基于微型制冷机的冷镜式露点仪研究

摘要

露点仪也称露点湿度计，是一种利用气体露点温度计算测得气体湿度的湿度测量仪器。该仪器采用光学原理进行湿度测量，避免了传统湿度测量设备的温度漂移问题而被广泛应用于工业过程、实验室的湿度测量与控制以及气象学中的探空测量等领域，在现代湿度计量及测量技术中占有重要地位。如在工业生产过程中，常利用露点仪配合完成对生产环境湿度的控制，从而保障精密器件不会因为静电短路或氧化问题而损坏。当前国内常用的冷镜式露点仪通常采用半导体制冷、液氮制冷等制冷方式，使冷镜式露点仪存在体积较大、温度测量范围有限等弊端，而国外高性能产品价格则较为昂贵。因此，研制一种结构紧凑，且检测精度较高的露点仪具有很高的实际应用价值。
　　针对上述问题，本课题研究了一种基于微型制冷机的冷镜式露点仪，并在完成露点仪硬件设计的基础上分析比较了相应露点检测方法。首先简要介绍了包括露点仪在内的多种常用湿度测量仪器，重点说明了目前测量精度和稳定性最高的一种露点仪—冷镜式露点仪的工作原理和过程。然后详细阐述了本课题所研制冷镜式露点仪的硬件设计，主要包括光路模块、气路模块、制冷模块、光路采集模块、控制模块以及供电模块的设计。系统采用微型斯特林制冷机实现了较宽温度测量范围与较小体积和重量，使得该露点仪适用于多种工作场合。针对镜面结露状态的判定，考虑到当前国内冷镜式露点仪常用的目视法、光电法、α和β射线法、电阻法等多种方法中仅有光电法的准确度能达到±0.5％以内，本文研究了一种基于微差光电系统的露点检测方法。该方法首先根据测量数据得到一条光幅值—温度曲线，再对曲线进行滤波与角点检测，最终确定气体的露点温度。本文对多种信号滤波和角点检测方法的特点进行了深入分析，并且基于系统工作时采集的实测数据开展了性能验证实验及比较分析。结果表明，采用小波变换滤波与K值比较法相结合的处理流程时，精度与准确度明显优于其他方法，最终实现的冷镜式露点仪具有精度高、体积小等优点，有助于减少我国在该领域对国外产品的依赖。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 当前研究与进展

1．3 论文工作与章节安排

2 常用湿度测量仪器

2．1 干湿球湿度计

2．2 库伦湿度计

2．3 电阻电容法湿度计

2．4 露点仪

2．4．1 工作原理及分类

2．4．2 冷镜式露点仪

2．5 本章小结

3 冷镜式露点仪硬件设计

3．1 硬件总体结构

3．2 光路模块

3．3 气路模块

3．4 制冷模块

3．4．1 制冷方案比较

3．4．2 微型制冷机模块设计

3．5 光路采集模块

3．6 控制模块

3．7 供电模块

3．8 本章小结

4 冷镜式露点仪光电信号分析

4．1 光电信号数据处理流程

4．2 信号降噪

4．2．1 滑动平均滤波

4．2．2 傅里叶变换滤波

4．2．3 小波变换滤波

4．3 角点检测方法

4．3．1 K值比较法

4．3．2 圆拟合法

4．4 本章小结

5 系统测试与分析

5．1 测试环境

5．2 测试结果与分析

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文