冷鏡式露點測量結露的光電識別方法

萬浩涵，楊永軍

（航空工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095）

0 引言

露點儀是測量氣體濕度的儀器，其中應用最廣泛、測量比較準確的是冷鏡式露點儀［1-2］。冷鏡式露點儀測量過程中常用的露點判別方法有光電法、聲表面波法、圖像法等［3］，其中應用最廣泛的就是光電法。光電識別作為關鍵技術，對露點測量結果影響很大［4-7］。

1 冷鏡式露點測量的光電識別

冷鏡式露點測量的光電識別原理：利用兩對光電對管作為光電判別的傳感器，其中一對對管在冷鏡所在的測量腔內直射作為環境對照組，另一對光電對管經過有半導體制冷的冷鏡表面反射。通過半導體制冷降低冷鏡表面溫度，使測量腔內被測氣體介質中的水分凝結于冷鏡表面，冷鏡表面反射的光電對管值相對環境對照組的信號值降低，冷鏡表面大量結露時，光電管根據信號值判別出結露現象［4］。

1.1 光電識別設備

冷鏡式露點測量的光電識別裝置由某型號發射二極管和光電接收二極管組成，兩對分別作為反射組和對照組［8-9］。

發射管的光束角為15°，發光波長為935 nm，光強為2.0～4.0 mW/cm2。接收管的敏感波長范圍如圖1所示，當光照光強為5.0 mW/cm2時，感應電流為24 mA，且感應電流受溫度影響較小。

圖1 SDP8405-003敏感波段圖

接收管的感應電流會受到外界可見光光照影響，因此在使用時需要在隔絕光照的黑暗測試腔內進行實驗，同時環境對照組的設置能從一定程度上減少環境對光電管的影響。

光電識別裝置原理圖如圖2所示，一對光電管在測量腔內直射，另一對與鏡面呈35°，經冷鏡表面反射。本試驗中兩對光電管中心距冷鏡表面高7 mm，冷鏡的半徑為3.5 mm，這樣可以使反射組的光照覆蓋整個冷鏡表面，同時使初始信號值較大，對整個冷鏡表面衰弱敏感，適合用作光電識別結露。

圖2 光電識別裝置原理圖

1.2 光電識別方法

利用光電對管信號變化曲線的三階導數來判斷信號曲線的拐點，從而識別出冷鏡表面的結露。利用MATLAB對數據做高斯四階擬合，得到冷鏡表面結露過程中光電信號比值（反射組信號值/對照組信號值）的變化規律曲線［7］，曲線圖像如圖3所示。

圖3 光電信號高斯擬合曲線

對冷鏡表面結露圖像和光電信號實時變化進行分析，結露過程為：溫度降低到接近露點溫度，冷鏡表面出現零星凝結的露珠，光電信號比值開始降低，隨著溫度繼續降低，這一部分露珠變大，光電信號比值持續緩慢降低；溫度降至露點溫度，冷鏡表面很大面積上產生小露珠，光電信號比值下降速度加快；溫度持續降低，小露珠開始變大，光電信號比值快速降低。

對光電信號比值函數進行一階求導，得到描述光電信號降低速度的導數曲線，如圖4所示。

圖4 光電信號一階導數

通過實驗分析冷鏡表面圖像發現，通常在光電信號曲線下降前的一個拐點產生結露。因為此時鏡面產生了大量的凝結小露珠，造成光電接收管接收到的反射光強變弱。而鏡面凝結出大量小露珠放熱，之后光電信號降低速度略有變慢，但很快隨著露珠變大而快速降低。光電識別露點的方法就是找到光電信號曲線快速下降前，其曲線上出現的最近一個凹點，通過計算光電信號的三階導數，從三階導數中找到這個露點時刻。圖5是對光電信號比值函數求三階導數和一階導數的曲線（只觀察變化趨勢，將三階導數放大了500倍）。

圖5 三階導數與一階導數合成圖

從圖5的曲線變化中，可以看到在三階導數從正變為負值時，一階導數曲線從凹變為凸，此時的拐點即為光電識別的露點時刻。通過以上分析，根據光電信號比值判斷露點時刻t的條件是：

1）t時刻一階導數小于零；

2）t時刻三階導數等于零，且在t時刻三階導數由正變為負；

3）t與三階導數最小值間沒有零點。

根據上面的判別條件可以找到距一階導數最小值最近的一個拐點，即露點。

2 驗證實驗

為了驗證這種光電識別露點方法的準確性和適應條件，設計了如下的驗證實驗：實驗裝置由測量腔和冷鏡底座組成，測量腔和冷鏡底座密閉連接；測量腔內是安裝好的光電二極管，被測氣體從測量腔的進氣口進入，吹掃經過冷鏡表面后，從測量腔出氣口排出［8］；測量腔上方留有透明觀察孔，通過顯微鏡從該孔觀察冷鏡表面結露情況。冷鏡底座由tec半導體制冷片、冷鏡、薄膜鉑電阻組成，三者緊密連接［9］，圖6為試驗裝置照片。

圖6 試驗裝置

實驗條件有：被測氣體的露點溫度范圍、tec兩端電壓。改變這兩個實驗條件，然后利用顯微鏡記錄下冷鏡結露過程，得到冷鏡表面圖像和光電信號比值的對應關系，圖7為試驗現場圖。

圖7 試驗現場

最后查看光電識別露點與通過冷鏡表面直接觀察所得實際露點之間的誤差。圖8是利用顯微鏡觀察冷鏡表面結露時刻的圖像。

在被測氣體露點溫度為-10，0，10，20，25℃的條件下，分別以0.1，0.6，2，6℃/min的降溫速率進行三次實驗［10］，取光電識別的誤差平均值。誤差結果如表1所示。

圖8 結露時刻冷鏡表面圖像

表1 露點溫度誤差實驗數據 ℃

根據表1可以看出，在本實驗中，光電識別法的露點識別誤差不高于0.04℃，證明本文提出的冷鏡式露點測量結露的光電識別方法具有較好的準確性。

3 結論

為實現高準確度的冷鏡式露點儀結露測量，提出一種采用兩對光電對管作為判別傳感器實現冷鏡表面結露測量的光電識別方法，其中一對光電對管在冷鏡所在的測量腔內直射作為環境對照組，另一對經過有半導體制冷的冷鏡表面反射，利用測得的光電信號值的三階導數曲線零點判別冷鏡全表面產生結露的時刻。經實驗證明，該方法可以從很大程度上減少環境光照對測量結果的影響，能夠準確、快速地識別出冷鏡的結露現象，具有重要技術應用價值。