萬浩涵，楊永軍

（航空工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京100095）

0 引言

露點儀是測量氣體濕度的儀器，其中應(yīng)用最廣泛、測量比較準(zhǔn)確的是冷鏡式露點儀［1-2］。冷鏡式露點儀測量過程中常用的露點判別方法有光電法、聲表面波法、圖像法等［3］，其中應(yīng)用最廣泛的就是光電法。光電識別作為關(guān)鍵技術(shù)，對露點測量結(jié)果影響很大［4-7］。

1 冷鏡式露點測量的光電識別

冷鏡式露點測量的光電識別原理：利用兩對光電對管作為光電判別的傳感器，其中一對對管在冷鏡所在的測量腔內(nèi)直射作為環(huán)境對照組，另一對光電對管經(jīng)過有半導(dǎo)體制冷的冷鏡表面反射。通過半導(dǎo)體制冷降低冷鏡表面溫度，使測量腔內(nèi)被測氣體介質(zhì)中的水分凝結(jié)于冷鏡表面，冷鏡表面反射的光電對管值相對環(huán)境對照組的信號值降低，冷鏡表面大量結(jié)露時，光電管根據(jù)信號值判別出結(jié)露現(xiàn)象［4］。

1.1 光電識別設(shè)備

冷鏡式露點測量的光電識別裝置由某型號發(fā)射二極管和光電接收二極管組成，兩對分別作為反射組和對照組［8-9］。

發(fā)射管的光束角為15°，發(fā)光波長為935 nm，光強(qiáng)為2.0～4.0 mW/cm2。接收管的敏感波長范圍如圖1所示，當(dāng)光照光強(qiáng)為5.0 mW/cm2時，感應(yīng)電流為24 mA，且感應(yīng)電流受溫度影響較小。

圖1 SDP8405-003敏感波段圖

接收管的感應(yīng)電流會受到外界可見光光照影響，因此在使用時需要在隔絕光照的黑暗測試腔內(nèi)進(jìn)行實驗，同時環(huán)境對照組的設(shè)置能從一定程度上減少環(huán)境對光電管的影響。

光電識別裝置原理圖如圖2所示，一對光電管在測量腔內(nèi)直射，另一對與鏡面呈35°，經(jīng)冷鏡表面反射。本試驗中兩對光電管中心距冷鏡表面高7 mm，冷鏡的半徑為3.5 mm，這樣可以使反射組的光照覆蓋整個冷鏡表面，同時使初始信號值較大，對整個冷鏡表面衰弱敏感，適合用作光電識別結(jié)露。

圖2 光電識別裝置原理圖

1.2 光電識別方法

利用光電對管信號變化曲線的三階導(dǎo)數(shù)來判斷信號曲線的拐點，從而識別出冷鏡表面的結(jié)露。利用MATLAB對數(shù)據(jù)做高斯四階擬合，得到冷鏡表面結(jié)露過程中光電信號比值（反射組信號值/對照組信號值）的變化規(guī)律曲線［7］，曲線圖像如圖3所示。

圖3 光電信號高斯擬合曲線

對冷鏡表面結(jié)露圖像和光電信號實時變化進(jìn)行分析，結(jié)露過程為：溫度降低到接近露點溫度，冷鏡表面出現(xiàn)零星凝結(jié)的露珠，光電信號比值開始降低，隨著溫度繼續(xù)降低，這一部分露珠變大，光電信號比值持續(xù)緩慢降低；溫度降至露點溫度，冷鏡表面很大面積上產(chǎn)生小露珠，光電信號比值下降速度加快；溫度持續(xù)降低，小露珠開始變大，光電信號比值快速降低。

對光電信號比值函數(shù)進(jìn)行一階求導(dǎo)，得到描述光電信號降低速度的導(dǎo)數(shù)曲線，如圖4所示。

圖4 光電信號一階導(dǎo)數(shù)

通過實驗分析冷鏡表面圖像發(fā)現(xiàn)，通常在光電信號曲線下降前的一個拐點產(chǎn)生結(jié)露。因為此時鏡面產(chǎn)生了大量的凝結(jié)小露珠，造成光電接收管接收到的反射光強(qiáng)變?nèi)酢６R面凝結(jié)出大量小露珠放熱，之后光電信號降低速度略有變慢，但很快隨著露珠變大而快速降低。光電識別露點的方法就是找到光電信號曲線快速下降前，其曲線上出現(xiàn)的最近一個凹點，通過計算光電信號的三階導(dǎo)數(shù)，從三階導(dǎo)數(shù)中找到這個露點時刻。圖5是對光電信號比值函數(shù)求三階導(dǎo)數(shù)和一階導(dǎo)數(shù)的曲線（只觀察變化趨勢，將三階導(dǎo)數(shù)放大了500倍）。

圖5 三階導(dǎo)數(shù)與一階導(dǎo)數(shù)合成圖

從圖5的曲線變化中，可以看到在三階導(dǎo)數(shù)從正變?yōu)樨?fù)值時，一階導(dǎo)數(shù)曲線從凹變?yōu)橥梗藭r的拐點即為光電識別的露點時刻。通過以上分析，根據(jù)光電信號比值判斷露點時刻t的條件是：

1）t時刻一階導(dǎo)數(shù)小于零；

2）t時刻三階導(dǎo)數(shù)等于零，且在t時刻三階導(dǎo)數(shù)由正變?yōu)樨?fù)；

3）t與三階導(dǎo)數(shù)最小值間沒有零點。

根據(jù)上面的判別條件可以找到距一階導(dǎo)數(shù)最小值最近的一個拐點，即露點。

2 驗證實驗

為了驗證這種光電識別露點方法的準(zhǔn)確性和適應(yīng)條件，設(shè)計了如下的驗證實驗：實驗裝置由測量腔和冷鏡底座組成，測量腔和冷鏡底座密閉連接；測量腔內(nèi)是安裝好的光電二極管，被測氣體從測量腔的進(jìn)氣口進(jìn)入，吹掃經(jīng)過冷鏡表面后，從測量腔出氣口排出［8］；測量腔上方留有透明觀察孔，通過顯微鏡從該孔觀察冷鏡表面結(jié)露情況。冷鏡底座由tec半導(dǎo)體制冷片、冷鏡、薄膜鉑電阻組成，三者緊密連接［9］，圖6為試驗裝置照片。

圖6 試驗裝置

實驗條件有：被測氣體的露點溫度范圍、tec兩端電壓。改變這兩個實驗條件，然后利用顯微鏡記錄下冷鏡結(jié)露過程，得到冷鏡表面圖像和光電信號比值的對應(yīng)關(guān)系，圖7為試驗現(xiàn)場圖。

圖7 試驗現(xiàn)場

最后查看光電識別露點與通過冷鏡表面直接觀察所得實際露點之間的誤差。圖8是利用顯微鏡觀察冷鏡表面結(jié)露時刻的圖像。

在被測氣體露點溫度為-10，0，10，20，25℃的條件下，分別以0.1，0.6，2，6℃/min的降溫速率進(jìn)行三次實驗［10］，取光電識別的誤差平均值。誤差結(jié)果如表1所示。

圖8 結(jié)露時刻冷鏡表面圖像

表1 露點溫度誤差實驗數(shù)據(jù) ℃

根據(jù)表1可以看出，在本實驗中，光電識別法的露點識別誤差不高于0.04℃，證明本文提出的冷鏡式露點測量結(jié)露的光電識別方法具有較好的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

為實現(xiàn)高準(zhǔn)確度的冷鏡式露點儀結(jié)露測量，提出一種采用兩對光電對管作為判別傳感器實現(xiàn)冷鏡表面結(jié)露測量的光電識別方法，其中一對光電對管在冷鏡所在的測量腔內(nèi)直射作為環(huán)境對照組，另一對經(jīng)過有半導(dǎo)體制冷的冷鏡表面反射，利用測得的光電信號值的三階導(dǎo)數(shù)曲線零點判別冷鏡全表面產(chǎn)生結(jié)露的時刻。經(jīng)實驗證明，該方法可以從很大程度上減少環(huán)境光照對測量結(jié)果的影響，能夠準(zhǔn)確、快速地識別出冷鏡的結(jié)露現(xiàn)象，具有重要技術(shù)應(yīng)用價值。