專利名稱：一種諧振式露點測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種諧振式露點測量方法，它利用石英晶體微天平即QCM(QUartz Crystal Microbalance)原理對露點進行識別，從而達到露點溫度的測量，屬于空氣狀態(tài)參數(shù)測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
空氣濕度是表示大氣中水汽含量多少的物理量，簡稱濕度，通常用混合比、比濕、 絕對濕度、水汽壓、相對濕度和露點溫度等參量來表示。隨著經(jīng)濟與社會的發(fā)展，對濕度測量準(zhǔn)確度的要求在不斷提高，但由于濕度受氣溫、氣壓的影響較大，至今全溫域、全量程下的濕度測量仍是世界上大氣探測領(lǐng)域的主要難題之一。目前測濕儀器種類繁多，從原理上可以劃分為稱重法、熱力學(xué)方法、吸濕法、光學(xué)法、凝結(jié)法等。其中，稱重法測量精(準(zhǔn)確)度最高，但儀器體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣。 熱力學(xué)測濕法以臺站常用的干濕表為代表，測量準(zhǔn)確度較高，操作簡便，但干濕表在低溫情況下，相對濕度變化所對應(yīng)的干濕球溫度差變化很小，導(dǎo)致低溫時測濕誤差較大。吸濕法可分為機械形變類和電學(xué)類兩類，此類儀器結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，但滯后系數(shù)大，精度不高。光學(xué)法利用水汽對光輻射或者電磁波吸收衰減作用來測定水汽含量，如紅外濕度計，微波濕度計等，需要經(jīng)常進行校準(zhǔn)，目前僅限于科研中?；谀Y(jié)法的露點儀在全量程范圍內(nèi)線性度較好，即使在低溫條件下，也能達到相當(dāng)高的準(zhǔn)確度，是目前唯一一種可以在全溫度量程內(nèi)達到較高準(zhǔn)確度的測濕儀器。最早由法國人Regnault于1819年研制，經(jīng)過近兩百年的發(fā)展不斷改進成熟，已成為今后測濕儀器發(fā)展的主要方向?；谀Y(jié)法的露點測量其關(guān)鍵技術(shù)在于露點的探測與識別。目前主要的露點識別技術(shù)有光電法、聲波法以及圖像識別法。美國GE公司研制的光電精密露點儀、瑞士 MBW公司生產(chǎn)的精密露點儀以及英國的MICHELL儀器公司生產(chǎn)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(yīng)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。Weremczuk以及解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院都研究了新型顯微成像式露點傳感器，利用光學(xué)CCD (電容藕合器件)對鏡面生成露/霜前后圖像的差異進行檢測。通過高倍的光學(xué)CCD實時檢測鏡面圖像，圖像采集電路將鏡面圖像傳輸給上位機，通過圖像處理和檢測程序，實現(xiàn)對露點的檢測和判別。

發(fā)明內(nèi)容
1、目的本發(fā)明的目的是為了提供一種諧振式露點測量方法，它能夠快速準(zhǔn)確的獲取當(dāng)前溫度下的環(huán)境露點從而對環(huán)境的濕度程度做出評判。本方法具有測量方法簡單、 靈敏度高、可靠性好、成本低的優(yōu)點。2、技術(shù)方案本發(fā)明一種諧振式露點測量方法，該方法的工作原理如下1959年Sauerbrey發(fā)明了石英晶體微天平，其測量極限能達到10_6kg。石英晶體微天平是一種質(zhì)量到頻率的轉(zhuǎn)換器，它可以把石英晶體電極上面極小質(zhì)量的改變轉(zhuǎn)換為可測量的振動頻率的改變。后期Kanazawa等提出了著名的Kanazawa-Gordon方程，即在液相環(huán)境中晶體的諧振頻率變化滿足Af =-Z15yJn^p1/πμ^ρ^⑴其中f為基頻，η為諧波次數(shù)，Jl1和P1S流體的粘度和密度，μ,和P ,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(jù)。本發(fā)明就是依據(jù)QCM原理， 對石英晶片進行有效制冷使其表面達到凝結(jié)，由于結(jié)露造成了石英晶片電極表面的質(zhì)量改變，所以可以通過測量石英晶體的諧振頻率以達到對露點的識別，同時測取頻率改變時刻的石英晶片表面溫度，這個溫度就是所需要測量的露點溫度。本發(fā)明一種諧振式露點測量方法，該方法的具體步驟如下步驟一如圖1所示，首先制作振蕩回路和敏感探頭；將兩面附有電極的AT切型石英晶片的一面與半導(dǎo)體制冷器的制冷面相貼，半導(dǎo)體制冷器的熱面與散熱器相貼便于半導(dǎo)體制冷器得到更好的制冷效果，直流穩(wěn)壓電源與半導(dǎo)體制冷器連接，從石英晶片的兩個電極分別引出兩根導(dǎo)線與500歐姆的電阻進行串聯(lián)后接入信號發(fā)生器形成一個振蕩回路。 其次，接入兩個ΡΤ100鉬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(huán)境中，用來提供同一時刻下環(huán)境溫度。步驟二 先按照選取的石英晶體的標(biāo)準(zhǔn)諧振頻率給信號發(fā)生器粗略地設(shè)定相應(yīng)的掃頻范圍及給石英晶片提供激勵信號，最后確認其實際固有頻率之后再精確地給信號發(fā)生器設(shè)定掃頻范圍，同時半導(dǎo)體制冷器對石英晶片進行制冷。步驟三用PCI4712AS2數(shù)據(jù)采集卡的信號輸入端接在振蕩回路中電阻的兩端，用來采集電阻兩端的電壓，其中當(dāng)石英晶片達到串聯(lián)諧振頻率時，其自身的阻抗最小呈純阻性而導(dǎo)致電路的阻抗最小，因而電阻兩端的電壓最大，通過獲取電阻兩端的電壓值來間接獲取石英晶片的振蕩頻率，PCI4712AS2數(shù)據(jù)采集卡與工控機連接通過相應(yīng)的軟件程序處理獲取的諧振信號，得出頻率隨時間改變量的情況并進行實時顯示，將兩個ΡΤ100鉬熱電阻接入數(shù)字萬用表，直接將其電阻值轉(zhuǎn)換為溫度值同步獲取兩路溫度信號，與工控機連接并在工控機的軟件界面實時顯示溫度曲線與數(shù)值，并作好記錄。步驟四半導(dǎo)體制冷器對石英晶片進行持續(xù)制冷，通過步驟三中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)即PCI4712AS2數(shù)據(jù)采集卡對獲取的石英晶片的諧振頻率進行監(jiān)測，當(dāng)石英晶片表面的溫度達到足夠低時，由于石英晶片表面與環(huán)境之間的溫差引起石英晶片表面出現(xiàn)結(jié)露，此時結(jié)露的出現(xiàn)造成了石英晶片表面質(zhì)量的增加從而使石英晶片的諧振頻率發(fā)生了突變，當(dāng)監(jiān)測到突變發(fā)生時刻，停止數(shù)據(jù)采集，判斷出頻率突變點所對應(yīng)的時間，然后找出對應(yīng)時間的石英晶片表面溫度Td和環(huán)境溫度Ta，Td就是最后需要測量的在Ta下的露點溫度。3、優(yōu)點本發(fā)明一種諧振式露點測量方法，它利用石英晶體的頻率來識別露點溫度，由于石英晶體頻率對質(zhì)量的敏感度都達到納克級，所以本方法具有非常高的靈敏度和準(zhǔn)確性，并且操作方法簡單，成本較低，能夠彌補當(dāng)前其他常規(guī)露點測量方法的不足。


圖1本發(fā)明的測試系統(tǒng)框圖；圖2本發(fā)明的測試方法流程圖3 (a)為石英晶片諧振頻率變化圖；圖3 (b)為連續(xù)兩點頻率差值情況示意3(c)為對應(yīng)時刻的石英晶片表面溫度示意中符號說明如下PCI4712AS2 高速數(shù)據(jù)采集卡。
具體實施例方式實施例見圖2，本發(fā)明一種諧振式露點測量方法，該方法的具體步驟如下步驟一如圖1，首先制作振蕩回路和敏感探頭；用導(dǎo)熱銀膠涂覆在直徑為9mm，電極直徑為6mm的AT切型石英晶片其中一個表面的外圍無電極覆蓋區(qū)域，同時將兩根銅絲導(dǎo)線分別用導(dǎo)熱銀膠粘貼在同一面的電極的兩個端腳并且將涂抹銀膠后的晶片的一面粘貼在半導(dǎo)體制冷器的制冷面，半導(dǎo)體制冷器的尺寸為20mmX 20mmX 3mm，半導(dǎo)體制冷器導(dǎo)線兩端接直流穩(wěn)壓電源，電流范圍為0-3安培。石英晶片電極兩端引出來的導(dǎo)線和一個500歐姆的電阻串聯(lián)然后再和信號發(fā)生器相串聯(lián)組成一個振蕩回路，其次，接入兩個PT100鉬熱電阻作為溫度傳感器，一個貼在石英晶片表面無電極區(qū)域，用來提供石英晶片表面的溫度值， 另一個裸露在空氣環(huán)境中，用來提供同一時刻下環(huán)境溫度。步驟二 先按照選取的石英晶體的標(biāo)準(zhǔn)諧振頻率給信號發(fā)生器粗略地設(shè)定相應(yīng)的掃頻范圍及給石英晶片提供激勵信號，最后確認其實際固有頻率之后再精確地給信號發(fā)生器設(shè)定掃頻范圍，同時給半導(dǎo)體制冷器提供2. 5安培的直流電使其開始工作制冷。步驟三用PCI4712AS2數(shù)據(jù)采集卡的信號輸入端接在振蕩回路中500歐姆電阻的兩端，用來采集該電阻兩端的電壓，其中當(dāng)石英晶片達到串聯(lián)諧振頻率時其自身的阻抗最小呈純阻性因此導(dǎo)致電路的阻抗最小，因而電阻兩端的電壓最大，通過獲取該電阻兩端的電壓值來間接獲取石英晶片的振蕩頻率，PCI4712AS2數(shù)據(jù)采集卡與工控機連接通過相應(yīng)的軟件程序處理獲取的諧振信號，得出頻率隨時間改變量的情況并進行實時顯示，將兩個 PTlOO鉬熱電阻接入數(shù)字萬用表，直接將其電阻值轉(zhuǎn)換為溫度值同步獲取兩路溫度信號，與工控機連接并在工控機的軟件界面實時顯示溫度曲線與數(shù)值并作好記錄。步驟四將測量的敏感探頭放置在具有一定濕度的環(huán)境中，半導(dǎo)體制冷器對石英晶片進行持續(xù)制冷，通過步驟三中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)即PCI4712AS2數(shù)據(jù)采集卡對獲取的石英晶片的諧振頻率進行監(jiān)測，當(dāng)石英晶片表面的溫度達到足夠低時，由于石英晶片表面與環(huán)境之間的溫差引起石英晶片表面出現(xiàn)結(jié)露，此時結(jié)露的出現(xiàn)造成了石英晶片表面質(zhì)量的增加從而使石英晶片的諧振頻率發(fā)生了突變，當(dāng)監(jiān)測到突變發(fā)生時刻，停止數(shù)據(jù)采集，判斷出頻率突變點所對應(yīng)的時間，然后找出對應(yīng)時間的石英晶片表面溫度Td和環(huán)境溫度Ta，Td 就是最后需要測量的在Ta下的露點溫度。圖3(a)、(b)、(c)是該測量方法的驗證試驗結(jié)果。從試驗結(jié)果可以看出本發(fā)明操作方法簡單，成本較低，它能夠彌補當(dāng)前其他常規(guī)露點測量方法的不足。
權(quán)利要求
1. 一種諧振式露點測量方法，其特征在于該方法的具體步驟如下 步驟一首先制作振蕩回路和敏感探頭；將兩面附有電極的AT切型石英晶片的一面與半導(dǎo)體制冷器的制冷面相貼，半導(dǎo)體制冷器的熱面與散熱器相貼，直流穩(wěn)壓電源與半導(dǎo)體制冷器連接，從石英晶片的兩個電極分別引出兩根導(dǎo)線與500歐姆的電阻進行串聯(lián)后接入信號發(fā)生器形成一個振蕩回路；其次，接入兩個PT100鉬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(huán)境中，用來提供同一時刻下環(huán)境溫度；步驟二 先按照選取的石英晶體的標(biāo)準(zhǔn)諧振頻率給信號發(fā)生器設(shè)定相應(yīng)的掃頻范圍及給石英晶片提供激勵信號，最后確認其實際固有頻率之后給信號發(fā)生器設(shè)定掃頻范圍，同時半導(dǎo)體制冷器對石英晶片進行制冷；步驟三用PCI4712AS2數(shù)據(jù)采集卡的信號輸入端接在振蕩回路中電阻的兩端，用來采集電阻兩端的電壓，其中當(dāng)石英晶片達到串聯(lián)諧振頻率時，其自身的阻抗最小呈純阻性而導(dǎo)致電路的阻抗最小，因而電阻兩端的電壓最大，通過獲取電阻兩端的電壓值來間接獲取石英晶片的振蕩頻率，PCI4712AS2數(shù)據(jù)采集卡與工控機連接通過相應(yīng)的軟件程序處理獲取的諧振信號，得出頻率隨時間改變量的情況并進行實時顯示，將兩個PT100鉬熱電阻接入數(shù)字萬用表，直接將其電阻值轉(zhuǎn)換為溫度值同步獲取兩路溫度信號，與工控機連接并在工控機的軟件界面實時顯示溫度曲線與數(shù)值，并作好記錄；步驟四半導(dǎo)體制冷器對石英晶片進行持續(xù)制冷，通過步驟三中的PCI4712AS2數(shù)據(jù)采集卡對獲取的石英晶片的諧振頻率進行監(jiān)測，當(dāng)石英晶片表面的溫度達到足夠低時，由于石英晶片表面與環(huán)境之間的溫差引起石英晶片表面出現(xiàn)結(jié)露，此時結(jié)露的出現(xiàn)造成了石英晶片表面質(zhì)量的增加從而使石英晶片的諧振頻率發(fā)生了突變，當(dāng)監(jiān)測到突變發(fā)生時刻，停止數(shù)據(jù)采集，判斷出頻率突變點所對應(yīng)的時間，然后找出對應(yīng)時間的石英晶片表面溫度Td 和環(huán)境溫度Ta，Td就是最后需要測量的在Ta下的露點溫度。
全文摘要
一種諧振式露點測量方法，該方法有四大步驟步驟一首先制作振蕩回路和敏感探頭；步驟二半導(dǎo)體制冷器對石英晶片進行持續(xù)制冷，信號發(fā)生器提供頻率信號；步驟三數(shù)據(jù)采集并監(jiān)測頻率信號和溫度信號，并作好記錄；步驟四當(dāng)監(jiān)測到石英晶片諧振頻突變發(fā)生時刻，停止數(shù)據(jù)采集，判斷并找出頻率突變點所對應(yīng)的時間、石英晶片表面溫度Td和環(huán)境溫度Ta，Td就是最后需要測量的在Ta下的露點溫度。本發(fā)明構(gòu)思巧妙，具有測量方法簡單、靈敏度高、可靠性好、成本低的優(yōu)點；它能夠快速準(zhǔn)確的獲取當(dāng)前溫度下的環(huán)境露點從而對環(huán)境的濕度程度做出評判。它在空氣狀態(tài)參數(shù)測量技術(shù)領(lǐng)域里具有較好的實用價值和廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號G01K7/18GK102520019SQ20111041288
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者孟曉風(fēng), 聶晶, 鄭睿 申請人:北京航空航天大學(xué)