一種諧振式露點測量方法*

聶 晶,孟曉風,鄭 睿,汪 爍,呂 陽

(1.北京航空航天大學慣性技術重點實驗室北京 100191;2.中國人民解放軍96831部隊北京 100015)

空氣中水汽的含量,即所謂的濕度.濕度的精密、快速測量是化學傳感器中的難點之一.其中露點溫度的測量已被國際公認為最精密的濕度測量方法[1].

露點測量其關鍵技術在于露點的探測與識別.目前主要的露點識別技術有光電法、聲波法以及圖像識別法[2].美國 GE公司研制的光電精密露點儀、瑞士 MBW公司生產的精密露點儀以及英國的MICHELL儀器公司生產的系列精密露點儀等均是基于露點冷凝面對光的散射效應來控制和生成露點.芬蘭Vaisala公司推出的DM系列露點儀則是采用高靈敏度的聲波代替光信號進行露點探測.文獻[3-4]都研究了新型顯微成像式露點傳感器,利用光學CCD對鏡面生成露/霜前后圖像的差異進行檢測.本文提出了一種利用石英晶體微天平即QCM(Quartz CrystalMicrobalance)原理對露點進行識別,從而達到露點溫度測量的新方法,本方法具有測量方法簡單、靈敏度高、精度高、可靠性好、成本低等優點.

1 實驗系統

濕度傳感探頭如圖1所示,它由一個諧振頻率為6 MH z的AT切型石英晶體諧振器與一個半導體制冷器以及熱管散熱器組成.

圖1 濕敏傳感裝置Fig.1 Hum idity sensor

圖2 實驗系統框圖Fig.2 Experimental system of hum id itym easurements

將兩面附有電極的AT切型石英晶片其中一面外圍無電極區域與半導體制冷器的制冷面用導熱銀膠相貼,半導體制冷器的熱面要與散熱器相貼以便于發揮更好的制冷效果,從石英晶片的兩個電極分別引出兩根導線接入掃頻信號源.同時需要兩個PT100鉑熱電阻作為溫度傳感器,一個貼在石英晶片表面,用來提供石英晶片表面的溫度值,另一個裸露在空氣環境中,用來提供同一時刻下環境溫度.

圖2為實驗系統框圖,該系統數據采集卡采用PCI4712AS2高速采集卡,制冷器選取TEC1-3104型半導體制冷器,最大制冷功率為8.2W,散熱器采用熱管散熱器,直流穩壓電源為半導體制冷器提供0～3 A的電流,數字萬用表采用VXI Technology公司的基于VXI總線的VM2710數字萬用表,可以將PT100鉑熱電阻的電阻值直接轉換為溫度值,信號發生器選用VXITechnology公司的基于VXI總線的VM3640任意波形發生器,工控機為ADLINK工業控制計算機.

2 露點測量

2.1 測量原理

1959年,德國Sauerbrey建立了基于質量效應的石英晶體微天平傳感理論[5],提出了著名的Sauerbrey方程

式中:Δf為頻移;Δm為質量改變量;f0為基頻;A為電極面積.

石英晶體微天平是一種質量到頻率的轉換器,它可以把石英晶體電極上面極小質量的改變轉換為可測量的振動頻率的改變,其測量極限能達到10-6kg.

后期Kanazawa等提出了Kanazawa-Gordon方程[6]即在液相環境中晶體的諧振頻率變化滿足

式中:f為基頻;n為諧波次數;η1和 ρ1為流體的粘度和密度;μq和 ρq為石英晶體的剪切模量和密度,這給液體中QCM測量提供了理論依據.

本文就是依據QCM原理,對石英晶片進行有效制冷使其表面達到凝結,由于結露造成了石英晶片電極表面的質量改變,從而導致石英晶體的諧振頻率發生改變,可以通過測量石英晶體的諧振頻率以達到對露點的識別,同時測取頻率突變時刻的石英晶片表面溫度,這個溫度就是石英晶體表面發生凝結時刻的溫度,也是最終所需要測量的露點溫度.

2.2 測量實驗與分析

根據上述原理,可以初步得知當制冷器開始對石英晶片制冷導致石英晶片表面開始結露的時候,由于結露造成了石英晶片電極表面的質量改變從而使石英晶體諧振器的固有頻率發生改變,并隨著結露的過程所表現的頻率變化程度不同.依照圖 3所示的測量流程,在一定濕度環境下對此測量方法進行驗證.

圖3 測量流程Fig.3 Experimental p rocedure

圖4 頻率-時間曲線Fig.4 Frequency time

實驗環境溫度為28°,環境相對濕度為61%RH,環境相對濕度根據HM1500電容式濕度傳感器提供的數據為參考,精度為 ±3%.取2A作為半導體制冷器的工作電流給石英晶體提供制冷,利用任意波形發生器產生一定范圍的自動掃描信號驅動石英晶體維持振蕩.當石英晶體處于諧振狀態下,其自身的阻抗最小,因此利用高速數據采集卡獲取與石英晶體串聯的精密電阻兩端的電壓信號,并利用相應的軟件程序提取電壓幅值最大點對應的頻率,此頻率即為石英晶體的諧振頻率.制冷持續150 s,此過程中按上述方法實時獲取石英晶體諧振頻率,如圖4～6所示,分別得到了頻率-時間曲線、頻差-時間曲線和溫度-時間曲線.

從圖4可以看出,隨著制冷器制冷時間的持續,石英晶體諧振器的諧振頻率下降,直到第40 s的時候諧振頻率出現了一個明顯的突變.在這一過程中,根據數據的顯示可以判斷出40 s以前近似線性的頻率變化是由于溫度對石英晶體諧振器固有頻率的影響產生的,40 s處的突變是由于石英晶片表面溫度達到凝露溫度所產生的結露造成的質量增加所引起的頻偏.

為了更直觀地表示石英晶體諧振頻率隨著制冷持續所產生的變化過程,圖5做出了每相鄰兩個頻率點的差值Δf的變化趨勢,從圖中可以明顯看出,同樣在40 s處Δf的值為最大,也就驗證了前面描述的頻偏產生原理的準確性.

基于上述現象及測量原理,最終要得到結露時刻的石英表面溫度,此溫度也就是在當前環境溫度下的露點溫度,利用此露點溫度就可以得到環境的相對濕度,從而達到對環境濕度的準確測量.圖6是同步測取的石英表面溫度變化趨勢,在圖中可以看到40 s處溫度有一個轉折點,這一點的溫度在40 s以前為最低值,后面相鄰的一點溫度比40 s處的溫度高是由于在表面結露之后,由于露水蒸發作用同時會散去一部分溫度,所以此處的溫度轉折點可以從另一個層面進一步驗證40 s處石英表面的確產生了結露.通過獲取40 s處的石英晶片溫度為19.414℃和當時環境溫度為28℃,可以利用查表計算得到環境的相對濕度為59.63%RH,與實驗環境提供的濕度相差1.37%RH,誤差控制在±2%.

圖5 頻差-時間曲線Fig.5 Frequen cy offset-tim e

3 結 論

根據實驗系統的要求,設計了一套獨立的露點傳感裝置,其具有靈敏度高、可靠性好、成本低的優點,并且可以適合較寬的濕度環境.通過實驗以及對頻率、溫度、頻差與制冷時間的相關性進行分析,可以從定性的角度驗證利用QCM原理與本文設計的露點傳感裝置相結合能達到對環境露點的理想測量,測量誤差控制在 ±2%RH.此方法具有精度和靈敏度雙高的優點,同時成本低可操作性較強.此方法的定性分析對進一步研制諧振式露點儀具有重要的理論與實踐意義.

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