光電露點儀的研制

發(fā)布于：06-10

GD-ZL-98型智能光電露點儀的研制



陳祥光??王寶亮??薛錦誠??張文政



摘要:基于光電露點儀的基本工作原理，采用8031單片機及其外圍接口芯片，構(gòu)成一個單片機應用系統(tǒng)，并將其引入光電露點儀中，實現(xiàn)了自動控制結(jié)露和檢測露點溫度，對檢測數(shù)據(jù)實時采集、分析處理，顯示和打印輸出，以及與上位機通信等功能，完成了GD-ZL-98型智能光電露點儀的研制。此外，在軟、硬件上采用了抗干擾措施，使該儀器運行穩(wěn)定可靠，精度提高。



關鍵詞:濕度測量，露點，光電露點儀，單片機，智能儀器



The?Research?and?Development?of?GD-ZL-98?Intelligent?Photoelectric?Hygrometer



Abstract：Based?on?the?basic?principle?of?photoelectric?hygrometer,?a?microcontroller?application?system?which?is?consisted?of?8031?microcontroller?and?its?periphery?chips?is?constructed.This?system?can?perform?these?functions:?automatically?controls?the?forming?of?dew?point?and?detects?it?immediately,?collects?data?in?real?time?and?analyzes?them?correctly,displays?the?data?on?LCD?and?prints?them?out,transfers?the?data?to?PC?and?so?on,finally?the?GD-ZL-98?intelligent?photoelectric?hygrometer?is?successfully?developed.?Furthermore,?some?anti-jamming?measures?are?taken?by?means?of?software?and?hardware?which?ensure?the?stability?and?reliability?of?this?instrument?and?improve?its?precision.



Key?words：humidity?measurement,dew?point,photoelectric?hygrometer,microcontroller,intelligent?instrument



露點儀是一種測量濕度的儀器，具有測量范圍寬，準確度高，操作方便等優(yōu)點，在計量、氣象、航天、石油、化工、兵工等諸多領域有著廣泛的應用。?



目前國內(nèi)外露點儀種類較多，如光電露點儀、激光露點儀、氯化鋰露點儀、電容式露點儀、壓電式露點儀等，但用途最廣泛的是光電露點儀。美國、日本、英國等一些國家研制的露點儀也在不斷更新?lián)Q代。例如美國GE公司研制的HYGRO-M2,M3,M4型光電精密露點儀，日本的神榮株式會社、英國的沙氏（SHAW）公司研制的露點儀，精確度都較高，功能也較強，但價格昂貴。



雖然我國在露點儀的研制方面起步較晚，但已取得了一定的成果。北京、上海、邯鄲的一些廠家及解放軍某部也研制出功能不同的露點儀，例如，北京瑞普電子儀器廠研制的RP-501型光電露點儀精確度可達±0.15??℃，但該儀器的主要缺點是全部采用模擬電路，自動化水平低。



基于國內(nèi)外露點儀的發(fā)展現(xiàn)狀，本文在吸取國內(nèi)外露點儀優(yōu)點的基礎上，將單片機引入光電式露點儀，研制出GD-ZL-98型智能式光電露點儀，它是一種采用光電檢測、半導體制冷、鏡面冷凝自動平衡測定露點溫度的智能儀器。



1??工作原理



光電露點儀的原理如圖1所示。其主要由三部分組成：光電檢測系統(tǒng)、半導體制冷器以及露點測控系統(tǒng)。光電檢測系統(tǒng)主要包括穩(wěn)定的光源（LED）和光接收系統(tǒng)（包括光敏元件和電橋）。LED發(fā)出的平行光分為兩路：一路直接被光敏元件接收，另一路平行光照到鏡面上反射后被光敏元件接收。被測氣體以一定的流量流入露點室并經(jīng)過鏡面，只要氣體純凈且光源足夠穩(wěn)定，在鏡面結(jié)露之前，入射和反射的光通量基本上是相等的。光敏元件感應到的光電信號經(jīng)轉(zhuǎn)換放大后由控制系統(tǒng)控制半導體制冷器對鏡面進行制冷。當鏡面溫度達到被測氣體的露點時鏡面上會出現(xiàn)露，引起入射光發(fā)生散射，光敏元件接收的光量就會減少（光的散射量大致與露層的厚度成正比）。光敏元件檢測出光的變化，經(jīng)光信號轉(zhuǎn)換放大后由控制系統(tǒng)控制半導體制冷器停止制冷或反向加熱，從而組成閉環(huán)控制回路，將鏡面露層的厚度控制在某一厚度或某一覆蓋百分比，使鏡面溫度自動保持在露點附近，最后鏡面上的露與被測氣體中水蒸汽呈相互平衡狀態(tài)，然后由鉑電阻測溫元件準確測出此時的鏡面溫度即為該氣體的露點。另外，可用直射光路上的調(diào)節(jié)螺釘調(diào)整露層的厚度，以便在不同的季節(jié)或?qū)嶒灄l件下作出調(diào)整。







圖1??光電露點儀原理圖



2??智能光電露點儀硬件設計



如果將8031單片機系統(tǒng)引入圖1所示的光電露點儀中，則容易實現(xiàn)光電露點儀的智能化和小型化，具體方案的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。該露點儀主要由3部分組成：光電檢測系統(tǒng)、半導體制冷系統(tǒng)和單片機測控系統(tǒng)。單片機測控系統(tǒng)主要由A/D和D/A芯片、LED指示光柱、T/V變換及放大電路、LCD液晶顯示器、觸摸鍵盤、微型打印機、RS-232通信接口以及單片機系統(tǒng)組成。單片機系統(tǒng)以8031為核心，擴展1片2764存放系統(tǒng)程序，I/O擴展接口芯片8255用作LCD、觸摸鍵盤和微型打印機的接口；8031單片機通過A/D實時采集露點溫度、環(huán)境溫度和橋路輸出電壓等信號。







圖2??智能光電露點儀原理圖



露點室內(nèi)有2個光敏三極管，分別作為電橋的一臂。橋路采用不平衡電橋法：在露出現(xiàn)之前，電橋處于平衡狀態(tài)，露點室慢慢制冷后，隨著溫度的降低，鏡面出現(xiàn)冷凝，露出現(xiàn)時，由于下面的光敏三極管接收的光量減少而阻值增大，引起電橋信號發(fā)生變化。電橋信號輸出經(jīng)放大轉(zhuǎn)換為0～10?V，一路送至LED光柱來指示鏡面的結(jié)露狀態(tài)，一路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送單片機進行處理，經(jīng)控制算法后由D/A輸出相應的信號到可控硅，通過可控硅運算控制半導體制冷器的制冷電流，閉環(huán)控制最終使鏡面溫度平衡在露點溫度附近，鉑電阻溫度計測出的露點溫度T_d和環(huán)境溫度T_a由T/V變換放大電路轉(zhuǎn)換為0～10?V信號，再經(jīng)A/D送至8031單片機系統(tǒng)進行處理并顯示打印。另外通過RS-232接口與PC機通信，使PC機可以實時地控制露點儀，并可根據(jù)測得的露點溫度、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)進行相對濕度的轉(zhuǎn)換、控制趨勢觀察等高級功能，從而實現(xiàn)了對整個濕度測控系統(tǒng)綜合、完善的管理。系統(tǒng)還設置了Watchdog看門狗、軟件陷阱以及電源掉電處理中斷程序，提高了系統(tǒng)抗干擾和故障自診斷的能力。



3??光電露點儀系統(tǒng)軟件設計



露點測量是一種難度較大的非電量測量，存在很多問題，如污染、過冷水、光源干擾等。但對露點測量的精確度起著決定性影響的因素是露點的檢測方式即如何控制系統(tǒng)達到露點并準確地測量出露點溫度。由于露點儀是大純滯后、大慣性、非線性的系統(tǒng)，特別是在低霜點（-40℃以下）測量中。對于這種受控對象，一般采取的控制方法有PID算法、smith預估補償算法、大林算法和開關控制法等。由于得不到露點儀準確的數(shù)學模型，各種工作參數(shù)易受環(huán)境及人為因素的影響，而且前3種方法要控制鏡面處于結(jié)露和露散的平衡狀態(tài)，響應很慢，故采用前3種方法得到的控制效果并不理想；采用智能在線自整定PID算法和開關控制法相結(jié)合可較理想地檢測出露點。這主要是根據(jù)系統(tǒng)偏差的大小，由軟件實現(xiàn)兩種控制方式的切換。當偏差較大時，啟動開關控制，依據(jù)系統(tǒng)的輸出響應獲取對象的特性參數(shù)，進而自整定出PID調(diào)節(jié)的參數(shù)優(yōu)化組合值。當偏差較小時，采用智能自整定PID算法，實時改變比例、積分或微分作用，達到控制對象的作用，且容易實現(xiàn)“調(diào)節(jié)時間短、無超調(diào)、無靜差”控制。



采用PID與開關控制相結(jié)合的方法使得光電露點儀的露點控制成為可能，系統(tǒng)測控軟件流程圖如圖3所示。上電或復位后，經(jīng)過一系列的初始化及系統(tǒng)自檢，進行參數(shù)設定（包括日期、時間、打印機設定等）。進入露點檢測流程后，首先把采樣得到的橋路電壓數(shù)字濾波，再判斷采取開關控制還是PID控制，控制量由D/A輸出控制半導體制冷器對鏡面制冷，經(jīng)過一段時間的控制后，鏡面達到平衡，這時就可以進行顯示、打印以及通信等后續(xù)操作了。







圖3??系統(tǒng)測控軟件流程圖



4??儀器操作步驟及性能指標



本儀器由主機箱和傳感器機箱兩部分組成。由主機箱前面板上的16鍵觸摸鍵盤來選擇露點儀的工作方式，操作步驟簡述如下：



①?通電自檢：上電后進行系統(tǒng)自檢，LCD顯示主菜單，自檢不正常則轉(zhuǎn)向故障處理程序。



②?打印機設定：對打印機打印次數(shù)和打印間隔進行設置，實時地打印露點溫度、環(huán)境溫度等重要數(shù)據(jù)。



③?A/D采樣間隔設定：設置A/D的采樣間隔，以便定時地采樣和存儲數(shù)據(jù)。



④?檢測：開始檢測前務必先給制冷器通水。子菜單顯示為“DETECT”時按“確定”鍵則開始自動檢測狀態(tài)。LCD顯示鏡面溫度和環(huán)境溫度。LED光柱指示鏡面露點的狀態(tài)：若光柱沖至上部時則為深結(jié)露狀態(tài)；若光柱在中心位置且平衡在第5段或第6段則為結(jié)露狀態(tài)。此時LCD顯示露點溫度、環(huán)境溫度以及濕度的ppm值，打印機打印出上述3種數(shù)據(jù)。



⑤?與PC機通信：PC機以中斷方式控制露點儀的檢測；露點儀以中斷方式將實時測得的各種數(shù)據(jù)送至PC機，進行數(shù)據(jù)存儲分析、繪制趨勢圖或打印輸出。



GD-ZL-98型智能光電式露點儀的主要技術指標如下：



電源：AC220?V±10?V；50?Hz



功耗：≤150?VA



樣氣流速：1.5?l/min；?樣氣壓力：0.5?MPa



測量范圍及不確定度：-70～-40?℃，±1.0?℃



-40～+20?℃，±0.5?℃



重量：＜20?kg



通信接口：RS-232C串行口



打印接口：Centronic并行口



顯示：16×2液晶LCD?



5??結(jié)束語



本文將單片機系統(tǒng)引入光電露點儀中，實現(xiàn)了儀器的智能化和小型化。該儀器的優(yōu)點是可長時間地連續(xù)測量，穩(wěn)定性高，操作方便，性能價格比高。由于采用了單片機測控技術，本儀器具有自動控制結(jié)露和檢測露點溫度、數(shù)據(jù)優(yōu)化處理、實時顯示打印、與上位機通信以及抗干擾能力強等功能。實踐證明，該儀器運行穩(wěn)定可靠，精度高，可以作為濕度測量標準器使用。



作者單位:陳祥光??王寶亮??薛錦誠??張文政??北京理工大學化工與材料學院（100081）



參考文獻



1??李英干,范金鵬編著.濕度測量.北京:氣象出版社,1990



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4??Jachowicz?R?S.Optimal?Measurement?Procedures?for?a?Dew?Point?Hygrometer?System.IEEE?Transactions?on?Instrumentation?And?Measurement,1993,42（4）:828～833