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儀器技術文章

芬蘭VAISALA DMP248 精密露點儀的原理與應用

 來源:東方嘉儀 www.3017.cn  點擊:

壹:簡介 
對於露點溫度-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汙染都會導致極大的測量誤差。因此它幾乎不能在線使用。另壹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汙染能力。但長期以來只能用於露點-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壹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壹種既穩定又精密的方法。
DMP248系列精密露點儀是Vaisala公司推出的專門用於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壹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。其精度及量程範圍特別適合開關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,鹽度計該元件是專門用在低濕環境的溫濕度測量並具有極強的抗結露能力。它包含了壹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。加入溫度信號後就可以由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。對於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於零其露點精度就越隨著零點漂移量的變化而快速下降。由於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,便攜式紅外測溫儀溫度為20°C時其相對濕度為0.55%RH0偏移量為0.2%RH時(對於壹般的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所以壹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)對於低RH值來說將產生壹個不能接受的露點誤差。為解決這壹精度問題DMP248系列精密露點儀使用新的專利計算方法,時代洛氏硬度計即儀表在在線工作時自動計算偏移量變化並調整這壹偏移量這壹過程可由以下公式 來表達:
RHout=RH0+Gain×Pw/Pws(T) (3)
RH0=完全幹狀態下的輸出
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壹水汽壓(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在這壹過程中保持不變)
如上圖所示其漂移量誤差為-0.2%RH測量溫度範圍20°C……30°C其露點溫度為-40°CGain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)減去這壹數據,就得到了正確數值為0.55%RH.由兩點測量數據劃壹條直線,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後來測量溫度。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
註 意:自動校準僅當DMP248使用在相對濕度低於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°使其垂直於面板。
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、將安全鎖置於紅點位置打開電源(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、在使用過程中壹般在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、測量結束後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) 
測量範圍 -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) 
測量範圍 -40°C……+80°C 
精 度 ±0.1°C(at 20°C) 
(3)相對濕度(RH)
測量範圍 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) 
測量範圍 0……600g/m3 (±1%AH) 
(5)體積濃度比(PPmv) 
測量範圍 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、將功能燈置於綠點用SF6氣體或高純氮氣吹掃DMP-248直到RH<3%RH並且Td每次變化小於0.01°C。關掉氣源並關上進氣調節閥。
2、觀察儀表其顯示值在5秒內Td值小於0.1°C否則重新吹掃。
3、按“CL”鍵盤壹次再按“▼”鍵壹次選擇“More”這時“More”開始閃爍然後按“ENT”鍵。
4、當“Addr“閃爍時再按“▼”鍵壹次此時“More”開始閃爍然後按“ENT”鍵。
5、此時“Regen”正在閃爍按“▲”鍵壹次“Drycal“開 始閃爍然後按”ENT“鍵。
6、此時“Settings”正在閃爍按“▲”鍵壹次“Calibration”然後按“ENT”鍵等待2分鐘左右儀表重新顯示數據則自校準完成。
7、任何壹步操作失誤時可按“CL”鍵清除然後從第壹步開始操作。
註意:校準期間不得關斷電源。
七:人工校準
1、將功能鎖置於“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)之後再按“ENT”鍵。再用箭頭鍵“▲”或“▼ ”選擇“RH”(濕度佼準)然後再按“ENT”鍵。
4、如果是更換濕敏元件後校準則選擇“Sensor Changed”(更換探頭校準)反之選擇“Not Changed”(不更換探頭校準)然後按“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。首先是第壹點“RH1”校準將探頭插入LiCL2鹽溶液槽,等到數據穩定後用箭頭鍵“▲”或“▼”將相對濕度數值調整到“11.3%RH”按“ENT”鍵(只能按壹次),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後用箭頭鍵“▲”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”程序選擇壹點法校準“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 後按“ENT”返回。
7、若有必要可重復校驗壹次。校驗完成後重新將安全鎖放置在綠點上。
8、溫度壹般不需要校準若有必要可按“CL”鍵後選擇“ Cali”(校準狀態)按“ENT”鍵 然後選擇“T”(溫度校準)。校驗方法同濕度校準方法。
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