度和準(zhǔn)確性，為高壓氣源露點(diǎn)測試提供了新的手段。

2 系統(tǒng)組成和工作原理

JH-7000露點(diǎn)測試儀基于冷鏡式原理，其電路部分主要包括制冷機(jī)模塊、光路采集模塊、控制模塊：制冷機(jī)模塊包括微型制冷機(jī)和制冷機(jī)電源，主要負(fù)責(zé)對鏡面降溫及加熱、采集鏡面溫度并發(fā)送至控制模塊；光路采集模塊的主要功能是對光源供電、采集光電轉(zhuǎn)換信號并發(fā)送至控制模塊；控制模塊主要功能是通過通信接口對制冷機(jī)模塊和光路采集模塊發(fā)送控制指令并接收溫度、光路信號，負(fù)責(zé)控制檢測流程以及顯示人機(jī)交互界面等功能。

光路部分由光源、濾光組件、透鏡、反射鏡面和硅光電池組成。氣體經(jīng)過進(jìn)氣口吹入測量腔體，從鏡面上方掠過，并通過流量調(diào)節(jié)閥門控制流量，使之達(dá)到測量要求。當(dāng)氣體在鏡面上結(jié)露時，光路被改變，從而使硅光電池產(chǎn)生的電信號產(chǎn)生變化。

系統(tǒng)原理圖，如圖1所示。

3 主要關(guān)鍵技術(shù)

3.1 微型制冷機(jī)技術(shù)

目前市場上的冷鏡式露點(diǎn)測試儀除采用液氮或高壓空氣制冷外，主要采用的是熱電制冷（帕爾帖冷泵）配合壓縮機(jī)使用，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是溫度控制精度高、范圍廣，但缺點(diǎn)是體積大、重量重，不具備便攜性。

液氮容器體積較大，安裝受局限，測量過程中液氮消耗快，制冷速度難以控制，造成露點(diǎn)測試儀檢測精度、檢測效率較低，而且在某些工業(yè)場合不易獲得。

空氣節(jié)流制冷方式是熵增最大的一種制冷方法，其最低制冷溫度完全依賴于壓縮空氣的壓力及節(jié)流效率，在壓縮空氣壓力較低的場合難以應(yīng)用。實(shí)際工程應(yīng)用中，高壓空氣節(jié)流制冷難以控制降溫速度，導(dǎo)致測量結(jié)果重復(fù)性差，并且由于節(jié)流閥氣孔較小，會經(jīng)常出現(xiàn)氣體中水分結(jié)冰而堵塞氣孔，導(dǎo)致降溫不均勻甚至無法降溫的情況。

為了擺脫露點(diǎn)測試儀對液氮或高壓空氣制冷的依賴，使得產(chǎn)品的用途和適用場所更加廣泛，通過對制冷技術(shù)的調(diào)研，JH-7000露點(diǎn)測試儀采用了根據(jù)斯特林原理的微型制冷機(jī)對鏡面降溫，斯特林熱力循環(huán)，具有最高的熱力學(xué)效率，等同于完美的卡諾循環(huán)，其功耗低、降溫快。斯特林制冷機(jī)是小型低溫制冷機(jī)中應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最成熟的一種，具有穩(wěn)定可靠、功耗低、降溫速度快和范圍廣等特點(diǎn)，僅需供電就能工作，無需其他設(shè)備提供冷源，并且溫度控制更加精確，有助于提高測量的準(zhǔn)確度。

JH-7000露點(diǎn)測試儀使用小型斯特林制冷機(jī)，采用曲柄連桿及雙活塞機(jī)構(gòu)，通過應(yīng)用浮動式大氣缸及球頭式萬向節(jié)等柔性連接方式，避免氣缸和活塞之間的硬碰撞和摩擦，解決了斯特林制冷機(jī)由于干摩擦導(dǎo)致摩擦副材料容易損傷、抱死的問題，并在一定程度上降低了活塞和氣缸等主要部件的精度加工要求和裝配難度，提高了整機(jī)的可靠性及使用壽命；其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、整機(jī)體積小，重量僅為帕爾貼冷泵系統(tǒng)的1/3；工作溫度范圍寬，低溫可降至-100 ℃以下，滿足特純氣體、壓縮空氣等多種氣體全量程露點(diǎn)檢測需要；其工質(zhì)氣體為氮?dú)獾榷栊詺怏w，密封在腔體內(nèi)，容積不足1 L。與高壓節(jié)流制冷方法相比，其制冷性能受外界環(huán)境影響小，制冷性能穩(wěn)定可靠，并且配備專用電源模塊，該模塊主要功能包括對制冷機(jī)供電、采集鏡面溫度和通信功能。通信功能主要負(fù)責(zé)將采集的鏡面溫度通過串口發(fā)送至控制系統(tǒng)，同時接收控制系統(tǒng)的指令執(zhí)行降溫和升溫等操作。在系統(tǒng)控制下制冷機(jī)逐步降溫，與氣路、光路等協(xié)同完成整個測量過程中的信號檢測與高速精確露點(diǎn)鎖定，從而實(shí)現(xiàn)了全自動測量。endprint

3.2 光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光路系統(tǒng)主要包括：光學(xué)系統(tǒng)、光源供電模塊、光電池放大模塊和光路采集模塊。其中，光學(xué)系統(tǒng)主要包括一個LED光源，通過一組透鏡產(chǎn)生平行光照射在高反射鏡面上，反射光通過另一透鏡聚焦在感光器件上；感光器件采用硅光電池，并將放大電路和硅光電池做成一個整體，只留電源接口和信號輸出線，組成光電池放大模塊，這樣不僅方便測試硅光電池性能，并且增強(qiáng)抗干擾性；光路采集模塊負(fù)責(zé)采集光電池放大模塊輸出的信號，并將光電信號通過串口發(fā)送到控制系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的光電冷鏡式露點(diǎn)測試儀一般采用白熾燈作為光源、光電管作為感光器件，鏡面尺寸較大，通常為直徑為10～20 mm。該設(shè)計(jì)對測量結(jié)果影響較大，首先是白熾燈壽命短且屬于自發(fā)熱光源，長時間使用產(chǎn)生的熱量會破環(huán)測量室的環(huán)境熱平衡，從而使其他器件的溫漂特性放大，造成測量誤差；光電管對光源亮度要求較大，而且易受電壓波動影響；鏡面直徑過大會導(dǎo)致部分區(qū)域無法被光線照射，從而影響對鏡面結(jié)露的判斷，此外也會降低制冷效率，使得溫度下降更加不均勻，導(dǎo)致測量誤差變大。

為了解決上述問題，JH-7000露點(diǎn)測試儀采用紅色LED作為光源，硅光電池作為感光器件，鏡面面積進(jìn)一步縮小。LED屬于冷光源，自身不會在工作時發(fā)熱，同時具有壽命長、照度穩(wěn)定、可靠性高等特點(diǎn)。根據(jù)硅光電池的光譜特性，選用紅色LED，使光電池接收的信號位于靈敏度最高的波長區(qū)間。硅光電池是無源器件，穩(wěn)定性好且感光面積大，可將其看作電流源來使用，相比光電管具有更好的穩(wěn)定性和抗干擾能力。JH-7000露點(diǎn)測試儀設(shè)計(jì)的鏡面直徑僅為5 mm，更小的面積使得鏡面所有區(qū)域均能被光線照射，從而對任一點(diǎn)的結(jié)露情況都能及時作出響應(yīng)。此外，鏡面體積的減小提高了制冷效率，配合專用微型制冷機(jī)的使用，能夠穩(wěn)定控制鏡面溫度，從而提高測量精度。

與傳統(tǒng)光電露點(diǎn)測試儀的光學(xué)系統(tǒng)相比，JH-7000露點(diǎn)測試儀還優(yōu)化了反射光路徑，不使用擋光器件。鏡面未結(jié)露時，光線反射后經(jīng)透鏡聚焦全部照射在感光器件上；鏡面結(jié)露后，光線發(fā)生漫反射，部分光線經(jīng)透鏡散射無法被感光器件接收，從而判斷鏡面出露。該設(shè)計(jì)在保證靈敏度的前提下降低了光路系統(tǒng)安裝調(diào)試的難度，提高了儀器的可維修性。

3.3 氣路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣路系統(tǒng)包括減壓系統(tǒng)和管路系統(tǒng)。高壓氣體進(jìn)入設(shè)備后，首先通過一級減壓裝置減壓，將壓力限制在5 MPa以下，再經(jīng)過二級減壓裝置，通過調(diào)整流量調(diào)節(jié)閥門，使被測氣體安全通過測量腔體。所有氣路均采用1/8英寸精密冷拔無縫內(nèi)拋光不銹鋼管作為取樣管路，接頭部分均采用雙卡套密封，螺帽軸向推動后卡套，后卡套推動前卡套擠壓Tube管使其產(chǎn)生塑性變形，繼續(xù)旋緊螺帽，后卡套擠壓Tube管起到抓緊作用，從而實(shí)現(xiàn)無泄漏密封。采用雙卡套連接的接頭、螺帽采用優(yōu)質(zhì)316不銹鋼，螺帽螺紋采用表面鍍銀技術(shù)，防止在高溫高壓下螺紋發(fā)生咬死現(xiàn)象。Tube管固溶處理后的硬度要低于接頭體和卡套，同時光管表面光滑無缺陷，易于彎曲或擴(kuò)管，方便并可實(shí)現(xiàn)完全密封。

3.4 鏡面溫度采集設(shè)計(jì)

目前國內(nèi)外類似產(chǎn)品在鏡面溫度采集方面均采用鉑電阻式溫度計(jì)或傳感器，溫度采集都使用了接觸式采集的方法，該方法的主要缺點(diǎn)在于測量端與鏡面底部為點(diǎn)接觸，即使通過導(dǎo)熱硅脂粘合，測量出的溫度也不可避免的和鏡面實(shí)際溫度產(chǎn)生較大梯度誤差，雖然鉑電阻精度上滿足要求，但卻因?yàn)闇y量方式影響了準(zhǔn)確度。因此如何減少溫度梯度，提高測量準(zhǔn)確度，是使用鉑電阻溫度傳感器測量鏡面溫度時需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

為此，JH-7000露點(diǎn)測試儀采用6 mm×2 mm金屬封裝Pt100鉑電阻，利用特殊工藝將鉑電阻焊接在鏡面底部，這樣使得鏡面和鉑電阻成為整體結(jié)構(gòu)，有利于溫度的均勻傳導(dǎo)，減少溫度采集點(diǎn)與鏡面的溫度梯度誤差。

另外，在電路設(shè)計(jì)上，針對Pt100鉑電阻溫度傳感器，使用XTR105和RCV420芯片組成Pt100應(yīng)用電路進(jìn)行溫度采集?；倦娐穲D如圖2所示。

3.5 軟件設(shè)計(jì)

JH-7000露點(diǎn)測試儀控制單元處理器采用三星S3C2416芯片，運(yùn)行WinCE5.0操作系統(tǒng)，軟件使用C#語言編寫，開發(fā)環(huán)境為Visual Studio2008，顯示屏為7英寸觸摸液晶屏，軟件主要工作界面直觀豐富、易于操作。軟件設(shè)計(jì)方面，在露點(diǎn)分析算法上采用中值濾波對光路曲線進(jìn)行預(yù)處理，再利用小波分析的方法，采用Haar小波對一維光路信號進(jìn)行小波分解，經(jīng)過8級分解后得到的平均分量能夠準(zhǔn)確獲取曲線拐點(diǎn)，從而計(jì)算出露點(diǎn)溫度。

此外，傳統(tǒng)的冷鏡式光電露點(diǎn)測試儀在判斷光路變化時，往往采用固定光路初始值的方法，即測量之初記錄當(dāng)前光路值，等待光路值變化超過設(shè)定閾值后判斷結(jié)露，計(jì)算露點(diǎn)。該方法的缺點(diǎn)在于無法消除光路系統(tǒng)受溫度變化產(chǎn)生的影響，隨著測量溫度的不斷下降，金屬鏡面會發(fā)生微弱形變，這可能在一定程度上會改變光路值，此時如果仍然按照初始固定的光路值，在靜態(tài)閾值的情況下會引起測量誤差。JH-7000露點(diǎn)測試儀采用動態(tài)初值法進(jìn)行測量，補(bǔ)償光路系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差。動態(tài)初值法是指測量開始階段記錄當(dāng)前光路值，在測量過程中不斷判斷光路值變化，根據(jù)露點(diǎn)測試儀本身設(shè)計(jì)特性不斷排除噪聲（即光路突變）對光路值的影響，同時更新初始值，因此保證了在鏡面發(fā)生形變的情況下仍然能夠通過既定閾值準(zhǔn)確判斷出結(jié)露時間。

4 結(jié)論

本文研究和設(shè)計(jì)的新型露點(diǎn)測試儀采用新型微型制冷機(jī)對鏡面降溫，避免了傳統(tǒng)高壓氣源露點(diǎn)測量依靠高壓空氣制冷帶來的系統(tǒng)誤差，同時提高了冷鏡式光電露點(diǎn)測試儀的測量精度和穩(wěn)定性，全自動的測量模式也使得操作更加簡便。在當(dāng)前高壓氣體廣泛應(yīng)用于特種船舶和其他工業(yè)領(lǐng)域的今天，該測試儀可以大大地提高氣體的測量效率，具有較大的創(chuàng)新性和現(xiàn)實(shí)意義。endprint