1 引 言
露点仪是一种测量气体中含水量即湿度的仪器,目前测量湿度的仪器品种繁多,但作为湿度的通用仪器,一种是普通的湿度指示仪,即利用湿敏元件作为传感器的湿度仪或利用电解法来进行湿度测量等,另一种就是光电露点仪。前一种方法为相对测量法,光电露点仪则为绝对测量方法。
前一种湿度仪测量精度低、稳定性差,主要用于高湿气体湿度或对测量精度要求不太高的场合,但是它们具有结构简单、成本低廉的优点;光电露点仪是一种高精度湿度测量仪器,在国内主要用来作为湿度计量的标准器来使用。
2 工作原理
气体露点温度是一种常用的气体湿度表示方法。采用光电露点仪测试气体露点的基本原理是根据气体露点温度的定义。其定义为:用等压冷却的方法使气体中的水蒸汽冷却至凝聚相出现,或通过控制冷面的温度,使气体中的水蒸汽与水的平展表面呈热力学平衡状态,准确测出此时的温度,即为该气体的露点温度。本露点仪是采用热电制冷技术光电检测镜面冷凝式露点仪,其组成原理图如图1。
当气体以一定的流速进入露点室并掠过镜面时。此时由于镜面温度高于被测气体的露点温度,镜面上是干燥的,此时,二极管发出的光照在镜面上,几乎为全反射,由光敏三极管感应到并输出光电信号给控制回路,控制回路驱动热电制冷器对镜面制冷;当镜面温度降至被测气体的露点温度时,镜面上开始结露,此时光照在镜面上后会出现漫反射,光敏三极管感应到反射光信号减弱,经过控制回路调节热电制冷器的电源,减小其制冷功率,最后使镜面温度平衡在被测气体露点温度上。
3 系统组成
精密露点仪主要由传感器、温度测量电路、光桥电路、光桥信号放大、数据采集、半导体制冷器驱动电路、显示电路、单片机电路等部分组成,其组成框图如图2。yh
3·1 传感器
传感器是精密光电露点仪的重要部件,它主要由气室、镜面、制冷半导体、冷却装置、过热保护电路、温度传感器、光桥电路等组成。
考虑到传感器能测量低湿度的多种气体,其气室采用了铝合金材料氧化后(黑化处理)加工而成,使其具有一定的抗腐蚀能力。为提高光桥电路的信噪比,露点室内腔需喷涂一层10μm左右的黑色氟塑料,减少光的二次反射。顶盖、气室、镜面都能拆卸,方便擦拭镜面或更换镜面,它们之间都要用密封垫进行密封,使样气免受环境空气的干扰。镜面需采用导热性能良好的紫铜材料,和焊接在制冷电堆上面铜块是靠螺纹结合的,其表面镀铑使其具有一定的反射系数并能抗样气的腐蚀。镜面的下部紫铜块要保证和制冷半导体之间的良好的导热性,使铂热电阻与镜面的温度梯度减小到最小。
制冷半导体采用平板式陶瓷制冷电堆,为了在散热装置水冷却的情况下,镜面最低可降至-75℃的要求,需要四级制冷半导体。
光源对镜面的照度须具有良好的稳定性,因此对光源的激励源采用一可调恒流源,为了使其保持较好的热稳定性,恒流源经过温度补偿。过热保护电路主要对制冷半导体这一重要部件的保护,在检露的过程中,可能会遇到第四级冷却装置故障或突然断水等问题,这样会造成第四级制冷器过热,影响其寿命。过热保护电路的热传感器始终检测靠近第四级制冷半导体热端的部位,若此部位的温度超过50℃,则切断第四级电源,因此过热保护电路是非常重要的。
3·2 温度测量电路
镜面温度测量是整个系统的重要组成部分,其测量精度直接影响着整个露点仪的露点测量精度,要求测温电路具有较高的可靠性、稳定性和抗干扰能力,测温不确定度小于0·1℃。镜面温度测量电路主要由铂热电阻、零点比较电阻和满量程比较电阻(精度0·01%,温漂小于5ppm)、传感器信号放大等部分组成。
测温元件必须满足精密露点仪测温精度的要求。为此选用了德国产PT100铂热电阻,陶瓷封装,耐腐蚀、尺寸小(Φ2×7mm),0℃时其阻值为100欧姆,其电感小于1微亨,电容小于8pf,长期稳定性好,自热温升小,性能符合1/4DIN43760工业标准。
温度信号放大必须具有稳定性高、漂移小、非线性小、噪声低、具有一定的共模抑制比等特点,只有这样才能保证露点温度和环境温度的测量精度。温度信号放大原理图如图3所示。本电路为了减少测量误差,采用了四线制有源桥式测量电路。
电路中单元电路U1主要为铂热电阻提供恒流激励,U1是一个恒流源电路,它的电流不随铂热电阻的变化而变化,因此在要求的温度测量范围内,使其输出电压保持线性。
温度测量电路所用运放均为斩波稳态运放ICL7650,电子模拟开关为CD4066,20R和R的电阻应选用同样材料,低漂移、体积小的电阻,其精度要小于0·01%,且温度系数小于5ppm。
镜面温度测量电路采用四线制,恒流源电路为铂热电阻提供恒流源激励和高输入阻抗,消除了引线和模拟开关上的电压降。通过铂热电阻的电流为257μA。若电流太大,铂热电阻发热,会产生热噪声。
4 A/D转换电路
A/D转换电路主要将温度电压信号和光桥电压(-2V~+2V)转换成数字信号,考虑到精度和速度的要求,A/D转换器选用ICL7109,它是一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分12位二进制A/D转换器,并有较强的接口功能,能方便地与各种微处理器相连,但是若其外围器件选择不当,将会产生较大的测量误差,因此为了取得良好的转换效果,选择好晶振、积分电阻、积分电容、自动调零电容、参考电容、信号输入电阻、参考电压等是设计好此电路的关键。
5 系统软件
系统软件是整个仪器的灵魂,主要由界面接口程序、系统自检程序、标准程序、初始化程序、温度测量程序、清污程序、加热与制冷程序、PID子程序、数据采集子程序、系统误差修正程序等组成,程序流程图如图4。
开机后程序首先进行系统自检,如果系统没有故障,初始化扩展接口8255和键盘显示接口8279,将多路转换开关分别接通零点比较电阻和满量程比较电阻进行数据采集,然后进行系统校准。
以上的准备工作完毕后,程序进入清污子程序,并寻找主露点温度,找到主露点温度后,程序首先通过制冷器驱动程序调节镜面温度,使其保持在主露点温度范围内,经过一段时间后测量镜面反射量,如镜面露层是否在设定值附近,这时调用PID子程序对镜面温度进行微调,使镜面露层厚度稳定在设定值范围内。如果在测量过程中样气受到干扰或者更换露点温度不同的样气,镜面露层厚度超出了设定的范围,此时露点仪重新寻找主露点温度。
6 结束语
经实验证明本露点仪精度高、稳定性好。具有操作简单、测量速度快等特点。可应用于电力、化工等行业气体湿度的在线测量。
