CN107255653A - 一种基于双通道的露点测量方法 - Google Patents

一种基于双通道的露点测量方法 Download PDF

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Abstract

一种基于双通道的露点测量方法，其步骤如下：1：首先制作双通道测量装置；2：进行测量系统平台的搭建；3：进行标定实验：读取标准露点仪稳定时的测得的露点温度值，测量参考通道和测量通道中QCM的频率，对两个通道中QCM的频率做差并记录，此频率差即为两个QCM的初始频率差；记录此时两个通道中QCM的频率差，并将其作为进行露点识别的标定数值；然后进行实验，记录此时测得的温度值，即为露点温度；最后控制半导体制冷片对通道中的QCM进行升温至两个通道中的QCM的频率差与初始频率差相等；通过以上步骤，实现了一种基于双通道的露点测量方法，该方法解决了露点测量过程中温度对QCM频率的影响，提高了露点测量的精度。

Description

一种基于双通道的露点测量方法
技术领域
本发明设计了一种基于双通道的露点测量方法。该方法利用双通道频率差分的方法剔除露点测量过程中环境温度对露点测量结果的影响，减小了露点测量的误差，提高了露点测量的精度，属于空气状态参数测量技术领域。
背景技术
湿度是指示大气中水分子含量多少的物理量，标志着大气的干湿程度。在环境监测、工业生产、科学研究以及人们的日常生活中，湿度测量都发挥着其至关重要的作用。湿度的表示方法主要分为相对湿度、绝对湿度以及露(霜)点温度，其中露点温度已被国际公认为最精密的湿度表示方法，世界各国实际的湿度量值传递都是通过露点温度来实现的。
露点温度是一定压强下，使湿空气混合比达到纯水面下饱和混合比时刻的温度，是湿度表示的一个重要指标。露点温度测量方法根据原理的不同可以分为冷镜式光电露点仪、电传感器式露点仪、电解法露点仪、红外露点仪、半导体传感器露点仪和谐振式露点仪。
谐振式露点仪以石英晶体微天平(即QCM)技术为主。QCM技术以Sauerbrey方程为基础，建立QCM表面刚性质量改变与其谐振频率变化之间的线性关系。根据此原理可以进行纳克级的质量检测，该方法具有精度高、灵敏度高、成本低等优点，受到了各国科学家的重视，目前已成为传感器领域的一个研究热点。传统的QCM湿度传感器主要采用感湿材料涂覆工艺，利用在QCM表面涂覆感湿材料从而实现对空气中水分的吸附。但是由于感湿材料对水分子的吸附作用使得QCM露点传感器不能及时脱湿，从而在进行连续测量时具有一定的局限性。
本发明设计的露点测量方法在进行露点测量时主要是采用了制冷系统与QCM相结合，对QCM制冷使其表面空气达到饱和状态即QCM表面达到露点，由Sauerbrey方程可得此时QCM的频率将发生变化，从而利用QCM频率的变化可以进行露点的识别，进而达到测量露点的目的。国内外对此种方法的报道很少，主要是此项技术还存在很多技术难点，其中环境因素对QCM频率测量的影响首当其冲而且其中温度影响尤为显著。为了进一步提高露点测量的精度，本发明提出了一种基于双通道的露点测量方法，利用双通道频率差分的方法剔除环境温度对露点测量结果的影响。
发明内容
1、目的：
采用制冷系统与QCM技术相结合的方法进行露点测量时，环境温度对QCM的频率具有一定的影响，从而造成了露点测量结果不准确。本发明针对露点过程中环境温度对QCM频率测量的影响设计了一种基于双通道的露点测量方法，该方法通过频率差分的方法剔除环境温度对测量结果的影响，减小了测量误差，提高了测量精度。
2、技术方案：
本发明一种基于双通道的露点测量方法，其步骤如下：
步骤1：如图1所示，首先制作双通道测量装置；双通道测量装置包括两个气腔，其中一个气腔密封作为参考通道，另一个气腔通过快插头与外界相连作为测量通道；两个通道位于半导体制冷片冷面对称的位置每个通道中有一个石英晶体微天平(即QCM)敏感结构；该QCM敏感结构由QCM、环形导热垫和铂电阻组成；四氟卡槽将QCM固定在环形导热垫上表面，铂电阻内嵌于环形导热垫内靠近QCM的位置，环形导热垫的下表面贴于半导体制冷片的冷面，半导体制冷片的热面与铜槽紧密相贴；铜槽下面为水道，冷水从水道中流过带走铜槽上方传递下来的热量实现散热的目的；
步骤2：如图2所示，进行测量系统平台的搭建；测试系统平台包括露点环境生成部分、露点测量部分、温度控制部分以及信号采集部分；露点环境生成部分主要由干气通道、湿气通道、循环通道以及缓冲单元四部分组成；其中干气通道由一个装满干燥剂的不锈钢罐和两个常闭电磁阀组成；湿气通道(安装有湿气罐)由一个装有一定量水的不锈钢罐和两个常闭电磁阀组成；循环通道由气管、快插头和常开电磁阀组成；三条通道后有一个不锈钢罐作为缓冲单元用于气体的混合用；整个系统由循环泵控制气体的循环，整个气路中气管与装置之间的连接通过快插头相连；不同的露点环境是通过控制干气罐和湿气罐两端连接的常闭电磁阀打开的时间实现的；露点测量部分由标准露点仪和双通道测量装置两部分组成；露点环境生成部分生成的气体以并行的方式分别通过标准露点仪和双通道测量装置；温度控制部分是通过控制半导体制冷片的输入功率实现温度控制的；信号采集部分包括铂电阻温度以及QCM频率的采集；铂电阻温度通过ADAM4015进行采集并通过ADAM4520传输到PC机中进行后续的处理；QCM频率通过阻抗分析仪Agilent4294A进行采集并通过GPIB数据采集卡传输到PC机中进行后续的处理；
步骤3：基于双通道的露点测量方法的基本流程如图3所示；首先进行标定实验：读取标准露点仪稳定时的测得的露点温度值，分别测量参考通道和测量通道中QCM的频率，对两个通道中QCM的频率做差并记录，此频率差即为两个QCM的初始频率差；通过温度控制模块控制半导体制冷片对通道中的QCM进行降温至铂电阻测得的温度与标准露点仪稳定时测得的露点温度值相等时，记录此时两个通道中QCM的频率差，并将其作为进行露点识别的标定数值；然后进行测量实验，通过温度模块控制半导体制冷片对通道中的QCM进行降温至两个通道中QCM的频率差与标定数值相等，记录此时铂电阻测得的温度值，即为露点温度。最后通过温度控制模块控制半导体制冷片对通道中的QCM进行升温至两个通道中的QCM的频率差与初始频率差相等。
其中，在步骤1中所述的环形导热垫的材料是导热硅胶，环形导热垫的宽度为QCM非电极区宽度的1/2，厚度为0.5mm；
其中，在步骤1中所述的铂电阻是选用现有产品(如PT100铂电阻)；
其中，在步骤1中所述的半导体制冷片是选用现有产品(如型号为TEC1-12706的半导体制冷片)；
其中，在步骤2中露点测量部分所述的标准露点仪，是选用现有产品(如型号为MICHELL4000的标准露点仪)；
其中，在步骤2中的PC机是个人计算机；
通过以上步骤，实现了一种基于双通道的露点测量方法，该方法可以解决露点测量过程中温度对QCM频率的影响，提高露点测量的精度。
3、该发明的优点
该发明一种基于双通道的露点测量方法。通过主动控温与QCM技术相结合的方法实现露点温度的测量，并通过频率差分的方法剔除测量过程中温度对QCM频率的影响，提高了测量的精度。该方法具有测量速度快，灵敏度高，精度高的特点。
附图说明
图1为双通道测量装置图。
图2为测量系统图。
图3为标定实验流程图及本发明所述方法流程图。
图3(a)为标定实验流程图。
图3(b)为本发明所述方法流程图。
图4为测量结果图。
图4(a)为露点温度T＝9.6℃左右的测量结果图。
图4(b)为露点温度T＝5.0℃左右的测量结果图。
图4(c)为露点温度T＝-1.5℃左右的测量结果图。
图中序号、符号、代号说明如下：
图2中ADAM4015是研华公司生产的六路电阻温度探测模块，ADAM4520是研华公司生产的隔离RS-232到RS-422/485的转换器，GPIB是美国Agilent 82357B USB/GPIB接口高速数据采集卡，PC是个人计算机。
图3中T标准为标准露点仪测得的露点温度，T测量为铂电阻所测得的温度；△f为两个QCM的频率差，△f初始为两个QCM的初始频率差，△f标定为两个QCM进行露点识别的标定数值。
图4中T标准为标准露点仪测得的露点温度，T测量为铂电阻所测得的温度，图中y＝x为测量结果无误差时标准露点仪测得的露点温度和传感器所测得的露点温度之间的对应关系。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明一种基于双通道的露点测量方法，见图3所示，其具体实施步骤如下：
步骤1：如图1所示，首先制作双通道测量装置。双通道测量装置包括两个气腔，其中一个气腔密封作为参考通道，另一个气腔通过快插头与外界相连作为测量通道。两个通道位于半导体制冷片冷面对称的位置每个通道中有一个QCM敏感结构。通道中的QCM振动频率为6MHz，切型为AT切。QCM的直径为14mm，电极为对称电极，电极直径为6mm，电极为镀金电极。QCM敏感结构由QCM，环形导热垫和铂电阻组成。四氟卡槽将QCM固定在环形导热垫上表面，铂电阻内嵌于环形导热垫内靠近QCM的位置，环形导热垫的下表面贴于半导体制冷片的冷面，半导体制冷片的热面与铜槽紧密相贴。环形导热垫的宽度为2mm。铜槽下面为水道；半导体制冷片位于铜槽内，冷水从水道中流过带走铜槽上方传递下来的热量实现散热的目的；
步骤2：如图2所示，进行测量系统平台的搭建。系统包括露点环境生成部分、露点测量部分、温度控制部分以及信号采集部分。露点环境生成部分主要由干气通道、湿气通道、循环通道以及缓冲单元四部分组成。其中干气通道由一个装满干燥剂的不锈钢罐和两个常闭电磁阀组成；湿气通道(安装有湿气罐)由一个装有一定量水的不锈钢罐和两个常闭电磁阀组成；循环通道由气管、快插头和常开电磁阀组成。三条通道后有一个不锈钢罐作为缓冲单元用于气体的混合。整个系统由循环泵控制气体的循环，整个气路中气管与装置之间的连接通过快插头相连。不同的露点环境是通过控制干气罐和湿气罐两端连接的常闭电磁阀打开的时间实现的。露点测量部分由标准露点仪MICHELL4000和双通道测量装置两部分组成。露点环境生成部分生成的气体以并行的方式分别通过标准露点仪MICHELL4000和双通道测量装置。温度控制部分是通过控制半导体制冷片的输入功率实现温度控制的。信号采集部分包括铂电阻温度以及QCM频率两部分的采集。铂电阻的温度通过ADAM4015进行采集并通过ADAM4520传输到PC机中进行后续的处理；QCM的频率通过阻抗分析仪Agilent4294A进行采集并通过GPIB传输到PC机中进行后续的处理。
步骤3：在进行露点测量时首先对系统中的各种仪器进行初始化，进行标定实验。读取标准露点仪MICHELL4000稳定时的数值，分别测量参考通道和测量通道中QCM的频率，对两个通道中QCM的频率做差并记录，此频率差即为两个QCM的初始频率差。然后通过温度控制模块控制半导体制冷片对通道中的QCM进行降温至铂电阻测得的温度与标准露点仪稳定时测得的露点温度值相等时，记录此时两个通道中QCM的频率差，并将其作为进行露点识别的标定数值；然后进行测量实验，通过温度模块控制半导体制冷片对通道中的QCM进行降温至两个通道中QCM的频率差与标定数值相等，记录此时铂电阻测得的温度值，即为露点温度。最后通过温度控制模块控制半导体制冷片对通道中的QCM进行升温至两个通道中的QCM的频率差与初始频率差相等。图4所示为测量结果图。由图4可以得出本发明所设计的一种基于双通道的露点测量方法具有测量误差小，测量稳定度高的特点。

Claims (3)

1.一种基于双通道的露点测量方法，其特征在于：其步骤如下：
步骤1：首先制作双通道测量装置；双通道测量装置包括两个气腔，其中一个气腔密封作为参考通道，另一个气腔通过快插头与外界相连作为测量通道；两个通道位于半导体制冷片冷面对称的位置每个通道中有一个石英晶体微天平即QCM敏感结构；该QCM敏感结构由QCM、环形导热垫和铂电阻组成；四氟卡槽将QCM固定在环形导热垫上表面，铂电阻内嵌于环形导热垫内靠近QCM的位置，环形导热垫的下表面贴于半导体制冷片的冷面，半导体制冷片的热面与铜槽紧密相贴；铜槽下面为水道，冷水从水道中流过带走铜槽上方传递下来的热量实现散热的目的；
步骤2：进行测量系统平台的搭建；测试系统平台包括露点环境生成部分、露点测量部分、温度控制部分以及信号采集部分；露点环境生成部分主要由干气通道、湿气通道、循环通道以及缓冲单元四部分组成；其中干气通道由一个装满干燥剂的不锈钢罐和两个常闭电磁阀组成；安装有湿气罐的湿气通道由一个装有预定量水的不锈钢罐和两个常闭电磁阀组成；该循环通道由气管、快插头和常开电磁阀组成；三条通道后有一个不锈钢罐作为缓冲单元用于气体的混合用；整个系统由循环泵控制气体的循环，整个气路中气管与装置之间的连接通过快插头相连；不同的露点环境是通过控制干气罐和湿气罐两端连接的常闭电磁阀打开的时间控制的；露点测量部分由标准露点仪和双通道测量装置两部分组成；露点环境生成部分生成的气体以并行的方式分别通过标准露点仪和双通道测量装置；温度控制部分是通过控制半导体制冷片的输入功率实现温度控制的；信号采集部分包括铂电阻温度以及QCM频率的采集；铂电阻温度通过ADAM4015进行采集并通过ADAM4520传输到PC机中进行后续的处理；QCM频率通过阻抗分析仪Agilent4294A进行采集并通过GPIB数据采集卡传输到PC机中进行后续的处理；
步骤3：首先进行标定实验：读取标准露点仪稳定时的测得的露点温度值，分别测量参考通道和测量通道中QCM的频率，对两个通道中QCM的频率做差并记录，此频率差即为两个QCM的初始频率差；通过温度控制模块控制半导体制冷片对通道中的QCM进行降温至铂电阻测得的温度与标准露点仪稳定时测得的露点温度值相等时，记录此时两个通道中QCM的频率差，并将其作为进行露点识别的标定数值；然后进行测量实验，通过温度模块控制半导体制冷片对通道中的QCM进行降温至两个通道中QCM的频率差与标定数值相等，记录此时铂电阻测得的温度值，即为露点温度；最后通过温度控制模块控制半导体制冷片对通道中的QCM进行升温至两个通道中的QCM的频率差与初始频率差相等；
通过以上步骤，实现了一种基于双通道的露点测量方法，该方法解决了露点测量过程中温度对QCM频率的影响，提高了露点测量的精度。
2.根据权利要求1所述的一种基于双通道的露点测量方法，其特征在于：
在步骤1中所述的环形导热垫,其材料是导热硅胶。
3.根据权利要求1所述的一种基于双通道的露点测量方法，其特征在于：
在步骤1中所述的环形导热垫，其宽度为QCM非电极区宽度的1/2，厚度为0.5mm。
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