芬兰VAISALA DMP248 精密露点仪的原理与应用

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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发布人:众宇旺仪器 发布时间:2009年6月24日 已被浏览 2216 次 〖 打印本文