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芬兰VAISALA DMP248 精密露点仪的原理与应用

文章出处: [2008/6/30 16:37:09]
责任编辑:上海进口仪器仪表技术部
作者:

 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。DRYCAPDRYCAP.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N2CO2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-GratchWexler修正公式可求出温度T下的饱和水汽压PwsT): 
  logPwsT))=C1T-C2/T-C3)(T0 1 
或者 
  logPwsT))= C4-C5/T T0 2 
又因为:RH=Pw/PwsT 
所以气体的水汽压Pw为:Pw=RH×Pws 
   此时由Pw求出露点温度值Td0Td值可以分别由(1)、(2)式求出。但在(1)、(2)中应将PwsT)由Pw更换,TTd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=RH+Gain×Pw/PwsT 3 
                RH=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°CGain100%,随着温度的升高RH%降低,因为前响应是线性的,此时RH=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 
   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<, /SPAN>、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 0.75L/min左右(SF6流量计) 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RHTTdPPmv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 
     -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 
     ±0.1°Cat 20°C 
(3)
相对湿度(RH) 
   测量范围 0……100%RH 
     RH10%±0.0025%+8.75% of reading 
   RH10%±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 
     ±0.05full scale 
  (7)   RS232C 
8)
外型尺寸 295×240×90(mm) 
(9)
  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RH3%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“ 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1.8L/min(H2流量计) 
   3、按“CL”键进入主菜单,用箭头键“▲”“▼ ”选择“Cali”(校准状态)之后再按“ENT”键。再用箭头键“▲”“▼ ”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“▲”“▼”将相对湿度数值调整到“11.3%RH”“ENT”(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“▲”“▼”根据室温的不同将相对湿度数值调整到<, /SPAN>“75.3%RH”左右,“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“▲”“▼ ”键调节RH1,使RH1 ±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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