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    芬兰VAISALA DMP248 精密露点仪的原理与应用

    来源: 2009-12-27 访问:
    一:简介

      对于露点温度-60°c的湿度测量长期以来只依靠镜面的方法,该方法从原理上讲只要有足够的制冷措施,就能测量任意露点温度。这种方法的最大问题就是对气体要求很高,任何杂质和污染都会导致极大的测量误差。因此它几乎不能在线使用。另一个低湿度的传感器就是氧化铝传感器。它最低可测到(-100°c)露点,但是这类传感器在保护状态下每年也会漂移±6°c……±10°c。因此就不能保证其工作的稳定性。另外以上两种类型仪表,校准也非常困难,这是因为它需要专门的露点发生器。由vaisala公司发明的高分子薄膜电容具有很高的稳定性和抗污染能力。但长期以来只能用于露点-40°c以上湿度测量,-40°c……-60°c的测量非敏感元件达不到,而是存在着很大的误差。这主要是因为传统的计算方法和校准方法的问题。

      vaisala公司针对以上问题进行了长期研究,利用在线状态下自动修正零点偏移这一行之有效的方法,彻底地解决了低露点测量的精度问题。从而为低湿度测量提供了一种既稳定又精密的方法。

      dmp248系列精密露点仪是vaisala公司推出的专门用于测量低湿露点点的精密仪表,它内含在线自动修正零点偏移这一专利软件,它的探头是由高分子薄膜式湿敏电容和pt100铂电阻组成的复合敏感元件。drycap和drycap.j高分子湿敏电容c的变化和测量气体的相对湿度(rh)成正比,而pt100可直接测量气体的温度(t)。由此可分别计算出露点温度(td),体积浓度比(ppmv)。因此dmp248仪表虽然是精密露点仪,但其校准参数 仍然是相对湿度rh和温度t。通常情况下两点校准就可以满足其精度了,因为相对湿度rh和湿敏电容的电参数成线性关系。这是其它类型的露点仪无法比拟的。

      vaisala公司的湿敏电容是世界上最稳定的湿敏元件,其自动修正零点偏移软件具有专利保护。它的dmp248系列精密露点仪拥有以上两项技术。它低湿,稳定性具有世界领先水平,该仪表既可在线使用,亦可离线使用。其精度及量程范围特别适合开关sf6气体、氢站h2气体、空气中的n2、co2等气体的微量水分测量。


    二:dmp248测量原理

     dmp248系列采用了vaisala公司自发明的drycap敏感元件,该元件是专门用在低湿环境的温湿度测量并具有极强的抗结露能力。它包含了一个高分子湿敏薄膜电容和热敏电阻。电容值和相对湿度(rh%)成正比。加入温度信号后就可以由drycap元件直接反映出pw(水汽压)或露点值了,其推导如下:

      由温度传感器的pt-100可以测出气体的温度值t0,根据go-ff-gratch和wexler修正公式可求出温度t下的饱和水汽压pws(t):



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

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

    又因为:rh=pw/pws(t)

    所以气体的水汽压pw为:pw=rh×pws

      此时由pw求出露点温度值td0、td值可以分别由(1)、(2)式求出。但在(1)、(2)中应将pws(t)由pw更换,t由td更换。对于0°c以下的低湿露点值当然也可由上述方法直接求出。但是其精度却很难保证,因为相对湿度越接近于零,其露点精度就越随着零点漂移量的变化而快速下降。由于其零点漂移使得误差就越大,所以为了提高其测量精度必须在测量过程中设法减少其0%rh零点漂移。

      例如:当露点为-40°c,温度为20°c时,其相对湿度为0.55%rh0偏移量为0.2%rh时(对于一般的rh传感器来说,这要比其技术指标好的多了),使得实际测量的rh变为0.35%了。此时计算得出的露点为-44°c,所以一个看起来较小的偏移量误差(该误差可由偏移或校准失误产生)对于低rh值来说将产生一个不能接受的露点误差。为解决这一精度问题,dmp248系列精密露点仪使用新的专利计算方法,即仪表在在线工作时自动计算偏移量变化并调整这一偏移量,这一过程可由以下公式 来表达:



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



                   rh0=完全干状态下的输出

                   pw=水汽压

                   pws(t)=温度t的饱和水汽压



      函数pws(t)很容易求解,所以在同一水汽压(pw)下测量两个温度t值即两个pws(t)就可以计算出漂移量rh0值了。

    (假定pw在这一过程中保持不变)

      如上图所示,其漂移量误差为-0.2%rh,测量温度范围20°c……30°c,其露点温度为-40°c,gain为100%,随着温度的升高rh%降低,因为前响应是线性的,此时rh0=0.2%。由读出的数值(0.35%rh)减去这一数据,就得到了正确数值为0.55%rh.由两点测量数据划一条直线,该直线和y轴的交点就是rh0。

      下图显示dmp248探头所安装的drycap敏感元件,drycap由高分子湿敏元件和温敏元件组成。由湿敏元件和pt-100r的信号时,drycap就可以精确地计算出水汽压,从而可确定出低湿露 点值。在自动校准周期间,pt-100元件首先用来加热,然后来测量温度。整个自动校准周期需时60……70s,当自动周期被激活时,传感器的输出被锁定。

    drycap探头在dmp248的安装

      注 意:自动校准仅当dmp248使用在相对湿度低于10%rh(露点在-12°c……20°c以下)和温度在0°c……+80°c才能有效。

    三:面板说明 

       1、液晶显示屏

      2、功能键

      3、电源开关(power)

      4、电源指示灯(LED

      5、功能锁

      6、入气口 (调节阀)

      7、流量计

      8、充电口

     四:操作说明

        1、将气源通过四氟管接入气体入口的快速接头,将流量计向右旋转90°,使其垂直于面板。

      2、调节阀门,观察浮子起动,确保有气体输出,流量应控制 在0.75l/min左右(sf6流量计)或 2l/min左右(h2流量计)

      3、将安全锁置于红点位置,打开电源(按下power),观察数据显示,LED为绿色,表示电量充足,随着电量下降,LED指示灯逐渐变黄,LED为红色,表示电量已不足但仍可使用1小时。

      4、按▲▼键,可在液晶屏上分别显示出rh、t、td、ppmv的参数值。  

      5、按下power时,无数据显示,或红灯已亮,应立即充  电。

      6、充电时,红灯亮表示电量不足,绿灯亮表示电量充足。

      7、充电具有保护功能,在10小时以上可以充足。

      8、电池无电时,可直接由充电器供电。

      9、在使用过程中,一般在10分钟以内仪表即可达到稳定,若有反应迟钝现象出现时,可参照第七章内容将仪表做强迫自动校准。

      10、测量结束后,应及时关断电源,关闭调节阀,退出四氟管向左90°放下流量计。

    五、技术参数

      (1)露点(dp)

      测量范围 -60°c……+60°c

      精 度 -50°c……+20°c(±0.5°c)

      响应时间 +20°c……0°c 10s

      0°c……20°c 10s

      -20°c……-40°c 200s

      -40°c……-60°c 400s

      (2)温度(t)

      测量范围 -40°c……+80°c

      精 度 ±0.1°c(at 20°c)

       (3)相对湿度(rh)
      测量范围 0……100%rh

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

      rh>10%时±0.7%+2% of reading

        (4)绝对温度(ah)

      测量范围 0……600g/m3 (±1%ah)

       (5)体积浓度比(ppmv)

      测量范围 0……30000ppmv

       6)模拟输出 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:强迫自动校准

       1、将功能灯置于绿点,用sf6气体或高纯氮气吹扫dmp-248,直到rh<3%rh,并且td每次变化小于0.01°c。关掉气源,并关上进气调节阀。

      2、观察仪表,其显示值在5秒内td值小于0.1°c,否则重新吹扫。

      3、按“cl”键盘一次,再按“▼”键一次,选择“more”,这时“more”开始闪烁,然后按“ent”键。

      4、当“addr“闪烁时,再按“▼”键一次,此时“more”开始闪烁,然后按“ent”键。

      5、此时“regen”正在闪烁,按“▲”键一次,“drycal“开 始闪烁,然后按”ent“键。

      6、此时“settings”正在闪烁,按“▲”键一次,“calibration”然后按“ent”键,等待2分钟左右,仪表重新显示数据,则自校准完成。

      7、任何一步操作失误时,可按“cl”键清除,然后从第一步开始操作。

       注意:校准期间不得关断电源。

       七:人工校准

        1、将功能锁置于“红点”状态。

      2、将高纯氮气引入进气口,调节阀门使气体流量控制在0.75l/min(sf6流量计) 或1.8l/min(h2流量计)。

      3、按“cl”键进入主菜单,用箭头键“▲”或“▼ ”选择“cali”(校准状态)之后再按“ent”键。再用箭头键“▲”或“▼ ”选择“rh”(湿度佼准)然后再按“ent”键。

      4、如果是更换湿敏元件后校准,则选择“sensor changed”(更换探头校准),反之选择“not changed”(不更换探头校准),然后按“ent”键。

      5、如选择更换探头“sensor changed”(更换探头必须选择“sensor changed”)程序自动选择两点法校准。首先是第一点“rh1”校准,将探头插入licl2盐溶液槽,等到数据稳定后用箭头键“▲”或“▼”将相对湿度数值调整到“11.3%rh”按“ent”键(只能按一次),程序会转到第二点“rh2”校准,将探头插入nacl2盐溶液槽,等到数据稳定后用箭头键“▲”或“▼”根据室温的不同将相对湿度数值调整到“75.3%rh”左右,按“ent”键结束校准。

      6、如果不更换探头,“not changed”程序选择一点法校准“rh1 point cali”利用高纯氮吹扫仪表,观察显示值半小时以上,利用“▲”或“▼ ”键调节rh1,使rh1为 ±0.02之间,然 后按“ent”返回。

      7、若有必要,可重复校验一次。校验完成后重新将安全锁放置在绿点上。

      8、温度一般不需要校准,若有必要可按“cl”键后选择“ cali”(校准状态)按“ent”键, 然后选择“t”(温度校准)。校验方法同湿度校准方法。
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