[0001] 本发明涉及一种气体水露点精密检测装置，具体是一种基于双镜面双光路结构的冷镜式露点仪。技术背景

[0002] 湿度是一种表示气体中水分含量的物理量。在相同的环境温度下，等体积空气中含有的水汽越少，湿度越小；反之，如果含有的水汽越多，则湿度越大。湿度与人类的生存息息相关，在18℃时，人体的最适宜湿度为30%RH至40%RH；在25℃时，最适宜湿度为40%RH至50%RH。当湿度低于人体适宜湿度范围时，容易引发呼吸道不适，例如嘴唇发干、喉咙肿痛、鼻腔出血等症状；当湿度高于人体适宜温度范围时，由于体表汗液的蒸发速度变慢，使身体无法正常进行水分的代谢，容易导致皮肤病、结核病以及中暑等问题。湿度对于科技发展也有着至关重要的影响。在军工产品的可靠性测试中，40%的失效产品是由于湿度超出标准范围导致的；在电子行业的开发与应用中，25%以上出现故障的电子产品是由于湿度过大导致元件接触不良所致；在通信行业中，过低的环境湿度会导致电子设备被静电损坏，过高的环境湿度会使电子设备受潮，导致通讯线路瘫痪。受相对湿度影响较大的还包括卷烟、纺织、印刷等诸多行业。因此，随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，准确的湿度测控愈发受到重视。

[0003] 湿度的常用表示方法有混合比、水汽分压、摩尔分数、相对湿度、露点温度等，目前工业中比较通用的表示方法是露点温度，测量露点温度的仪器称为露点仪。露点测量容易受其他物理量，如环境压力、温度等的影响，检测比较困难。露点仪的技术路线主要有冷镜式露点仪、电传感器式露点仪、电介法露点仪、晶体振荡式露点仪及红外露点仪。

[0004] 冷镜式露点仪的基本原理是利用不同水份含量的气体在不同温度下的镜面上会结露，采用光电检测技术，检测出露层并测量结露时的温度，直接显示露点。目前镜面制冷的方法有半导体制冷、液氮制冷和高压空气制冷。冷镜式露点仪采用的是直接测量方法，是目前测量精度和稳定性最高的一种露点仪，可作为标准露点仪使用。目前国际上最高精度达到±0.1℃(露点温度)，一般精度可达到±0.5℃以内。电传感器式露点仪主要采用亲水性材料或憎水性材料作为介质，如三氧化二率薄膜，在含水份的气体流经后，介电常数或电导率发生相应变化，测出当时的电容值或电阻值，就能知道当时的气体水份含量。目前国际上最高精度达到±1.0℃，一般精度可达到±3℃以内。电解法露点仪利用五氧化二磷等材料吸湿后分解成极性分子，从而在电极上积累电荷的特性，设计出建立在绝对含湿量单位制上的电解法微水份仪。电传感器式露点仪和电介法露点仪相对于冷镜式露点仪，体积小、功耗小，但是测量精度低，容易发生露点温度漂移问题，该技术的露点仪产品多用于露点变化不大、测量工质相对稳定的场合。晶体振荡式露点仪利用晶体沾湿后振荡频率改变的特性，可以设计晶体振荡式露点仪，这是一项较新的技术，理论上在测量极低含水量露点很低（低于-90度）的时候测量精度高，但是腔体振荡稳定需要很长时间，技术上有很多限制。红外露点仪很难测到低露点，主要是红外探测器的峰值探测率还不能达到微量水吸收的量级，还有气体中其他成份含量对红外光谱吸收的干扰。

[0005] 冷镜式露点仪，其测量基于光电原理，简单的冷镜式露点仪通过手动调节制冷量来控制镜面降温速度，用目视法确定露的生成。这种露点仪很大程度上依靠经验来进行，人为因素比较大。精密露点仪绝大部分采用光电系统来确定露的生成，光电检测系统主要包括一个稳定的光源和反射光的接收系统，来自光源的平行光照到镜面上被镜面反射，反射光用光电管或光敏元件接收。在镜面结露之前，入射和反射的光通量基本上是稳定的，当镜面上出现露时，反射光发生散射，光接收系统接收的光量减小，准确判断露点的出现与否可通过对接收光量的变化跟踪及分析实现。

[0006] 实际工业应用中，虽然冷镜式露点仪是行业公认最准确的仪器，但其除了在计量、实验室等应用外，其它行业的应用量还比较少，主要存在下面几个问题：1)单光路冷镜式露点仪使用一个发光元件和接收元件进行测量，发光元件的发光强度、灯光颜色、光束散角等光学参数受环境温度影响较大，同样，光学接收元件也受环境温度等影响较大，即便是同一个光学元件在不同光强区域、不同温度下的光学参数变化趋势都不尽相同，因此环境温度等瞬间较大的变化对露点测量精度影响较大。

[0007] 2)现有的双光路冷镜式露点仪均采用一个镜面、利用分光镜或挡光螺钉等方法调整使两路分光的光通量相等、两路光学接收元件分别接收来自镜面的反射分光和直射分光，以直射分光作为基准参考光补偿环境温度变化等引起的测量误差，提高露点仪环境适应性。但实际应用中，通过调节挡光螺钉使得接收端的直射分光和反射分光的光强度保持长期平衡十分困难，因为分光镜的定位偏差、挡光螺钉的松紧以及其螺牙间距磨损等微小变化均有可能造成两路光强度的较大偏差，影响测量精度。

[0008] 3)冷镜式露点仪不仅价格昂贵，而且长期以来必须依靠液氮、高压气体节流、半导体冷泵或混合工质制冷机作为冷源，整机体积庞大、功耗较高、不宜便携、现场测量速度慢。液氮容器体积较大，安装受局限，测量过程液氮消耗快，制冷速度难以控制，影响露点仪检测精度，而且液氮在偏远工业场合不易获得；高压气体节流制冷装置体积大、气源消耗快；
半导体冷泵降温特性决定了其深低温时功耗大、散热部分尤其是辅助制冷设备体积大且重；混合工质制冷装置也存在体积大、重、制冷效率低等问题。

[0009] 上述几个方面的问题，导致冷镜式露点仪的技术性能及应用范围受到很大限制，不适用于工业现场对于湿度快速测量的要求，不利于推广。市场上现有的主流国产冷镜式露点仪仅适用于-60℃以上水露点的测量，且对温度等环境参数有较为苛刻的要求；进口的冷镜式露点仪大多以半导体冷泵作为冷源，其技术特性要求在-60℃以下温区增加额外的辅助制冷设备，整机体积庞大，不易移动，仅可用于计量站、试验室等测试，不适用于工业现场对于湿度快速测量的要求，特别是多现场巡检测试。

[0010] 总的来说，露点仪的使用随着工业需求的增长得到非常迅速的发展，在2000年之前，冷镜式露点仪占据了绝对的市场垄断，其生产商主要包括美国GE、英国米歇尔和瑞士的MBW三家，但是冷镜式露点仪的价格和技术特性（体积大、光学复杂、环境适应性差、使用不方便）限制了其在工业上的广泛应用。2000年以后，传感器式露点仪因为体积小使用方便得到迅速发展，以米歇尔与芬兰维萨拉为代表，占据了全球99%的市场。2010年以后，传感器式露点仪已经不能被行业所接受，在电力、石化、高端气体、半导体、锂电池以及核电行业，传感器式露点仪逐步被冷镜式替代，出于露点检测精度和稳定性的需要，行业不得不选择昂贵的冷镜式露点仪、弃用传感器式的产品。因此从行业发展趋势来看，一款具备高精度、高稳定性、体积小、操作方便的新型冷镜式露点仪，是目前最符合市场需求的产品。

[0018] 一种双冷镜双光路结构的冷镜式露点仪包括测量腔体11、检测冷镜垫块7和参考镜面垫块20等，检测冷镜垫块7安装在检测冷镜12上（冷源顶端）、并与测量腔体11之间形成测量空腔13，检测冷镜12位于测量空腔13内，检测冷镜12中部装有PT100 8，可实时测量冷镜温度；参考镜面垫块20上安装有参考镜面19、并与测量腔体11之间形成参考空腔21，参考镜面19密封于参考空腔21内。两组相对应的镜面和光学元件规格分别相同。

[0019] 测量腔体11长度方向两侧，一侧安装光路发射元件一4和光路发射元件二17，其上用温度平衡压板一3封盖；另一侧安装光路接收元件一15和光路接收元件二23，其上用温度平衡压板二16封盖。两个温度平衡压板均与测量腔体11表面紧密贴合，并采用导热性能优异的材料，使得光学元件和测量腔体11整体温度相同。光路发射元件一4与检测冷镜12之间设有光路发射光通道一5，光路接收元件一15与检测冷镜12之间设有光路接收光通道一14。测量腔体11上设有进气通道6与出气通道24，与测量空腔13相通，被测气体可由进气通道6掠过检测冷镜12，自出气通道24排出。测量腔体11上方设有观察窗1，观察窗1和检测冷镜12之间设有观察镜2，可以观察检测冷镜12、并在需要时打开观察窗1清理检测冷镜12。光路发射元件二17与参考镜面19之间设有光路发射光通道二18，光路接收元件二23与参考镜面19之间设有光路接收光通道二22。测量空腔13与参考空腔21位置相邻但相互独立，测量空腔
13在进气通道6和出气通道24封堵情况下形成密封腔，参考空腔21自身为密封腔。上述两路光路发射元件分别射向两个镜面，两路光学接收元件分别接收来两个镜面的反射光，两路反射光的光强度通过控制系统26的电路调节。

[0020] 上述双冷镜双光路露点仪采用小型斯特林制冷机25为冷源，斯特林制冷机冷端外侧安装保温罩9，保温罩内部用绝热材料10填充，测量腔体11整体安装在保温罩9上。上述双冷镜双光路露点仪通过控制系统26，自动重复测量被测气体露点温度。

[0021] 接通气源，被测气体掠过检测冷镜12、自出气通道24流出。启动斯特林制冷机25对检测冷镜12持续均匀降温，随着温度不断降低，测量空腔13内气体中水的饱和蒸汽压不断降低，直至气体中水份达到饱和，检测冷镜12表面出现露或霜，此时系统检测到的温度就是气体的露点温度。上述两个温度平衡压板分别使两路光路发射元件、两路光学接收元件与测量腔体11整体保持温度平衡，环境温度改变时，两路光强度的变化量也基本相同，因此系统可以精确判定露点或霜点引起的光强度突变，具体如下所示：测量光路接收强度U1= 初始发光强度U01 +
温度变化引起的光强度变化Ut1+
检测冷镜反射引起的光强度变化Uj1 +
结霜或露引起的光强度变化Us
参考光路接收强度U2 = 初始发光强度U02 +
温度变化引起的光强度变化Ut2 +
参考镜面反射引起的光强度变化Uj2
∵
1)两个光路发射元件规格相同，其初始发光强度基本相同，即U02 = U01
2)两个镜面规格相同，则两个镜面引起的光强变化相同，即Uj2 = Uj1
3)两个光路发射元件和两个光路接收元件与测量腔体温度整体平衡，则温度引起的光强在发射和接收端的变化都相同，即Ut2 = Ut1
∴U1 – U2= （U01 + Ut 1+ Uj1 +Us）-（U02 + Ut2 + Uj 2） =Us
理论上，检测冷镜未结露或霜时，Us的初始值为常量，因此露或霜出现时，该值迅速变化，因此系统可以精确判定露点或霜点出现、并锁定当前温度即露点温度。

[0022] 本发明的优点在于：1)结构中采用两套光电测量系统，每套系统的镜面、电子器件和光学器件均相同，其光强度的初始平衡调节通过调节电路实现，避免使用分光镜和挡光螺钉等结构，从而避免了分光镜定位偏移、挡光螺钉长期使用松动或螺牙间距长期使用磨损等微小变化可能引起的测量误差，双光路光电信号的长期稳定性提高，露点仪长期可靠性增加；
2)结构中，两套光电测量系统中的光路发射元件和光路接收元件对称安装在测量腔体长度方向两侧，分别用导热性能优良的温度平衡压板封盖，平衡压板与测量腔体表面紧密贴合，因此环境温度改变时，由温度引起的光强度变化量也基本相同，参考光路可以作为基准抵消测量光路的光强度变化，系统可以精确的判定露点或霜点引起的光强度突变，测量精度大幅增加；
3)本发明提出的露点仪以专用斯特林制冷机为冷源，制冷机的冷端顶面直接作为检测镜面，避免冷端和镜面之间的热传导延迟造成的误差，无需任何辅助制冷，制冷机可快速精准制冷至-100℃以下，将测量量程扩大至-90℃，检测精度达到±0.1℃，技术指标达到国际领先，国内首创。同时设备功耗、体积和重量均大幅减小，整机功率50瓦左右，设备整机仅有几公斤，便于携带，该露点仪在-60℃温区露点单次测量时间约为3分钟，与传统的平衡法相比测量周期缩小50%，适用于各种湿度测量、尤其是环境差、测量速度要求快的测量场合。