冷鏡式露點(diǎn)測(cè)量結(jié)露的光電識(shí)別方法

萬浩涵，楊永軍

（航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095）

0 引言

露點(diǎn)儀是測(cè)量氣體濕度的儀器，其中應(yīng)用最廣泛、測(cè)量比較準(zhǔn)確的是冷鏡式露點(diǎn)儀［1-2］。冷鏡式露點(diǎn)儀測(cè)量過程中常用的露點(diǎn)判別方法有光電法、聲表面波法、圖像法等［3］，其中應(yīng)用最廣泛的就是光電法。光電識(shí)別作為關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)露點(diǎn)測(cè)量結(jié)果影響很大［4-7］。

1 冷鏡式露點(diǎn)測(cè)量的光電識(shí)別

冷鏡式露點(diǎn)測(cè)量的光電識(shí)別原理：利用兩對(duì)光電對(duì)管作為光電判別的傳感器，其中一對(duì)對(duì)管在冷鏡所在的測(cè)量腔內(nèi)直射作為環(huán)境對(duì)照組，另一對(duì)光電對(duì)管經(jīng)過有半導(dǎo)體制冷的冷鏡表面反射。通過半導(dǎo)體制冷降低冷鏡表面溫度，使測(cè)量腔內(nèi)被測(cè)氣體介質(zhì)中的水分凝結(jié)于冷鏡表面，冷鏡表面反射的光電對(duì)管值相對(duì)環(huán)境對(duì)照組的信號(hào)值降低，冷鏡表面大量結(jié)露時(shí)，光電管根據(jù)信號(hào)值判別出結(jié)露現(xiàn)象［4］。

1.1 光電識(shí)別設(shè)備

冷鏡式露點(diǎn)測(cè)量的光電識(shí)別裝置由某型號(hào)發(fā)射二極管和光電接收二極管組成，兩對(duì)分別作為反射組和對(duì)照組［8-9］。

發(fā)射管的光束角為15°，發(fā)光波長(zhǎng)為935 nm，光強(qiáng)為2.0～4.0 mW/cm2。接收管的敏感波長(zhǎng)范圍如圖1所示，當(dāng)光照光強(qiáng)為5.0 mW/cm2時(shí)，感應(yīng)電流為24 mA，且感應(yīng)電流受溫度影響較小。

圖1 SDP8405-003敏感波段圖

接收管的感應(yīng)電流會(huì)受到外界可見光光照影響，因此在使用時(shí)需要在隔絕光照的黑暗測(cè)試腔內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)環(huán)境對(duì)照組的設(shè)置能從一定程度上減少環(huán)境對(duì)光電管的影響。

光電識(shí)別裝置原理圖如圖2所示，一對(duì)光電管在測(cè)量腔內(nèi)直射，另一對(duì)與鏡面呈35°，經(jīng)冷鏡表面反射。本試驗(yàn)中兩對(duì)光電管中心距冷鏡表面高7 mm，冷鏡的半徑為3.5 mm，這樣可以使反射組的光照覆蓋整個(gè)冷鏡表面，同時(shí)使初始信號(hào)值較大，對(duì)整個(gè)冷鏡表面衰弱敏感，適合用作光電識(shí)別結(jié)露。

圖2 光電識(shí)別裝置原理圖

1.2 光電識(shí)別方法

利用光電對(duì)管信號(hào)變化曲線的三階導(dǎo)數(shù)來判斷信號(hào)曲線的拐點(diǎn)，從而識(shí)別出冷鏡表面的結(jié)露。利用MATLAB對(duì)數(shù)據(jù)做高斯四階擬合，得到冷鏡表面結(jié)露過程中光電信號(hào)比值（反射組信號(hào)值/對(duì)照組信號(hào)值）的變化規(guī)律曲線［7］，曲線圖像如圖3所示。

圖3 光電信號(hào)高斯擬合曲線

對(duì)冷鏡表面結(jié)露圖像和光電信號(hào)實(shí)時(shí)變化進(jìn)行分析，結(jié)露過程為：溫度降低到接近露點(diǎn)溫度，冷鏡表面出現(xiàn)零星凝結(jié)的露珠，光電信號(hào)比值開始降低，隨著溫度繼續(xù)降低，這一部分露珠變大，光電信號(hào)比值持續(xù)緩慢降低；溫度降至露點(diǎn)溫度，冷鏡表面很大面積上產(chǎn)生小露珠，光電信號(hào)比值下降速度加快；溫度持續(xù)降低，小露珠開始變大，光電信號(hào)比值快速降低。

對(duì)光電信號(hào)比值函數(shù)進(jìn)行一階求導(dǎo)，得到描述光電信號(hào)降低速度的導(dǎo)數(shù)曲線，如圖4所示。

圖4 光電信號(hào)一階導(dǎo)數(shù)

通過實(shí)驗(yàn)分析冷鏡表面圖像發(fā)現(xiàn)，通常在光電信號(hào)曲線下降前的一個(gè)拐點(diǎn)產(chǎn)生結(jié)露。因?yàn)榇藭r(shí)鏡面產(chǎn)生了大量的凝結(jié)小露珠，造成光電接收管接收到的反射光強(qiáng)變?nèi)?。而鏡面凝結(jié)出大量小露珠放熱，之后光電信號(hào)降低速度略有變慢，但很快隨著露珠變大而快速降低。光電識(shí)別露點(diǎn)的方法就是找到光電信號(hào)曲線快速下降前，其曲線上出現(xiàn)的最近一個(gè)凹點(diǎn)，通過計(jì)算光電信號(hào)的三階導(dǎo)數(shù)，從三階導(dǎo)數(shù)中找到這個(gè)露點(diǎn)時(shí)刻。圖5是對(duì)光電信號(hào)比值函數(shù)求三階導(dǎo)數(shù)和一階導(dǎo)數(shù)的曲線（只觀察變化趨勢(shì)，將三階導(dǎo)數(shù)放大了500倍）。

圖5 三階導(dǎo)數(shù)與一階導(dǎo)數(shù)合成圖

從圖5的曲線變化中，可以看到在三階導(dǎo)數(shù)從正變?yōu)樨?fù)值時(shí)，一階導(dǎo)數(shù)曲線從凹變?yōu)橥?，此時(shí)的拐點(diǎn)即為光電識(shí)別的露點(diǎn)時(shí)刻。通過以上分析，根據(jù)光電信號(hào)比值判斷露點(diǎn)時(shí)刻t的條件是：

1）t時(shí)刻一階導(dǎo)數(shù)小于零；

2）t時(shí)刻三階導(dǎo)數(shù)等于零，且在t時(shí)刻三階導(dǎo)數(shù)由正變?yōu)樨?fù)；

3）t與三階導(dǎo)數(shù)最小值間沒有零點(diǎn)。

根據(jù)上面的判別條件可以找到距一階導(dǎo)數(shù)最小值最近的一個(gè)拐點(diǎn)，即露點(diǎn)。

2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證這種光電識(shí)別露點(diǎn)方法的準(zhǔn)確性和適應(yīng)條件，設(shè)計(jì)了如下的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)裝置由測(cè)量腔和冷鏡底座組成，測(cè)量腔和冷鏡底座密閉連接；測(cè)量腔內(nèi)是安裝好的光電二極管，被測(cè)氣體從測(cè)量腔的進(jìn)氣口進(jìn)入，吹掃經(jīng)過冷鏡表面后，從測(cè)量腔出氣口排出［8］；測(cè)量腔上方留有透明觀察孔，通過顯微鏡從該孔觀察冷鏡表面結(jié)露情況。冷鏡底座由tec半導(dǎo)體制冷片、冷鏡、薄膜鉑電阻組成，三者緊密連接［9］，圖6為試驗(yàn)裝置照片。

圖6 試驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)條件有：被測(cè)氣體的露點(diǎn)溫度范圍、tec兩端電壓。改變這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)條件，然后利用顯微鏡記錄下冷鏡結(jié)露過程，得到冷鏡表面圖像和光電信號(hào)比值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，圖7為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

最后查看光電識(shí)別露點(diǎn)與通過冷鏡表面直接觀察所得實(shí)際露點(diǎn)之間的誤差。圖8是利用顯微鏡觀察冷鏡表面結(jié)露時(shí)刻的圖像。

在被測(cè)氣體露點(diǎn)溫度為-10，0，10，20，25℃的條件下，分別以0.1，0.6，2，6℃/min的降溫速率進(jìn)行三次實(shí)驗(yàn)［10］，取光電識(shí)別的誤差平均值。誤差結(jié)果如表1所示。

圖8 結(jié)露時(shí)刻冷鏡表面圖像

表1 露點(diǎn)溫度誤差實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) ℃

根據(jù)表1可以看出，在本實(shí)驗(yàn)中，光電識(shí)別法的露點(diǎn)識(shí)別誤差不高于0.04℃，證明本文提出的冷鏡式露點(diǎn)測(cè)量結(jié)露的光電識(shí)別方法具有較好的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度的冷鏡式露點(diǎn)儀結(jié)露測(cè)量，提出一種采用兩對(duì)光電對(duì)管作為判別傳感器實(shí)現(xiàn)冷鏡表面結(jié)露測(cè)量的光電識(shí)別方法，其中一對(duì)光電對(duì)管在冷鏡所在的測(cè)量腔內(nèi)直射作為環(huán)境對(duì)照組，另一對(duì)經(jīng)過有半導(dǎo)體制冷的冷鏡表面反射，利用測(cè)得的光電信號(hào)值的三階導(dǎo)數(shù)曲線零點(diǎn)判別冷鏡全表面產(chǎn)生結(jié)露的時(shí)刻。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該方法可以從很大程度上減少環(huán)境光照對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，能夠準(zhǔn)確、快速地識(shí)別出冷鏡的結(jié)露現(xiàn)象，具有重要技術(shù)應(yīng)用價(jià)值。