CN102520019A - 一种谐振式露点测量方法 - Google Patents

Abstract

一种谐振式露点测量方法，该方法有四大步骤：步骤一：首先制作振荡回路和敏感探头；步骤二：半导体制冷器对石英晶片进行持续制冷，信号发生器提供频率信号；步骤三：数据采集并监测频率信号和温度信号，并作好记录；步骤四：当监测到石英晶片谐振频突变发生时刻，停止数据采集，判断并找出频率突变点所对应的时间、石英晶片表面温度T_d和环境温度T_a，T_d就是最后需要测量的在T_a下的露点温度。本发明构思巧妙，具有测量方法简单、灵敏度高、可靠性好、成本低的优点；它能够快速准确的获取当前温度下的环境露点从而对环境的湿度程度做出评判。它在空气状态参数测量技术领域里具有较好的实用价值和广阔的应用前景。

Description

一种谐振式露点测量方法

技术领域

本发明涉及一种谐振式露点测量方法，它利用石英晶体微天平即QCM(Quartz CrystalMicrobalance)原理对露点进行识别，从而达到露点温度的测量，属于空气状态参数测量技术领域。

背景技术

空气湿度是表示大气中水汽含量多少的物理量，简称湿度，通常用混合比、比湿、绝对湿度、水汽压、相对湿度和露点温度等参量来表示。随着经济与社会的发展，对湿度测量准确度的要求在不断提高，但由于湿度受气温、气压的影响较大，至今全温域、全量程下的湿度测量仍是世界上大气探测领域的主要难题之一。

目前测湿仪器种类繁多，从原理上可以划分为称重法、热力学方法、吸湿法、光学法、凝结法等。其中，称重法测量精(准确)度最高，但仪器体积庞大、结构复杂、操作繁琐。热力学测湿法以台站常用的干湿表为代表，测量准确度较高，操作简便，但干湿表在低温情况下，相对湿度变化所对应的干湿球温度差变化很小，导致低温时测湿误差较大。吸湿法可分为机械形变类和电学类两类，此类仪器结构简单、使用方便，但滞后系数大，精度不高。光学法利用水汽对光辐射或者电磁波吸收衰减作用来测定水汽含量，如红外湿度计，微波湿度计等，需要经常进行校准，目前仅限于科研中。

基于凝结法的露点仪在全量程范围内线性度较好，即使在低温条件下，也能达到相当高的准确度，是目前唯一一种可以在全温度量程内达到较高准确度的测湿仪器。最早由法国人Regnault于1819年研制，经过近两百年的发展不断改进成熟，已成为今后测湿仪器发展的主要方向。

基于凝结法的露点测量其关键技术在于露点的探测与识别。目前主要的露点识别技术有光电法、声波法以及图像识别法。美国GE公司研制的光电精密露点仪、瑞士MBW公司生产的精密露点仪以及英国的MICHELL仪器公司生产的系列精密露点仪等均是基于露点冷凝面对光的散射效应来控制和生成露点。芬兰Vaisala公司推出的DM系列露点仪则是采用高灵敏度的声波代替光信号进行露点探测。Weremczuk以及解放军理工大学气象学院都研究了新型显微成像式露点传感器，利用光学CCD(电容藕合器件)对镜面生成露/霜前后图像的差异进行检测。通过高倍的光学CCD实时检测镜面图像，图像采集电路将镜面图像传输给上位机，通过图像处理和检测程序，实现对露点的检测和判别。

发明内容

1、目的：本发明的目的是为了提供一种谐振式露点测量方法，它能够快速准确的获取当前温度下的环境露点从而对环境的湿度程度做出评判。本方法具有测量方法简单、灵敏度高、可靠性好、成本低的优点。

2、技术方案：本发明一种谐振式露点测量方法，该方法的工作原理如下：

1959年Sauerbrey发明了石英晶体微天平，其测量极限能达到10^-6kg。石英晶体微天平是一种质量到频率的转换器，它可以把石英晶体电极上面极小质量的改变转换为可测量的振动频率的改变。后期Kanazawa等提出了著名的Kanazawa-Gordon方程，即在液相环境中晶体的谐振频率变化满足：

$\mathrm{\Δf}=-f^{1.5}\sqrt{n{\mathrm{\η}}_1{\mathrm{\ρ}}_1/\mathrm{\π}{\mathrm{\μ}}_q{\mathrm{\ρ}}_q}---\left(1\right)$

其中f为基频，n为谐波次数，η₁和ρ₁为流体的粘度和密度，μ_q和ρ_q为石英晶体的剪切模量和密度，这给液体中QCM测量提供了理论依据。本发明就是依据QCM原理，对石英晶片进行有效制冷使其表面达到凝结，由于结露造成了石英晶片电极表面的质量改变，所以可以通过测量石英晶体的谐振频率以达到对露点的识别，同时测取频率改变时刻的石英晶片表面温度，这个温度就是所需要测量的露点温度。

本发明一种谐振式露点测量方法，该方法的具体步骤如下：

步骤一：如图1所示，首先制作振荡回路和敏感探头；将两面附有电极的AT切型石英晶片的一面与半导体制冷器的制冷面相贴，半导体制冷器的热面与散热器相贴便于半导体制冷器得到更好的制冷效果，直流稳压电源与半导体制冷器连接，从石英晶片的两个电极分别引出两根导线与500欧姆的电阻进行串联后接入信号发生器形成一个振荡回路。其次，接入两个PT100铂热电阻作为温度传感器，一个贴在石英晶片表面，用来提供石英晶片表面的温度值，另一个裸露在空气环境中，用来提供同一时刻下环境温度。

步骤二：先按照选取的石英晶体的标准谐振频率给信号发生器粗略地设定相应的扫频范围及给石英晶片提供激励信号，最后确认其实际固有频率之后再精确地给信号发生器设定扫频范围，同时半导体制冷器对石英晶片进行制冷。

步骤三：用PCI4712AS2数据采集卡的信号输入端接在振荡回路中电阻的两端，用来采集电阻两端的电压，其中当石英晶片达到串联谐振频率时，其自身的阻抗最小呈纯阻性而导致电路的阻抗最小，因而电阻两端的电压最大，通过获取电阻两端的电压值来间接获取石英晶片的振荡频率，PCI4712AS2数据采集卡与工控机连接通过相应的软件程序处理获取的谐振信号，得出频率随时间改变量的情况并进行实时显示，将两个PT100铂热电阻接入数字万用表，直接将其电阻值转换为温度值同步获取两路温度信号，与工控机连接并在工控机的软件界面实时显示温度曲线与数值，并作好记录。

步骤四：半导体制冷器对石英晶片进行持续制冷，通过步骤三中的数据采集系统即PCI4712AS2数据采集卡对获取的石英晶片的谐振频率进行监测，当石英晶片表面的温度达到足够低时，由于石英晶片表面与环境之间的温差引起石英晶片表面出现结露，此时结露的出现造成了石英晶片表面质量的增加从而使石英晶片的谐振频率发生了突变，当监测到突变发生时刻，停止数据采集，判断出频率突变点所对应的时间，然后找出对应时间的石英晶片表面温度T_d和环境温度T_a，T_d就是最后需要测量的在T_a下的露点温度。

3、优点：本发明一种谐振式露点测量方法，它利用石英晶体的频率来识别露点温度，由于石英晶体频率对质量的敏感度都达到纳克级，所以本方法具有非常高的灵敏度和准确性，并且操作方法简单，成本较低，能够弥补当前其他常规露点测量方法的不足。

附图说明

图1本发明的测试系统框图；

图2本发明的测试方法流程图；

图3(a)为石英晶片谐振频率变化图；

图3(b)为连续两点频率差值情况示意图

图3(c)为对应时刻的石英晶片表面温度示意图

图中符号说明如下：

PCI4712AS2    高速数据采集卡。

具体实施方式

实施例：

见图2，本发明一种谐振式露点测量方法，该方法的具体步骤如下：

步骤一：如图1，首先制作振荡回路和敏感探头；用导热银胶涂覆在直径为9mm，电极直径为6mm的AT切型石英晶片其中一个表面的外围无电极覆盖区域，同时将两根铜丝导线分别用导热银胶粘贴在同一面的电极的两个端脚并且将涂抹银胶后的晶片的一面粘贴在半导体制冷器的制冷面，半导体制冷器的尺寸为20mm×20mm×3mm，半导体制冷器导线两端接直流稳压电源，电流范围为0-3安培。石英晶片电极两端引出来的导线和一个500欧姆的电阻串联然后再和信号发生器相串联组成一个振荡回路，其次，接入两个PT100铂热电阻作为温度传感器，一个贴在石英晶片表面无电极区域，用来提供石英晶片表面的温度值，另一个裸露在空气环境中，用来提供同一时刻下环境温度。

步骤二：先按照选取的石英晶体的标准谐振频率给信号发生器粗略地设定相应的扫频范围及给石英晶片提供激励信号，最后确认其实际固有频率之后再精确地给信号发生器设定扫频范围，同时给半导体制冷器提供2.5安培的直流电使其开始工作制冷。

步骤三：用PCI4712AS2数据采集卡的信号输入端接在振荡回路中500欧姆电阻的两端，用来采集该电阻两端的电压，其中当石英晶片达到串联谐振频率时其自身的阻抗最小呈纯阻性因此导致电路的阻抗最小，因而电阻两端的电压最大，通过获取该电阻两端的电压值来间接获取石英晶片的振荡频率，PCI4712AS2数据采集卡与工控机连接通过相应的软件程序处理获取的谐振信号，得出频率随时间改变量的情况并进行实时显示，将两个PT100铂热电阻接入数字万用表，直接将其电阻值转换为温度值同步获取两路温度信号，与工控机连接并在工控机的软件界面实时显示温度曲线与数值并作好记录。

步骤四：将测量的敏感探头放置在具有一定湿度的环境中，半导体制冷器对石英晶片进行持续制冷，通过步骤三中的数据采集系统即PCI4712AS2数据采集卡对获取的石英晶片的谐振频率进行监测，当石英晶片表面的温度达到足够低时，由于石英晶片表面与环境之间的温差引起石英晶片表面出现结露，此时结露的出现造成了石英晶片表面质量的增加从而使石英晶片的谐振频率发生了突变，当监测到突变发生时刻，停止数据采集，判断出频率突变点所对应的时间，然后找出对应时间的石英晶片表面温度T_d和环境温度T_a，T_d就是最后需要测量的在T_a下的露点温度。图3(a)、(b)、(c)是该测量方法的验证试验结果。从试验结果可以看出本发明操作方法简单，成本较低，它能够弥补当前其他常规露点测量方法的不足。

Claims (1)

1.一种谐振式露点测量方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：

步骤一：首先制作振荡回路和敏感探头；将两面附有电极的AT切型石英晶片的一面与半导体制冷器的制冷面相贴，半导体制冷器的热面与散热器相贴，直流稳压电源与半导体制冷器连接，从石英晶片的两个电极分别引出两根导线与500欧姆的电阻进行串联后接入信号发生器形成一个振荡回路；其次，接入两个PT100铂热电阻作为温度传感器，一个贴在石英晶片表面，用来提供石英晶片表面的温度值，另一个裸露在空气环境中，用来提供同一时刻下环境温度；

步骤二：先按照选取的石英晶体的标准谐振频率给信号发生器设定相应的扫频范围及给石英晶片提供激励信号，最后确认其实际固有频率之后给信号发生器设定扫频范围，同时半导体制冷器对石英晶片进行制冷；

步骤三：用PCI4712AS2数据采集卡的信号输入端接在振荡回路中电阻的两端，用来采集电阻两端的电压，其中当石英晶片达到串联谐振频率时，其自身的阻抗最小呈纯阻性而导致电路的阻抗最小，因而电阻两端的电压最大，通过获取电阻两端的电压值来间接获取石英晶片的振荡频率，PCI4712AS2数据采集卡与工控机连接通过相应的软件程序处理获取的谐振信号，得出频率随时间改变量的情况并进行实时显示，将两个PT100铂热电阻接入数字万用表，直接将其电阻值转换为温度值同步获取两路温度信号，与工控机连接并在工控机的软件界面实时显示温度曲线与数值，并作好记录；

步骤四：半导体制冷器对石英晶片进行持续制冷，通过步骤三中的PCI4712AS2数据采集卡对获取的石英晶片的谐振频率进行监测，当石英晶片表面的温度达到足够低时，由于石英晶片表面与环境之间的温差引起石英晶片表面出现结露，此时结露的出现造成了石英晶片表面质量的增加从而使石英晶片的谐振频率发生了突变，当监测到突变发生时刻，停止数据采集，判断出频率突变点所对应的时间，然后找出对应时间的石英晶片表面温度T_d和环境温度T_a，T_d就是最后需要测量的在T_a下的露点温度。

Images