CN102636519A - 一种快速准确测定低湿气体露点的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用冷镜式原理测定低湿度气体露点的方法和装置。在快速制冷过程中，镜面反/散射光能量变化超过设定值作为露点预判依据；控制器调整制冷电压，使镜面温度迅速接近此温度；当温度的调整幅度小于设定值，反/散射光能量达到设定值且变化量趋近于零时，判断此时的镜面温度即为被测气体的露点。本发明解决了现有方法和装置利用充分结露后消露过程测定低湿度气体露点所需时间长、需要借助于辅助加湿装置或不能完成测定的问题，具有不受测定环境条件和待测气体湿度大小等因素限制以及不需要辅助加湿装置、结构简单的特点。

Description

一种快速准确测定低湿气体露点的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种利用镜面原理快速测定露点的方法和装置，特别适合于在极端高温环境下低湿度气体露点的快速准确测定。

背景技术

冷镜式露点仪测量露点的原理为：一束光照射到可控制温度的抛光镜面上，由光电传感器接收管接受其反射光。当镜面干燥时，其反射光最大，即发射光被完全翻身并由光电传感器接收管接收。样气流经露点冷镜室的冷凝镜，通过等压制冷，使得样气达到饱和结露状态。当镜面上凝结水分成霜层时，发射光被散射，从而接受的反射光强度减弱。该接收信号比较放大后经A/D转换送入处理器，经计算后控制冷泵的制冷电流，从而控制镜面温度并使镜面保持在一定温度，此时镜面霜层保持一定的厚度，维持此厚度霜层时，光电传感器接收管接收的反射光能量损失至目标值，即气体中的水蒸气在镜面上冷凝成霜并达到相对平衡状态，维持霜层为一特定厚度，此时镜面的温度由温度传感器测量并记录为被测气体的露点。

冷镜式露点测定的主要优点是精度高，尤其在采用半导体制冷和光电检测技术后，不确定度甚至可达0.1℃；最大的缺点是响应速度较慢，尤其在检测低湿度气体的露点时，平衡时间甚至达几个小时，而且此方法对样气的清洁性和腐蚀性要求也较高，否则会影响光电检测效果或产生‘伪结露’造成测量误差。

针对低湿度气体露点测定速度慢的问题，美国专利(US5139344)通过辅助加湿装置，向低湿气体辅助加湿来缩短平衡时间，这样测定时间可以缩短至10-15分钟。然而对于未知气体由于加湿量和加湿点难以准确控制，容易造成系统振荡，从而延长稳定时间。中国发明专利(CN101236166B)通过控制方法的改进来缩短平衡时间。即在消露过程中，根据光能量偏差和光能量偏差变化率的不同区间设定相对应的电流调整步长，并通过在当前制冷电流上加或减等于此步长的电流值来调整制冷电流的大小，控制镜面温度以控制霜层厚度，使之逐渐逼近特定厚度，从而消除系统失调而出现的振荡。

现有的测定方法都是在使待测气体中的水分充分结霜后，来控制镜面温度，消除过多结霜使霜层厚度达到设定值，来测定露点。然而镜面霜层的形成相对于冷泵冷端温度有一定的滞后性。当霜层过厚时，会导致冷泵断电，冷端温度快速升高，通过镜面的气体十分干燥，水分子在镜面凝结的速度小于逃逸的速度，霜层将变薄；虽然即将达到特定霜层厚度电流迅速恢复，但因镜面温度不能迅速降低，导致霜层厚度变得过薄甚至消失。此时冷泵启动迅速强制冷，镜面迅速凝结成霜，导致结霜层过厚，周而复始。因此，镜面达到特定霜层厚度常需要经过较长时间的动态调整过程。对于在高温环境下，由于冷泵热端热量积累，散热困难，冷泵制冷能力之间下降，有时甚至很难使冷端再次制冷到低于露点的温度，导致露点难以或无法完成测量。

因此如何快速准确地实现各种湿度气体的露点的测定成为业界亟待解决的难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：1)传统的镜面式测定露点方法和装置所需稳定时间长，对于低湿度气体的露点难以或无法测量；2)具有辅助加湿装置的镜面式露点仪由于加湿的时间和加湿量难以准确控制，造成系统振荡延长测定时间，或者是加湿点位于露点附近时，会造成等幅振荡而无法完成测量。3)在高温环境下，测定低湿度气体的露点时由于制冷量限制而难以完成测量。

本发明提供一种采用镜面原理快速准确判断低湿度气体露点的方法，具体技术方案和步骤为：

控制器记录反射镜面的反/散射光的能量的初始值R₀，并实时监测镜面快速降温过程中反射镜面的反/散射光的能量R_x，计算它们的差值ΔR；

当ΔR超过某一设定值时，镜面上开始结露，记录此时的镜面温度T₁和反/散射光的能量R₁，作为预判的露点温度和反/散射光的能量的设定值；

控制系统迅速调整制冷电压，调整幅度由K1×(R₁-R_x)+K2×(T₁-T_x)计算，其中K1和K2为常数，当ΔT(即T₁-T_x)小于0.2度时，即可判断此时测量值接近被测气体的真实露点；

然后适当调整制冷片的制冷量，确保调整前后的反/散射光能量变化率趋近于零，此时镜面的结露速度与消露速度基本相同，反/散射光的能量也达到设定值，镜面的温度即为被测气体的露点。

本发明还提供一种基于上述露点判断方法的露点仪，它包括冷镜室、制冷电路、光电测量电路、温度测量电路，控制器和输入输出单元；其中冷镜室内有发光二极管、光敏二极管、制冷单元、抛光反射镜面及铂电阻温度传感器；光电测量电路与冷镜室内的发光二极管和光敏二极管连接，制冷电路与制冷单元连接，温度测量电路与铂电阻温度传感器连接，控制器与制冷电路、光电测量电路、温度测量电路连接。露点测量过程中，控制器调节制冷电路的制冷电压，通过制冷单元对反射镜面进行快速制冷，同时通过光电测量电路实时监测镜面的反射光能量，计算与初始值差ΔR；当ΔR超过某一设定值时，温度测量电路测定此时的镜面温度，控制器将其作为预判露点，按照公式K1×(R₁-R_x)+K2×(T₁-T_x)计算并迅速调整制冷电压，使温度的变化量ΔT小于设定值且反/散射光能量在温度调整前后的变化量趋近于零，此时温度测量电路测定的镜面温度就是待测气体的露点温度。

本发明所述的方法和装置在结露的过程中进行露点的判断，解决了以前方法测量低湿度气体时由于水分过少霜层厚度不能达到特定厚度造成测量不能完成的难题，而且避免了辅助加湿方法测定过程中的系统振荡。更为重要的本发明是在结露过程中来测定露点，而非在充分结露后消露过程中来测定。这样就可以大大缩短时间，而且没有辅助加湿装置，减少系统的复杂程度，有利于提高控制的稳定性和精确度。

附图说明

图1为本发明提供的镜面式露点仪结构示意框图

图2为本方法控制流程图

图3为本方法与传统方法、辅助加湿方法测定时波形示意图

图4为加湿不当所造成地阻尼振荡波形示意图

具体实施方式

以下结合附图与具体实例进一步说明本发明的实施方式。本领域的技术人员可由本说明所揭示的内容了解本发明的特征和优点。本发明也可以通过其它不同的具体实例加以实施和应用。

本发明提供一种快速测定低湿度气体露点的冷镜式露点仪，其结构示意如图1所示。它包括冷镜室、制冷电路、光电测量电路、温度测量电路，控制器和输入输出单元。其中冷镜室包括由发光二极管1、光敏二极管2和镜面3组成的光电监测单元、铂电阻4和制冷单元5；测量电路由光电检测电路6、测温电路7和制冷电路8组成，分别与冷镜室的光电监测单元、铂电阻4和制冷单元5连接；输入输出单元包括操作按键10、液晶显示屏11和USB接口12。测量过程中，发光二极管发射光，光敏二极管接收镜面反射或散射的光，制冷单元对镜面制冷。当被检测的气体掠过冷的镜面时，在镜面上形成霜层。控制器通过监测电路实时监测反射光的能量，当反射光的能量差超过某一设定值时，认为镜面上已经开始结露，记录此时的镜面温度，将其作为预判的露点；控制系统及时调整制冷电压，使镜面温度接近预判露点温度。当温度的波动小于0.2度时，即可确定为被测气体的露点。

图2示出本方法和装置测定露点的流程示意图。开始测量后，制冷系统对镜面快速强制制冷，控制器通过光电监测系统记录反/散射光能量的初始值R₀，并实时监测镜面的反/散射光能量R_x，计算它们的差值ΔR，当ΔR小于设定值时，继续进行强制制冷；而当ΔR超过某一设定值时，即可判断镜面上正在迅速结露，此时镜面温度与实际待测露点值相当，也可判断待测气体湿度低于该点的温度，控制系统记录此时的镜面温度T₁和反/散射光能量R₁。传统露点测量方法中，降低镜面温度，直到镜面的露层厚度达到设定值，当气体的湿度较低时，厚度增量≈水分的含量×时间，所以传统方法时间测定较长。

随后进入露点的精确测定阶段。根据预判的露点温度，调整制冷电压，调整幅度由K1×(R₁-R_x)+K2×(T₁-T_x)计算，其中K1和K2为常数。当ΔT(即T₁-T_x)小于0.2度时，即可判断此时测量值接近被测气体的真实露点。然后适当调整制冷片的制冷量(镜面温度)，确保调整前后的反/散射光能量变化ΔR趋近于零，此时镜面的结露速度与消露速度基本相同，反/散射光的能量也达到设定值R₁，镜面的温度即为被测气体的露点。

图3和图4中横坐标为时间，纵坐标为镜面温度，示出本发明所提供的方法和装置及其它方法在测定低湿度气体露点时镜面温度变化曲线的差别。传统的方法镜面温度均需要多个个振荡调整过程才能达到被测气体的实际露点。测定低湿度气体露点时，利用辅助加湿可以缩短振荡调整的周期，然而，如果加湿量和加湿时间点掌握不当，又会造成如图4所示的阻尼振荡，而不能完成测量过程。而利用本发明提供的方法和装置测定露点过程中基本上没有温度的振荡调整过程。因此可以大大缩短测定时间，对于低湿度气体也能快速得到准确地测定结果。

Claims (2)

1.一种快速准确测定低湿气体露点的装置，包括冷镜室、制冷电路、光电测量电路、温度测量电路，控制器和输入输出单元；其中冷镜室内有发光二极管、光敏二极管、制冷单元、反射镜面及铂电阻温度传感器；光电测量电路与冷镜室内的发光二极管和光敏二极管连接，制冷电路与冷镜室内的制冷单元连接，温度测量电路与铂电阻温度传感器连接；控制器控制制冷电路、光电测量电路和温度测量电路的协调工作；其特征在于所述的控制器包括以下控制步骤：

记录镜面反/散射光能量的初始值；

实时采集镜面反/散射光能量；

计算镜面反/散射光能量的变化，并判断是否超过某一设定值；

计算控制制冷电压的数字量，并转换成制冷工作电压；

计算制冷电压调整前后的温度变化量，并判断是否低于某一设定值；

控制制冷工作电压，使镜面反/散射光能量能量及其变化量接近设定值。

2.一种快速准确测定低湿气体露点的方法，运用如权利要求1所述的装置，它包括如下步骤：

控制器记录反射镜面的反/散射光的能量的初始值R₀，并实时监测镜面快速降温过程中反射镜面的反/散射光的能量R_x，计算它们的差值ΔR；

当ΔR超过某一设定值时，记录此时的镜面温度T₁和反/散射光的能量R₁，作为预判的露点温度和反射光能量设定值；

按照K1×(R₁-R_x)+K2×(T₁-T_x)计算并调整制冷电压，其中K1和K2为特征常数；

当T₁-T_x小于0.2度时，适当调整制冷电压，控制调整前后的反/散射光能量变化率趋近于零，且反射光能量达到设定值；

测定此时镜面温度即为被测气体的露点。

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