CN112666218A - 一种实验室教学用露点仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实验室教学用露点仪，该露点仪包括热水瓶、冷水瓶、结露面、温/湿度传感器、显示屏和主板等，将干燥的结露面旋转到冷水瓶第一侧面降温至结露，将结露的结露面旋转到热水瓶第一侧面加热，露水会消失，结露面电阻由干燥时的无限大变为有水雾时的极小，对应的电压发生突变，主板的微控制器接收到突变信号，控制温度传感器记录此时温度，即为露点温度，同时微控制器控制温/湿度传感器监测结露过程的温度变化、室温和环境湿度，并显示在显示屏上。该露点仪可直观的观察结露、露水消失和露点温度测试的原理与过程，方便教学，同时具有自查功能，也可以根据露点温度和环境湿度的关系检验露点仪的准确性。

Description

一种实验室教学用露点仪

技术领域

本发明涉及露点仪技术领域，具体为一种实验室教学用露点仪。

背景技术

露点仪是测量露点温度的仪器，应用最广泛的是冷镜式露点仪，其精确度高，稳定性好，但是现在市面上的露点仪存在诸多问题或者缺陷：

第一，传统冷镜式露点仪需要目视观察并判断露珠出现的时刻，并人工读取温度，由于目视存在延迟与误差，读取温度值的时刻不是最佳时刻，因此读取的露点温度存在着很大的误差。

第二，新型冷镜式露点仪解决了目视法的问题，可以智能判断结露时刻，其原理为光的全反射和漫反射，镜面结露之前发生的是全反射，镜面结露之后发生的漫反射，但是由于温度过低出现冰晶或者结露开始阶段镜面出现水雾等现象，导致露点仪错误判断是否结露，且其需要强光源照射镜面。

第三，传统冷镜式露点仪和新型冷镜式露点仪造价比较高，仪器体积较大，且不易观察到露点仪的测量原理，不适用与实验室教学使用。

第四，传统冷镜式露点仪和新型冷镜式露点仪没有采集结露过程温度变化数据的功能，无法观察分析结露过程的温度变化趋势。

第五，传统冷镜式露点仪和新型冷镜式露点仪没有观察露水消失现象的功能。

设计一款露点仪需要考虑以下四个方面：结露检测方法、结露面材料选取、制冷技术以及测温技术。结露检测方法要求识别精度高、响应快没有延迟，确保迅速捕捉到结露时刻；结露面要求材料具有憎水性、耐腐蚀、硬度高、抛光度高，便于结露产生；制冷技术要求降温具有二阶效应，前期迅速降温，当结露面开始出现水雾降温速度变为缓慢，使降温面的温度达到动态平衡；测温技术要求输出线性度好，精确度高，响应速度快。

现代露点仪设计原理为Regnault提出的Regnault理论，即：当一定体积的湿空气在恒定的总压力下被均匀降温，直到空气中的水汽达到饱和状态，该状态叫做露点；在冷却的过程中，气体和水汽两者的分压力保持不变。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种实验室教学用露点仪，该露点仪可以解决技术背景里的问题，可以准确判断结露时刻，测试露点温度，便于观察结露的过程与原理和露点仪测试的过程与原理，同时采用成本较低的集成芯片传感器或集成电路，降低露点仪成本，减小露点仪体积；并且该露点仪可以采集到结露过程的温度变化数据、环境温度和环境湿度；结露设置两套，可以对比所测数据，具有自查功能，也可根据露点温度和环境湿度的关系检验露点仪的准确性；另外，该露点仪可观察露水消失的现象，可更加深刻的理解结露。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种实验室教学用露点仪，其特征在于，所述露点仪包括热水瓶、冷水瓶、加热装置、防潮结构，所述热水瓶和冷水瓶为方形瓶体，有上部面、底部面和四个侧面，所述热水瓶和冷水瓶的瓶体下部均设有空仓结构，所述热水瓶底部空仓安装有加热装置，所述冷水瓶底部空仓安装有主板，所述主板设置微控制器，所述冷水瓶第二侧面安装有显示屏，所述冷水瓶空仓内部和所述冷水瓶第三侧面均设置有所述防潮结构；

作为优选，所述冷水瓶与热水瓶由连接结构固定，所述连接结构安装有旋转部件用来连接结露面，所述结露面安装有温度传感器。

作为优选，所述热水瓶在冷水瓶左侧，所述连接结构包括转动轴、固定部件和旋转部件，所述转动轴设置在热水瓶第二侧面和冷水瓶第三侧面的中间位置，所述转动轴上的圆帽一与瓶体第一侧面相切；

作为优选，所述固定部件有两个且包括固定部件一和固定部件二，所述固定部件一安装在热水瓶和冷水瓶第一侧面的顶部，所述固定部件二安装在热水瓶和冷水瓶的空仓上部；

作为优选，所述旋转部件上安装电阻型结露检测探头、温度传感器及电路结构，且所述旋转部件具有两套。

作为优选，所述转动轴包括轴本体和设置在所述轴本体上部的圆帽一，所述圆帽一直径比轴本体直径略大；

作为优选，所述固定部件一包括圆环形轴套一和两个长方形侧翼一，且通过轴套一安装在所述轴本体上；

作为优选，所述固定部件二包括圆环形轴套二、两个长方形侧翼二和圆帽二，所述圆帽二直径比轴套二直径略大，所述固定部件二通过所述轴套二安装在所述轴本体上，两个所述长方形侧翼二对称布置在轴套二的外壁上；

所述旋转部件由圆环形轴套三和长方体侧翼三组成，且通过轴套三套在轴本体上。

作为优选，所述热水瓶瓶体上部面、空仓上部面和瓶体底部面是正方形，所述瓶体上部面设置有瓶口及瓶盖。

作为优选，所述热水瓶和冷水瓶的第二侧面和第三侧面角落设置圆形线孔，所述圆形线孔内穿设有杜邦线，所述圆形线孔靠近瓶体底部面和第一侧面设置。

作为优选，所述热水瓶和冷水瓶底部设置空仓，空仓出口处设置有仓盖，所述仓盖和瓶体第一侧面设置合页，所述仓盖为长方体结构。

作为优选，所述冷水瓶空仓内部、冷水瓶的第三侧面设置有防潮结构一，所述热水瓶凹槽内部设置有防潮结构二，所述防潮结构为丙纶防水卷材布，其材料为高分子国标聚乙烯化合物。

作为优选，所述热水瓶的第二侧面和所述冷水瓶的第三侧面之间设置绝热隔离结构，所述绝热隔离结构为进口压花方格铝板隔热保温棉，材质为丁晴橡胶，其为高密度发泡材质。

作为优选，所述防潮结构一和所述绝热隔离结构均为长方体形状，所述热水瓶凹槽内部的防潮结构二为槽形结构，紧贴在瓶壁上，空仓内部的防潮结构紧贴空仓上部面。

作为优选，所述热水瓶底部空仓安装所述加热装置，所述加热装置包括加热丝和炉盘，所述加热丝放在炉盘内。

作为优选，所述露点仪的温度传感器一、二探头分别紧贴两个结露面，用于测露点温度，温度传感器三和湿度传感器用于测量环境温度和环境湿度。

作为优选，所述露点仪包括一个手柄，用来协助旋转面旋转。

作为优选，所述微控制器STM32为STM32F407ZGT6，所述温度传感器型号为DS18B20，所述湿度传感器型号为DHT11，所述露点检测模块类型为电阻型，所述结露检测模块、测温电路、测湿电路、显示屏与微控制器STM32连接，所述微控制器STM32控制结露检测模块、测温电路、测湿电路和显示屏的工作，完成数据的采集与处理，并在显示屏显示测得的数据。

作为优选，露点仪工作原理为：将结露面旋转到热水瓶第一侧面进行加热直至结露面变为干燥状态，然后将加热后的结露面旋转到冷水瓶第一侧面进行降温，在这个过程中结露面为干燥的，其电阻值为无限大，对应的电压接近3.3V（结露面所连电源为3.3V），降温到一定程度结露面开始结露，此时结露面因为有水分存在，电阻值变得极小，对应的电压突变为非常小，降到1V以下，微控制器STM32接收到这个突变信号，即确定此时采集到的温度为露点温度，并显示到屏幕上；将结露后的结露面旋转到热水瓶第一侧面进行加热，露水会消失，同样的原理，电压值会突变约为3.3V，微控制器接收到这个突变信号，即为露点消失的时刻；同时微控制器控制温度传感器和湿度传感器采集结露面结露前后的温度变化、环境温度和环境湿度，并将采集到的所有的电压、温度和湿度值显示在屏幕上，同时将采集到的结露面变化的温度值、露点温度值和环境湿度值发送到PC端，使用者可绘制温度变化曲线，并根据露点温度与空气湿度的关系分析露点仪的误差。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明提供了一种实验室教学用露点仪，该露点仪通过可视化的旋转结露面展示结露的过程，便于观察，让使用者直观明了的观察到结露的过程和露点仪工作的原理。

2.本露点仪采用微控制器STM32F407ZGT6作为控制器，采用DS18B20温度传感器，采用DHT11湿度传感器，采用电阻原理面板检测结露时刻并把电阻电路板表面作为结露面，采用热水加热、冷水降温，降低了露点仪的成本和体积。

3.本露点仪拆卸方便，便于更换零部件，保证露点仪的寿命，避免全部露点仪装置的更换，延长露点仪的寿命，降低成本。

4.本露点仪有自查的功能，露点仪旋转结露面有两个，可以测得两个不同位置的露点温度，可以对比两个结果，以防露点仪出故障使得测试结果出错，起到自查的作用。

5.本露点仪温度传感器探头紧贴结露面，使得测试点与结露面温度梯度大大降低，大大减小了系统误差。

6.本露点仪可以获取结露过程中结露面的温度变化情况，方便分析结露现象的温度变化趋势。

7.本露点仪同时测量环境温度和环境湿度，既同时获取多个数据，又可以用该数据检验露点仪的准确性。

检验原理如下：

记当前空气的温度为Ta，露点温度为Td，湿空气的相对湿度为U，

则：

露点仪测得露点温度、空气温度和空气湿度，根据上述公式可得理论空气相对湿度，与实际测得空气湿度相比，即可验证露点仪准确性。

8.该露点仪设置有防潮结构，尤其冷水瓶表面容易出现水雾，湿度过高会缩短传感器和微控制器的寿命，防潮结构可避免该现象，保护露点仪的零部件。

9.该露点仪冷水瓶与热水瓶之间设置绝热隔离结构，可隔绝两瓶体之间的热量传递，以防热水降温和冰融化过快。

10.该露点仪可以观察露水消失的现象，同时获得露水消失过程的温度数据，便于使用者更加深刻的理解结露原理。

附图说明

图1为本发明的正视结构示意图。

图2为本发明的右视结构示意图。

图3为本发明的俯视结构示意图。

图4为热水瓶结构示意图。

图5为热水瓶俯视结构示意图。

图6为冷水瓶结构示意图。

图7为冷水瓶俯视结构示意图。

图8为手柄示意图。

图9为湿度传感器示意图。

图10为温度传感器示意图。

图11为连接结构结构示意图。

图12为加热装置结构示意图。

图13为连接结构组装方式示意图。

图14为仓盖组装方式示意图。

附图标记如下：

热水瓶1，热水瓶第一侧面11，热水瓶第二侧面12，热水瓶第三侧面13，热水瓶上部面14，热水瓶底部面15，热水瓶瓶口16，线孔17，冷水瓶2，冷水瓶第一侧面21，冷水瓶第二侧面22，冷水瓶第三侧面23，冷水瓶上部面24，冷水瓶底部面25，冷水瓶瓶口26，加热装置3, ,加热丝31，炉盘32，穿线凹槽33，加热装置背部接头34，主板4，显示屏5，湿度传感器 6，探头61,外围电路62,温度传感器 7，温度传感器一71，探头711,外围电路712,温度传感器二72，探头721，温度传感器三73 ，热水瓶瓶盖81，冷水瓶瓶盖82，手柄9，空仓A，仓盖A1，合页A2，凹槽B，连接结构C，转动轴C1，圆帽一C11，轴本体C12，固定部件一C2，圆环形轴套一C21，长方形侧翼一C22，旋转部件C3，圆环形轴套三C31，长方体侧翼三C32，结露检测探头/结露面C4，固定部件二C5，圆环形轴套二C51，长方形侧翼二C52，圆帽二C53，防潮结构D1、D2、D3，绝热隔离结构E。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

参考图1，图4，图6,和图11，一种实验室教学用露点仪，其特征在于，所述露点仪包括热水瓶1、冷水瓶2、加热装置3、防潮结构D，所述热水瓶1和冷水瓶2为方形瓶体，所述热水瓶1有上部面14、底部面15和四个侧面，所述冷水瓶2有上部面24、底部面25和四个侧面，所述热水瓶1和冷水瓶2的瓶体下部均设有空仓结构A，所述热水瓶1底部空仓A安装有加热装置3，所述冷水瓶2底部空仓A安装有主板4，所述主板4设置微控制器，所述冷水瓶第二侧面22安装有显示屏5，所述冷水瓶空仓A内部和所述冷水瓶第三侧面23均设置有所述防潮结构D；

参考图1和图11，所述冷水瓶1与热水瓶2由连接结构C固定，所述连接结构C安装有旋转部件C3用来连接结露面C4，所述结露面C4安装有温度传感器7。

参考图1，图9，图10和图11，其中，温度传感7有三个，分别为71,72,和73，每一个温度传感器包括探头711和外围电路712,其中，湿度传感器6包括探头61和外围电路62，其中，防潮结构D具有三个，分别为D1，D2和D3，其中，瓶盖8有两个，分别为81和82。

参考图1，图4，图6，，图11和图13，所述热水瓶1在冷水瓶2左侧，所述连接结构C包括转动轴C1、固定部件一C2、固定部件二C5和旋转部件C3，所述转动轴C1设置在热水瓶第二侧面12和冷水瓶第三侧面23的中间位置，所述圆帽C11与热水瓶第一侧面11以及冷水瓶第一侧面21相切。

参考图1和图11，所述固定部件一C2安装在热水瓶第一侧面11和冷水瓶第一侧面21的顶部，所述固定部件二C5安装在热水瓶和冷水瓶的空仓A上部；

参考图1和图11，所述旋转部件C3上安装电阻型结露检测探头C4、温度传感器7及电路结构，且所述旋转部件C3具有两套。

参考图11和图13，作为优选，所述转动轴C1包括轴本体C12和设置在所述轴本体C12上部的圆帽一C11，所述圆帽一C11直径比轴本体C12直径略大；

参考图11和图13，所述固定部件一C2包括圆环形轴套一C21和两个长方形侧翼一C22，且通过轴套一C21安装在所述轴本体C12上；

参考图11和图13，所述固定部件二C5包括圆环形轴套二C51、两个长方形侧翼二C52和圆帽二C53，所述圆帽二C53直径比轴套二C51直径略大，所述固定部件二C5通过所述轴套二C51安装在所述轴本体C12上，两个所述长方形侧翼二C52对称布置在轴套二C51的外壁上；

参考图11和图13，所述旋转部件C3由圆环形轴套三C31和长方体侧翼三C32组成，且通过轴套三C31套在轴本体C12上。

参考图4和图6，所述热水瓶瓶体上部面14和瓶体底部面15是正方形，所述热水瓶上部面14设置圆形瓶口16及瓶盖一81，所述冷水瓶上部面24和冷水瓶底部面25是正方形，所述冷水瓶上部面24设置圆形瓶口26及瓶盖二82，可旋转松合。

参考图4和图6，所述热水瓶的第二侧面12和第三侧面13和冷水瓶的第二侧面22和第三侧面23角落设置圆形线孔17，所述圆形线孔17内穿设有杜邦线，所述圆形线孔17靠近瓶体底部面和第一侧面设置。

参考图1，图4，图6和图14，所述热水瓶1和冷水瓶2底部设置空仓A，空仓出口处设置有仓盖A1，仓盖A1上和热水瓶第一侧面11以及冷水瓶第一侧面21各设置一个合页A2,所述仓盖A1为长方体结构。

参考图1，所述冷水瓶空仓A内部、冷水瓶的第三侧面23设置有防潮结构一D1、D2，所述热水瓶凹槽内部设置有防潮结构二D3，所述防潮结构D为丙纶防水卷材布，其材料为高分子国标聚乙烯化合物；

参考图1，所述热水瓶的第二侧面12和所述冷水瓶的第三侧面23之间设置绝热隔离结构E，所述绝热隔离结构E为进口压花方格铝板隔热保温棉，材质为丁晴橡胶，其为高密度发泡材质。

参考图1，所述防潮结构一D1、D2和所述绝热隔离结构E均为长方体形状，所述热水瓶凹槽内部的防潮结构二D3为槽形结构，紧贴在瓶壁上，空仓A内部的防潮结构D1紧贴空仓上部面。

参考图1和图12，所述热水瓶1底部空仓A安装所述加热装置3，所述加热装置包括加热丝31和炉盘32，加热丝31放在炉盘32内，电源线从背部穿线凹槽33通过，连接到背部接头34。

参考图1和图11，作为优选，所述露点仪的温度传感器一探头711和温度传感器二探头721 分别紧贴两个结露面C4，用于测露点温度，温度传感器三73和湿度传感器6用于测量环境温度和环境湿度。

参加图1，作为优选，所述露点仪包括一个手柄9，用来协助旋转面旋转。

参考图1和图11作为优选，所述主板4上的微控制器STM32的型号为STM32F407ZGT6，所述温度传感器7型号为DS18B20，所述湿度传感器6型号为DHT11，所述露检测传感器及结露面C4类型为电阻型，所述结露检测模块、测温电路、测湿电路、显示屏与微控制器STM32连接，所述微控制器STM32控制结露检测模块、测温电路、测湿电路和显示屏的工作，完成数据的采集与处理，并在显示屏显示测得的数据。

作为优选，露点仪工作原理为：将结露面C4旋转到热水瓶第一侧面11进行加热直至干燥，然后将加热后的结露面C4旋转到冷水瓶第一侧面21进行降温，在结露前结露面为干燥的，其电阻值为无限大，对应的电压接近3.3V（结露面所连电源为3.3V），降温到一定程度结露面C4开始结露，此时结露面C4因为有水分存在，电阻值变得极小，对应的电压突变为非常小，降到1V以下，微控制器STM32接收到这个突变信号，即确定此时采集到的温度为露点温度，并显示到屏幕上；将结露后的结露面C4旋转到热水瓶第一侧面11进行加热，露水会消失，同样的原理，电压值会突变约为3.3V，微控制器接收到这个突变信号，即为露点消失的时刻；同时微控制器控制温度传感器7和湿度传感器6采集结露面C4结露前后的温度变化、环境温度和环境湿度，并将采集到的所有的电压、温度和湿度值显示在显示屏5上，同时将采集到的结露面变化的温度值、露点温度值和环境湿度值发送到PC端，使用者可绘制温度变化曲线，并根据露点温度与空气湿度的关系分析露点仪的误差。

操作方法：

1.热水瓶1加入热水，冷水瓶2加入冰块或冰水混合物（水和冰块皆可随时更换），给加热装置通电；

2.借助手柄9将旋转面旋转到热水瓶第一侧面11，使其与瓶面完全贴合；

3.待结露面温度升高至结露面C4变为干燥以后，借助手柄9将结露面C4旋转到冷水瓶第一侧面21；

4.等待结露面降温，直至出现露水，采集到露点温度；

5.露点仪同时采集结露检测模块的电压、结露面变化的温度、环境温度和湿度，将采集到的所有数据显示在显示屏上；

6.将采集到的结露面变化的温度数据发送到PC端，使用者进行温度变化的曲线绘制和误差的分析；

7.若观察露水消失现象，将结露后的结露面旋转到热水瓶第一侧面，使其与瓶面完全贴合进行加热，直至露水消失；

8.将露水消失过程采集到的数据发送到PC端，使用者进行温度变化的曲线绘制和误差的分析。

Claims (9)

1.一种实验室教学用露点仪，其特征在于，所述露点仪包括热水瓶、冷水瓶、加热装置、防潮结构，所述热水瓶和冷水瓶为方形瓶体，有上部面、底部面和四个侧面，所述热水瓶和冷水瓶的瓶体下部均设有空仓结构，所述热水瓶底部空仓安装有加热装置，所述冷水瓶底部空仓安装有主板，所述主板设置微控制器，所述冷水瓶第二侧面安装有显示屏，所述冷水瓶空仓内部和所述冷水瓶第三侧面均设置有所述防潮结构；

所述冷水瓶与热水瓶由连接结构固定，所述连接结构安装有旋转部件用来连接结露面，所述结露面安装有温度传感器。

2.如权利要求1所述的实验室教学用露点仪，其特征在于，所述热水瓶在冷水瓶左侧，所述连接结构包括转动轴、固定部件和旋转部件，所述转动轴设置在热水瓶第二侧面和冷水瓶第三侧面的中间位置，所述转动轴上的圆帽一与瓶体第一侧面相切；

所述固定部件有两个且包括固定部件一和固定部件二，所述固定部件一安装在热水瓶和冷水瓶第一侧面的顶部，所述固定部件二安装在热水瓶和冷水瓶的空仓上部；

所述旋转部件上安装电阻型结露检测探头、温度传感器及电路结构，且所述旋转部件具有两套。

3.如权利要求2所述的实验室教学用露点仪，其特征在于，所述转动轴包括轴本体和设置在所述轴本体上部的圆帽一，所述圆帽一直径比轴本体直径略大；

所述固定部件一包括圆环形轴套一和两个长方形侧翼一，且通过轴套一安装在所述轴本体上；

所述固定部件二包括圆环形轴套二、两个长方形侧翼二和圆帽二，所述圆帽二直径比轴套二直径略大，所述固定部件二通过所述轴套二安装在所述轴本体上，两个所述长方形侧翼二对称布置在轴套二的外壁上；

所述旋转部件由圆环形轴套三和长方体侧翼三组成，且通过轴套三套在轴本体上。

4.如权利要求3所述的实验室教学用露点仪，其特征在于，所述热水瓶瓶体上部面、空仓上部面和瓶体底部面是正方形，所述瓶体上部面设置有瓶口及瓶盖。

5.如权利要求4所述的实验室教学用露点仪，其特征在于，所述热水瓶和冷水瓶的第二侧面和第三侧面角落设置圆形线孔，所述圆形线孔内穿设有杜邦线，所述圆形线孔靠近瓶体底部面和第一侧面设置。

6.如权利要求5所述的实验室教学用露点仪，其特征在于，所述热水瓶和冷水瓶底部设置空仓，空仓出口处设置有仓盖，所述仓盖和瓶体第一侧面设置合页，所述仓盖为长方体结构。

7.如权利要求1-6任一项所述的实验室教学用露点仪，其特征在于，所述冷水瓶空仓内部、冷水瓶的第三侧面设置有防潮结构一，所述热水瓶凹槽内部设置有防潮结构二，所述防潮结构为丙纶防水卷材布，其材料为高分子国标聚乙烯化合物；

所述热水瓶的第二侧面和所述冷水瓶的第三侧面之间设置绝热隔离结构，所述绝热隔离结构为进口压花方格铝板隔热保温棉，材质为丁晴橡胶，其为高密度发泡材质。

8.如权利要求7所述的实验室教学用露点仪，其特征在于，所述防潮结构一和所述绝热隔离结构均为长方体形状，所述热水瓶凹槽内部的防潮结构二为槽形结构，紧贴在瓶壁上，空仓内部的防潮结构紧贴空仓上部面。

9.如权利要求8所述的实验室教学用露点仪，其特征在于，所述热水瓶底部空仓安装所述加热装置，所述加热装置包括加热丝和炉盘，所述加热丝放在炉盘内。

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