貝明君

摘 要：高壓氣體的露點(diǎn)測(cè)量是衡量氣體是否合格的重要指標(biāo)之一。本文介紹的高壓氣源露點(diǎn)測(cè)試儀采用新型微型制冷機(jī)對(duì)鏡面降溫，避免了傳統(tǒng)高壓氣源露點(diǎn)測(cè)量依靠高壓空氣制冷帶來(lái)的系統(tǒng)誤差，提高了冷鏡式光電露點(diǎn)測(cè)試儀的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，同時(shí)全自動(dòng)的測(cè)量模式使得操作更加簡(jiǎn)便。在當(dāng)前高壓氣體廣泛應(yīng)用于特種船舶和其他工業(yè)領(lǐng)域的今天，可以大大地提高測(cè)量效率，具有較高的創(chuàng)新性和現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：高壓氣源；露點(diǎn)測(cè)試；研究；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U665.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Dew point measuring is important to determine whether gas is qualified. This paper introduces a new type of micro cooling machine to cool the mirror face， avoid the system error caused by traditional high-pressure air cooling. The cold-mirror photoelectric dew point tester is more convenient for operation with higher measurement accuracy and stability.

Key words：High-pressure gas source；Dew point test；Research；Design

1 前言

氣體濕度是指氣體中水蒸汽的含量。很多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中都需要測(cè)量氣體濕度， 濕度檢測(cè)是氣體或壓縮空氣質(zhì)量等級(jí)控制和完善氣源系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。氣體露點(diǎn)溫度是氣體常用的濕度表示方法之一，它是指用等壓冷卻的方法使氣體中的水蒸汽冷卻至凝聚相出現(xiàn)，或通過(guò)控制冷鏡面的溫度使氣體中的水蒸汽與（凝聚相）鏡面露層的平展表面呈熱力學(xué)平衡狀態(tài)，準(zhǔn)確的測(cè)出此時(shí)的溫度即為該氣體的露點(diǎn)溫度，測(cè)量氣體露點(diǎn)溫度的儀器稱為露點(diǎn)測(cè)試儀。

傳統(tǒng)的高壓氣源露點(diǎn)測(cè)量，通常是采用基于光電檢測(cè)的鏡面冷凝式露點(diǎn)測(cè)試儀（又稱冷鏡式露點(diǎn)測(cè)試儀），其制冷方式主要有半導(dǎo)體制冷和高壓空氣制冷兩種。

半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)為了達(dá)到一定的測(cè)量范圍，必須配合壓縮機(jī)和水冷系統(tǒng)使用，導(dǎo)致產(chǎn)品體積大、價(jià)格貴，且測(cè)量范圍一般只能達(dá)到-60 ℃。

高壓空氣制冷系統(tǒng)成本低、測(cè)量范圍大并且容易實(shí)現(xiàn)，但也存在明顯缺點(diǎn)：（1）高壓空氣通過(guò)小孔節(jié)流效應(yīng)進(jìn)行制冷，必須手動(dòng)進(jìn)行控制，測(cè)量過(guò)程比較復(fù)雜，影響測(cè)量效率；（2）降溫速度受到制冷閥門、氣體壓力、外界溫度等方面影響，很難控制，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性；（3）當(dāng)高壓空氣水分較多時(shí)，用于節(jié)流的小孔容易堵塞，影響測(cè)量進(jìn)行；（4）光電采集系統(tǒng)靈敏度較差，加上降溫速度、氣體流量等因素的影響，采集的露點(diǎn)測(cè)量值重復(fù)性和準(zhǔn)確性差。

本文介紹一種新型的高壓氣源露點(diǎn)測(cè)試儀（暫定型號(hào)：JH-7000），它采用新型專用制冷機(jī)進(jìn)行制冷，溫度控制準(zhǔn)確，測(cè)量范圍廣泛。同時(shí)采用最新的控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)測(cè)量，優(yōu)化了光電采集系統(tǒng)和軟件算法，提高了測(cè)量靈敏度和準(zhǔn)確性，為高壓氣源露點(diǎn)測(cè)試提供了新的手段。

2 系統(tǒng)組成和工作原理

JH-7000露點(diǎn)測(cè)試儀基于冷鏡式原理，其電路部分主要包括制冷機(jī)模塊、光路采集模塊、控制模塊：制冷機(jī)模塊包括微型制冷機(jī)和制冷機(jī)電源，主要負(fù)責(zé)對(duì)鏡面降溫及加熱、采集鏡面溫度并發(fā)送至控制模塊；光路采集模塊的主要功能是對(duì)光源供電、采集光電轉(zhuǎn)換信號(hào)并發(fā)送至控制模塊；控制模塊主要功能是通過(guò)通信接口對(duì)制冷機(jī)模塊和光路采集模塊發(fā)送控制指令并接收溫度、光路信號(hào)，負(fù)責(zé)控制檢測(cè)流程以及顯示人機(jī)交互界面等功能。

光路部分由光源、濾光組件、透鏡、反射鏡面和硅光電池組成。氣體經(jīng)過(guò)進(jìn)氣口吹入測(cè)量腔體，從鏡面上方掠過(guò)，并通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥門控制流量，使之達(dá)到測(cè)量要求。當(dāng)氣體在鏡面上結(jié)露時(shí)，光路被改變，從而使硅光電池產(chǎn)生的電信號(hào)產(chǎn)生變化。

系統(tǒng)原理圖，如圖1所示。

3 主要關(guān)鍵技術(shù)

3.1 微型制冷機(jī)技術(shù)

目前市場(chǎng)上的冷鏡式露點(diǎn)測(cè)試儀除采用液氮或高壓空氣制冷外，主要采用的是熱電制冷（帕爾帖冷泵）配合壓縮機(jī)使用，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是溫度控制精度高、范圍廣，但缺點(diǎn)是體積大、重量重，不具備便攜性。

液氮容器體積較大，安裝受局限，測(cè)量過(guò)程中液氮消耗快，制冷速度難以控制，造成露點(diǎn)測(cè)試儀檢測(cè)精度、檢測(cè)效率較低，而且在某些工業(yè)場(chǎng)合不易獲得。

空氣節(jié)流制冷方式是熵增最大的一種制冷方法，其最低制冷溫度完全依賴于壓縮空氣的壓力及節(jié)流效率，在壓縮空氣壓力較低的場(chǎng)合難以應(yīng)用。實(shí)際工程應(yīng)用中，高壓空氣節(jié)流制冷難以控制降溫速度，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果重復(fù)性差，并且由于節(jié)流閥氣孔較小，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)氣體中水分結(jié)冰而堵塞氣孔，導(dǎo)致降溫不均勻甚至無(wú)法降溫的情況。

為了擺脫露點(diǎn)測(cè)試儀對(duì)液氮或高壓空氣制冷的依賴，使得產(chǎn)品的用途和適用場(chǎng)所更加廣泛，通過(guò)對(duì)制冷技術(shù)的調(diào)研，JH-7000露點(diǎn)測(cè)試儀采用了根據(jù)斯特林原理的微型制冷機(jī)對(duì)鏡面降溫，斯特林熱力循環(huán)，具有最高的熱力學(xué)效率，等同于完美的卡諾循環(huán)，其功耗低、降溫快。斯特林制冷機(jī)是小型低溫制冷機(jī)中應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最成熟的一種，具有穩(wěn)定可靠、功耗低、降溫速度快和范圍廣等特點(diǎn)，僅需供電就能工作，無(wú)需其他設(shè)備提供冷源，并且溫度控制更加精確，有助于提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。

JH-7000露點(diǎn)測(cè)試儀使用小型斯特林制冷機(jī)，采用曲柄連桿及雙活塞機(jī)構(gòu)，通過(guò)應(yīng)用浮動(dòng)式大氣缸及球頭式萬(wàn)向節(jié)等柔性連接方式，避免氣缸和活塞之間的硬碰撞和摩擦，解決了斯特林制冷機(jī)由于干摩擦導(dǎo)致摩擦副材料容易損傷、抱死的問題，并在一定程度上降低了活塞和氣缸等主要部件的精度加工要求和裝配難度，提高了整機(jī)的可靠性及使用壽命；其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、整機(jī)體積小，重量?jī)H為帕爾貼冷泵系統(tǒng)的1/3；工作溫度范圍寬，低溫可降至-100 ℃以下，滿足特純氣體、壓縮空氣等多種氣體全量程露點(diǎn)檢測(cè)需要；其工質(zhì)氣體為氮?dú)獾榷栊詺怏w，密封在腔體內(nèi)，容積不足1 L。與高壓節(jié)流制冷方法相比，其制冷性能受外界環(huán)境影響小，制冷性能穩(wěn)定可靠，并且配備專用電源模塊，該模塊主要功能包括對(duì)制冷機(jī)供電、采集鏡面溫度和通信功能。通信功能主要負(fù)責(zé)將采集的鏡面溫度通過(guò)串口發(fā)送至控制系統(tǒng)，同時(shí)接收控制系統(tǒng)的指令執(zhí)行降溫和升溫等操作。在系統(tǒng)控制下制冷機(jī)逐步降溫，與氣路、光路等協(xié)同完成整個(gè)測(cè)量過(guò)程中的信號(hào)檢測(cè)與高速精確露點(diǎn)鎖定，從而實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)測(cè)量。endprint

3.2 光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光路系統(tǒng)主要包括：光學(xué)系統(tǒng)、光源供電模塊、光電池放大模塊和光路采集模塊。其中，光學(xué)系統(tǒng)主要包括一個(gè)LED光源，通過(guò)一組透鏡產(chǎn)生平行光照射在高反射鏡面上，反射光通過(guò)另一透鏡聚焦在感光器件上；感光器件采用硅光電池，并將放大電路和硅光電池做成一個(gè)整體，只留電源接口和信號(hào)輸出線，組成光電池放大模塊，這樣不僅方便測(cè)試硅光電池性能，并且增強(qiáng)抗干擾性；光路采集模塊負(fù)責(zé)采集光電池放大模塊輸出的信號(hào)，并將光電信號(hào)通過(guò)串口發(fā)送到控制系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的光電冷鏡式露點(diǎn)測(cè)試儀一般采用白熾燈作為光源、光電管作為感光器件，鏡面尺寸較大，通常為直徑為10～20 mm。該設(shè)計(jì)對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大，首先是白熾燈壽命短且屬于自發(fā)熱光源，長(zhǎng)時(shí)間使用產(chǎn)生的熱量會(huì)破環(huán)測(cè)量室的環(huán)境熱平衡，從而使其他器件的溫漂特性放大，造成測(cè)量誤差；光電管對(duì)光源亮度要求較大，而且易受電壓波動(dòng)影響；鏡面直徑過(guò)大會(huì)導(dǎo)致部分區(qū)域無(wú)法被光線照射，從而影響對(duì)鏡面結(jié)露的判斷，此外也會(huì)降低制冷效率，使得溫度下降更加不均勻，導(dǎo)致測(cè)量誤差變大。

為了解決上述問題，JH-7000露點(diǎn)測(cè)試儀采用紅色LED作為光源，硅光電池作為感光器件，鏡面面積進(jìn)一步縮小。LED屬于冷光源，自身不會(huì)在工作時(shí)發(fā)熱，同時(shí)具有壽命長(zhǎng)、照度穩(wěn)定、可靠性高等特點(diǎn)。根據(jù)硅光電池的光譜特性，選用紅色LED，使光電池接收的信號(hào)位于靈敏度最高的波長(zhǎng)區(qū)間。硅光電池是無(wú)源器件，穩(wěn)定性好且感光面積大，可將其看作電流源來(lái)使用，相比光電管具有更好的穩(wěn)定性和抗干擾能力。JH-7000露點(diǎn)測(cè)試儀設(shè)計(jì)的鏡面直徑僅為5 mm，更小的面積使得鏡面所有區(qū)域均能被光線照射，從而對(duì)任一點(diǎn)的結(jié)露情況都能及時(shí)作出響應(yīng)。此外，鏡面體積的減小提高了制冷效率，配合專用微型制冷機(jī)的使用，能夠穩(wěn)定控制鏡面溫度，從而提高測(cè)量精度。

與傳統(tǒng)光電露點(diǎn)測(cè)試儀的光學(xué)系統(tǒng)相比，JH-7000露點(diǎn)測(cè)試儀還優(yōu)化了反射光路徑，不使用擋光器件。鏡面未結(jié)露時(shí)，光線反射后經(jīng)透鏡聚焦全部照射在感光器件上；鏡面結(jié)露后，光線發(fā)生漫反射，部分光線經(jīng)透鏡散射無(wú)法被感光器件接收，從而判斷鏡面出露。該設(shè)計(jì)在保證靈敏度的前提下降低了光路系統(tǒng)安裝調(diào)試的難度，提高了儀器的可維修性。

3.3 氣路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣路系統(tǒng)包括減壓系統(tǒng)和管路系統(tǒng)。高壓氣體進(jìn)入設(shè)備后，首先通過(guò)一級(jí)減壓裝置減壓，將壓力限制在5 MPa以下，再經(jīng)過(guò)二級(jí)減壓裝置，通過(guò)調(diào)整流量調(diào)節(jié)閥門，使被測(cè)氣體安全通過(guò)測(cè)量腔體。所有氣路均采用1/8英寸精密冷拔無(wú)縫內(nèi)拋光不銹鋼管作為取樣管路，接頭部分均采用雙卡套密封，螺帽軸向推動(dòng)后卡套，后卡套推動(dòng)前卡套擠壓Tube管使其產(chǎn)生塑性變形，繼續(xù)旋緊螺帽，后卡套擠壓Tube管起到抓緊作用，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)泄漏密封。采用雙卡套連接的接頭、螺帽采用優(yōu)質(zhì)316不銹鋼，螺帽螺紋采用表面鍍銀技術(shù)，防止在高溫高壓下螺紋發(fā)生咬死現(xiàn)象。Tube管固溶處理后的硬度要低于接頭體和卡套，同時(shí)光管表面光滑無(wú)缺陷，易于彎曲或擴(kuò)管，方便并可實(shí)現(xiàn)完全密封。

3.4 鏡面溫度采集設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)外類似產(chǎn)品在鏡面溫度采集方面均采用鉑電阻式溫度計(jì)或傳感器，溫度采集都使用了接觸式采集的方法，該方法的主要缺點(diǎn)在于測(cè)量端與鏡面底部為點(diǎn)接觸，即使通過(guò)導(dǎo)熱硅脂粘合，測(cè)量出的溫度也不可避免的和鏡面實(shí)際溫度產(chǎn)生較大梯度誤差，雖然鉑電阻精度上滿足要求，但卻因?yàn)闇y(cè)量方式影響了準(zhǔn)確度。因此如何減少溫度梯度，提高測(cè)量準(zhǔn)確度，是使用鉑電阻溫度傳感器測(cè)量鏡面溫度時(shí)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

為此，JH-7000露點(diǎn)測(cè)試儀采用6 mm×2 mm金屬封裝Pt100鉑電阻，利用特殊工藝將鉑電阻焊接在鏡面底部，這樣使得鏡面和鉑電阻成為整體結(jié)構(gòu)，有利于溫度的均勻傳導(dǎo)，減少溫度采集點(diǎn)與鏡面的溫度梯度誤差。

另外，在電路設(shè)計(jì)上，針對(duì)Pt100鉑電阻溫度傳感器，使用XTR105和RCV420芯片組成Pt100應(yīng)用電路進(jìn)行溫度采集?；倦娐穲D如圖2所示。

3.5 軟件設(shè)計(jì)

JH-7000露點(diǎn)測(cè)試儀控制單元處理器采用三星S3C2416芯片，運(yùn)行WinCE5.0操作系統(tǒng)，軟件使用C#語(yǔ)言編寫，開發(fā)環(huán)境為Visual Studio2008，顯示屏為7英寸觸摸液晶屏，軟件主要工作界面直觀豐富、易于操作。軟件設(shè)計(jì)方面，在露點(diǎn)分析算法上采用中值濾波對(duì)光路曲線進(jìn)行預(yù)處理，再利用小波分析的方法，采用Haar小波對(duì)一維光路信號(hào)進(jìn)行小波分解，經(jīng)過(guò)8級(jí)分解后得到的平均分量能夠準(zhǔn)確獲取曲線拐點(diǎn)，從而計(jì)算出露點(diǎn)溫度。

此外，傳統(tǒng)的冷鏡式光電露點(diǎn)測(cè)試儀在判斷光路變化時(shí)，往往采用固定光路初始值的方法，即測(cè)量之初記錄當(dāng)前光路值，等待光路值變化超過(guò)設(shè)定閾值后判斷結(jié)露，計(jì)算露點(diǎn)。該方法的缺點(diǎn)在于無(wú)法消除光路系統(tǒng)受溫度變化產(chǎn)生的影響，隨著測(cè)量溫度的不斷下降，金屬鏡面會(huì)發(fā)生微弱形變，這可能在一定程度上會(huì)改變光路值，此時(shí)如果仍然按照初始固定的光路值，在靜態(tài)閾值的情況下會(huì)引起測(cè)量誤差。JH-7000露點(diǎn)測(cè)試儀采用動(dòng)態(tài)初值法進(jìn)行測(cè)量，補(bǔ)償光路系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差。動(dòng)態(tài)初值法是指測(cè)量開始階段記錄當(dāng)前光路值，在測(cè)量過(guò)程中不斷判斷光路值變化，根據(jù)露點(diǎn)測(cè)試儀本身設(shè)計(jì)特性不斷排除噪聲（即光路突變）對(duì)光路值的影響，同時(shí)更新初始值，因此保證了在鏡面發(fā)生形變的情況下仍然能夠通過(guò)既定閾值準(zhǔn)確判斷出結(jié)露時(shí)間。

4 結(jié)論

本文研究和設(shè)計(jì)的新型露點(diǎn)測(cè)試儀采用新型微型制冷機(jī)對(duì)鏡面降溫，避免了傳統(tǒng)高壓氣源露點(diǎn)測(cè)量依靠高壓空氣制冷帶來(lái)的系統(tǒng)誤差，同時(shí)提高了冷鏡式光電露點(diǎn)測(cè)試儀的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，全自動(dòng)的測(cè)量模式也使得操作更加簡(jiǎn)便。在當(dāng)前高壓氣體廣泛應(yīng)用于特種船舶和其他工業(yè)領(lǐng)域的今天，該測(cè)試儀可以大大地提高氣體的測(cè)量效率，具有較大的創(chuàng)新性和現(xiàn)實(shí)意義。endprint