CN117110373A - 一种气体露点测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气体露点测量装置，属于燃料电池技术领域，解决了现有技术可靠性较差、可测露点范围较窄其存在响应速度过慢的问题。该装置包括具有上部中空结构的基底，以及设于基底上的湿度敏感元件、边框结构、电极、温度测量装置、导热背板、加热片、制冷片。导热背板的上方放置湿度敏感元件，下方的一侧设置加热片，另一侧设置制冷片。加热片、制冷片共同用于调节湿度敏感元件的温度，以防止测试过程中湿度敏感元件表面产生凝露；湿度敏感元件通过边框结构与基底固定连接，其上表面分别贴设有用于施加交流电激励并获得相应的电流波动响应信号的电极、温度测量装置的传感端。该装置可靠性高，对露点敏感，测量精度高，可实时测量，响应速度快。

Description

一种气体露点测量装置

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种气体露点测量装置。

背景技术

气体露点的测量对于环境监控、工艺过程控制等领域非常关键。现有气体露点测量的方法通常包括重量法、电解法、振动频率法、冷镜法、阻容法。

重量法是让样气流经某一干燥剂，其所含水分被干燥剂吸收，精确称取干燥剂吸收的水分含量，与样气体积之比即为样气的湿度。该方法的优点是精度高，最大允许误差可达0.1％；缺点是具体操作比较困难，必须得到足够的吸收水质量，一般不小于0.6g，对于低湿度气体必须加大样气流量，结果会导致测量时间和误差增大，测得的湿度不是瞬时值。

电解法是将干燥剂吸收的水分经电解池电解成氢气和氧气排出，电解电流的大小与水分含量成正比，通过检测该电流即可测得样气的湿度。该方法弥补了重量法的缺点，测量精度较好，价格便宜，缺点是电解池气路需要在使用前干燥很长时间，且对气体的腐蚀性及清洁性要求较高。

振动频率法是将重量法中的干燥剂换用一种吸湿性的石英晶体，根据该晶体吸收水分质量不同时振动频率不同的特点，让样气和标准干燥气流经该晶体，因而产生不同的振动频率差△f₁和△f₂，计算两频率之差即可得到样气的湿度。该方法具有电解法的优点，且使用前无需干燥。缺点是需要标准干燥气，使用不便。

冷镜法是让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，冷凝镜上有液滴析出，测量冷凝镜此时的温度即是样气的露点。该方法的优点是精度高，尤其在采用半导体制冷和光电检测技术后，不确定度可达0.1℃。缺点是响应速度较慢，尤其在露点-60℃以下，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。

阻容法是利用一个高纯铝棒，表面氧化成一层超薄的氧化铝薄膜，其外镀一层多空的网状金膜，金膜与铝棒之间形成电容，由于氧化铝薄膜的吸水特性，导致电容值随样气水分的多少而改变，测量该电容值即可得到样气的湿度。该方法的缺点是需要经常校准，将露点仪长期放置于含水分的气氛中，会降低露点仪的测量精度。固定式安装的露点仪一般2年需要重新校准一次。而便携式露点仪一般1年就要重新校准一次，由于和大气环境接触的机会更多，测量精度更容易受到影响。

综上，目前气体露点测量方法可靠性差，可测露点范围较窄，且响应速度较慢。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种气体露点测量装置，用以解决现有技术可靠性较差、可测露点范围较窄其存在响应速度过慢的问题。

本发明实施例提供了一种气体露点测量装置，包括基底，以及设于基底上的湿度敏感元件、边框结构、电极、温度测量装置、导热背板、加热片、制冷片；

导热背板，其上方放置湿度敏感元件，其下方的一侧设置加热片，另一侧设置制冷片；加热片、制冷片共同用于调节湿度敏感元件的温度，以防止测试过程中湿度敏感元件表面产生凝露；

湿度敏感元件通过边框结构与基底固定连接，其上表面分别贴设有用于施加交流电激励并获得相应的电流波动响应信号的电极、温度测量装置的传感端。

上述技术方案的有益效果如下：该气体露点测量装置集成了湿度敏感元件，可实时测得湿度敏感元件的温度、湿度敏感元件上电流波动响应信号(可得到湿度敏感元件的阻抗或电导率)，利用不同温度下湿度敏感元件的阻抗或电导率与待测气体露点温度的关系，进而得出待测气体的露点温度。相比现有技术，该装置可靠性高，对露点敏感，测量精度高，对气体腐蚀性要求低，且可实时测量，动态响应速度快。温度控制的目的是为了防止凝露，而不是产生凝露。通过这样的设计，可有效避免凝露带来的腐蚀污染问题和响应慢的问题。

基于上述装置的进一步改进，该气体露点测量装置还包括：

测试控制器，用于测试时，在待测气体通过湿度敏感元件后，控制电极在湿度敏感元件上施加交流电激励，再通过电极获取该交流电激励造成的湿度敏感元件上的电流波动响应，从而确定湿度敏感元件的阻抗或电导率；以及，根据温度测量装置所采集的温度、该湿度敏感元件的阻抗或电导率，结合事先标定好的不同温度下气体露点温度与阻抗或与电导率之间的一一对应关系，确定待测气体的露点温度。

进一步，边框结构进一步包括上下设置的第一边框、第二边框；其中，

湿度敏感元件的边缘通过夹持方式固定于第一边框、第二边框之间。

进一步，电极进一步包括设置于湿度敏感元件上方两侧且成对使用的第一电极、第二电极；并且，

测试控制器在测试时，分别向第一电极、第二电极施加幅度相同、频率相同的交流电压激励；

温度测量装置的传感端设置于第一电极、第二电极之间中部。

进一步，湿度敏感元件的材料包括完全质子化的磺酸树脂离子膜、磺酸锂膜中的至少一种。

进一步，湿度敏感元件采用吸排水速率超过设定值的材料。

进一步，测试控制器执行如下程序以完成待测气体的露点温度实时测试功能：

确定该气体露点测量装置置于待测气体的气氛中；

在待测气体通过湿度敏感元件后，控制第一电极、第二电极在湿度敏感元件上两电极间施加交流电压激励；

通过第一电极、第二电极获取该交流电压激励造成的湿度敏感元件上的电流波动响应；

根据上述电流波动响应，确定第一电极、第二电极之间的阻抗，进而确定湿度敏感元件的电导率；

获取温度测量装置所采集的温度；

根据所述湿度敏感元件的电导率、温度测量装置所采集的温度，结合事先标定好的不同温度下气体露点温度与电导率之间的一一对应关系，确定待测气体的露点温度。

进一步，测试控制器还执行如下程序以完成加热片、制冷片的控制功能：

识别是否存在湿度敏感元件的敏感性降低，如果是，判定需要调节加热片、制冷片，并执行下一步，否则，维持当前时刻加热片、制冷片的状态不变；

控制加热片、制冷片将湿度敏感元件的温度提高，再次测试是否存在湿度敏感元件的敏感性降低，如果否，判定已将待测气体的露点温度在气体露点温度-电导率曲线中变化不敏感的原始位置移动到变化较敏感的新区域。

进一步，测试控制器通过下面程序完成识别是否存在湿度敏感元件的敏感性降低的功能：

控制第一电极、第二电极增大交流电压激励；

识别是否存在增大交流电压激励后湿度敏感元件的电导率不再增加或增加幅度低于设定值的情况，如果是，判定湿度敏感元件的敏感性降低，否则，判定湿度敏感元件的敏感性不存在降低。

进一步，该气体露点测量装置还包括：

烘干机，用于在测试后对湿度敏感元件、边框结构、电极、温度测量装置、导热背板、加热片、制冷片表面进行烘干。

提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本发明的重要特征或必要特征，也无意限制本发明的范围。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了实施例1气体露点测量装置组成示意图；

图2示出了实施例2气体露点测量装置布设顶视图；

图3示出了实施例2气体露点测量装置布设正视图；

图4示出了实施例2事先标定好的不同温度T1、T2下气体露点温度与电导率之间的一一对应关系图。

附图标记

1-基底；2-第一边框；3-第二边框；4-湿度敏感元件；5-第一电极；6-第二电极；7-温度测量装置；8-加热片；9-制冷片；10-导热背板；11-电极。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个此外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

露点温度:指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度。露点温度一般用来表示湿度。当空气中水汽已达到饱和时，气温与露点温度相同；当水汽未达到饱和时，气温一定高于露点温度。

实施例1

本发明的一个实施例，公开了一种气体露点测量装置，如图1所示，该装置包括具有上部中空结构的基底1，以及设于基底1上中空结构内的湿度敏感元件4、边框结构、电极11、温度测量装置7、导热背板10、加热片8、制冷片9。

基底1，用于为整个气体露点测量装置提供封装支持。可选地，基底1也可不设中空结构。

导热背板10，其上方放置湿度敏感元件4，其下方的一侧设置加热片8，另一侧设置制冷片9。加热片8、制冷片共同用于调节湿度敏感元件4的温度，以防止测试过程中湿度敏感元件4表面产生凝露。导热背板10紧贴湿度敏感元件4。

湿度敏感元件4通过边框结构与基底固定连接，其上表面分别贴设有用于施加交流电激励并获得相应的电流波动响应信号的电极11、温度测量装置7的传感端。

实施时，用户通过电极11的电流波动响应信号可获得湿度敏感元件的阻抗或电导率，根据不同温度下湿度敏感元件的阻抗或电导率与待测气体露点露点的关系，可获得待测气体的露点温度。通过加热片8、制冷片9调节湿度敏感元件的温度，可提高测量精度。加热和制冷的原理可以是介质换热，也可以是半导体制热、制冷。

与现有技术相比，本实施例提供的气体露点测量装置集成了湿度敏感元件，可实时测得湿度敏感元件的温度、湿度敏感元件上电流波动响应信号(可得到湿度敏感元件的阻抗或电导率)，利用不同温度下湿度敏感元件的阻抗或电导率与待测气体露点温度的关系，进而得出待测气体的露点温度。相比现有技术，该装置可靠性高，对露点敏感，测量精度高，对气体腐蚀性要求低，且可实时测量，动态响应速度快。温度控制的目的是为了防止凝露，而不是产生凝露。通过这样的设计，可有效避免凝露带来的腐蚀污染问题和响应慢的问题。

实施例2

在实施例1的基础上进行改进，该气体露点测量装置还包括测试控制器。测试控制器的端口分别接电极11、温度测量装置7、加热片8、制冷片9。

测试控制器，用于测试时，在待测气体通过湿度敏感元件4后，控制电极11在湿度敏感元件4上施加交流电激励，再通过电极11获取该交流电激励造成的湿度敏感元件4上的电流波动响应，从而确定湿度敏感元件4的阻抗或电导率；以及，根据温度测量装置7所采集的温度、该湿度敏感元件4的阻抗或电导率，结合事先标定好的不同温度下气体露点温度与阻抗之间的一一对应关系或事先标定好的不同温度下气体露点温度与电导率之间的一一对应关系，确定待测气体的露点温度。

湿度敏感元件4的电导率可以用阻抗替代，电导率＝1/阻抗。

优选地，边框结构进一步包括上下设置的第一边框2、第二边框3，如图2～3所示。其中，湿度敏感元件4的边缘通过夹持方式固定于第一边框2、第二边框3之间。

优选地，电极11进一步包括设置于湿度敏感元件4上方两侧且成对使用的第一电极5、第二电极6。第一电极5、第二电极6覆盖在湿度敏感元件4处。并且，测试控制器在测试时，分别向第一电极5、第二电极6施加幅度相同、频率相同的交流电压激励。

优选地，温度测量装置7的传感端设置于第一电极5、第二电极6之间中部。温度测量装置7紧贴湿度敏感元件4设置。

优选地，湿度敏感元件4的材料可采用完全质子化的磺酸树脂离子膜，也可以采用磺酸锂膜(用锂离子替换磺酸树脂中的质子)。

优选地，湿度敏感元件4采用吸排水速率超过设定值的材料。可以选择吸排水速率大的湿度敏感元件4，以提高湿度敏感元件的动态跟随性能。

优选地，测试控制器执行如下程序以完成待测气体的露点温度实时测试功能：

S1.确定该气体露点测量装置置于待测气体的气氛中；

S2.在待测气体通过湿度敏感元件4后，控制第一电极5、第二电极6在湿度敏感元件4上两电极间施加交流电压激励；

S3.通过第一电极5、第二电极6获取该交流电压激励造成的湿度敏感元件4上的电流波动响应；

S4.根据上述电流波动响应，确定第一电极5、第二电极6之间的阻抗(可作为湿度敏感元件4的阻抗)，进而确定湿度敏感元件4的电导率；

S5.获取温度测量装置7所采集的温度；

S6.根据所述湿度敏感元件4的电导率、温度测量装置7所采集的温度，结合事先标定好的不同温度下气体露点温度与电导率之间的一一对应关系(如图4所示)，确定待测气体的露点温度。

优选地，测试控制器还执行如下程序以完成加热片8、制冷片9的控制功能：

S7.识别是否存在湿度敏感元件4的敏感性降低，如果是，判定需要调节加热片8、制冷片9，并执行下一步，否则，维持当前时刻加热片8、制冷片9的状态不变；

S8.控制加热片8、制冷片9将湿度敏感元件4的温度提高，再次测试是否存在湿度敏感元件4的敏感性降低，如果否，判定已将待测气体的露点温度在气体露点温度-电导率曲线中变化不敏感的原始位置移动到变化较敏感的新区域。

优选地，测试控制器通过下面程序完成识别是否存在湿度敏感元件4的敏感性降低的功能：

S9.控制第一电极5、第二电极6增大交流电压激励；

S10.识别是否存在增大交流电压激励后湿度敏感元件4的电导率不再增加或增加幅度低于设定值的情况，如果是，判定湿度敏感元件4的敏感性降低，否则，判定湿度敏感元件4的敏感性不存在降低。

可以通过加热片8和制冷片9来调节湿度敏感元件的温度，当气体露点增大到一定程度时，电导率不再增加或对露点的敏感性下降，此时通过电导率计算露点误差较,可通过加热片和制冷片将湿度敏感元件的温度提高，将露点在曲线中的位置移动到变化较为敏感的区域，从而确保测量的准确性。

优选地，该气体露点测量装置还包括烘干机.

烘干机，用于在测试后对湿度敏感元件4、边框结构、电极11、温度测量装置7、导热背板10、加热片8、制冷片9表面进行烘干。

实施时，通过在第一电极5、第二电极6之间施加交流电压激励，检测在电极之间通过的电流波动响应，可以检测第一电极5、第二电极6之间的阻抗，从而计算湿度敏感元件的电导率。湿度敏感元件4与气体之间充分交换水气。通过提前标定好的不同温度下露点温度与电导率之间的关系，根据实测温度和电导率，反推出待测气体的露点温度。

与现有技术相比，本实施例提供的气体露点测量装置具有如下有益效果：

1、解决了目前露点测量可靠性差，可测露点范围较窄，响应速度慢等问题。

2、方法简单、有效，可测的露点温度范围广，测量精度较高，用户的使用体验较高。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种气体露点测量装置，其特征在于，包括基底(1)，以及设于基底(1)上的湿度敏感元件(4)、边框结构、电极(11)、温度测量装置(7)、导热背板(10)、加热片(8)、制冷片(9)；

导热背板(10)，其上方放置湿度敏感元件(4)，其下方的一侧设置加热片(8)，另一侧设置制冷片(9)；加热片(8)、制冷片共同用于调节湿度敏感元件(4)的温度，以防止测试过程中湿度敏感元件(4)表面产生凝露；

湿度敏感元件(4)通过边框结构与基底固定连接，其上表面分别贴设有用于施加交流电激励并获得相应的电流波动响应信号的电极(11)、温度测量装置(7)的传感端。

2.根据权利要求1所述的气体露点测量装置，其特征在于，还包括：

测试控制器，用于测试时，在待测气体通过湿度敏感元件(4)后，控制电极(11)在湿度敏感元件(4)上施加交流电激励，再通过电极(11)获取该交流电激励造成的湿度敏感元件(4)上的电流波动响应，从而确定湿度敏感元件(4)的阻抗或电导率；以及，根据温度测量装置(7)所采集的温度、该湿度敏感元件(4)的阻抗或电导率，结合事先标定好的不同温度下气体露点温度与阻抗或与电导率之间的一一对应关系，确定待测气体的露点温度。

3.根据权利要求2所述的气体露点测量装置，其特征在于，边框结构进一步包括上下设置的第一边框(2)、第二边框(3)；其中，

湿度敏感元件(4)的边缘通过夹持方式固定于第一边框(2)、第二边框(3)之间。

4.根据权利要求3所述的气体露点测量装置，其特征在于，电极(11)进一步包括设置于湿度敏感元件(4)上方两侧且成对使用的第一电极(5)、第二电极(6)；并且，

测试控制器在测试时，分别向第一电极(5)、第二电极(6)施加幅度相同、频率相同的交流电压激励；

温度测量装置(7)的传感端设置于第一电极(5)、第二电极(6)之间中部。

5.根据权利要求4所述的气体露点测量装置，其特征在于，湿度敏感元件(4)的材料包括完全质子化的磺酸树脂离子膜、磺酸锂膜中的至少一种。

6.根据权利要求1-5任一项所述的气体露点测量装置，其特征在于，湿度敏感元件(4)采用吸排水速率超过设定值的材料。

7.根据权利要求5所述的气体露点测量装置，其特征在于，测试控制器执行如下程序以完成待测气体的露点温度实时测试功能：

确定该气体露点测量装置置于待测气体的气氛中；

在待测气体通过湿度敏感元件(4)后，控制第一电极(5)、第二电极(6)在湿度敏感元件(4)上两电极间施加交流电压激励；

通过第一电极(5)、第二电极(6)获取该交流电压激励造成的湿度敏感元件(4)上的电流波动响应；

根据上述电流波动响应，确定第一电极(5)、第二电极(6)之间的阻抗，进而确定湿度敏感元件(4)的电导率；

获取温度测量装置(7)所采集的温度；

根据所述湿度敏感元件(4)的电导率、温度测量装置(7)所采集的温度，结合事先标定好的不同温度下气体露点温度与电导率之间的一一对应关系，确定待测气体的露点温度。

8.根据权利要求7所述的气体露点测量装置，其特征在于，测试控制器还执行如下程序以完成加热片(8)、制冷片(9)的控制功能：

识别是否存在湿度敏感元件(4)的敏感性降低，如果是，判定需要调节加热片(8)、制冷片(9)，并执行下一步，否则，维持当前时刻加热片(8)、制冷片(9)的状态不变；

控制加热片(8)、制冷片(9)将湿度敏感元件(4)的温度提高，再次测试是否存在湿度敏感元件(4)的敏感性降低，如果否，判定已将待测气体的露点温度在气体露点温度-电导率曲线中变化不敏感的原始位置移动到变化较敏感的新区域。

9.根据权利要求8所述的气体露点测量装置，其特征在于，测试控制器通过下面程序完成识别是否存在湿度敏感元件(4)的敏感性降低的功能：

控制第一电极(5)、第二电极(6)增大交流电压激励；

识别是否存在增大交流电压激励后湿度敏感元件(4)的电导率不再增加或增加幅度低于设定值的情况，如果是，判定湿度敏感元件(4)的敏感性降低，否则，判定湿度敏感元件(4)的敏感性不存在降低。

10.根据权利要求1-5任一项所述的气体露点测量装置，其特征在于，还包括：

烘干机，用于在测试后对湿度敏感元件(4)、边框结构、电极(11)、温度测量装置(7)、导热背板(10)、加热片(8)、制冷片(9)表面进行烘干。