CN1109593A

CN1109593A - 智能光电镜面冷凝式露点仪

Info

Publication number: CN1109593A
Application number: CN 94103663
Authority: CN
Inventors: 万春; 夏茂
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-03-31
Filing date: 1994-03-31
Publication date: 1995-10-04

Abstract

本发明涉及一种智能光电镜面冷凝式露点仪，它包括微机控制器CPU、键盘、显示器、以及测量组件，微机控制器的软件部分主要包括双回路的平衡系统，自动控制被测气体中的水蒸汽与镜面上的露呈相平衡状态，从而提高了露点仪的测量精确性，本露点仪是通过测量气体结露温度来测量气体的微量水含量的仪器，适用于空气、氮、氧、氢、氖、氩、六氟化硫气体的测定。

Description

本发明涉及一种测量仪器，它用于自动化精密测量气体的露点。

作为湿度检测基准的露点是指气体在大气压下开始结露时的温度，在许多情况之下，工业气体中的水蒸汽含量明显高出规定的指标，所以解决湿度精确测量和控制的呼声越来越强烈，因此，露点仪的开发与研制受到产业界的广泛注意。目前，国内有关厂家生产的露点仪其测量方法主要利用吸湿原理，绝热膨胀原理或光电原理等，所制得的产品为非平衡式露点仪，用户使用不方便，它表现在两个方面，其一是非平衡式测量使得测量精度无法确保;其二是体积大，易出故障，也未能真正实现在线测量。

《中国技术成果大全》91年13期253页刊摘了“智能式光电露点仪”，该露点仪在光电露点法烟气预处理装置的基础上，将光纤技术、半导体致冷热技术与微机应用技术相结合的产物，文摘中未涉及技术实质内容。

中国专利局出版的《实用新型专利公报》于1989年6月14日公告的“微型智能化露点式湿度仪”（公告号：CN 2039423U），其技术方案主要是利用微型梳状电极间的电阻从非结露到结露状态时出现突然减小这一物理特征，以鉴别露点状态;作为冷源的半导体致冷器由单级或多级构成以加大温差范围，从而提高温度测量范围。该技术方案利用单回路控制系统，直接用电信号或温度信号去控制半导体致冷器的工作，这种控制方案无法解决输入量与输出量之间的对应的关系，也就是说未能解决光电信号的变化滞后与变化梯度和控制温度的对应关系，其控制方法仍属于非平衡式控制法，因此测量精度是无法保证的。

为了克服上述的现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种智能光电镜面冷凝式露点仪，它采用双回路平衡系统精确控制镜面温度，从而提高露点仪的测量精确性能。

本发明所遵循的测量原理就是采用热电泵冷却镜面，让被测气体在恒压，恒流状态下通过镜面，当镜面冷却至某一温度时，被测气体中的水蒸汽开始在镜面上冷凝，通过微机自动控制使镜面上的露与气体中的水份呈相平衡状态，用铂热电阻精确测量镜面的温度，该温度就是被测气体的露点温度。

利用上述原理而发明的露点仪，包括仪器机壳，在其内部设置有微机控制器CPU，与其相连的键盘、显示器位于仪器外部，以及整机供给电源，机壳内有测量组件，其中散热器、结露镜面分别与周围有隔热层的半导体致冷器的热端和冷端相连，所述的结露镜面位于致冷测量室内，被测量的气体流经与测量室相通的进、排气管，光电发射、接收管位于镜面前方，本发明的特征是它还包括：

A：光电接收管接入光电测量放大电路的输入端，由光电测量放大电路放大后的模拟电信号经A/D转换器转换成数字信号接至微机控制器CPU;

B：采集结露镜面温度的传感器与温度测量放大电路相连，由该放大电路放大后的模拟信号经A/D转换器转换成数字号接至微机控制器CPU;

C：上述的微机控制器CPU输出的数字信号接至D/A转换器，经该转换器转换成模拟信号，该信号接至半导体致冷器，并控制其工作状态;

D：所述的微机控制器CPU还设有受读入的光电信号、温度信号控制的平衡控制测量模块，该模块可对如下动作进行平衡控制：

-采集光电信号;

-确定目标温度;

-计算温度误差;

-计算热泵工作效率，稳定或调整热泵的工作状态;

-稳定或改变镜面温度;

-影响结露呈相平衡状态。

上述的平衡控制测量模块所实现的平衡控制方案，实质上是由光电信号决定温度目标值，由温度误差控制温度，然后根据光电信号的变化逐渐修正温度目标值，最后找到汽露的相平衡点-露点。

与现有技术中无论是采用开放式的测量方案或简单的PID单回路控制方案相比，也就是同非平衡式测控方案相比，本发明充分考虑到各变量之间的关系，采有了双回路控制方案，精确控制镜面温度，从而解决了在单回路中光电信号的变化滞后与变化梯度和被控制温度均不能很好的对应的缺陷，因此提高并确保了测量的精度，另外，本发明采用光电信号决定温度目标值，由温度误差控制温度使得这种复杂的控制变得非常简单，并能实现精确的在线平衡控制测量。

本发明软件中还采用了状态矩阵法调度命令模块，硬件尽量采用较少的按键，实现测量、消露、查询、打印、通讯等多种功能，给用户提供了良好的操作界面。

附图说明：

图1是本发明的原理框图;

图2是本发明的平衡控制逻辑图;

图3是控制程序流程图;

图4是光电测量子程序流程图;

图5是平衡控制子程序流程图;

图6是光电测量放大电路原理图;

图7是铂热电阻测量放大电路原理图;

图8是微机部分的电原理图;

图9、图10是本发明的外壳示意图;

图11是测量组件示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例

由图1给出的原理框图可见，被测样气送至致冷室，红外发射、接收管采集光电信号经放大器A1后输入A/D，由热敏元件，如铂热电阻采集的温度信号经测量放大器A2接至A/D，光电信号与温度信号经A/D转换后接至微机控制器，该微机控制器上联有显示器和键盘。微机控制器还连有D/A转换器，D/A与热电泵相连控制半导体致冷器工作，由电源向整机供电。

图2是平衡控制测量模块的逻辑图，它是一个双回路方案，首先由光电信号决定温度目标值，然后根据光电信号的变化逐渐修正温度目标值，最后找到汽露的相平衡点。

图3是控制主程序流程图，它主要包括开机、初始化、输入、输出以及命令处理、任务调度、光电测量、平衡测量控制等模块组成，软件的各模块均以标志位进行通讯，由调度程序统一进行进程调度。所设的状态控制的调度命令模块可以对以下动作进行选择：

-手动方式测量、消露;或

-自动方式测量、循环选择、确认测量周期;或

-查询选择显示露点值的起始行或逐行显示露点值;或

-通讯或打印。

图4给出了光电测量子程序流程图，被测气体在镜面上尚未结露时，镜面将红外线发射光信号全反射到接收管，此时由标准仪器整定一个光电标准值，随着镜面降温，气体开始在镜面上冷凝结露，因此发射管发出的光信号由镜面慢反射（其中含有拆射的部分）到接收管，此时有一个光电值，也就是实际接收到的模拟值。将结露后的光电值与光电标准值作减法处理，并进行误差判断以及选择返回程序或设置F12标志以供执行下述的平衡控制程序。

图5是图3中的平衡控制程序的子程序流程图。该子程序符合图2中的逻辑关系，顺序完成如下控制：光电信号是否到结露值，如果尚未结露，则需迅速致冷使被测气体结露，将结露状态的温度做为平衡控制温度的目标值，将光电信号与结露值的差值及符合给恒温控制模块，根据光电误值和符号计算调整PID系数，采集镜面温度并计算输出，控制镜面温度，保持镜面温度并持续一段时间，假定持续30秒，判断镜面结露状态是否变化，如果结露状态未持续30秒就开始变化，则转向并再次执行上述的采集镜面温度、计算输出、控制镜面恒温程序，如果持续30秒时间结露状呈稳定状态则判断光电值与结露值的差值是否满足充许的设定的范围内，并对下述的三种进程进行选择：

a：光电值与结露值的差值偏小，则恒温目标值加0.5℃（该值可以大或小），转向并执行前述的将光电信号与结露值的值差及符号传给恒温控制模块程序;

b：光电值与结露值的差值偏大则恒温目标值减0.5℃，转向并执行前述的将光电信号与结露值的差值及符号传给恒温控制模块程序;

c：光电值与结露值的差值为“O”，也就是说差值满足了设定的充许的误差范围，此处“O”是指定的足够小的误差的概念，此时的恒温目标值即为平衡的露点值，至此，平衡测量周期结束。

图6给出了光电信号的放大电路，它是将红外光电接收管的输出电信号送变到A/D转换器的中间电路。如图6所示，光电管定置在+5V的工作电位上即可以工作，光电接收管为一光电三极管，它输出极一方面接在1/4LM324的同相输入端，另一方面由串联的电阻R16，R14接在1/4L324的反相输入端，1/4LM324的反相输入端与输出端之间跨接有相互串联的电阻R15与变位器VR4，该1/4LM324的输出端接在AD的IN端。

图7是温度测量放大电路，与上述的光电信号放大电路一样均属公知电路，此处简要说明。热敏元件采用铂热电阻，由铂热电阻采集的温度信号输入该放大电路，进行运算、功率放大后在ADCIN1上，运放管CF741与1/4LM324由电阻R11直接耦合。

图8是微机的电路原理图，这是一种较为标准的小型配制的单片机系统，它以单片机8031为主机，配以M2732A，A/D转换器ADC，D/A转换器DAC和8155构成的，采用这种方案充分利用8031的系统资源，定时中断，标志及RAM单元，在实际运行中效果良好。

图9和图10是露点仪的外观图，在图9中，有转子流量计（1）用于设定被测气体的流量，检露目镜（2）处观察到镜面（14）的结露状态，四个按键（3）用于测量输入操作提供测量命令，带灯电源开关（4）用于提供电源，四个指示灯（23）对应上述的测量命令执行情况的指示以及显示器（22），在图10中，有接口（5）、（5a），风扇（6）、（6a）分别是电源散热和整机散热之用，插座（7）、（7a）为电源接口，管接头（8）、（9）分别是输入、输出被测气体的进、排气口，标牌（10）贴附在机壳上。

图11中给出了致冷组件的配制结构。散热器（21）上有半导体致冷器（11），它可以是多级构成以获得较大的温差范围，其周围有绝热材料（12）、致冷器（11）的冷端与镜面座（13）和镜面（14）相连的，被测气体由进、排气管（15）、（16）进入、流出测量室（17），该室内有红外线发射、接收管（18）、（19），它们位于镜面前方且对称于镜面法线。

以下结合具体命令状态表简要说明测量操作方法。

手动测量：

非在线测量时，仪器加电后自动进入手测量状态，测量时按一次“制冷”键，仪器开始制冷测露，显示屏可以观察到温度的变化，镜面温度降至样气露点温度时，镜面上的露与气体中的水蒸气呈相平衡状态，此状态保持30秒至一分钟后，仪器发出声音报警信号，同时手动测量指示灯闪烁，提示操作员记下此时仪器记录的数值。记下数值后，按“消露”键，此时制冷室温度上升，消露结束后，声音报警，同时手动测量指示灯闪烁，一个测量周期结束。

自动测量：回车自动测量是一种在线测量方式，其为集中控制提供了良好的通讯手段，为科学分析系统的供气质量提供了可靠的依据。

用状态选择按键选择自动测量状态，此时自动测量状态指示灯。

自动测量的时间间隔可设置10、20、30、40、50、60分钟共6档，软件内定自动测量一次的时间间隔为30分钟，用户可根据需要选择不同的测量周期。

自动测量时仪器致冷到平衡状态保持30秒至1分钟后，记录露点数值，清洗镜面，等待下一周期测量开始，本仪器内存可记录80点露值，起过80点值后仪器自动涮新。

自动测量状态下仪器连续三次测不到露点时，则发出声报警讯号。

存储方式：时间间隔、露点值。

按状态键选择查询方式，再选定显示露点值的起始行可逐行显示仪器内存中记录下的露值。

仪器记录的露点值可由打印或通过RS232接口输出。

Claims

1、一种智能光电镜面冷凝式露点仪，包括仪器机壳，在其内部设置有微机控制器CPU，与其相连的键盘、显示器位于仪器外部，以及整机供给电源，机壳内有测量组件，其中散热器(21)、结露镜面(14)分别与周围有隔热层的半导体致冷器(11)的热端和冷端相连，所述的结露镜面(14)位于测量室(17)内，被测气体流经与测量室(17)相通的进、排气管(15)、(16)，光电发射、接收管(18)、(19)位于镜面(14)前方，本发明的特征是它还包括：

a：光电接收管接入光电测量放大电路的输入端，由该电路放大后的模拟量经A/D转换器转换成数字量接至微机控制器CPU；

b：采集结露镜面(14)温度的传感器(20)与温度测量放大电路相连，由该放大电路放大后的模拟量经A/D转换器转换成数字量接至微机控制器CPU；

c：上述的微机控制器CPU输出的数字信号至D/A转换器，经该转换器转换成控制半导体致冷器工作状态的模拟信号；

d：所述的微机控制器CPU还设有受读入的光电信号，温度信号控制的平衡控制测量模块，它能对如下动作进行平衡控制；

-采集光电信号；

-确定目标温度；

-计算温度误差；

-计算致冷器工作效率，稳定或调整致冷器的工作状态；

-稳定或改变镜面温度；

-影响结露呈相平衡状态。

2、根据权利要求1所述的露点仪，其特征是露点仪微机控制器CPU设置了状态控制的调度命令模块，该模块可以对以下动作进行选择：

-手动方式测量、消露;或

-自动方式测量、循环选择、确认测量周期;或

-查询选择显示露点值的起始行或逐行显示露点值;或

-通讯或打印。