一种高精度露点测量装置及其检测方法

摘要

本发明公开了一种高精度露点测量装置及其检测方法，属于气象检测领域。本发明由激光二极管，光电传感器，光洁镜面，制冷堆单元组成，激光二极管发射激光后，经过制冷单元控温的光洁镜面后反射到检测用光电二极管。本发明的检测方法通过对激光强度变化的检测，给出是否结露的动态阈值判别流程，被测气体流经露点测量室时，通过对镜面的三级制冷产生粗略露点，给出通过高速升温清除结露及低速恒速率降温过程来产生结露，从而精确求取露点。本方法对污染具有良好的抑制作用，并提高了露点测量精度。

主权项

一种基于高精度露点测量装置的检测方法，所述露点测量装置的两端具有一进气口(4)和一出气口(5)，被测气体从进气口(4)进入露点测量装置，并从出气口(5)流出；在露点测量装置中包括激光二极管(1)、光电传感器(6)、光洁镜面(2)、制冷堆单元(3)；其中，所述光洁镜面设置于制冷堆单元(3)的表面，通过制冷堆单元(3)来产生结露，并通过制冷堆单元(3)反向电压工作制热来消除结露；所述激光二极管(1)、光电传感器(6)相对于光洁镜面(2)的中心轴对称设置于光洁镜面(2)的上方，其中所述激光二极管(1)发出恒功率激光，通过光洁镜面(2)反射后到达光电传感器(6)；其特征在于：所述检测方法首先确定结露检测动态阈值；然后通过对镜面的三级制冷产生粗略露点，最后通过高速升温清除结露及低速恒速率降温产生结露得到精确露点；具体如下：步骤1，确定结露检测动态阈值，包括以下分步骤：步骤101：加热镜面至干燥状态下后，通过激光二极管发出恒功率激光束至镜面，并采用光电传感器连续检测镜面反射激光一段时间，求出反射激光强度的平均值m与最小值之差Δ；步骤102：将Δ乘以结露误判系数w，将w·Δ作为判别结露的阈值，w为自然数；步骤2，通过对镜面的三级制冷产生粗略露点，具体为：采用制冷堆单元对镜面全速降温，并连续记录镜面温度值，一旦光电传感器检测到的光强度降低值超过步骤102中的结露阈值w·Δ时，则将此刻的镜面温度作为该被测气体的粗略露点；步骤3，通过高速升温清除结露及低速恒速率降温产生结露得到精确露点：步骤301：将步骤2得到的粗略露点加上一个单位温度值作为设定值，将设定值与实时检测的镜面温度的偏差值构成高速升温控制算法的偏差信号，利用高速升温控制算法，加热镜面至初始干燥状态；所述高速升温控制算法由PID控制器和模糊控制器组成；首先采用模糊控制模式，加快响应速度；当温度偏差接近稳态过程后，切换到PID控制模式，消除静差并提高控制精度；将温度偏差和温度偏差变化率模糊化，由模糊控制规则推理得到输出控制量的模糊集，再将输出控制量进行非模糊处理得到控制量u₁(k)；其中，PID控制模式下的控制算法如下式所示：$u_1\left(k\right)=K_1·e\left(k\right)+K_2·\underset{j=0}{\overset{k}{\Sigma }}e\left(j\right){+K}_3·[e\left(k\right)-e(k-1)]$其中，k为采样序号，e(k)为采样时刻k输入的偏差值，为采样开始到第k次采样时刻之间偏差的累积和，e(k)、e(k‑1)分别为第k次采样时刻输入的偏差值与第k‑1次采样时刻输入的偏差值，K₁为比例系数，K₂为积分系数，K₃为微分系数；利用偏差的比例、积分和微分三个环节的不同组合计算出控制量u₁(k)；步骤302：再次对镜面低速率恒速降温，将步骤301中的粗略露点减去一个单位温度值作为设定值，并监测镜面温度值，这两者之差构成低速恒速率降温控制算法的偏差信号，利用低速率恒降温速率控制算法，连续检测镜面反射激光至结露阈值时所取得的镜面温度即露点温度；所述低速率恒速降温控制算法如下式所示：$u_2\left(k\right)=(K_p+{\mathrm{\Delta K}}_p)·E\left(k\right)+(K_i+{\mathrm{\Delta K}}_i)\underset{j=0}{\overset{k}{\Sigma }}E\left(j\right)+(K_d+{\mathrm{\Delta K}}_d)·[E\left(k\right)-E(k-1)]$其中，E(k)、E(k)‑E(k‑1)分别是采样时刻k的偏差、偏差和，以及偏差变化；K_p、K_i和K_d分别为PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数，ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d分别为与K_p、K_i和K_d对应的增量；低速率恒速降温控制算法将偏差信号和偏差信号的变化率模糊化，根据模糊控制规则推理得到K_p、K_i、K_d以及增量ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d的输出模糊集，再根据逆模糊化的方法，得到PID控制器的比例系数K_p、积分系数K_i和微分系数K_d精确量，对PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数进行在线自整定，进而得到控制量u₂(k)；步骤303：循环实施步骤301与步骤302，将粗略露点用前一次的露点结果取代，再次实施恒速率升降温以完成露点的循环测量。