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冷镜式露点仪自动控制的能效分析

发布时间:2021年01月14日 来源:中国自动识别网 作者:刘亚兵 杨凌

近年来,在湿度与水分的测量中,冷镜式露点仪作为主要的测量仪器,发挥着极为重要的作用。绝大部分的实验室都使用其作为湿度计量检测标准,越来越多的企业也都把冷镜式露点仪作为企业标准使用,因此冷镜式露点仪自动控制的能效至关重要。
原理上湿度检测仪器可分为机械式、干湿球、阻容式、电解法、冷镜式、光腔衰荡等。其中,冷镜式露点仪是目前湿度测量中最为准确、可靠的测量仪器,广泛地应用于湿度标准传递及对湿度控制要求较高的工业测量。在冷镜式露点仪工作过程中,会出现一些影响其测量结果的不可控因素,影响工作效能的发挥。
 
冷镜式露点仪自动控制工作原理
待测量的气体进入露点测量腔后,需从镜面传感器表面掠过,镜面传感器此时的温度如果比被测气体露点温度高时,镜面会持续干燥,不会结露。控制回路此时会驱动热电制冷器制冷设备对镜面温度进行降温,当镜面传感器的温度下降到待测量气体的结露点温度以下时,镜面上开始出现凝霜结露现象,导致光在镜面上产生漫反射,光探测器接收到的反射信号将变弱,此时,控制回路会调节热电制冷器的激励机制,促使其制冷激励变弱,直至镜面传感器的温度与待测气体的露点温度基本保持一致。此时,通过可视装置检查或观察传感器的冷凝状态,来判断镜面传感器上的冷凝物是露(液态,呈圆形或椭圆形)还是霜(固态,呈晶状体)。而露点温度则是由镜面传感器下方紧贴着的铂电阻温度计来测量,如图1所示。
 图1   冷镜式露点仪自动控制工作原理
 
开尔文效应
由开尔文效应产生的测量误差分析  
弯曲表面上的饱和水汽压与平面上所处情况不同。当露结在金属表面上时,由于液体表面具有收缩作用的张力,与纯平面的饱和水汽压相差很大,同温度下,露滴状态的饱和水汽压力会略高于平面状态的饱和水汽压力,最终凝霜结露的露点温度会略低于实际的结露点温度,这种影响称为开尔文效应。
解决开尔文效应的措施
解决开尔文效应的措施主要有:应选择光洁度好、不易老化、导热性能好的镜面材质。露滴的饱和水汽会在一定的情况下适当地增加其曲率半径,从而提升镜面结露的质量;清洁过滤待测量气体,减少气体中的油蒸汽,减小误差。
 
镜面污染
拉乌尔效应
拉乌尔效应是指在测量湿度或水分的过程中,精密露点仪的镜面上存有水溶性物质时,形成的混合水汽压力会略低于纯水的饱和水汽压力,迫使镜面结露提前,引起测量结果误差。该水溶性物质可能是被测量的气体中携带的也有可能是存在镜面上的。在整个测量过程中,拉乌尔效应的影响比开尔文效应的影响更甚。
根据拉乌尔定律,水溶液的露点温度高于纯水,其升高值正比于水溶物质的摩尔分数,由于霜与水溶物质相互不溶,在低于0℃镜面上结霜时,此影响较小,基本可以忽略。
改变镜面本底散射水平
有些难以溶于水的物体,比如灰尘,粘染在露点仪镜面上时,会导致镜面本底的散射水平增高,可能会引起露点仪产生零点飘移。
解决镜面污染的措施
露点仪自洁功能
具有自洗清洁功能的冷镜式露点仪可以通过该功能达到镜面的适度清洁,以减少或消除镜面杂质带来的影响。
露点仪功能操作
在开始测量前,可先给镜面进行深度制冷,之后再进行升温,循环操作数次后直至达到露点,但对于沸点较高的杂质颗粒,此方法不适用。
清洗镜面
镜面污染通常用一根棉签蘸取蒸馏水或酒精擦拭,滴少许蒸馏水,使之基本均匀分布于整个镜面之上,用棉签将水吸收干净。实验证明,用一大滴蒸馏水覆盖镜面后,使用洁净的气流将水滴从镜面表面吹离,或使用抽气机将水滴抽离,这样清洗镜面的效果会更好,镜面冷凝层上的冰晶或滴露分布均匀。
 
露点仪测量露点的自动化控制方法
露点仪测量露点的自动化控制方法主要有以下三种:
PID调节控制方法
此控制方法为固定调节值的一种控制方式,比如:恒定的比例、积分和微分系数等,由于在整个测量过程中使用固定不变的调控值,系统整体适应性较差,在测量过程中容易形成类阻尼振荡,而造成测量时间偏长。
模糊控制方法
模糊控制方法是设置了一定的参数范围,在此范围区间内比例、积分、微分参数可进行变化调节,仪器系统根据响应可自我调整参数,适应性较好,测量过程中系统振荡较少,测量时间缩短,相比PID调节方式有较大的改进。
偏差控制方法
模糊控制方法尽管比PID控制方法有了较大改进,但这两种自动化调节方式仍然存在一定的缺陷。在一些特殊的情况下,例如:在高温工作环境下,或是测量湿度较低气体,或人为不当操作而导致系统振荡时,难以有效进行精准测量。而导致系统振荡的原因是因为镜面上霜露层的形成和冷泵制冷温度相关,同时也存在着一定的滞后。当镜面结霜层过厚时,冷泵系统会自动断开,这时镜面上冷端温度就会快速升高,霜层随之变薄,尽管在即将达到某种厚度时冷泵会快速启动,但因滞后,镜面的霜层会持续地变薄甚至消失。此时冷泵会启动强制冷,镜面上再次快速结霜,从而导致霜层再次过厚,循环往复,特别是在高温条件下,冷泵的制热端热量易堆积,不易消散,冷泵制冷能力逐渐下降,影响露点测量。
当前,冷镜式露点仪基本上均采用了偏差控制方法。该方法在镜面消露过程中,根据镜面反射光能量的偏差与偏差变化率的不同区间设定了电流自我调整的数值,在当前制冷的电流上加上或减去相应的数值来控制制冷电流大小,由控制镜面温度来控制霜层厚度,使镜面上形成的霜层逐渐接近特定的厚度,由此消除高温环境下或是测量湿度较低的气体时出现的系统振荡。
刘亚兵 杨凌
(作者单位:河南省计量科学研究院)
《中国自动识别技术》2020年第6期总第87期

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