[发明专利]一种快速准确测定低湿气体露点的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用镜面原理快速测定露点的方法和装置，特别适合于在极端高温环境下低湿度气体露点的快速准确测定。

背景技术

冷镜式露点仪测量露点的原理为：一束光照射到可控制温度的抛光镜面上，由光电传感器接收管接受其反射光。当镜面干燥时，其反射光最大，即发射光被完全翻身并由光电传感器接收管接收。样气流经露点冷镜室的冷凝镜，通过等压制冷，使得样气达到饱和结露状态。当镜面上凝结水分成霜层时，发射光被散射，从而接受的反射光强度减弱。该接收信号比较放大后经A/D转换送入处理器，经计算后控制冷泵的制冷电流，从而控制镜面温度并使镜面保持在一定温度，此时镜面霜层保持一定的厚度，维持此厚度霜层时，光电传感器接收管接收的反射光能量损失至目标值，即气体中的水蒸气在镜面上冷凝成霜并达到相对平衡状态，维持霜层为一特定厚度，此时镜面的温度由温度传感器测量并记录为被测气体的露点。

冷镜式露点测定的主要优点是精度高，尤其在采用半导体制冷和光电检测技术后，不确定度甚至可达0.1℃；最大的缺点是响应速度较慢，尤其在检测低湿度气体的露点时，平衡时间甚至达几个小时，而且此方法对样气的清洁性和腐蚀性要求也较高，否则会影响光电检测效果或产生‘伪结露’造成测量误差。

针对低湿度气体露点测定速度慢的问题，美国专利(US5139344)通过辅助加湿装置，向低湿气体辅助加湿来缩短平衡时间，这样测定时间可以缩短至10-15分钟。然而对于未知气体由于加湿量和加湿点难以准确控制，容易造成系统振荡，从而延长稳定时间。中国发明专利(CN101236166B)通过控制方法的改进来缩短平衡时间。即在消露过程中，根据光能量偏差和光能量偏差变化率的不同区间设定相对应的电流调整步长，并通过在当前制冷电流上加或减等于此步长的电流值来调整制冷电流的大小，控制镜面温度以控制霜层厚度，使之逐渐逼近特定厚度，从而消除系统失调而出现的振荡。

现有的测定方法都是在使待测气体中的水分充分结霜后，来控制镜面温度，消除过多结霜使霜层厚度达到设定值，来测定露点。然而镜面霜层的形成相对于冷泵冷端温度有一定的滞后性。当霜层过厚时，会导致冷泵断电，冷端温度快速升高，通过镜面的气体十分干燥，水分子在镜面凝结的速度小于逃逸的速度，霜层将变薄；虽然即将达到特定霜层厚度电流迅速恢复，但因镜面温度不能迅速降低，导致霜层厚度变得过薄甚至消失。此时冷泵启动迅速强制冷，镜面迅速凝结成霜，导致结霜层过厚，周而复始。因此，镜面达到特定霜层厚度常需要经过较长时间的动态调整过程。对于在高温环境下，由于冷泵热端热量积累，散热困难，冷泵制冷能力之间下降，有时甚至很难使冷端再次制冷到低于露点的温度，导致露点难以或无法完成测量。

因此如何快速准确地实现各种湿度气体的露点的测定成为业界亟待解决的难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：1)传统的镜面式测定露点方法和装置所需稳定时间长，对于低湿度气体的露点难以或无法测量；2)具有辅助加湿装置的镜面式露点仪由于加湿的时间和加湿量难以准确控制，造成系统振荡延长测定时间，或者是加湿点位于露点附近时，会造成等幅振荡而无法完成测量。3)在高温环境下，测定低湿度气体的露点时由于制冷量限制而难以完成测量。

本发明提供一种采用镜面原理快速准确判断低湿度气体露点的方法，具体技术方案和步骤为：

控制器记录反射镜面的反/散射光的能量的初始值R₀，并实时监测镜面快速降温过程中反射镜面的反/散射光的能量R_x，计算它们的差值ΔR；

当ΔR超过某一设定值时，镜面上开始结露，记录此时的镜面温度T₁和反/散射光的能量R₁，作为预判的露点温度和反/散射光的能量的设定值；

控制系统迅速调整制冷电压，调整幅度由K1×(R₁-R_x)+K2×(T₁-T_x)计算，其中K1和K2为常数，当ΔT(即T₁-T_x)小于0.2度时，即可判断此时测量值接近被测气体的真实露点；

然后适当调整制冷片的制冷量，确保调整前后的反/散射光能量变化率趋近于零，此时镜面的结露速度与消露速度基本相同，反/散射光的能量也达到设定值，镜面的温度即为被测气体的露点。