專利名稱：智能光電鏡面冷凝式露點(diǎn)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量?jī)x器，它用于自動(dòng)化精密測(cè)量氣體的露點(diǎn)。
作為濕度檢測(cè)基準(zhǔn)的露點(diǎn)是指氣體在大氣壓下開始結(jié)露時(shí)的溫度，在許多情況之下，工業(yè)氣體中的水蒸汽含量明顯高出規(guī)定的指標(biāo)，所以解決濕度精確測(cè)量和控制的呼聲越來越強(qiáng)烈，因此，露點(diǎn)儀的開發(fā)與研制受到產(chǎn)業(yè)界的廣泛注意。目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)廠家生產(chǎn)的露點(diǎn)儀其測(cè)量方法主要利用吸濕原理，絕熱膨脹原理或光電原理等，所制得的產(chǎn)品為非平衡式露點(diǎn)儀，用戶使用不方便，它表現(xiàn)在兩個(gè)方面，其一是非平衡式測(cè)量使得測(cè)量精度無法確保;其二是體積大，易出故障，也未能真正實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。
《中國(guó)技術(shù)成果大全》91年13期253頁(yè)刊摘了“智能式光電露點(diǎn)儀”，該露點(diǎn)儀在光電露點(diǎn)法煙氣預(yù)處理裝置的基礎(chǔ)上，將光纖技術(shù)、半導(dǎo)體致冷熱技術(shù)與微機(jī)應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，文摘中未涉及技術(shù)實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
中國(guó)專利局出版的《實(shí)用新型專利公報(bào)》于1989年6月14日公告的“微型智能化露點(diǎn)式濕度儀”(公告號(hào)CN 2039423U)，其技術(shù)方案主要是利用微型梳狀電極間的電阻從非結(jié)露到結(jié)露狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)突然減小這一物理特征，以鑒別露點(diǎn)狀態(tài);作為冷源的半導(dǎo)體致冷器由單級(jí)或多級(jí)構(gòu)成以加大溫差范圍，從而提高溫度測(cè)量范圍。該技術(shù)方案利用單回路控制系統(tǒng)，直接用電信號(hào)或溫度信號(hào)去控制半導(dǎo)體致冷器的工作，這種控制方案無法解決輸入量與輸出量之間的對(duì)應(yīng)的關(guān)系，也就是說未能解決光電信號(hào)的變化滯后與變化梯度和控制溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其控制方法仍屬于非平衡式控制法，因此測(cè)量精度是無法保證的。
為了克服上述的現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種智能光電鏡面冷凝式露點(diǎn)儀，它采用雙回路平衡系統(tǒng)精確控制鏡面溫度，從而提高露點(diǎn)儀的測(cè)量精確性能。
本發(fā)明所遵循的測(cè)量原理就是采用熱電泵冷卻鏡面，讓被測(cè)氣體在恒壓，恒流狀態(tài)下通過鏡面，當(dāng)鏡面冷卻至某一溫度時(shí)，被測(cè)氣體中的水蒸汽開始在鏡面上冷凝，通過微機(jī)自動(dòng)控制使鏡面上的露與氣體中的水份呈相平衡狀態(tài)，用鉑熱電阻精確測(cè)量鏡面的溫度，該溫度就是被測(cè)氣體的露點(diǎn)溫度。
利用上述原理而發(fā)明的露點(diǎn)儀，包括儀器機(jī)殼，在其內(nèi)部設(shè)置有微機(jī)控制器CPU，與其相連的鍵盤、顯示器位于儀器外部，以及整機(jī)供給電源，機(jī)殼內(nèi)有測(cè)量組件，其中散熱器、結(jié)露鏡面分別與周圍有隔熱層的半導(dǎo)體致冷器的熱端和冷端相連，所述的結(jié)露鏡面位于致冷測(cè)量室內(nèi)，被測(cè)量的氣體流經(jīng)與測(cè)量室相通的進(jìn)、排氣管，光電發(fā)射、接收管位于鏡面前方，本發(fā)明的特征是它還包括A光電接收管接入光電測(cè)量放大電路的輸入端，由光電測(cè)量放大電路放大后的模擬電信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)接至微機(jī)控制器CPU;
B采集結(jié)露鏡面溫度的傳感器與溫度測(cè)量放大電路相連，由該放大電路放大后的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字號(hào)接至微機(jī)控制器CPU;
C上述的微機(jī)控制器CPU輸出的數(shù)字信號(hào)接至D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)該轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，該信號(hào)接至半導(dǎo)體致冷器，并控制其工作狀態(tài);
D所述的微機(jī)控制器CPU還設(shè)有受讀入的光電信號(hào)、溫度信號(hào)控制的平衡控制測(cè)量模塊，該模塊可對(duì)如下動(dòng)作進(jìn)行平衡控制-采集光電信號(hào);
-確定目標(biāo)溫度;
-計(jì)算溫度誤差;
-計(jì)算熱泵工作效率，穩(wěn)定或調(diào)整熱泵的工作狀態(tài);
-穩(wěn)定或改變鏡面溫度;
-影響結(jié)露呈相平衡狀態(tài)。
上述的平衡控制測(cè)量模塊所實(shí)現(xiàn)的平衡控制方案，實(shí)質(zhì)上是由光電信號(hào)決定溫度目標(biāo)值，由溫度誤差控制溫度，然后根據(jù)光電信號(hào)的變化逐漸修正溫度目標(biāo)值，最后找到汽露的相平衡點(diǎn)-露點(diǎn)。
與現(xiàn)有技術(shù)中無論是采用開放式的測(cè)量方案或簡(jiǎn)單的PID單回路控制方案相比，也就是同非平衡式測(cè)控方案相比，本發(fā)明充分考慮到各變量之間的關(guān)系，采有了雙回路控制方案，精確控制鏡面溫度，從而解決了在單回路中光電信號(hào)的變化滯后與變化梯度和被控制溫度均不能很好的對(duì)應(yīng)的缺陷，因此提高并確保了測(cè)量的精度，另外，本發(fā)明采用光電信號(hào)決定溫度目標(biāo)值，由溫度誤差控制溫度使得這種復(fù)雜的控制變得非常簡(jiǎn)單，并能實(shí)現(xiàn)精確的在線平衡控制測(cè)量。
本發(fā)明軟件中還采用了狀態(tài)矩陣法調(diào)度命令模塊，硬件盡量采用較少的按鍵，實(shí)現(xiàn)測(cè)量、消露、查詢、打印、通訊等多種功能，給用戶提供了良好的操作界面。


圖1是本發(fā)明的原理框圖;
圖2是本發(fā)明的平衡控制邏輯圖;
圖3是控制程序流程圖;
圖4是光電測(cè)量子程序流程圖;
圖5是平衡控制子程序流程圖;
圖6是光電測(cè)量放大電路原理圖;
圖7是鉑熱電阻測(cè)量放大電路原理圖;
圖8是微機(jī)部分的電原理圖;
圖9、圖10是本發(fā)明的外殼示意圖;
圖11是測(cè)量組件示意圖。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
實(shí)施例由圖1給出的原理框圖可見，被測(cè)樣氣送至致冷室，紅外發(fā)射、接收管采集光電信號(hào)經(jīng)放大器A1后輸入A/D，由熱敏元件，如鉑熱電阻采集的溫度信號(hào)經(jīng)測(cè)量放大器A2接至A/D，光電信號(hào)與溫度信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后接至微機(jī)控制器，該微機(jī)控制器上聯(lián)有顯示器和鍵盤。微機(jī)控制器還連有D/A轉(zhuǎn)換器，D/A與熱電泵相連控制半導(dǎo)體致冷器工作，由電源向整機(jī)供電。
圖2是平衡控制測(cè)量模塊的邏輯圖，它是一個(gè)雙回路方案，首先由光電信號(hào)決定溫度目標(biāo)值，然后根據(jù)光電信號(hào)的變化逐漸修正溫度目標(biāo)值，最后找到汽露的相平衡點(diǎn)。
圖3是控制主程序流程圖，它主要包括開機(jī)、初始化、輸入、輸出以及命令處理、任務(wù)調(diào)度、光電測(cè)量、平衡測(cè)量控制等模塊組成，軟件的各模塊均以標(biāo)志位進(jìn)行通訊，由調(diào)度程序統(tǒng)一進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度。所設(shè)的狀態(tài)控制的調(diào)度命令模塊可以對(duì)以下動(dòng)作進(jìn)行選擇-手動(dòng)方式測(cè)量、消露;或-自動(dòng)方式測(cè)量、循環(huán)選擇、確認(rèn)測(cè)量周期;或-查詢選擇顯示露點(diǎn)值的起始行或逐行顯示露點(diǎn)值;或-通訊或打印。
圖4給出了光電測(cè)量子程序流程圖，被測(cè)氣體在鏡面上尚未結(jié)露時(shí)，鏡面將紅外線發(fā)射光信號(hào)全反射到接收管，此時(shí)由標(biāo)準(zhǔn)儀器整定一個(gè)光電標(biāo)準(zhǔn)值，隨著鏡面降溫，氣體開始在鏡面上冷凝結(jié)露，因此發(fā)射管發(fā)出的光信號(hào)由鏡面慢反射(其中含有拆射的部分)到接收管，此時(shí)有一個(gè)光電值，也就是實(shí)際接收到的模擬值。將結(jié)露后的光電值與光電標(biāo)準(zhǔn)值作減法處理，并進(jìn)行誤差判斷以及選擇返回程序或設(shè)置F12標(biāo)志以供執(zhí)行下述的平衡控制程序。
圖5是圖3中的平衡控制程序的子程序流程圖。該子程序符合圖2中的邏輯關(guān)系，順序完成如下控制光電信號(hào)是否到結(jié)露值，如果尚未結(jié)露，則需迅速致冷使被測(cè)氣體結(jié)露，將結(jié)露狀態(tài)的溫度做為平衡控制溫度的目標(biāo)值，將光電信號(hào)與結(jié)露值的差值及符合給恒溫控制模塊，根據(jù)光電誤值和符號(hào)計(jì)算調(diào)整PID系數(shù)，采集鏡面溫度并計(jì)算輸出，控制鏡面溫度，保持鏡面溫度并持續(xù)一段時(shí)間，假定持續(xù)30秒，判斷鏡面結(jié)露狀態(tài)是否變化，如果結(jié)露狀態(tài)未持續(xù)30秒就開始變化，則轉(zhuǎn)向并再次執(zhí)行上述的采集鏡面溫度、計(jì)算輸出、控制鏡面恒溫程序，如果持續(xù)30秒時(shí)間結(jié)露狀呈穩(wěn)定狀態(tài)則判斷光電值與結(jié)露值的差值是否滿足充許的設(shè)定的范圍內(nèi)，并對(duì)下述的三種進(jìn)程進(jìn)行選擇a光電值與結(jié)露值的差值偏小，則恒溫目標(biāo)值加0.5℃(該值可以大或小)，轉(zhuǎn)向并執(zhí)行前述的將光電信號(hào)與結(jié)露值的值差及符號(hào)傳給恒溫控制模塊程序;
b光電值與結(jié)露值的差值偏大則恒溫目標(biāo)值減0.5℃，轉(zhuǎn)向并執(zhí)行前述的將光電信號(hào)與結(jié)露值的差值及符號(hào)傳給恒溫控制模塊程序;
c光電值與結(jié)露值的差值為“O”，也就是說差值滿足了設(shè)定的充許的誤差范圍，此處“O”是指定的足夠小的誤差的概念，此時(shí)的恒溫目標(biāo)值即為平衡的露點(diǎn)值，至此，平衡測(cè)量周期結(jié)束。
圖6給出了光電信號(hào)的放大電路，它是將紅外光電接收管的輸出電信號(hào)送變到A/D轉(zhuǎn)換器的中間電路。如圖6所示，光電管定置在+5V的工作電位上即可以工作，光電接收管為一光電三極管，它輸出極一方面接在1/4LM324的同相輸入端，另一方面由串聯(lián)的電阻R16，R14接在1/4L324的反相輸入端，1/4LM324的反相輸入端與輸出端之間跨接有相互串聯(lián)的電阻R15與變位器VR4，該1/4LM324的輸出端接在AD的IN端。
圖7是溫度測(cè)量放大電路，與上述的光電信號(hào)放大電路一樣均屬公知電路，此處簡(jiǎn)要說明。熱敏元件采用鉑熱電阻，由鉑熱電阻采集的溫度信號(hào)輸入該放大電路，進(jìn)行運(yùn)算、功率放大后在ADCIN1上，運(yùn)放管CF741與1/4LM324由電阻R11直接耦合。
圖8是微機(jī)的電路原理圖，這是一種較為標(biāo)準(zhǔn)的小型配制的單片機(jī)系統(tǒng)，它以單片機(jī)8031為主機(jī)，配以M2732A，A/D轉(zhuǎn)換器ADC，D/A轉(zhuǎn)換器DAC和8155構(gòu)成的，采用這種方案充分利用8031的系統(tǒng)資源，定時(shí)中斷，標(biāo)志及RAM單元，在實(shí)際運(yùn)行中效果良好。
圖9和圖10是露點(diǎn)儀的外觀圖，在圖9中，有轉(zhuǎn)子流量計(jì)(1)用于設(shè)定被測(cè)氣體的流量，檢露目鏡(2)處觀察到鏡面(14)的結(jié)露狀態(tài)，四個(gè)按鍵(3)用于測(cè)量輸入操作提供測(cè)量命令，帶燈電源開關(guān)(4)用于提供電源，四個(gè)指示燈(23)對(duì)應(yīng)上述的測(cè)量命令執(zhí)行情況的指示以及顯示器(22)，在圖10中，有接口(5)、(5a)，風(fēng)扇(6)、(6a)分別是電源散熱和整機(jī)散熱之用，插座(7)、(7a)為電源接口，管接頭(8)、(9)分別是輸入、輸出被測(cè)氣體的進(jìn)、排氣口，標(biāo)牌(10)貼附在機(jī)殼上。
圖11中給出了致冷組件的配制結(jié)構(gòu)。散熱器(21)上有半導(dǎo)體致冷器(11)，它可以是多級(jí)構(gòu)成以獲得較大的溫差范圍，其周圍有絕熱材料(12)、致冷器(11)的冷端與鏡面座(13)和鏡面(14)相連的，被測(cè)氣體由進(jìn)、排氣管(15)、(16)進(jìn)入、流出測(cè)量室(17)，該室內(nèi)有紅外線發(fā)射、接收管(18)、(19)，它們位于鏡面前方且對(duì)稱于鏡面法線。
以下結(jié)合具體命令狀態(tài)表簡(jiǎn)要說明測(cè)量操作方法。
手動(dòng)測(cè)量非在線測(cè)量時(shí)，儀器加電后自動(dòng)進(jìn)入手測(cè)量狀態(tài)，測(cè)量時(shí)按一次“制冷”鍵，儀器開始制冷測(cè)露，顯示屏可以觀察到溫度的變化，鏡面溫度降至樣氣露點(diǎn)溫度時(shí)，鏡面上的露與氣體中的水蒸氣呈相平衡狀態(tài)，此狀態(tài)保持30秒至一分鐘后，儀器發(fā)出聲音報(bào)警信號(hào)，同時(shí)手動(dòng)測(cè)量指示燈閃爍，提示操作員記下此時(shí)儀器記錄的數(shù)值。記下數(shù)值后，按“消露”鍵，此時(shí)制冷室溫度上升，消露結(jié)束后，聲音報(bào)警，同時(shí)手動(dòng)測(cè)量指示燈閃爍，一個(gè)測(cè)量周期結(jié)束。
自動(dòng)測(cè)量回車自動(dòng)測(cè)量是一種在線測(cè)量方式，其為集中控制提供了良好的通訊手段，為科學(xué)分析系統(tǒng)的供氣質(zhì)量提供了可靠的依據(jù)。
用狀態(tài)選擇按鍵選擇自動(dòng)測(cè)量狀態(tài)，此時(shí)自動(dòng)測(cè)量狀態(tài)指示燈。
自動(dòng)測(cè)量的時(shí)間間隔可設(shè)置10、20、30、40、50、60分鐘共6檔，軟件內(nèi)定自動(dòng)測(cè)量一次的時(shí)間間隔為30分鐘，用戶可根據(jù)需要選擇不同的測(cè)量周期。
自動(dòng)測(cè)量時(shí)儀器致冷到平衡狀態(tài)保持30秒至1分鐘后，記錄露點(diǎn)數(shù)值，清洗鏡面，等待下一周期測(cè)量開始，本儀器內(nèi)存可記錄80點(diǎn)露值，起過80點(diǎn)值后儀器自動(dòng)涮新。
自動(dòng)測(cè)量狀態(tài)下儀器連續(xù)三次測(cè)不到露點(diǎn)時(shí)，則發(fā)出聲報(bào)警訊號(hào)。
存儲(chǔ)方式時(shí)間間隔、露點(diǎn)值。
按狀態(tài)鍵選擇查詢方式，再選定顯示露點(diǎn)值的起始行可逐行顯示儀器內(nèi)存中記錄下的露值。
儀器記錄的露點(diǎn)值可由打印或通過RS232接口輸出。

權(quán)利要求
1.一種智能光電鏡面冷凝式露點(diǎn)儀，包括儀器機(jī)殼，在其內(nèi)部設(shè)置有微機(jī)控制器CPU，與其相連的鍵盤、顯示器位于儀器外部，以及整機(jī)供給電源，機(jī)殼內(nèi)有測(cè)量組件，其中散熱器(21)、結(jié)露鏡面(14)分別與周圍有隔熱層的半導(dǎo)體致冷器(11)的熱端和冷端相連，所述的結(jié)露鏡面(14)位于測(cè)量室(17)內(nèi)，被測(cè)氣體流經(jīng)與測(cè)量室(17)相通的進(jìn)、排氣管(15)、(16)，光電發(fā)射、接收管(18)、(19)位于鏡面(14)前方，本發(fā)明的特征是它還包括a光電接收管接入光電測(cè)量放大電路的輸入端，由該電路放大后的模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量接至微機(jī)控制器CPU；b采集結(jié)露鏡面(14)溫度的傳感器(20)與溫度測(cè)量放大電路相連，由該放大電路放大后的模擬量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量接至微機(jī)控制器CPU；c上述的微機(jī)控制器CPU輸出的數(shù)字信號(hào)至D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)該轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成控制半導(dǎo)體致冷器工作狀態(tài)的模擬信號(hào)；d所述的微機(jī)控制器CPU還設(shè)有受讀入的光電信號(hào)，溫度信號(hào)控制的平衡控制測(cè)量模塊，它能對(duì)如下動(dòng)作進(jìn)行平衡控制；-采集光電信號(hào)；-確定目標(biāo)溫度；-計(jì)算溫度誤差；-計(jì)算致冷器工作效率，穩(wěn)定或調(diào)整致冷器的工作狀態(tài)；-穩(wěn)定或改變鏡面溫度；-影響結(jié)露呈相平衡狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的露點(diǎn)儀，其特征是露點(diǎn)儀微機(jī)控制器CPU設(shè)置了狀態(tài)控制的調(diào)度命令模塊，該模塊可以對(duì)以下動(dòng)作進(jìn)行選擇-手動(dòng)方式測(cè)量、消露;或-自動(dòng)方式測(cè)量、循環(huán)選擇、確認(rèn)測(cè)量周期;或-查詢選擇顯示露點(diǎn)值的起始行或逐行顯示露點(diǎn)值;或-通訊或打印。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種智能光電鏡面冷凝式露點(diǎn)儀，它包括微機(jī)控制器CPU、鍵盤、顯示器、以及測(cè)量組件，微機(jī)控制器的軟件部分主要包括雙回路的平衡系統(tǒng)，自動(dòng)控制被測(cè)氣體中的水蒸汽與鏡面上的露呈相平衡狀態(tài)，從而提高了露點(diǎn)儀的測(cè)量精確性，本露點(diǎn)儀是通過測(cè)量氣體結(jié)露溫度來測(cè)量氣體的微量水含量的儀器，適用于空氣、氮、氧、氫、氖、氬、六氟化硫氣體的測(cè)定。
文檔編號(hào)G01N25/66GK1109593SQ9410366
公開日1995年10月4日 申請(qǐng)日期1994年3月31日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月31日
發(fā)明者萬春, 夏茂 申請(qǐng)人:萬春, 夏茂