基于微型制冷机的双光路冷镜式露点仪研究

摘 要：为了满足高纯低温液体和工业气体水分含量精确检测的需求，研究了一种新型的冷镜式露点仪，采用微型制冷机作为冷源对测量冷镜进行降温，最低可达到-100 ℃。为了减少外部环境对特征信号的影响，光电系统采用双光路的设计方法，利用查差分信号的特征变化来寻找露点温度，并采用小波变换的方法进一步降低噪声的干扰，提高露点仪测量的精度和重复性。通过现场比对实验，露点温度在-80 ℃时测量精度仍能满足工业测量的要求。

关键词：双光路 冷镜式 制冷机

1 引 言

露点仪是用来测量气体湿度的仪器，气体湿度是指气体中水蒸汽的含量[1]。依据测量原理的不同，露点仪可分为冷镜式露点仪、电传感器式露点仪、电解法露点仪、晶体振荡式露点仪、红外露点仪以及半导体传感器露点仪。冷镜式露点仪是目前测量精度和稳定性比较高的一种露点仪，在溯源或量值传递中承担着重要的角色，在湿度国家标准比对时作为传递标准，在大多数经过认证的湿度计量实验室作为标准器，现在也有越来越多的企业用冷镜式露点仪建立企业标准[2]。冷镜式露点仪的制冷方式主要有半导体制冷和液氮制冷两种，半导体制冷由于制冷元件的性能限制，目前最好的制冷元件能够在良好散热条件下产生120度的温差，但此时已经无法为冷镜提供冷量，通常可以利用的温差也就在90 ℃左右，为了能够测量到-80 ℃以下的温区，必须对半导体制冷元件的热端进行冷却，其结果是系统体积大、功耗高、结构复杂。液氮制冷惯性大，属于迟滞性控制系统，调节方法困难，降温速率不容易控制，而且液氮的使用通常受到测试现场供应条件的限制。

采用微型制冷机为冷源，其采用斯特林热力循环为基本工作原理，采用经低温纯化后的氮气作为制冷工质，最低温度可以达到-150 ℃。为了提高测量精度，降低外部环境对测量结果的影响，冷镜式露点仪采用了双光路的设计方法，采用两套光电器件进行信号差分，减少外部环境对测量的影响，并通过智能算法寻找露点温度。

2 工作原理

露点温度其定义为，用等压冷却的方法使气体中的水蒸汽冷却至凝聚相出现，或通过控制冷镜面的温度，使气体中的水蒸汽与(凝聚相)镜面露层的平展表面呈热力学平衡状态准确的测出此时的温度，即该气体的露点温度[3]。露点法是一种绝对测量方法。

图1是所研究的双光路冷镜式露点仪的工作原理图。露点仪工作时，首先将被测气体通入到测量腔，对测量腔进行吹除，根据被测气体的露点温度不同，吹除的时间不等。通气吹除时，开启测量电路，发射1、发射2、接收1、接收2等器件处于预热稳定状态。因为金属镜面无法做到理论上的全反射水平，光路2的光强会有所损失，接收2产生的电压信号会和接收1产生的电压信号有所差别，为了减少这种不对称性，光学阻尼器件用来模拟镜面反射的损失。经过一定的吹除时间后，启动制冷机，制冷机冷指的温度开始下降，金属镜面的温度随之下降。当镜面温度达到或者超过气体露点温度时，被测气体中的水就会在镜面上凝结成水或霜，此时镜面的全反射就会变成漫反射，从而引起接收1和接收2之间的电压差剧烈变化，两个电压的差分信号通过差分放大电路放大后经AD转化器将数据送入控制系统进行露点计算，同时控制系统采集镜面温度参数，通过分析差分信号和镜面温度之间的关系，寻找到准确的露点温度。

3 制冷系统

双光路冷镜式露点仪采用的微型制冷机基于斯特林热力循环，是为露点仪的工作特性而专门开发，机械结构为单活塞曲柄连杆，整机质量约4公斤，可根据测量的需求自动调整工作频率，控制降温和升温速度。微型斯特林制冷机主要用于红外探测领域，其工作温度在-200 ℃温区，冷量在0.1至0.5 W。露点仪的使用工况要求微型制冷机工作在零下100 ℃温区，冷量1 W左右。基于振动、体积以及寿命等方面的考虑，采用的微型制冷机工作频率设计在10 Hz到30 Hz，并根据工作频率优化设计气动部分的参数，性能优化设计在-100 ℃， 全速状态下最低温度可达-150 ℃，在-80 ℃温区有3 W制冷量，在-100 ℃温区有1 W以上制冷量，图2和图3是该制冷机样机和降温性能曲线。

4 实验装置

图4是双光路冷镜式露点仪的实验平台，采用7寸工业平板电脑作为人机界面。图5是自主开发的数据采集板，具备通讯、信号放大、数据采集、温度计标定等功能，负责工控机和制冷机控制器之间的通讯，两路光电信号的差分首先经过精密放大电路将电压值提升，再通过第一道硬件滤波后进入16位AD数据采集，采集后的数据通过RS485通讯端口送入工业平板电脑，经智能识别算法计算露点温度值。

为了减少制冷机振动对测量的影响，露点仪设计中，测量腔和制冷机采用一体化固定的方案，保证两者有相同的共振频率和幅度。测量腔采用金属加工而成，测量腔中的气体通道加工完后抛光到镜面水平。测量腔内部腔体部分加工后同样需要抛光到镜面水平，同时采取发黑处理，减少其表面对广电信号的反射。发射1和发射2均采用LED作为光源，并将其工作电流设定在发光稳定区，同时对LED做热稳定设计，防止外部热量影响LED的发光强度。接收1和接收2均采用光电接收二极管，同时做好热稳定设计和固定设计，防止外部热源和振动对接收二极管的影响。发射器件和接收器件需要做性能筛选，镜面采用金属材料加工，表面镀特种涂层后加工到镜面效果。

为了获得快速精准的露点测量，露点仪内部气体流通管道采用内抛光的不锈钢管，所有的管路接头和阀门均经过抛光处理，减少管壁内表面对测量结果的影响。制冷机的冷头采用不锈钢加工，通过电镀和抛光工艺，达到镜面反射的效果。LED光源和光电接收器件与被测气体之间采用光学玻璃柱隔绝，防止光电器件的表面对测量精度的影响。被测气体经抛光管道进入测量腔，完成检测后再进入流量调节阀和浮子流量计，避免被测气体受到阀和流量计内流道表面积污染。

5 信号处理

在露点测量过程中，由于很多复杂的实际因素，会造成采集的光电差分信号存在很多不利于露点识别的干扰信号，干扰信号的来源主要有光电器件自身的波动、驱动电路的精度、斯特林制冷机振动引起的波动、放大电路和AD转换自身的杂波、开关电源引起的杂波、电机以及控制器引起的杂波等，同时温度变化、固定光电器件的机械结构的微变等也会造成差分型号的波动。温度以及机械结构变化带来的是低频杂波信号，而开关电源、光电器件以及电子元器件带来的是高频杂波。

图6是测量过程中实际采集的一个电压差分信号和温度的关系，比较理想信号和实际信号，从图中可以看到杂波信号造成了曲线的不光滑，也就意味着在露点识别过程中会存在偏差和误差。图7是曲线观点处的杂波信号放大图。从冷镜式露点仪测量原理知道，当到达露点温度时，镜面有全反射转变为漫反射，此时差分信号发生剧烈变化，在图6中就是差分信号大幅下降，那么此时差分信号与温度曲线的方向会发生较大改变，依据此变化来确定露点温度。在实际的计算中，由于杂波信号的存在，对曲线方向指数的计算影响非常大，造成对露点温度的误判，如图8所示。

均值滤波，顾名思义就是通过对信号多次采样再求其平均值。这样，随着采样次数的增加可提高信号的分辨率和降低干扰量的影响。图9是采用均值滤波法对图4中的数据进行处理，显示了露点温度附件值的变化。上图中蓝色带上三角的曲线为10点平均滤波的效果，可以看出曲线上的杂波信号基本被滤除，曲线的局部走向保留较好，对露点的判断有较大的改善。红色带下三角的曲线为50点平均的结果，曲线上的杂波和局部曲线走向都被完全光滑化，但是由于过度平均曲线被人为光滑而且露点温度会滑移。图中2号圆位置的曲线走向变化代表的是真实露点温度值，而1号圆位置的曲线走向变化实际是较大的干扰造成的，采用10点平均滤波不能完全消除该干扰，但是50平均滤波又将真实露点温度值后移，造成测量误差。因此均值滤波法对干扰较大时并不完全适用于高精度露点仪的算法。

小波分析法是一种非常有效的信号“时频分析方法”，在信号处理、语音分析、模式识别等领域有着广泛的应用。小波变换降噪过程可按如下方法进行：首先对信号进行小波分解，由于噪声部分通常包含在高频部分。进而可以利用门限阈值对小波系数进行处理，对信号进行重构即可达到降噪目的。图10是采用小波变换法对原始数据进行了滤波分析。图中圆圈部分是真实露点温度所在的位置，采用小波变换基本消除了高频干扰，对曲线的走向保持了较好的保留，能够保证露点识别时的位置不偏移，同时对较大的干扰也有一定的抑制作用，降低了露点温度误判的风险。

6 实验结果与分析

在上述理论分析的基础上，采用小波变换的方法进行数值滤波，建立了基于微型制冷机的双光路冷镜式露点仪样机进行实验研究，采用自制的基于分流法的露点发生器作为气源，瑞典MBW型号为M973的冷镜式露点仪作为实验比对对象。图11是样机对气源露点温度变化的跟随，由于样机气体通道和测量腔内部都采用了抛光处理，并控制了容积，因此跟随性比较好。表1是样机与M973冷镜式露点仪进行实验比对的数据结果，在高湿区如露点温度在-20 ℃温区，由于气源中含水量较高，体积分数约1 000×10-6，微型制冷机在此温区制冷量也大，因此当镜面温度达到或者低于气源露点温度时，镜面上结露的速度快，结露量大，镜面从全反射朝漫反射转变时，时间短，速度快，光电差分信号变化剧烈，杂波信号的干扰小，因此对露点的计算比较精确，而且重复性好。随着气源露点温度的降低，在-80 ℃温区，气体中的含水量此时已经很低，水体积分数约0.5×10-6，微型制冷机的冷量在低温区也会减小，因此当镜面温度达到或者低于气源露点温度时，镜面结露量非常少，光电差分信号变化很弱，真实结露发生时的差分信号变化有可能被杂波信号淹没，造成露点温度计算不准，重复性差。

表1 露点温度比对结果

Table 1 Comparing results of dew-point temperature

7 总 结

研究了一种新型的基于微型制冷机的双光路冷镜式露点仪，利用双光路的方法从硬件上降低干扰，采用小波变换法从数值处理上降低干扰，经实验比对，在露点温度测量方面的跟随性和精度都比较好，但低湿区的性能明显比高湿区差，如果进一步提高微型制冷机的冷量和金属镜面的面积，有望提高低湿区的测量精度。