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      芬蘭VAISALA DMP248 精密露點儀的原理與應用

      來源: 2009-12-27 訪問:
      一:簡介

        對于露點溫度-60°c的濕度測量長期以來只依靠鏡面的方法,該方法從原理上講只要有足夠的制冷措施,就能測量任意露點溫度。這種方法的最大問題就是對氣體要求很高,任何雜質和污染都會導致極大的測量誤差。因此它幾乎不能在線使用。另一個低濕度的傳感器就是氧化鋁傳感器。它最低可測到(-100°c)露點,但是這類傳感器在保護狀態下每年也會漂移±6°c……±10°c。因此就不能保證其工作的穩定性。另外以上兩種類型儀表,校準也非常困難,這是因為它需要專門的露點發生器。由vaisala公司發明的高分子薄膜電容具有很高的穩定性和抗污染能力。但長期以來只能用于露點-40°c以上濕度測量,-40°c……-60°c的測量非敏感元件達不到,而是存在著很大的誤差。這主要是因為傳統的計算方法和校準方法的問題。

        vaisala公司針對以上問題進行了長期研究,利用在線狀態下自動修正零點偏移這一行之有效的方法,徹底地解決了低露點測量的精度問題。從而為低濕度測量提供了一種既穩定又精密的方法。

        dmp248系列精密露點儀是vaisala公司推出的專門用于測量低濕露點點的精密儀表,它內含在線自動修正零點偏移這一專利軟件,它的探頭是由高分子薄膜式濕敏電容和pt100鉑電阻組成的復合敏感元件。drycap和drycap.j高分子濕敏電容c的變化和測量氣體的相對濕度(rh)成正比,而pt100可直接測量氣體的溫度(t)。由此可分別計算出露點溫度(td),體積濃度比(ppmv)。因此dmp248儀表雖然是精密露點儀,但其校準參數 仍然是相對濕度rh和溫度t。通常情況下兩點校準就可以滿足其精度了,因為相對濕度rh和濕敏電容的電參數成線性關系。這是其它類型的露點儀無法比擬的。

        vaisala公司的濕敏電容是世界上最穩定的濕敏元件,其自動修正零點偏移軟件具有專利保護。它的dmp248系列精密露點儀擁有以上兩項技術。它低濕,穩定性具有世界領先水平,該儀表既可在線使用,亦可離線使用。其精度及量程范圍特別適合開關sf6氣體、氫站h2氣體、空氣中的n2、co2等氣體的微量水分測量。


      二:dmp248測量原理

       dmp248系列采用了vaisala公司自發明的drycap敏感元件,該元件是專門用在低濕環境的溫濕度測量并具有極強的抗結露能力。它包含了一個高分子濕敏薄膜電容和熱敏電阻。電容值和相對濕度(rh%)成正比。加入溫度信號后就可以由drycap元件直接反映出pw(水汽壓)或露點值了,其推導如下:

        由溫度傳感器的pt-100可以測出氣體的溫度值t0,根據go-ff-gratch和wexler修正公式可求出溫度t下的飽和水汽壓pws(t):



       log(pws(t))=(c1t-c2)/(t-c3)(t>0) (1)

      或者
       log(pws(t))= c4-c5/t (t<0) (2)

      又因為:rh=pw/pws(t)

      所以氣體的水汽壓pw為:pw=rh×pws

        此時由pw求出露點溫度值td0、td值可以分別由(1)、(2)式求出。但在(1)、(2)中應將pws(t)由pw更換,t由td更換。對于0°c以下的低濕露點值當然也可由上述方法直接求出。但是其精度卻很難保證,因為相對濕度越接近于零,其露點精度就越隨著零點漂移量的變化而快速下降。由于其零點漂移使得誤差就越大,所以為了提高其測量精度必須在測量過程中設法減少其0%rh零點漂移。

        例如:當露點為-40°c,溫度為20°c時,其相對濕度為0.55%rh0偏移量為0.2%rh時(對于一般的rh傳感器來說,這要比其技術指標好的多了),使得實際測量的rh變為0.35%了。此時計算得出的露點為-44°c,所以一個看起來較小的偏移量誤差(該誤差可由偏移或校準失誤產生)對于低rh值來說將產生一個不能接受的露點誤差。為解決這一精度問題,dmp248系列精密露點儀使用新的專利計算方法,即儀表在在線工作時自動計算偏移量變化并調整這一偏移量,這一過程可由以下公式 來表達:



                   rhout=rh0+gain×pw/pws(t) (3)



                     rh0=完全干狀態下的輸出

                     pw=水汽壓

                     pws(t)=溫度t的飽和水汽壓



        函數pws(t)很容易求解,所以在同一水汽壓(pw)下測量兩個溫度t值即兩個pws(t)就可以計算出漂移量rh0值了。

      (假定pw在這一過程中保持不變)

        如上圖所示,其漂移量誤差為-0.2%rh,測量溫度范圍20°c……30°c,其露點溫度為-40°c,gain為100%,隨著溫度的升高rh%降低,因為前響應是線性的,此時rh0=0.2%。由讀出的數值(0.35%rh)減去這一數據,就得到了正確數值為0.55%rh.由兩點測量數據劃一條直線,該直線和y軸的交點就是rh0。

        下圖顯示dmp248探頭所安裝的drycap敏感元件,drycap由高分子濕敏元件和溫敏元件組成。由濕敏元件和pt-100r的信號時,drycap就可以精確地計算出水汽壓,從而可確定出低濕露 點值。在自動校準周期間,pt-100元件首先用來加熱,然后來測量溫度。整個自動校準周期需時60……70s,當自動周期被激活時,傳感器的輸出被鎖定。

      drycap探頭在dmp248的安裝

      ? 注 意:自動校準僅當dmp248使用在相對濕度低于10%rh(露點在-12°c……20°c以下)和溫度在0°c……+80°c才能有效。

      三:面板說明?

      ? ?1、液晶顯示屏

        2、功能鍵

        3、電源開關(power)

        4、電源指示燈(LED

        5、功能鎖

        6、入氣口 (調節閥)

        7、流量計

        8、充電口

       四:操作說明

      ??? 1、將氣源通過四氟管接入氣體入口的快速接頭,將流量計向右旋轉90°,使其垂直于面板。

        2、調節閥門,觀察浮子起動,確保有氣體輸出,流量應控制 在0.75l/min左右(sf6流量計)或 2l/min左右(h2流量計)

        3、將安全鎖置于紅點位置,打開電源(按下power),觀察數據顯示,LED為綠色,表示電量充足,隨著電量下降,LED指示燈逐漸變黃,LED為紅色,表示電量已不足但仍可使用1小時。

        4、按▲▼鍵,可在液晶屏上分別顯示出rh、t、td、ppmv的參數值。  

        5、按下power時,無數據顯示,或紅燈已亮,應立即充  電。

        6、充電時,紅燈亮表示電量不足,綠燈亮表示電量充足。

        7、充電具有保護功能,在10小時以上可以充足。

        8、電池無電時,可直接由充電器供電。

        9、在使用過程中,一般在10分鐘以內儀表即可達到穩定,若有反應遲鈍現象出現時,可參照第七章內容將儀表做強迫自動校準。

        10、測量結束后,應及時關斷電源,關閉調節閥,退出四氟管向左90°放下流量計。

      五、技術參數

      ? (1)露點(dp)

        測量范圍 -60°c……+60°c

        精 度 -50°c……+20°c(±0.5°c)

        響應時間 +20°c……0°c 10s

        0°c……20°c 10s

        -20°c……-40°c 200s

        -40°c……-60°c 400s

      ? (2)溫度(t)

        測量范圍 -40°c……+80°c

        精 度 ±0.1°c(at 20°c)

      ?? (3)相對濕度(rh)
        測量范圍 0……100%rh

        精 度 rh<10%時±0.0025%+8.75% of reading

        rh>10%時±0.7%+2% of reading

      ??? (4)絕對溫度(ah)

        測量范圍 0……600g/m3 (±1%ah)

      ?? (5)體積濃度比(ppmv)

        測量范圍 0……30000ppmv

      ?? 6)模擬輸出 4……20ma 0……20ma

        精 度 ±0.05full scale

        (7)串 型 口 rs232c

      ??? 8)外型尺寸 295×240×90(mm)

      ?? (9)重 量 4kg

      ?? 六:強迫自動校準

      ?  1、將功能燈置于綠點,用sf6氣體或高純氮氣吹掃dmp-248,直到rh<3%rh,并且td每次變化小于0.01°c。關掉氣源,并關上進氣調節閥。

        2、觀察儀表,其顯示值在5秒內td值小于0.1°c,否則重新吹掃。

        3、按“cl”鍵盤一次,再按“▼”鍵一次,選擇“more”,這時“more”開始閃爍,然后按“ent”鍵。

        4、當“addr“閃爍時,再按“▼”鍵一次,此時“more”開始閃爍,然后按“ent”鍵。

        5、此時“regen”正在閃爍,按“▲”鍵一次,“drycal“開 始閃爍,然后按”ent“鍵。

        6、此時“settings”正在閃爍,按“▲”鍵一次,“calibration”然后按“ent”鍵,等待2分鐘左右,儀表重新顯示數據,則自校準完成。

        7、任何一步操作失誤時,可按“cl”鍵清除,然后從第一步開始操作。

      ?  注意:校準期間不得關斷電源。

      ?? 七:人工校準

      ??? 1、將功能鎖置于“紅點”狀態。

        2、將高純氮氣引入進氣口,調節閥門使氣體流量控制在0.75l/min(sf6流量計) 或1.8l/min(h2流量計)。

        3、按“cl”鍵進入主菜單,用箭頭鍵“▲”或“▼ ”選擇“cali”(校準狀態)之后再按“ent”鍵。再用箭頭鍵“▲”或“▼ ”選擇“rh”(濕度佼準)然后再按“ent”鍵。

        4、如果是更換濕敏元件后校準,則選擇“sensor changed”(更換探頭校準),反之選擇“not changed”(不更換探頭校準),然后按“ent”鍵。

        5、如選擇更換探頭“sensor changed”(更換探頭必須選擇“sensor changed”)程序自動選擇兩點法校準。首先是第一點“rh1”校準,將探頭插入licl2鹽溶液槽,等到數據穩定后用箭頭鍵“▲”或“▼”將相對濕度數值調整到“11.3%rh”按“ent”鍵(只能按一次),程序會轉到第二點“rh2”校準,將探頭插入nacl2鹽溶液槽,等到數據穩定后用箭頭鍵“▲”或“▼”根據室溫的不同將相對濕度數值調整到“75.3%rh”左右,按“ent”鍵結束校準。

        6、如果不更換探頭,“not changed”程序選擇一點法校準“rh1 point cali”利用高純氮吹掃儀表,觀察顯示值半小時以上,利用“▲”或“▼ ”鍵調節rh1,使rh1為 ±0.02之間,然 后按“ent”返回。

        7、若有必要,可重復校驗一次。校驗完成后重新將安全鎖放置在綠點上。

        8、溫度一般不需要校準,若有必要可按“cl”鍵后選擇“ cali”(校準狀態)按“ent”鍵, 然后選擇“t”(溫度校準)。校驗方法同濕度校準方法。
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