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專利名稱：智能光電鏡面冷凝式露點儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量儀器，它用于自動化精密測量氣體的露點。
作為濕度檢測基準(zhǔn)的露點是指氣體在大氣壓下開始結(jié)露時的溫度，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量和控制的呼聲越來越強(qiáng)烈，因此，露點儀的開發(fā)與研制受到產(chǎn)業(yè)界的廣泛注意。目前，國內(nèi)有關(guān)廠家生產(chǎn)的露點儀其測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)品為非平衡式露點儀，用戶使用不方便，它表現(xiàn)在兩個方面，其一是非平衡式測量使得測量精度無法確保;其二是體積大，易出故障，也未能真正實現(xiàn)在線測量。
《中國技術(shù)成果大全》91年13期253頁刊摘了“智能式光電露點儀”，該露點儀在光電露點法煙氣預(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)實質(zhì)內(nèi)容。
中國專利局出版的《實用新型專利公報》于1989年6月14日公告的“微型智能化露點式濕度儀”(公告號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)時出現(xiàn)突然減小這一物理特征，以鑒別露點狀態(tài);作為冷源的半導(dǎo)體致冷器由單級或多級構(gòu)成以加大溫差范圍，從而提高溫度測量范圍。該技術(shù)方案利用單回路控制系統(tǒng)，直接用電信號或溫度信號去控制半導(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應(yīng)的關(guān)系，也就是說未能解決光電信號的變化滯后與變化梯度和控制溫度的對應(yīng)關(guān)系，其控制方法仍屬于非平衡式控制法，因此測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，從而提高露點儀的測量精確性能。
本發(fā)明所遵循的測量原理就是采用熱電泵冷卻鏡面，讓被測氣體在恒壓，恒流狀態(tài)下通過鏡面，當(dāng)鏡面冷卻至某一溫度時，被測氣體中的水蒸汽開始在鏡面上冷凝，通過微機(jī)自動控制使鏡面上的露與氣體中的水份呈相平衡狀態(tài)，用鉑熱電阻精確測量鏡面的溫度，該溫度就是被測氣體的露點溫度。
利用上述原理而發(fā)明的露點儀，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)露鏡面位于致冷測量室內(nèi)，被測量的氣體流經(jīng)與測量室相通的進(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量放大電路的輸入端，由光電測量放大電路放大后的模擬電信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號接至微機(jī)控制器CPU;
B采集結(jié)露鏡面溫度的傳感器與溫度測量放大電路相連，由該放大電路放大后的模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字號接至微機(jī)控制器CPU;
C上述的微機(jī)控制器CPU輸出的數(shù)字信號接至D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)該轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號，該信號接至半導(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、溫度信號控制的平衡控制測量模塊，該模塊可對如下動作進(jìn)行平衡控制-采集光電信號;
-確定目標(biāo)溫度;
-計算溫度誤差;
-計算熱泵工作效率，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)。
上述的平衡控制測量模塊所實現(xiàn)的平衡控制方案，實質(zhì)上是由光電信號決定溫度目標(biāo)值，由溫度誤差控制溫度，然后根據(jù)光電信號的變化逐漸修正溫度目標(biāo)值，最后找到汽露的相平衡點-露點。
與現(xiàn)有技術(shù)中無論是采用開放式的測量方案或簡單的PID單回路控制方案相比，也就是同非平衡式測控方案相比，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的變化滯后與變化梯度和被控制溫度均不能很好的對應(yīng)的缺陷，因此提高并確保了測量的精度，另外，本發(fā)明采用光電信號決定溫度目標(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單，并能實現(xiàn)精確的在線平衡控制測量。
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，實現(xiàn)測量、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是光電測量放大電路原理圖;
圖7是鉑熱電阻測量放大電路原理圖;
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是測量組件示意圖。
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
實施例由圖1給出的原理框圖可見，被測樣氣送至致冷室，紅外發(fā)射、接收管采集光電信號經(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經(jīng)測量放大器A2接至A/D，光電信號與溫度信號經(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是平衡控制測量模塊的邏輯圖，它是一個雙回路方案，首先由光電信號決定溫度目標(biāo)值，然后根據(jù)光電信號的變化逐漸修正溫度目標(biāo)值，最后找到汽露的相平衡點。
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、光電測量、平衡測量控制等模塊組成，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)度命令模塊可以對以下動作進(jìn)行選擇-手動方式測量、消露;或-自動方式測量、循環(huán)選擇、確認(rèn)測量周期;或-查詢選擇顯示露點值的起始行或逐行顯示露點值;或-通訊或打印。
圖4給出了光電測量子程序流程圖，被測氣體在鏡面上尚未結(jié)露時，鏡面將紅外線發(fā)射光信號全反射到接收管，此時由標(biāo)準(zhǔn)儀器整定一個光電標(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)出的光信號由鏡面慢反射(其中含有拆射的部分)到接收管，此時有一個光電值，也就是實際接收到的模擬值。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是否到結(jié)露值，如果尚未結(jié)露，則需迅速致冷使被測氣體結(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)光電誤值和符號計算調(diào)整PID系數(shù)，采集鏡面溫度并計算輸出，控制鏡面溫度，保持鏡面溫度并持續(xù)一段時間，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、計算輸出、控制鏡面恒溫程序，如果持續(xù)30秒時間結(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與結(jié)露值的值差及符號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與結(jié)露值的差值及符號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，此時的恒溫目標(biāo)值即為平衡的露點值，至此，平衡測量周期結(jié)束。
圖6給出了光電信號的放大電路，它是將紅外光電接收管的輸出電信號送變到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是溫度測量放大電路，與上述的光電信號放大電路一樣均屬公知電路，此處簡要說明。熱敏元件采用鉑熱電阻，由鉑熱電阻采集的溫度信號輸入該放大電路，進(jìn)行運算、功率放大后在ADCIN1上，運放管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，定時中斷，標(biāo)志及RAM單元，在實際運行中效果良好。
圖9和圖10是露點儀的外觀圖，在圖9中，有轉(zhuǎn)子流量計(1)用于設(shè)定被測氣體的流量，檢露目鏡(2)處觀察到鏡面(14)的結(jié)露狀態(tài)，四個按鍵(3)用于測量輸入操作提供測量命令，帶燈電源開關(guān)(4)用于提供電源，四個指示燈(23)對應(yīng)上述的測量命令執(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，被測氣體由進(jìn)、排氣管(15)、(16)進(jìn)入、流出測量室(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稱于鏡面法線。
以下結(jié)合具體命令狀態(tài)表簡要說明測量操作方法。
手動測量非在線測量時，儀器加電后自動進(jìn)入手測量狀態(tài)，測量時按一次“制冷”鍵，儀器開始制冷測露，顯示屏可以觀察到溫度的變化，鏡面溫度降至樣氣露點溫度時，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)出聲音報警信號，同時手動測量指示燈閃爍，提示操作員記下此時儀器記錄的數(shù)值。記下數(shù)值后，按“消露”鍵，此時制冷室溫度上升，消露結(jié)束后，聲音報警，同時手動測量指示燈閃爍，一個測量周期結(jié)束。
自動測量回車自動測量是一種在線測量方式，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)選擇按鍵選擇自動測量狀態(tài)，此時自動測量狀態(tài)指示燈。
自動測量的時間間隔可設(shè)置10、20、30、40、50、60分鐘共6檔，軟件內(nèi)定自動測量一次的時間間隔為30分鐘，用戶可根據(jù)需要選擇不同的測量周期。
自動測量時儀器致冷到平衡狀態(tài)保持30秒至1分鐘后，記錄露點數(shù)值，清洗鏡面，等待下一周期測量開始，本儀器內(nèi)存可記錄80點露值，起過80點值后儀器自動涮新。
自動測量狀態(tài)下儀器連續(xù)三次測不到露點時，則發(fā)出聲報警訊號。
存儲方式時間間隔、露點值。
按狀態(tài)鍵選擇查詢方式，再選定顯示露點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)位于測量室(17)內(nèi)，被測氣體流經(jīng)與測量室(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；d所述的微機(jī)控制器CPU還設(shè)有受讀入的光電信號，溫度信號控制的平衡控制測量模塊，它能對如下動作進(jìn)行平衡控制；-采集光電信號；-確定目標(biāo)溫度；-計算溫度誤差；-計算致冷器工作效率，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所述的露點儀，其特征是露點儀微機(jī)控制器CPU設(shè)置了狀態(tài)控制的調(diào)度命令模塊，該模塊可以對以下動作進(jìn)行選擇-手動方式測量、消露;或-自動方式測量、循環(huán)選擇、確認(rèn)測量周期;或-查詢選擇顯示露點值的起始行或逐行顯示露點值;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儀，它包括微機(jī)控制器CPU、鍵盤、顯示器、以及測量組件，微機(jī)控制器的軟件部分主要包括雙回路的平衡系統(tǒng)，自動控制被測氣體中的水蒸汽與鏡面上的露呈相平衡狀態(tài)，從而提高了露點儀的測量精確性，本露點儀是通過測量氣體結(jié)露溫度來測量氣體的微量水含量的儀器，適用于空氣、氮、氧、氫、氖、氬、六氟化硫氣體的測定。
文檔編號G01N25/66GK1109593SQ9410366
公開日1995年10月4日 申請日期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 申請人:萬春, 夏茂