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一种新型高压气源露点测试仪和设计
贝明君
（东莞市虎门机械厂,东莞523899）
摘 要：高压气体的露点测量是衡量气体是否合格的重要指标之一.本文介绍的高压气源露点测试仪采用新型微型制冷机对镜面降温,避免了传统高压气源露点测量依靠高压空气制冷带来的系统误差,提高了冷镜式光电露点测试仪的测量精度和稳定性,同时全自动的测量模式使得操作更加简便.在当前高压气体广泛应用于特种船舶和其他工业领域的今天,可以大大地提高测量效率,具有较高的创新性和现实意义.
关键词：高压气源；露点测试；研究；设计
中图分类号：U665.2
文献标识码：A
作者简介：贝明君（1973-）,男,工程师.主要从事机械设计及制造工作.
收稿日期：2015-11-25
1前言
气体湿度是指气体中水蒸汽的含量.很多工业生产过程中都需要测量气体湿度,湿度检测是气体或压缩空气质量等级控制和完善气源系统的重要环节.气体露点温度是气体常用的湿度表示方法之一,它是指用等压冷却的方法使气体中的水蒸汽冷却至凝聚相出现,或通过控制冷镜面的温度使气体中的水蒸汽与（凝聚相）镜面露层的平展表面呈热力学平衡状态,准确的测出此时的温度即为该气体的露点温度,测量气体露点温度的仪器称为露点测试仪.
传统的高压气源露点测量,通常是采用基于光电检测的镜面冷凝式露点测试仪（又称冷镜式露点测试仪）,其制冷方式主要有半导体制冷和高压空气制冷两种.
半导体制冷系统为了达到一定的测量范围,必须配合压缩机和水冷系统使用,导致产品体积大、贵,且测量范围一般只能达到-60℃.
高压空气制冷系统成本低、测量范围大并且容易实现,但也存在明显缺点：(1)高压空气通过小孔节流效应进行制冷,必须手动进行控制,测量过程比较复杂,影响测量效率；(2)降温速度受到制冷阀门、气体压力、外界温度等方面影响,很难控制,影响测量结果的准确性；(3)当高压空气水分较多时,用于节流的小孔容易堵塞,影响测量进行；(4)光电采集系统灵敏度较差,加上降温速度、气体流量等因素的影响,采集的露点测量值重复性和准确性差.
本文介绍一种新型的高压气源露点测试仪（暂定型号：JH-7000）,它采用新型专用制冷机进行制冷,温度控制准确,测量范围广泛.同时采用最新的控制技术实现全自动测量,优化了光电采集系统和软件算法,提高了测量灵敏度和准确性,为高压气源露点测试提供了新的手段.
2系统组成和工作原理
JH-7000露点测试仪基于冷镜式原理,其电路部分主要包括制冷机模块、光路采集模块、控制模块：制冷机模块包括微型制冷机和制冷机电源,主要负责对镜面降温及加热、采集镜面温度并发送至控制模块；光路采集模块的主要功能是对光源供电、采集光电转换信号并发送至控制模块；控制模块主要功能是通过通信接口对制冷机模块和光路采集模块发送控制指令并接收温度、光路信号,负责控制检测流程以及显示人机交互界面等功能.
光路部分由光源、滤光组件、透镜、反射镜面和硅光电池组成.气体经过进气口吹入测量腔体,从镜面上方掠过,并通过流量调节阀门控制流量,使之达到测量要求.当气体在镜面上结露时,光路被改变,从而使硅光电池产生的电信号产生变化.
系统原理图,如图1所示.
3主要关键技术
3.1微型制冷机技术
目前市场上的冷镜式露点测试仪除采用液氮或高压空气制冷外,主要采用的是热电制冷（帕尔帖冷泵）配合压缩机使用,该技术的优点是温度控制精度高、范围广,但缺点是体积大、重量重,不具备便携性.
液氮容器体积较大,安装受局限,测量过程中液氮消耗快,制冷速度难以控制,造成露点测试仪检测精度、检测效率较低,而且在某些工业场合不易获得.
空气节流制冷方式是熵增最大的一种制冷方法,其最低制冷温度完全依赖于压缩空气的压力及节流效率,在压缩空气压力较低的场合难以应用.实际工程应用中,高压空气节流制冷难以控制降温速度,导致测量结果重复性差,并且由于节流阀气孔较小,会经常出现气体中水分结冰而堵塞气孔,导致降温不均匀甚至无法降温的情况.
为了摆脱露点测试仪对液氮或高压空气制冷的依赖,使得产品的用途和适用场所更加广泛,通过对制冷技术的调研,JH-7000露点测试仪采用了根据斯特林原理的微型制冷机对镜面降温,斯特林热力循环,具有最高的热力学效率,等同于完美的卡诺循环,其功耗低、降温快.斯特林制冷机是小型低温制冷机中应用最广泛、发展最成熟的一种,具有稳定可靠、功耗低、降温速度快和范围广等特点,仅需供电就能工作,无需其他设备提供冷源,并且温度控制更加精确,有助于提高测量的准确度.
JH-7000露点测试仪使用小型斯特林制冷机,采用曲柄连杆及双活塞机构,通过应用浮动式大气缸及球头式万向节等柔性连接方式,避免气缸和活塞之间的硬碰撞和摩擦,解决了斯特林制冷机南于干摩擦导致摩擦副材料容易损伤、抱死的问题,并在一定程度上降低了活塞和气缸等主要部件的精度加工要求和装配难度,提高了整机的可靠性及使用寿命；其设计结构紧凑、整机体积小,重量仅为帕尔贴冷泵系统的1／3；工作温度范围宽,低温可降至-100℃以下,满足特纯气体、压缩空气等多种气体全量程露点检测需要；其工质气体为氮气等惰性气体,密封在腔体内,容积不足1L.与高压节流制冷方法相比,其制冷性能受外界环境影响小,制冷性能稳定可靠,并且配备专用电源模块,该模块主要功能包括对制冷机供电、采集镜面温度和通信功能.通信功能主要负责将采集的镜面温度通过串口发送至控制系统,同时接收控制系统的指令执行降温和升温等操作.在系统控制下制冷机逐步降温,与气路、光路等协同完成整个测量过程中的信号检测与高速精确露点锁定,从而实现了全自动测量.
3.2光路系统设计
光路系统主要包括：光学系统、光源供电模块、光电池放大模块和光路采集模块.其中,光学系统主要包括一个LED光源,通过一组透镜产生平行光照射在高反射镜面上,反射光通过另一透镜聚焦在感光器件上；感光器件采用硅光电池,并将放大电路和硅光电池做成一个整体,只留电源接口和信号输出线,组成光电池放大模块,这样不仅方便测试硅光电池性能,并且增强抗干扰性；光路采集模块负责采集光电池放大模块输出的信号,并将光电信号通过串口发送到控制系统.
传统的光电冷镜式露点测试仪一般采用白炽灯作为光源、光电管作为感光器件,镜面尺寸较大,通常为直径为10~ 20 mm.该设计对测量结果影响较大,首先是白炽灯寿命短且属于自发热光源,长时间使用产生的热量会破环测量室的环境热平衡,从而使其他器件的温漂特性放大,造成测量误差；光电管对光源亮度要求较大,而且易受电压波动影响；镜面直径过大会导致部分区域无法被光线照射,从而影响对镜面结露的判断,此外也会降低制冷效率,使得温度下降更加不均匀,导致测量误差变大.
为了解决上述问题,JH-7000露点测试仪采用红色LED作为光源,硅光电池作为感光器件,镜面面积进一步缩小.LED属于冷光源,自身不会在工作时发热,同时具有寿命长、照度稳定、可靠性高等特点.根据硅光电池的光谱特性,选用红色LED,使光电池接收的信号位于灵敏度最高的波长区间.硅光电池是无源器件,稳定性好且感光面积大,可将其看作电流源来使用,相比光电管具有更好的稳定性和抗干扰能力.JH-7000露点测试仪设计的镜面直径仅为5 mm,更小的面积使得镜面所有区域均能被光线照射,从而对任一点的结露情况都能及时作出响应.此外,镜面体积的减小提高了制冷效率,配合专用微型制冷机的使用,能够稳定控制镜面温度,从而提高测量精度.
与传统光电露点测试仪的光学系统相比,JH-7000露点测试仪还优化了反射光路径,不使用挡光器件.镜面未结露时,光线反射后经透镜聚焦全部照射在感光器件上；镜面结露后,光线发生漫反射,部分光线经透镜散射无法被感光器件接收,从而判断镜面出露.该设计在保证灵敏度的前提下降低了光路系统安装调试的难度,提高了仪器的可维修性.
3.3气路系统设计
气路系统包括减压系统和管路系统.高压气体进入设备后,首先通过一级减压装置减压,将压力限制在5 MPa以下,再经过二级减压装置,通过调整流量调节阀门,使被测气体安全通过测量腔体.所有气路均采用1/8英寸精密冷拔无缝内抛光不锈钢管作为取样管路,接头部分均采用双卡套密封,螺帽轴向推动后卡套,后卡套推动前卡套挤压Tube管使其产生塑性变形,继续旋紧螺帽,后卡套挤压Tube管起到抓紧作用,从而实现无泄漏密封.采用双卡套连接的接头、螺帽采用优质316不锈钢,螺帽螺纹采用表面镀银技术,防止在高温高压下螺纹发生咬死现象.Tube管同溶处理后的硬度要低于接头体和卡套,同时光管表面光滑无缺陷,易于弯曲或扩管,方便并可实现完全密封.
3.4镜面温度采集设计
目前国内外类似产品在镜面温度采集方面均采用铂电阻式温度计或传感器,温度采集都使用了接触式采集的方法,该方法的主要缺点在于测量端与镜面底部为点接触,即使通过导热硅脂粘合,测量出的温度也不可避免的和镜面实际温度产生较大梯度误差,虽然铂电阻精度上满足要求,但却因为测量方式影响了准确度.因此如何减少温度梯度,提高测量准确度,是使用铂电阻温度传感器测量镜面温度时需要解决的关键技术.
为此,JH-7000露点测试仪采用6 mm×2 mm金属封装Ptl00铂电阻,利用特殊工艺将铂电阻焊接在镜面底部,这样使得镜面和铂电阻成为整体结构,有利于温度的均匀传导,减少温度采集点与镜面的温度梯度误差.另外,在电路设计上,针对Ptl00铂电阻温度传感器,使用XTR105和RCV420芯片组成Ptl00应用电路进行温度采集.基本电路图如图2所示.
3.5软件设计
JH-7000露点测试仪控制单元处理器采用三星S3C2416芯片,运行WinCE5.0操作系统,软件使用c#语言编写,开发环境为Visual Studi02008,显示屏为7英寸触摸液晶屏,软件主要工作界面直观丰富、易于操作.软件设计方面,在露点分析算法上采用中值滤波对光路曲线进行预处理,再利用小波分析的方法,采用Haar小波对一维光路信号进行小波分解,经过8级分解后得到的平均分量能够准确获取曲线拐点,从而计算出露点温度.
此外,传统的冷镜式光电露点测试仪在判断光路变化时,往往采用固定光路初始值的方法,即测量之初记录当前光路值,等待光路值变化超过设定阈值后判断结露,计算露点.该方法的缺点在于无法消除光路系统受温度变化产生的影响,随着测量温度的不断下降,金属镜面会发生微弱形变,这可能在一定程度上会改变光路值,此时如果仍然按照初始固定的光路值,在静态阈值的情况下会引起测量误差.JH-7000露点测试仪采用动态初值法进行测量,补偿光路系统产生的误差.动态初值法是指测量开始阶段记录当前光路值,在测量过程中不断判断光路值变化,根据露点测试仪本身设计特性不断排除噪声（即光路突变）对光路值的影响,同时更新初始值,因此保证了在镜面发生形变的情况下仍然能够通过既定阈值准确判断出结露时间.
4结论
本文研究和设计的新型露点测试仪采用新型微型制冷机对镜面降温,避免了传统高压气源露点测量依靠高压空气制冷带来的系统误差,同时提高了冷镜式光电露点测试仪的测量精度和稳定性,全自动的测量模式也使得操作更加简便.在当前高压气体广泛应用于特种船舶和其他工业领域的今天,该测试仪可以大大地提高气体的测量效率,具有较大的创新性和现实意义.
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