冷鏡式露點儀自動控制的能效分析

近年來，在濕度與水分的測量中，冷鏡式露點儀作為主要的測量儀器，發(fā)揮著極為重要的作用。絕大部分的實驗室都使用其作為濕度計量檢測標準，越來越多的企業(yè)也都把冷鏡式露點儀作為企業(yè)標準使用，因此冷鏡式露點儀自動控制的能效至關(guān)重要。

原理上濕度檢測儀器可分為機械式、干濕球、阻容式、電解法、冷鏡式、光腔衰蕩等。其中，冷鏡式露點儀是目前濕度測量中最為準確、可靠的測量儀器，廣泛地應(yīng)用于濕度標準傳遞及對濕度控制要求較高的工業(yè)測量。在冷鏡式露點儀工作過程中，會出現(xiàn)一些影響其測量結(jié)果的不可控因素，影響工作效能的發(fā)揮。

冷鏡式露點儀自動控制工作原理

待測量的氣體進入露點測量腔后，需從鏡面?zhèn)鞲衅鞅砻媛舆^，鏡面?zhèn)鞲衅鞔藭r的溫度如果比被測氣體露點溫度高時，鏡面會持續(xù)干燥，不會結(jié)露。控制回路此時會驅(qū)動熱電制冷器制冷設(shè)備對鏡面溫度進行降溫，當鏡面?zhèn)鞲衅鞯臏囟认陆档酱郎y量氣體的結(jié)露點溫度以下時，鏡面上開始出現(xiàn)凝霜結(jié)露現(xiàn)象，導(dǎo)致光在鏡面上產(chǎn)生漫反射，光探測器接收到的反射信號將變?nèi)酰藭r，控制回路會調(diào)節(jié)熱電制冷器的激勵機制，促使其制冷激勵變?nèi)酰敝羚R面?zhèn)鞲衅鞯臏囟扰c待測氣體的露點溫度基本保持一致。此時，通過可視裝置檢查或觀察傳感器的冷凝狀態(tài)，來判斷鏡面?zhèn)鞲衅魃系睦淠锸锹叮ㄒ簯B(tài)，呈圓形或橢圓形）還是霜（固態(tài)，呈晶狀體）。而露點溫度則是由鏡面?zhèn)鞲衅飨路骄o貼著的鉑電阻溫度計來測量，如圖1所示。

圖1 冷鏡式露點儀自動控制工作原理

開爾文效應(yīng)

由開爾文效應(yīng)產(chǎn)生的測量誤差分析

彎曲表面上的飽和水汽壓與平面上所處情況不同。當露結(jié)在金屬表面上時，由于液體表面具有收縮作用的張力，與純平面的飽和水汽壓相差很大，同溫度下，露滴狀態(tài)的飽和水汽壓力會略高于平面狀態(tài)的飽和水汽壓力，最終凝霜結(jié)露的露點溫度會略低于實際的結(jié)露點溫度，這種影響稱為開爾文效應(yīng)。

解決開爾文效應(yīng)的措施

解決開爾文效應(yīng)的措施主要有：應(yīng)選擇光潔度好、不易老化、導(dǎo)熱性能好的鏡面材質(zhì)。露滴的飽和水汽會在一定的情況下適當?shù)卦黾悠淝拾霃剑瑥亩嵘R面結(jié)露的質(zhì)量；清潔過濾待測量氣體，減少氣體中的油蒸汽，減小誤差。

鏡面污染

拉烏爾效應(yīng)

拉烏爾效應(yīng)是指在測量濕度或水分的過程中，精密露點儀的鏡面上存有水溶性物質(zhì)時，形成的混合水汽壓力會略低于純水的飽和水汽壓力，迫使鏡面結(jié)露提前，引起測量結(jié)果誤差。該水溶性物質(zhì)可能是被測量的氣體中攜帶的也有可能是存在鏡面上的。在整個測量過程中，拉烏爾效應(yīng)的影響比開爾文效應(yīng)的影響更甚。

根據(jù)拉烏爾定律，水溶液的露點溫度高于純水，其升高值正比于水溶物質(zhì)的摩爾分數(shù)，由于霜與水溶物質(zhì)相互不溶，在低于0℃鏡面上結(jié)霜時，此影響較小，基本可以忽略。

改變鏡面本底散射水平

有些難以溶于水的物體，比如灰塵，粘染在露點儀鏡面上時，會導(dǎo)致鏡面本底的散射水平增高，可能會引起露點儀產(chǎn)生零點飄移。

解決鏡面污染的措施

露點儀自潔功能

具有自洗清潔功能的冷鏡式露點儀可以通過該功能達到鏡面的適度清潔，以減少或消除鏡面雜質(zhì)帶來的影響。

露點儀功能操作

在開始測量前，可先給鏡面進行深度制冷，之后再進行升溫，循環(huán)操作數(shù)次后直至達到露點，但對于沸點較高的雜質(zhì)顆粒，此方法不適用。

清洗鏡面

鏡面污染通常用一根棉簽蘸取蒸餾水或酒精擦拭，滴少許蒸餾水，使之基本均勻分布于整個鏡面之上，用棉簽將水吸收干凈。實驗證明，用一大滴蒸餾水覆蓋鏡面后，使用潔凈的氣流將水滴從鏡面表面吹離，或使用抽氣機將水滴抽離，這樣清洗鏡面的效果會更好，鏡面冷凝層上的冰晶或滴露分布均勻。

露點儀測量露點的自動化控制方法

露點儀測量露點的自動化控制方法主要有以下三種：

PID調(diào)節(jié)控制方法

此控制方法為固定調(diào)節(jié)值的一種控制方式，比如：恒定的比例、積分和微分系數(shù)等，由于在整個測量過程中使用固定不變的調(diào)控值，系統(tǒng)整體適應(yīng)性較差，在測量過程中容易形成類阻尼振蕩，而造成測量時間偏長。

模糊控制方法

模糊控制方法是設(shè)置了一定的參數(shù)范圍，在此范圍區(qū)間內(nèi)比例、積分、微分參數(shù)可進行變化調(diào)節(jié)，儀器系統(tǒng)根據(jù)響應(yīng)可自我調(diào)整參數(shù)，適應(yīng)性較好，測量過程中系統(tǒng)振蕩較少，測量時間縮短，相比PID調(diào)節(jié)方式有較大的改進。

偏差控制方法

模糊控制方法盡管比PID控制方法有了較大改進，但這兩種自動化調(diào)節(jié)方式仍然存在一定的缺陷。在一些特殊的情況下，例如：在高溫工作環(huán)境下，或是測量濕度較低氣體，或人為不當操作而導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩時，難以有效進行精準測量。而導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩的原因是因為鏡面上霜露層的形成和冷泵制冷溫度相關(guān)，同時也存在著一定的滯后。當鏡面結(jié)霜層過厚時，冷泵系統(tǒng)會自動斷開，這時鏡面上冷端溫度就會快速升高，霜層隨之變薄，盡管在即將達到某種厚度時冷泵會快速啟動，但因滯后，鏡面的霜層會持續(xù)地變薄甚至消失。此時冷泵會啟動強制冷，鏡面上再次快速結(jié)霜，從而導(dǎo)致霜層再次過厚，循環(huán)往復(fù)，特別是在高溫條件下，冷泵的制熱端熱量易堆積，不易消散，冷泵制冷能力逐漸下降，影響露點測量。

當前，冷鏡式露點儀基本上均采用了偏差控制方法。該方法在鏡面消露過程中，根據(jù)鏡面反射光能量的偏差與偏差變化率的不同區(qū)間設(shè)定了電流自我調(diào)整的數(shù)值，在當前制冷的電流上加上或減去相應(yīng)的數(shù)值來控制制冷電流大小，由控制鏡面溫度來控制霜層厚度，使鏡面上形成的霜層逐漸接近特定的厚度，由此消除高溫環(huán)境下或是測量濕度較低的氣體時出現(xiàn)的系統(tǒng)振蕩。