CN1329719A - 露点湿度计和露检测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于露在光纤的端部或在光学棱镜的表面凝结的露点湿度计。本发明还涉及一种用于利用光学装置确定自然露凝结的露检测器,以及能够通过检测电容的改变检测露的露检测器。

Description

露点湿度计和露检测器
本发明涉及用于确定气体的露点的露点湿度计和用于确定中性的露的凝结的露检测器。更具体地说，本发明涉及包括光纤的湿度计，或基于电容的改变的湿度计。
在农业中尤其是在温室中使用的现有的湿度计不外乎以下三种。第一种是需要高度维护的干湿计。第二种是相对湿度计，其操作原理根据电容的改变，这种湿度计在高的相对湿度下经常出问题。基于电容测量的廉价的仪器是不可靠的，因为读数随时间而改变，而和空气中湿气含量的变化无关。第三种检测器是基于光学反射镜的露点湿度计，这种湿度计价格非常昂贵，不适合于在温室条件下日常使用，因为它们需要经常清洁反射镜的表面。
在过去十年中，随着热电冷却器和固态仪器的普及，光学凝结型露点湿度计成为一种最精确最可靠的湿度计，其提供宽的露点范围和极好的重复性。
在光学露点湿度计中，通常是反射镜的凝结表面由热电冷却器或珀耳帖冷却器冷却，直到露或霜在反射镜中开始凝结为止。所述凝结表面利用周围气体保持在均衡的蒸汽压力下，在表面上凝结的数量由光学技术检测。把这样一个温度定义为露点温度，在此温度下凝结的速度精确地等于蒸发的速度。当被这样控制时，一般利用被嵌入反射镜表面中的铂电阻温度计、热电偶或电热调节器测量表面的温度。
这种凝结型露点湿度计适用于水蒸气含量的最大精度处于一个相当宽的露点范围的情况，并且适用于存在会永久性地破坏其它类型的湿度计的由油、腐蚀性气体、盐或类似污染物造成污染的情况。一般地说，光学露点用于工业中需要精确地确定水蒸气在气体中的含量的情况，例如制药工业、电子工业、化学工业和气体/油精炼工业、气象学和食品工业，被用于温室中等。
光学凝结型露点湿度计的一个主要缺点是易于受凝结在冷却表面上的水之外的其它物质的污染，例如受到各种盐溶质的污染。这种污染把露点测量的精度降低到一个这样的程度，使得所述精度取决于污染物存在的数量及其在水中的溶解度。如果允许可溶的和不可溶的物质在凝结表面上积聚，这些物质最终将引起系统的失控，这是因为它们减少了反射镜的反射率。在现有技术的系统中，通过把反射镜加热到干燥状态来使光学检测电路达到手动的或自动的重新平衡，从而克服和反射率减少有关的环路偏移的问题，但是没有解决和可溶物质引起的蒸汽压力的改变有关的测量误差问题。可溶物质例如盐类通过沉淀而在反射镜表面上形成一个薄层。这些盐类在露点以上的温度下趋于吸收水蒸气，并且在反射镜再次变冷时又被溶解在露层中。因此被污染的反射镜的温度即使在补偿减少的反射率之后也不能达到真正的露点。最后形成的露层含有盐类，其使得饱和蒸汽压力减少。
设计了若干个专利为了解决这个问题。US 3623356涉及一种露点湿度计，其中通过手动或自动解除控制反射镜的温度的反馈控制系统，迫使反射镜表面被加热到干燥状态，与此同时，对在光检测器桥式电路中的控制环放大器注入一个附加的电流。桥式电路补偿由于污物的积聚而引起的反射镜的反射特性的改变。
US 4216669周期地切断凝结温度的控制，其中通过周期地把凝结表面(即反射镜)冷却到普通的露点温度以下一段足以使凝结物大量生成并聚结的时间，从而溶解所有可溶的材料，并产生一种可以使溶质的分子迁移的介质。在冷却之后立即把凝结表面加热到一个高于普通露点的温度，从而使溶剂(凝结物)全部蒸发，使溶质再次结晶或沉淀而成为相当大的团状或孤立的群体。这使得凝结表面的大部分面积成为清洁的，或者具有固态沉淀，使得延长反射镜保持清洁的时间间隔10到100倍。
Pieter R.Wiederbold在“The Cyling Chilled Mirror Dew PointHygrometer”，Sensors，July 1996，pp.25-27中讨论了一种循环冷冻反射镜(CCM)湿度计，其中反射镜的温度以被精确控制的速率降低，直到检测点露的形成。在露的试样可以在反射镜上形成连续的层之前，反射镜被加热，因而在反射镜表面上的露被蒸发。因而反射镜几乎总是(95％的时间)处于干燥状态，只有5％的时间在达到露点时含有露层。测量周期一般是每20秒一次。因为反射镜表面只在一个非常短的时间内存在露，所以能够使在反射镜上积聚的污物最少。在反射镜周围有一个40微米的圆柱形过滤器。和常规的湿度计系统中使用的内嵌的过滤器相比，这种过滤器不需要100％的总的试样气体通过其中的元件。而是试样气体围绕元件的外部循环，并借助于通过过滤器元件的对流进行测量。因为大部分微粒在过滤器周围自由循环，并从测量室出去，所以过滤器被污染得较慢。这种结构具有慢的响应时间和相当低的精度。
对于高温应用，提出过一种使用光纤束的模型，所述光纤束用于使温度敏感的电光元件和高温环境隔离。
现有技术还提出过一种光学露点湿度计，其中光纤的端面被用作凝结表面。使用光纤代替反射镜具有能够阻止各种化学作用的优点，并大大减少这种湿度计的生产成本。不过，在光纤表面上的积聚的固体沉淀引起的污染问题和反射镜作为凝结表面的露点湿度计非常类似，并且主要障碍是精度和在长时间使用后的可靠性问题。
检测湿度的另一种装置是露点检测器(和露点湿度计相反)。这种检测器实际上模拟湿气在自然表面例如在叶子上的凝结，不对检测器的温度进行控制，因而实际上非常可靠，因为其直接模拟凝结的自然过程。多种测量表明在夜间在叶子的温度和露点检测器的温度之间具有良好的相关性。因而，这种检测器适用于检测水在各种表面例如在温室的叶子上的凝结，其例如在夜间当空气的温度太高时报警，高的湿度是导致许多植物疾病的原因。所述报警可以操作各种干燥机构，从而降低温室的湿度。
实际上，露点检测器比露点湿度计更适用于在夜间检测温室的湿度。因为它的确反映了在表面上的真实的自然的凝结情况，和由露点湿度计检测的湿气含量相比，这更好地表示叶子的状态。
常规的露检测器例如温室中使用的露检测器使用一对被分开一定距离的电线，当露桥接两根导线时使导线之间的电阻从大约19兆欧下降到3兆欧。但是这种装置具有电噪声，因而具有可变的灵敏度，并且取决于在检测器上的盐类的沉淀。这种装置的另一个问题是其一般需要高电压，并且暴露的导体和导线易于受到气候的腐蚀。在使用的1到20V的高电压下所述腐蚀尤其快速。
US 4948263披露了一种用于露点测量装置的露点检测器，用于测量在气体中水蒸气的露点，其中包括被暴露于要测量的气体中的检测器表面，并且在冷却时，在所述表面上，处于露点温度的水蒸气将凝结。在检测器表面上安装有两个电极结构，其中包括电极部分，它们以均匀的间隔彼此平行地排列，并涂敷有对湿气不敏感的绝缘层。达到露点温度通过测量两个电极结构之间的阻抗或电容确定。两个电极结构的相互平行地设置的电极部分之间的距离是在达到露点温度时最大的凝结水滴的直径的数量级，或者小于所述直径，并且绝缘层的厚度小于电极部分之间的距离。
US 4626774涉及一种露点测量仪器，其具有电容露点检测器，其被冷却装置冷却到由温度检测器测量的露点温度。相位测量电路测量电容露点检测器的阻抗的相位角。所测量的相位角用于测量露点检测器的污染。
US 5402075涉及一种电容湿度检测器，其包括绝缘装置；具有多个利用所述绝缘装置固定的分开的电容检测器导体的电容装置，用于暴露于大气中；以及利用所述绝缘装置固定的远离所述分开的电容检测器导体的第一和第二电极；用于通过第一和第二电极施加周期性输入电流的装置；以及用于检测表示湿气桥接至少两个电容检测器导体的第一和第二电极之间的电容的改变的装置。
通过名称为“光纤露点湿度计”的第一实施例，本发明涉及一种包括光纤的用于确定气体的露点的露点湿度计，其中通过定期地使作为凝结表面的光纤的端部恢复到其原始的无污染状态，大大减少了在凝结表面上沉积的固体污染物。
本发明提供一种用于确定气体的露点的露点湿度计，包括：
光发射器和通过由至少一个光纤限定的光路光学连接的光检测器，所述光路包括至少一个检测间隙，所述间隙在两个光纤的端部之间、光纤的端部和光发射器之间、或者在光纤的端部和光检测器之间被形成；形成检测间隙的光纤的至少一端是和所述气体接触的露形成端，在其上可以形成露，从而改变通过间隙向光检测器传输的光；
温度控制装置，用于控制露形成端和与所述露形成端相邻的空气的温度；
恢复装置，用于基本上恢复通过露形成端的原始的光透射率，否则，所述光透射率将会由于在操作期间沉积的固体污物而降低；以及
控制机构，用于控制所述温度控制装置的操作，并在所述湿度计操作一段时间之后自动地启动所述恢复装置。
要被确定其蒸汽接触(vapor contact)或露点的气体可以是任何类型的气体，一般是空气，或N2O，CO2，O2以及被监视干燥度的惰性气体。
按照本发明的名称为“光纤露点检测器的实施例”，本发明涉及一种用于确定自然露凝结即在表面上例如温室中的叶子上的露凝结的检测器。这种检测器的温度随环境温度、湿度和由辐射而引起的冷却而自由地变化，并且是不被控制的，因而真正反映了露的自然状态。
按照这个实施例，本发明涉及一种用于确定在表面上的自然露凝结的露检测器，包括：
光发射器和通过由至少一个光纤限定的光路光学连接的光检测器，所述光路包括至少一个检测间隙，所述间隙在两个光纤的端部之间或者在光纤的端部和光检测器之间被形成；形成检测间隙的光纤的至少一端是和所述气体接触的露形成端，在其上可以形成露，从而改变通过间隙从光发射器向光检测器传输的光；
光纤被嵌入平板中，所述平板具有基本上和所述表面的温度相同的温度；以及
控制机构，用于监视所述光路的状态，消除太阳辐射的发射和污染的影响，并控制所述光发射器和所述光检测器的操作。
平板的温度尽可能接近地模拟在夜间的叶子的温度。例如，当在温室中使用时，其被由平板指向冷却器区域的红外辐射冷却，例如，在夜间，从平板指向冷的天空。这种平板的一个例子是PVC板。
按照所述的第二实施例，最好所述露形成端是粗糙的，以便加速露在其上的凝结。此外，所述粗糙端还能够增加检测器的灵敏度，因为液体的积聚对所述粗糙端起“平滑”作用，因而增加干湿之间的差别。
检测器的露灵敏度可以通过改变露形成端的粗糙度被改变，例如通过利用具有不同粗糙度的另一端代替所述的一端。
此外，按照第二实施例，最好是检测器还包括用于保护光路免受污染的装置，例如各种滤网、过滤器、保护管道，它们包围着光路，因而避免污物透过光路。
检测器的露灵敏度可以通过改变下列参数的一个或几个被改变：
光纤的直径；
间隙的尺寸；
改变光发射器的后间隔(post-period)对后期间(post duration)比，使得通过间隙发射的光加热露形成端并蒸发凝结在露形成端上的露；
检测器的露灵敏度和污染保护值可以通过改变用于保护防止污染的装置来改变，例如当保护装置是在其一端具有过滤器的管子时，可以通过改变保护管子的长度来改变；
检测器的露灵敏度可以通过利用热电冷却器对平板进行冷却来改变；
检测器的露灵敏度也可以通过改变红外发射和嵌入光纤的平板的热传导范围来改变，例如通过改变平板的材料、颜色或粗糙度来改变。
第二实施例的控制机构从光检测器的总的信号(其接收的从光发射器发出的光加上太阳辐射信号)中减去太阳辐射，按照光发射器和太阳辐射比，在白天中断开始结露的监视，当检测器处于干燥状态时，测量光的透射率，并按照“干燥端光透射率”校准检测器的门限灵敏度。
检测器检测的露通常是由水凝结而成。借助于合适的选择，露检测器也可以包括恢复装置，如下所述。
按照光学实施例的光发射器可以是能够发射可见光或红外光任何装置，例如HFBR-2524 Hewlett Packard发射器(Hewlett PackardComponents，USA)。
按照光学实施例的光检测器是一种能够接收光并把所述接收的光转换成容易检测的信号例如电流的装置，所述信号可以用数字表示。光检测器的例子是HFBR-1524(Hewlett Packard Components，USA)接收器。
光发射器和光检测器通过由至少一个光纤限定的光路相连。所述光路包括至少一个和气体(在湿度计的情况下)或空气(在露检测器的情况下)接触的检测间隙。当湿度计和露检测器由一个光纤构成时，所述检测间隙可以在光纤和光发射器之间(当光纤和光检测器相连时)；在光纤和光检测器之间(当光纤和光发射器相连时)；或者湿度计和露检测器可以包括至少两个间隙，一个在光纤和光发射器之间，另一个在光纤和光检测器之间(当光纤和光发射器以及光检测器分开时)。
间隙也可以在两个或多个光纤之间被形成，例如，当湿度计或露点检测器包括两个光纤时，可以在和光发射器相连的第一光纤和与光检测器相连的第二光纤之间形成一个间隙。此外，当湿度计或露检测器包括两个光纤时，可以形成两个间隙：一个在第一光纤(和光发射器相连)和第二未被连接的光纤之间，另一个在未被连接的光纤和光检测器之间。
本发明的湿度计或露检测器也可以包括3个光纤：一个和光发射器相连(第一外部光纤)，一个和光检测器相连(第二外部光纤)，一个位于两者之间，并和两个光纤分开(中间光纤)，使得形成至少两个检测间隙，所述两个间隙在中间光纤的端部和外部光纤的每个未被连接的端部之间。
每个检测间隙由光纤的形成露的至少一端构成。这一端被称为“露形成端”。在所述端部形成的露改变由光发射器通过间隙传输到光检测器上的光。当露形成端的表面光滑即经过抛光时，其上形成的露减少通过间隙传输的光。当露形成端的表面粗糙(被磨过)时，在其上形成的露增加光的透射率。
和第一实施例的露点湿度计相结合，温度控制装置包括加热/冷却装置，例如电热冷却器，例如SP 1652 Harlow Industries Inc.(USA)电热冷却器可以控制露形成端的温度。
露点湿度计的控制机构一般能够通过伺服机构控制温度控制装置。此外，所述控制机构可以自动地启动恢复装置，或者定期地启动，例如利用定时器，或者在露形成端积聚一定量的凝结物之后启动，所述凝结物的积聚通过在湿度计处于干燥状态时光透射率的减少确定。两种类型的启动(在特定的时间间隔之后或在积聚一定量的凝结物之后)被称为“一个操作阶段”。
在气体中露的检测可以通过保持在蒸汽压力下露形成端的温度和周围的气体均衡来确定，即露形成端被保持在这样一个温度下，在此温度下凝结的速率精确地等于蒸发的速度，并且把这个温度定义为露点温度，并和气体的露的含量精确地相关。
恢复装置旨在用于恢复露形成端到其原始的形式，即其上没有各种固体沉淀的污染，从而恢复通过露形成端的原始的光透射率。
按照本发明的第一选择的一种最合适的露点湿度计的实施例，所述恢复装置包括能够在露形成端吹出气体的吹风器。按照本实施例，所述温度控制装置定期地冷却光纤的露形成端到远低于露形成温度的温度，使得形成大量的凝结物，借以溶解沉淀在光纤端部的可溶物质，或者使不可溶的物质松动。在所述冷却之后，吹风器吹出强气流，足以把凝结物和所含的固体沉淀或者被溶解在其中的固体沉淀吹掉，因而清洁光纤的露形成端。露形成端的冷却和吹气被控制机构控制和定时。
按照本发明的第二个选择，恢复装置包括覆盖光纤端部的可移动的透明膜，从而所述可移动的膜实际上构成凝结表面。代替直接在光纤端部形成，露在一部分膜上形成。膜被定期地移动，使得膜的另一个清洁的部分和光纤端部接触，从而使所述端部除去沉淀的污染。所述的膜例如可以是透明带，例如由PolyesterTM(LeeFilters，UK)制成的可通过光纤端部的直线移动的膜。
按照本发明的第三选择，所述恢复装置能够定期地切断在露形成端的一小段光纤，因而暴露出新的未污染的露形成端。所述恢复装置例如可以呈切刀的形式，其能够切除一小片含有污染物的光纤，因而露出新的清洁的光纤端部。
按照本发明的第四选择，形成检测间隙的至少一个光纤是多个光纤例如被设置在一组内的光纤中的一个。定期地，先前用过的光纤被光纤组中的新的光纤置换，所述新的光纤是清洁的，其端部没有污染。
按照本发明的被称为“凝结膜实施例”的第三实施例，一种凝结膜，例如由透明的合成膜构成，被置于电热冷却器上，以便增加露点湿度计或露检测器的灵敏度。当所述凝结膜被冷却时，例如水蒸气便在膜上凝结。两个光纤相对于所述的膜成一定角度被设置，其中一个和光发射器相连，另一个和用于测量从膜反射的光的光检测器相连。液体在膜的外侧(即不接触电热冷却器的一侧)上的凝结引起从膜的两侧反射的光的改变。膜和空气的温度被测量，并且对所得结果进行校准，从而产生空气中湿气的含量。定期地使所述的膜移动，使得每隔一段时间(例如每隔一两天)便利用膜的新的清洁的部分进行凝结并在其上进行反射测量。在露点湿度计的优选实施例中，为了在稳定的温度条件下操作，例如在冷冻器中，温度控制装置是一种热电冷却器，其能够通过在膜上凝结露的过程中测量热电冷却器的电流测量空气的相对湿度。
按照本发明的被称为“凝结棱镜实施例”的第四实施例，一个光学棱镜被置于热电冷却器上，以便增加露点湿度计的灵敏度。光发射器和光检测器通过由棱镜的至少一个表面限定的光路实现光学连接。湿气在所述棱镜的表面上凝结，因而改变由光检测器检测的光的数量。热电冷却器的温度可利用控制机构控制，当确定开始凝结时的温度时，这可以使露点失真。
按照本发明的被称为“电容露点检测器实施例”的第五实施例，本发明涉及一种电容露点检测器，其中借助于利用水层作为电容器的一个电极使得在检测器的外表面上沉淀的固体污染物(盐类、灰尘等)以及电极的腐蚀被大大减少。
所述的检测器包括两个电极结构，它们彼此被绝缘器分开，还包括使每个电极和测量电路相连的导线。第一电极结构是被安装在绝缘器的一个表面上的导电板。第一电极借助于涂层和周围环境隔离，所述涂层不允许水和电解液透过。这种涂层的一个例子是漆。第二电极结构实际上本来不在检测器中被形成，只是在暴露的绝缘器的外表面(即不和第一电极接触的表面)上凝结有水层(包括一些自然存在于大气中的电解质)或沉淀物时才被形成。测量电路经过导线和第一、第二电极结构相连，用于对所述电极结构提供电流，以便检测电极之间的电容的改变。
按照本发明的第五实施例，最好是被暴露的在其上形成第二电极(水层)的绝缘器的外表面是粗糙的，以便加速在其上的露的凝结并增加检测器的灵敏度。此外，所述粗糙表面还能够消除盐类的污染对检测器灵敏度的影响，因为只有基本上连续的水层(水滴不构成连续的水层)才能形成第二电极结构。
检测器的露灵敏度可以通过改变绝缘器外表面的粗糙度被改变，在其上水凝露。例如，具有变化粗糙度的几个可分开的绝缘器可以被使用。
检测器的露灵敏度可以通过改变来自绝缘器外表面的红外辐射被改变，例如通过改变表面的材料、颜色和粗糙度。
通过使用被设置在绝缘器的外表面上的网状物(由导电材料或者由绝缘材料制成)可以消除盐类污染的影响，所述网状物保护绝缘器。当存在形成第一电极的水层时，测量电路测量使其和第二、第一电极相连的两个或多个导线之间的电阻。所述电阻用于测量检测器的盐类污染。
可以使用印刷电路板实施所述检测器，例如厚度为0.5mm，面积为59mm×54mm的印刷电路板。
下面参照非限制性的附图和例子详细说明本发明。
图1表示按照本发明的第一个选择的光纤露点湿度计，其中包括作为恢复装置的吹风器；
图2表示按照本发明的第二个选择的光纤露点湿度计，其中包括作为恢复装置的可替换的透明膜；
图3表示按照本发明的第三个选择的光纤露点湿度计，其中包括作为恢复装置的刀具；
图4表示按照本发明的第四个选择的光纤露点湿度计，其中一个中间的光纤属于一组光纤，并且可以被定期地利用光纤组中的另一个光纤更换；
图5表示按照本发明第二实施例的光纤露检测器；
图6表示按照本发明第三实施例的膜露点湿度计或露检测器；
图7表示按照本发明第四实施例的棱镜露点湿度计；
图8表示按照本发明第五实施例的电容露点检测器；以及
图9表示图8的电路的示意图。
首先参看图1，其中表示按照本发明的第一选择的露点湿度计1。所述湿度计包括光发射器2，例如HFBR-1524发射器(HewlettPackard Components，USA)，光检测器3，例如HFBR-2524接收器(Hewlett Packard Components，USA)。光发射器2和光检测器3通过由两个光纤限定的光路耦联：和光发射器耦联的第一光纤4以及和光检测器耦联的第二光纤5。光纤4和5相互分开，从而在其间形成检测间隙6。光纤是Hewlett Packard塑料光缆HFBR-PUS001，直径是1.0mm(Hewlett Packard Components，USA)。第一光纤7的未连接的一端和第二光纤8的未连接的一端作为露形成端。这些端部和要被确定露点的气体接触。在端部7和8上形成的露改变从光发射器2向光检测器3的光的透射。
露形成端被安装在温度控制装置9上，例如SP 1652 HarlowIndustries Inc.(USA)热电冷却器，该装置可以控制露形成端7和8的温度成为所需的温度。湿度计还包括温度计10，其确定露形成端7和8的温度。吹风器11位于露形成端7、8附近，可以吹出足够强的气流，以便除去露形成端7、8的液滴。
所述系统包括控制机构12，其一直接收来自光检测器3的输入，并控制光发射器2、温度控制装置9和吹风器11的操作。
温度控制器9处于控制机构12的伺服控制下。控制机构12一直控制温度控制装置9的温度，使得从光检测器3接收到的输入基本上是恒定的，或者在一个恒值附近摆动。随着气体的露接触的增加，控制装置9的的温度也增加，以便消除可以由光检测器3察觉的光的改变。在测量过程中显示的温度的改变用于露点温度计算。
定期地，例如每隔一个小时，控制机构12使温度控制装置9冷却露形成端7、8，使得在露形成端出现大量的水滴形式的聚结，从而溶解其上存在的固体沉淀。吹风器11然后被启动，吹出足够强的气流，吹掉含有被溶解的沉淀的水滴，从而使露形成端7、8基本上恢复到其原始的无污染的状态。
湿度计1被封装在具有开口的壳体13内，使得只有露形成端7、8被暴露在气体中，而湿度计的其余部分被保护免受污染。
图2表示按照本发明的第二种选择的光纤露点湿度计的21。所示的湿度计包括光发射器22，光检测器23，和光发射器相连的第一光纤24以及和其分开的第二光纤25。所述湿度计包括两个检测间隙，第一检测间隙26位于光纤24和25之间，第二检测间隙位于光纤25和光检测器23之间。光纤25的两端即端部28(形成检测间隙26)和端部29(形成检测间隙27)作为露形成端，它们被设置在温度控制装置30上，并且其温度借助于温度计31监视。
例如由PolyesterTM(Lee Filters，UK)制成的直线的可更换的透明带32被设置在露形成端28和29的上方。所述的带借助于滑轮组33更换。
控制机构34和光发射器22、光检测器23、温度控制装置30、温度计31以及滑轮组33相连。
基本上形成在透明带32上的露出现在露形成端28、29上。定期地，控制机构启动滑轮组33，使得带32被更换，因而使无污染的新的一部分带位于露形成端上方。除去带的露形成端位于保护壳体35上之外，湿度计的所有部分都位于保护壳体35内，以便保护这些部分不受污染。
图3表示按照本发明的第三种选择的光纤露点湿度计的41。所示的湿度计包括光发射器42，光检测器43和与光发射器相连的一根光纤44。在光纤44的未连接端和光检测器之间形成检测间隙45，所述未连接端47作为露形成端并被设置在温度控制装置48上和温度计49接触。所述湿度计还包括可移动的刀具50，其能够定期地从露形成端47切下一个非常薄例如几微米的薄片，因而消除其上具有固体沉淀的薄片，并暴露出一个清洁的无污染的自由端。在每次切除之后，刀具50精确地缩回一个其切除的距离，使得其处于能切除另一个相同尺寸的薄片的位置。
控制机构51和光发射器42、光检测器43、温度控制机构48以及刀具50相连，并定期地启动刀具，使得定期地暴露新的无污染的露形成端，保护壳体52保护湿度计的部件不受污染。
当进行露点的计算时，在计算光透射系数时，把间隙逐渐增加这个事实考虑进去。
图4表示按照本发明的第四种选择的光纤露点湿度计的61。所述湿度计包括光发射器62和光检测器63以及三根光纤。第一个外部的光纤64和光发射器相连，第二个外部的光纤65和光检测器相连，中间的光纤66位于两个外部的光纤之间。形成有两个检测间隙，第一个检测间隙67在外部光纤64和中间光纤66之间，第二检测间隙68在中间光纤66和外部光纤65之间。中间光纤的端部69和70作为露形成端，被设置在温度控制装置71上，并和温度计72接触。
中间光纤66是一组相同的光纤73中的一个，所述的光纤组例如位于传输带74上，其中的相同的光纤由滑轮组75的运动带动前进。控制机构75和温度控制装置71、光发射器62、光检测器63以及滑轮组75相连。控制机构76定期地启动滑轮组75，使得带动传输带74，从而使其上具有固体沉淀的被使用的光纤被无污染的光纤73代替。保护壳体77确保光纤73在使用之前是无污染的。
现在参看图5，该图表示按照本发明的第二实施例的光纤露检测器，用于检测例如在温室中的自然凝结。所述的露检测器80包括具有粗糙端88的两根光纤81。所述光纤之间具有间隙89。光纤被嵌入PVC白色板82中，其温度和周围环境的自然温度相同。一根光纤81和光发射器83相连，例如HFBR-1524发射器(Hewlett PackardComponents，USA)，另一根光纤81和光检测器84相连。在夜间，当温度下降时，由于板82向天空方向的红外发射，被嵌入板中的光纤81也被冷却，因而水在光纤的粗糙的边缘88上凝结，充满粗糙的边缘，使得光学系统中的光发射器增加。
电子控制系统85控制光发射器83和光检测器84的参数，并且选择地，当湿气的含量高时，可以产生报警，从而启动温室中的干燥装置。
光通过保护管86进入间隙89，在所述保护管两端具有过滤器87，所述过滤器滤除各种污染，因而保护光纤免受灰尘和污物的污染。
按照利用上述的露检测器进行的实验，在夜间被置于白色PVC板中的光纤的温度比玫瑰叶子的温度只低0.1-0.2℃，因而所述板十分真实地模拟了叶子的自然条件。当光纤的两端具有可以溶于水的化合物(例如硫)的污染，并且水在光纤的粗糙的边缘上凝结时，所述化合物便可以溶解在水中，产生充满粗糙端的溶液。光通过溶液的透射率比光通过清洁的水(不含硫)的透射率相差很多。因为制造光纤的塑料材料抗腐蚀性和侵蚀性溶液，所以这种检测器即使温室的十分极端的条件下仍然能够继续工作。
现在参看图6，其表示按照本发明第三实施例的膜露点湿度计，其包括凝结膜。露点湿度计90包括被置于热电冷却器92上的凝结膜，例如尼龙透明膜91。所述的膜把从光发射器94通过光纤93发出的光反射到和光检测器96相连的光纤95中。利用风扇97使空气在凝结膜上流通，并冷却电热冷却器92的高温侧。当由电热冷却器92冷却凝结膜91时，水在膜的外侧(即面向上的一侧)上凝结，并且改变光从膜的两侧的反射，所述改变由光检测器96检测。温度检测器98和99分别用于测量凝结膜和空气的温度。电子控制系统100控制冷却器92、光发射器94和光检测器96的操作，测量露点的温度(即在其上形成露的膜的温度)，并由检测器98、99获得空气的温度，因而可以计算被测量的空气的露点。移动系统(未示出)每隔一段时间例如每周使长的连续的膜91前进一次，因而每隔一段时间使用新膜进行凝结和反射。因而，即使膜的特定部分被污染从而使其上的光反射失真，这也能够确保使用新膜而不会有所述的失真。当然，新的未被使用过的膜应当被保护免受污染，例如被置于保护壳体内。
图7表示按照本发明第四实施例的棱镜露点湿度计101，其中包括一个光学棱镜。这种湿度计包括光发射器102，光检测器103和被置于热电冷却器105上的棱镜104。棱镜把从光发射器发出的光向着光检测器反射。在由热电冷却器105对棱镜进行冷却时，水便在棱镜表面上凝结，因而改变光从棱镜表面上的反射。控制机构(未示出)可以把热电冷却器的温度控制成为在棱镜表面上发生凝结的温度，因而检测到光的改变。
图8表示按照本发明的第五实施例的电容露点检测器106。所述检测器包括绝缘器107，借助于保护涂层例如漆和周围环境隔离的第一电极结构108，所述保护涂层不允许湿气和电解液透入。这种检测器包括第二电极结构109，其由在绝缘器107的暴露的外表面上凝结的水层构成。水是导电的，这是因为其中含有天然存在于空气中的盐类。检测器通过导线110、111和测量电路(未示出)相连。当存在水时，如图8所示，便形成电极109，使得电容在0.1到160pμ之间改变，所述电容的改变可以被测量。作为另一种选择，在绝缘器107的外表面，可以附加一层网状涂层，以便减少空气中的盐分对检测器灵敏度的影响。
图9说明由具有恒定面积的第一电极结构108’和由水层形成的具有可变面积的第二电极结构109’构成的电容露点检测器的示意的等效电路，其中110’和111’是用于连接测量电路(未示出)的导线。

Claims (28)

1.一种用于确定气体的露点的露点湿度计，包括：
光发射器和通过由至少一个光纤限定的光路光学连接的光检测器，所述光路包括至少一个检测间隙，所述间隙在两个光纤的端部之间、光纤的端部和光发射器之间、或者在光纤的端部和光检测器之间被形成；形成检测间隙的光纤的至少一端是和所述气体接触的露形成端，在其上可以形成露，从而改变从光发射器通过间隙向光检测器传输的光；
温度控制装置，用于控制露形成端的温度，选择地还用于控制与所述露形成端相邻的空气的温度；
恢复装置，用于基本上恢复通过露形成端的原始的光透射率，否则，所述光透射率将会由于在操作期间沉积的固体污物而降低；以及
控制机构，用于控制所述温度控制装置的操作，并在所述湿度计操作一段时间之后自动地启动所述恢复装置。
2.如权利要求1所述的光纤露点湿度计，其中所述温度控制装置在所述控制机构的伺服控制下操作。
3.如权利要求2所述的光纤露点湿度计，其中所述控制机构和光检测器相连，用于使所述温度控制装置把所述露形成端的温度保持在露点形成温度，在此温度下在所述露形成端形成的露产生由光检测器记录的基本上固定的强度的光，或者使露形成端保持在所述露形成温度附近波动的温度；根据所述露形成温度确定所述露点。
4.如权利要求1-3任何一个所述的光纤露点湿度计，其中所述恢复装置包括吹风器，用于把气体吹到露形成端上，从而有效地吹去在所述露形成端形成的液滴；所述吹风器在使所述温度控制装置把露形成端的温度冷却到大大低于露点，从而在所述露形成端形成液滴之后被启动。
5.如权利要求1-3任何一个所述的光纤露点湿度计，包括可移动的透明膜，其覆盖所述露形成端，使得露形成在和露形成端接触的膜的一部分上；所述恢复装置包括用于移动所述的膜，从而使膜的不同的部分和所述露形成端接触的装置。
6.如权利要求6所述的光纤露点湿度计，其中所述膜呈带的形状，其可以通过所述露形成端直线地移动。
7.如权利要求1-3任何一个所述的光纤露点湿度计，其中所述恢复装置包括切刀，其能够切除所述露形成端的一小片，因而露出新的露形成端。
8.如权利要求1-3任何一个所述的光纤露点湿度计，其中所述至少一个光纤是多个光纤中的一个，并且其中所述恢复装置包括用于利用另一个无固体沉淀的光纤代替其上具有固体沉淀的至少一个光纤的装置。
9.如前面任何一个权利要求所述的光纤露点湿度计，包括和光发射器相连的一个光纤，其中所述检测间隙在光纤的未连接端和光检测器之间。
10.如权利要求1-8任何一个所述的光纤露点湿度计，包括两个光纤，其中一个和光检测器相连，另一个和光发射器相连，所述检测间隙在两个光纤的未连接端。
11.如权利要求1-8任何一个所述的光纤露点湿度计，包括两个光纤，第一光纤和光检测器相连，第二光纤位于第一光纤的未连接端和光检测器之间；所述至少一个检测间隙位于第二光纤的端部和光检测器之间。
12.如权利要求1-8任何一个所述的光纤露点湿度计，包括三个光纤，其中具有两个外部光纤，一个和光发射器相连，另一个和光检测器相连，一个短的中间光纤和温度控制装置相关，用于控制至少两个露形成端的温度。
13.一种用于确定自然露凝结的光纤露检测器，包括：
位于检测器外部的露凝结表面；
光发射器和通过由至少一个光纤限定的光路光学连接的光检测器，所述光路包括至少一个检测间隙，所述间隙被形成在两个光纤的端部之间或者在光纤的端部和光检测器之间；形成检测间隙的光纤的至少一端是露形成端，在其上可以形成露，从而改变通过间隙从光发射器向光检测器传输的光；
所述光纤被嵌入平板中，所述平板具有基本上和所述表面的温度相同的温度；以及
控制机构，用于监视所述光路的状态，消除太阳辐射和污染的影响，并控制所述光发射器和所述光检测器的操作。
14.如权利要求13所述的光纤露检测器，其中所述表面是植物的叶子的表面。
15.如权利要求13所述的光纤露检测器，其中所述露形成端具有粗糙的表面。
16.如权利要求13所述的光纤露检测器，所述平板发射红外辐射，其中所述检测器的露灵敏度可以通过改变从所述板发射的红外辐射来改变。
17.如权利要求13所述的光纤露检测器，其中所述检测器的露灵敏度可以通过利用电热冷却器冷却所述的板来改变。
18.如权利要求13到17所述的光纤露检测器，还包括恢复装置，用于基本上恢复通过露形成端的原始的光透射率，否则，在操作期间固体沉淀将妨碍光的透射。
19.如权利要求13到18所述的光纤露检测器，还包括保护装置，用于保护露形成端不受污染。
20.一种用于确定气体的露点的露点湿度计，包括：
被设置在温度控制装置上的凝结膜，所述温度控制装置用于控制所述膜的温度；
和一个光纤以光学方式相连的光发射器，用于在所述膜上发射光；以及以光学方式和光纤相连的光检测器，用于检测从所述膜反射的光，所述两个光纤相对于所述膜呈一定角度被设置，使得能够进行所述的检测；
所述凝结膜和所述气体接触，并作为供露在其上凝结的表面，所述凝结改变从光发射器发射的并被反射到光检测器的光；以及
控制机构，用于控制所述温度控制装置的操作并计算气体的露点。
21.如权利要求20所述的露点湿度计，还包括移动装置，用于定期地带动所述凝结膜，使得在膜的新的无污染的部分进行露的凝结和光的反射，由光发射器发射的光从所述膜的新的无污染的部分向着光检测器反射。
22.如权利要求20所述的露点湿度计，其中所述凝结膜是透明的。
23.如权利要求20所述的露点湿度计，其在稳定的温度条件下操作，其中所述温度控制装置是热电冷却器，其能够在所述膜上结露的过程中通过测量热电冷却器的电流测量所述气体的相对湿度。
24.一种用于确定气体的露点的露点湿度计，包括：
被设置在温度控制装置上的光学棱镜，所述温度控制装置用于控制所述光学棱镜的温度；
通过由所述棱镜的至少两个表面限定的光路以光学方式连接的光发射器和光检测器；
凝结棱镜和所述气体接触，并能够作为供露在其表面上凝结的凝结表面，所述凝结改变从光发射器发射的并被反射到光检测器的光；以及
控制机构，用于控制所述温度控制装置的操作并用于计算所述气体的露点。
25.一种电容露点检测器，包括：
借助于涂层和周围环境隔开的第一电极，所述涂层不允许湿气和电解液透过；被安装在所述第一电极上的绝缘器，当含有电解质的水在所述绝缘器的暴露的外表面上凝结或沉淀从而形成连续的层时，在绝缘器的所述暴露的外表面上形成的第二电极；
用于连接所述两个电极结构和测量电路的导线，用于向所述第一和第二电极结构提供电流，从而在存在水层时检测在所述第一和第二电极结构之间的电容改变。
26.如权利要求25所述的电容露点检测器，其中在形成第二电极结构的其上凝结水层的绝缘器的暴露的外表面是粗糙的。
27.如权利要求25所述的电容露点检测器，其中在绝缘器的暴露的外表面上设置一种吸收剂材料，借以加速露的凝结并增加检测器的灵敏度。
28.如权利要求25所述的电容露点检测器，还包括被设置在所述绝缘器的外表面上的网状物。
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