CN109085201A - 一种超低湿露点仪及其温度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超低湿露点仪及其温度控制方法，属于气象检测技术领域。包括主控模块、制冷模块、测温模块、光学模块，主控模块与其他各模块相连，主控模块包括stm32微控制器、功率桥堆、通信电路，制冷模块由四级半导体制冷片堆叠而成四级制冷堆，测温模块由高精度温度计构成，光学模块由激光器、光洁镜面、透镜、光电传感器组成，光学模块的光洁镜面放置于冷模块的四级制冷堆上，四级制冷堆放置于散热装置上。通过控制光强达到控温的效果，将反射光强输入动态PID控制器中，根据PID输出量改变占空比来控制四级制冷模块的制冷。具有可有效加快系统制冷速度、大大缩短露点温度测量时间、提高系统响应速度和测量精度、扩大露点仪测量范围等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种超低湿露点仪及其温度控制方法，尤其涉及一种包括主控模块、制冷模块、测温模块、光学模块的超低湿露点仪以及控制反射光强来达到控温效果的控制方法，属于气象检测技术领域。
背景技术
冷镜式露点仪是使用最广泛的一种湿度测量仪器，具有精度高、稳定性好的优点，但冷镜式露点仪制冷过程缓慢，需要有较长的工作准备时间。本发明使用一种控制反射光强来达到控温效果的控制方法，可有效加快露点温度的测量速度；通过有效的控温方法，提高了露点温度的检测精度；通过四级半导体制冷堆的应用，可以检测到超低的露点温度。因此具有精度高、稳定性好、超低露点的特点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有冷镜式露点仪制冷过程缓慢，工作准备时间长的缺点，提出一种超低湿露点仪及其温度控制方法，对PID控制进行改进，在控制光强的基础上引入温度调节参数，有效加快系统制冷速度，使露点温度的测量时间大大缩短，并扩大露点仪的测量范围，实现一些超低露点的测量。
为解决上述技术问题，本发明提供一种超低湿露点仪，包括主控模块、制冷模块、测温模块、光学模块，主控模块与其他各模块相连，完成各模块的总控；所述主控模块包括stm32微控制器、功率桥堆、通信电路，并通过常规编程实施对各模块的控制；所述制冷模块由四级半导体制冷片堆叠而成四级制冷堆，并由所述主控模块控制对光学模块(冷镜)降温到其所需的超低温度值，根据需要可施加反向电流加热以消除凝结的露滴或结霜；所述测温模块由高精度温度计构成，其微型温度敏感元件嵌入到光学模块的光洁镜面(金属光洁镜面)的内部；所述光学模块由激光器、光洁镜面、透镜、光电传感器组成，置于一个不透光的空间中，激光器发射激光到镜面，其后将反射光通过透镜聚焦后送光电传感器检测，结露后反射光增强；所述光学模块的光洁镜面放置于冷模块的四级制冷堆上，四级制冷堆放置于散热装置上。
所述光洁镜面与四级制冷堆及散热装置之间均涂有普通导热硅脂，如道康宁、HASUNCAST、信越等。
所述超低湿露点仪的温度控制方法，是通过控制光强达到控温的效果，将反射光强输入动态PID控制器中，根据PID输出量改变占空比来控制四级制冷模块的制冷；由所述光学模块的激光器发射激光，光电传感器检测一组反射光数据，并以平均光强值Sm及均方差σ的加权和St＝Sm+5σ作为设定值，控制四级制冷堆工作，当光强达到设定目标后测量出粗略露点Td，取得露点后确定下次控制的目标温度Ts，开机后首次取得粗略露点时，取Ts＝Td-1，后续取得精密露点后，目标温度调整为Ts＝Td-0.1。
所述超低湿露点仪的温度控制方法的具体步骤如下：
(1)露点仪开机后检测一组反射光数据，求出光强设定值St，然后以最大驱动电压控制四级制冷堆的制冷，并设置一个极端低温如-100℃作为目标值，加速降温以缩短响应时间，当光强达到St时，首次测量出粗略露点值Td；
(2)取得露点温度后的后续过程中，采用动态PID参数以St为目标进行控制；根据反射光与设定值间的偏差、温度值与目标温度的偏差，计算出一组动态PID参数来调整镜面温度，并满足离目标温度及设定光强越近，温度波动越小；当温度差小于1或者反射光强误差小于0.1后采用一组固定的PID参数稳定反射光强，使镜面处于结露与未结露的临界状态，不断测量温度值；
(3)对一定时段内所测温度值滑动平均后作为精密露点温度，并将目标温度调整为Ts＝Td-0.1，继续使用新的目标温度来循环测量精密露点，以提高露点的稳定性。
所述步骤(2)中动态PID控制器算法为：
du＝et*[p*(e1-e2)+i*e1+d*(e1-e2*2+e3)]；
式中，e1为光强设定值St与实时光强值reallight的差值，e1＝St-reallight，e2、e3分别为前两次的反射光强误差值，du是输出增量，et为实时温度与温度目标值差值的绝对值，et＝|temp-Ts|，p、i、d为经整定符合调节要求的比例、积分、微分参数，可设定为300、10、1.5。在PID控制算法中引入温度调节参数et＝|temp-Ts|，用于加快光强调节到设定值。
所述动态PID控制器算法中，当et小于1或误差e1小于0.1时，et取为1，以稳定光强的控制。反射光强接近设定值时，对et所起的作用进行一些限制。
本发明通过对PID控制的改进，采用控制反射光强以达到控温的控制方法，并在控制光强的基础上引入温度调节参数，有效加快系统制冷速度，使露点温度的测量时间大大缩短，缩短了露点产生的时间，提高了系统的响应速度和测量的精度、稳定性。同时，扩大了露点仪的测量范围，可实现一些超低露点的测量。
附图说明
图1是本发明系统框图。
图2是本发明硬件结构示意图；图中，1-激光器，2-光电传感器，3-透镜，4-光洁镜面，5-温度传感器，6-四级制冷堆，7-散热装置。
图3是本发明温度控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详尽描述，实施例中未注明的技术均为现有技术。
实施例1：如图1、图2所示，本超低湿露点仪包括主控模块、制冷模块、测温模块、光学模块。主控模块与其他各模块相连，完成各模块的总控。主控模块由stm32微控制器、功率桥堆、通信电路等组成，并通过常规编程实施对各模块的控制；制冷模块由四级半导体制冷片堆叠而成，并由主控模块控制冷镜降温到其所需的超低温度值，根据需要可施加反向电流加热以消除凝结的露滴或结霜；测温模块由高精度温度计构成，其微型温度敏感元件PT1000嵌入到所述金属光洁镜面的内部；光学模块由恒功率激光器、导热快反射好的金属钼镜、焦距为15mm的凸透镜、光电传感器TEPT5600组成，置于一个不透光的空间中，激光器发射激光到镜面，其后向反射光通过透镜聚焦后送光电传感器检测，结露后反射光增强。光洁镜面放置于四级制冷堆上，四级制冷堆放置于散热装置上；光洁镜面与四级制冷堆及散热装置之间均涂有普通信越7783导热硅脂。
如图3所示，本超低湿露点仪的温度控制方法是通过控制反射光强来达到控温的效果，将反射光强输入动态PID控制器中，根据PID输出量改变占空比来控制四级制冷模块的制冷；由光学模块的激光器发射激光，光电传感器检测一组反射光数据，并以平均光强值Sm及均方差σ的加权和St＝Sm+5σ作为设定值，控制四级制冷堆工作，当光强达到设定目标后测量出粗略露点Td，取得露点后确定下次控制的目标温度Ts，开机后首次取得粗略露点时，取Ts＝Td-1，后续取得精密露点后，目标温度调整为Ts＝Td-0.1。具体步骤如下：
(1)露点仪开机后激光器发射激光，光电传感器检测一组反射光数据，求出光强设定值St，即以平均光强值Sm及均方差σ的加权和St＝Sm+5σ作为设定值，然后以最大驱动电压控制四级制冷堆的制冷，并设置一个极端低温(-100℃)作为目标值，加速降温以缩短响应时间，当反射光强达到设定值St时，测量出第一次的粗略露点Td，取Ts＝Td-1；
(2)在取得粗略露点温度后的后续过程中，采用动态PID参数以St为目标进行控制；根据反射光reallight与设定值St间的偏差、温度值temp与目标温度Ts的偏差，计算出一组动态PID参数来调整镜面温度，并满足离目标温度及设定光强越近，温度波动越小；
动态PID控制器算法为：
du＝et*[p*(e1-e2)+i*e1+d*(e1-e2*2+e3)]；
式中e1为光强设定值St与实时光强值reallight的差值，e1＝St-reallight，e2、e3分别为前两次的光强误差值，du是输出增量，et为实时温度与温度目标值差值的绝对值，et＝|temp-Ts|，p、i、d为经整定符合调节要求的比例、积分、微分参数(分别设定为300、10、1.5)；当et小于1或误差e1小于0.1时，et取为1，以稳定光强的控制(在PID控制算法中引入温度调节参数et＝|temp-Ts|，用于加快光强调节到设定值。反射光强接近设定值时，对et所起的作用进行一些限制)；
当温度差小于1或者反射光强误差小于0.1后，采用一组固定的PID参数稳定反射光强，使镜面处于结露与未结露的临界状态，不断测量温度值；
(3)对5s内所测温度值滑动平均后作为精密露点温度Td，以提高露点的稳定性，并将目标温度调整为Ts＝Td-0.1，继续使用新的目标温度来循环测量精密露点。
实施例2：如图1-3所示，本超低湿露点仪的系统结构、以及其温度控制方法的步骤与实施例1相同。超低湿露点仪中，测温模块由高精度温度计构成，其微型温度敏感元件PT1000嵌入到所述金属光洁镜面的内部；光学模块由恒功率激光器、导热快反射好的金属钼镜、焦距为15mm的凸透镜、光电传感器TEPT5600组成，置于一个不透光的空间中。超低湿露点仪的温度控制方法中，步骤(1)中设置-150℃极端低温作为目标值，步骤(2)中p、i、d分别设定为290、8、1.5，步骤(3)中对8s内所测温度值滑动平均后作为精密露点温度。
实施例3：如图1-3所示，本超低湿露点仪的系统结构、以及其温度控制方法的步骤与实施例1相同。超低湿露点仪中，测温模块由高精度温度计构成，其微型温度敏感元件PT1000嵌入到所述金属光洁镜面的内部；光学模块由恒功率激光器、导热快反射好的金属钼镜、焦距为15mm的凸透镜、光电传感器TEPT5600组成，置于一个不透光的空间中。超低湿露点仪的温度控制方法中，步骤(1)中设置-120℃极端低温作为目标值，步骤(2)中p、i、d分别设定为310、12、1.5，步骤(3)中对10s内所测温度值滑动平均后作为精密露点温度。
上面结合附图对本发明的技术内容作了说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下对本发明的技术内容做出各种变化，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种超低湿露点仪，其特征在于：包括主控模块、制冷模块、测温模块、光学模块，主控模块与其他各模块相连，完成各模块的总控；所述主控模块包括stm32微控制器、功率桥堆、通信电路，并通过编程实施对各模块的控制；所述制冷模块由四级半导体制冷片堆叠而成四级制冷堆，并由所述主控模块控制对光学模块(冷镜)降温到其所需的超低温度值，根据需要可施加反向电流加热以消除凝结的露滴或结霜；所述测温模块由高精度温度计构成，其微型温度敏感元件嵌入到光学模块的光洁镜面的内部；所述光学模块由激光器、光洁镜面、透镜、光电传感器组成，置于一个不透光的空间中，激光器发射激光到镜面，其后将反射光通过透镜聚焦后送光电传感器检测，结露后反射光增强；所述光学模块的光洁镜面放置于冷模块的四级制冷堆上，四级制冷堆放置于散热装置上。
2.根据权利要求1所述的超低湿露点仪，其特征在于：所述光洁镜面与四级制冷堆及散热装置之间均涂有导热硅脂。
3.一种权利要求1所述超低湿露点仪的温度控制方法，其特征在于：通过控制光强达到控温的效果，将反射光强输入动态PID控制器中，根据PID输出量改变占空比来控制四级制冷模块的制冷；由所述光学模块的激光器发射激光，光电传感器检测一组反射光数据，并以平均光强值Sm及均方差σ的加权和St＝Sm+5σ作为设定值，控制四级制冷堆工作，当光强达到设定目标后测量出粗略露点Td，取得露点后确定下次控制的目标温度Ts，开机后首次取得粗略露点时，取Ts＝Td-1，后续取得精密露点后，目标温度调整为Ts＝Td-0.1。
4.根据权利要求3所述的超低湿露点仪的温度控制方法，其特征在于：所述控制方法包括如下具体步骤：
(1)开机后检测一组反射光数据，求出光强设定值St，然后以最大驱动电压控制四级制冷堆的制冷，并设置一个极端低温如-100℃作为目标值，加速降温以缩短响应时间，当光强达到St时，首次测量出粗略露点值Td；
(2)取得露点温度后的后续过程中，采用动态PID参数以St为目标进行控制；根据反射光与设定值间的偏差、温度值与目标温度的偏差，计算出一组动态PID参数来调整镜面温度，并满足离目标温度及设定光强越近，温度波动越小；当温度差小于1或者反射光强误差小于0.1后采用一组固定的PID参数稳定反射光强，使镜面处于结露与未结露的临界状态，不断测量温度值；
(3)对一定时段内所测温度值滑动平均后作为精密露点温度Td，并将目标温度调整为Ts＝Td-0.1，继续使用新的目标温度来循环测量精密露点，以提高露点的稳定性。
5.根据权利要求4所述的超低湿露点仪的温度控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中动态PID控制器算法为：
du＝et*[p*(e1-e2)+i*e1+d*(e1-e2*2+e3)]；
式中，e1为光强设定值St与实时光强值reallight的差值，e1＝St-reallight，e2、e3分别为前两次的反射光强误差值，du是输出增量，et为实时温度与温度目标值差值的绝对值，et＝|temp-Ts|，p、i、d为经整定符合调节要求的比例、积分、微分参数。
6.根据权利要求5所述的超低湿露点仪的温度控制方法，其特征在于：当et小于1或误差e1小于0.1时，et取为1，以稳定光强的控制。
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