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芬兰VAISALA DMP248 精密露点仪的原理与应用
2015-03-02
一：简介
对于露点温度-60°C的湿度测量长期以来只依靠镜面的方法,该方法从原理上讲只要有足够的制冷措施,就能测量任意露点温度。这种方法的最大问题就是对气体要求很高任何杂质和污染都会导致极大的测量误差。因此它几乎不能在线使用。另一个低湿度的传感器就是氧化铝传感器。它最低可测到（-100°C）露点但是这类传感器在保护状态下每年也会漂移±6°C……±10°C。因此就不能保证其工作的稳定性。另外以上两种类型仪表校准也非常困难这是因为它需要专门的露点发生器。由Vaisala公司发明的高分子薄膜电容具有很高的稳定性和抗污染能力。但长期以来只能用于露点-40°C以上湿度测量-40°C……-60°C的测量非敏感元件达不到而是存在着很大的误差。这主要是因为传统的计算方法和校准方法的问题。
Vaisala公司针对以上问题进行了长期研究利用在线状态下自动修正零点偏移这一行之有效的方法彻底地解决了低露点测量的精度问题。从而为低湿度测量提供了一种既稳定又精密的方法。
DMP248系列精密露点仪是Vaisala公司推出的专门用于测量低湿露点点的精密仪表它内含在线自动修正零点偏移这一专利软件它的探头是由高分子薄膜式湿敏电容和Pt100铂电阻组成的复合敏感元件。DRYCAP和DRYCAP.J高分子湿敏电容C的变化和测量气体的相对湿度（RH）成正比而Pt100可直接测量气体的温度（T）。由此可分别计算出露点温度（Td）体积浓度比（PPMV）。因此DMP248仪表虽然是精密露点仪但其校准参数 仍然是相对湿度RH和温度Ｔ。通常情况下两点校准就可以满足其精度了因为相对湿度RH和湿敏电容的电参数成线性关系。这是其它类型的露点仪无法比拟的。
Vaisala公司的湿敏电容是世界上最稳定的湿敏元件其自动修正零点偏移软件具有专利保护。它的DMP248系列精密露点仪拥有以上两项技术。它低湿稳定性具有世界领先水平该仪表既可在线使用亦可离线使用。其精度及量程范围特别适合开关SF6气体、氢站H2气体、空气中的N2、CO2等气体的微量水分测量。
二：DMP248测量原理
DMP248系列采用了Vaisala公司自发明的DRYCAP敏感元件该元件是专门用在低湿环境的温湿度测量并具有极强的抗结露能力。它包含了一个高分子湿敏薄膜电容和热敏电阻。电容值和相对湿度（RH%）成正比。加入温度信号后就可以由DRYCAP元件直接反映出Pw（水汽压）或露点值了其推导如下：
由温度传感器的Pt-100可以测出气体的温度值T0根据Go-ff-Gratch和Wexler修正公式可求出温度T下的饱和水汽压Pws（T）：
log（Pws（T））=（C1T-C2）/（T-C3）（T＞0） （1）
或者
log（Pws（T））= C4-C5/T （T＜0） （2）
又因为：RH=Pw/Pws（T）
所以气体的水汽压Pw为：Pw=RH×Pws
此时由Pw求出露点温度值Td0、Td值可以分别由（1）、（2）式求出。但在（1）、（2）中应将Pws（T）由Pw更换T由Td更换。对于0°C以下的低湿露点值当然也可由上述方法直接求出。但是其精度却很难保证因为相对湿度越接近于零其露点精度就越随着零点漂移量的变化而快速下降。由于其零点漂移使得误差就越大所以为了提高其测量精度必须在测量过程中设法减少其0%RH零点漂移。
例如：当露点为-40°C温度为20°C时其相对湿度为0.55%RH０偏移量为0.2%RH时（对于一般的RH传感器来说这要比其技术指标好的多了）使得实际测量的RH变为0.35%了。此时计算得出的露点为-44°C所以一个看起来较小的偏移量误差（该误差可由偏移或校准失误产生）对于低RH值来说将产生一个不能接受的露点误差。为解决这一精度问题DMP248系列精密露点仪使用新的专利计算方法即仪表在在线工作时自动计算偏移量变化并调整这一偏移量这一过程可由以下公式 来表达：
RHout=RH０+Gain×Pw/Pws（T） （3）
RH０=完全干状态下的输出
Pw=水汽压
Pws(T)=温度T的饱和水汽压
函数Pws(T)很容易求解所以在同一水汽压（Pw）下测量两个温度T值即两个Pws(T)就可以计算出漂移量RH0值了。
（假定Pw在这一过程中保持不变）
如上图所示其漂移量误差为-0.2%RH测量温度范围20°C……30°C其露点温度为-40°CGain为100%随着温度的升高RH%降低因为前响应是线性的此时RH０=0.2%。由读出的数值（0.35%RH）减去这一数据,就得到了正确数值为0.55%RH.由两点测量数据划一条直线,该直线和Y轴的交点就是RH0。
下图显示DMP248探头所安装的DRYCAP敏感元件DRYCAP由高分子湿敏元件和温敏元件组成。由湿敏元件和Pt-100R的信号时DRYCAP就可以精确地计算出水汽压从而可确定出低湿露 点值。在自动校准周期间Pt-100元件首先用来加热然后来测量温度。整个自动校准周期需时60……70s当自动周期被激活时传感器的输出被锁定。
DRYCAP探头在DMP248的安装
注 意：自动校准仅当DMP248使用在相对湿度低于10%RH（露点在-12°C……20°C以下）和温度在0°C……+80°C才能有效。
三：面板说明
1、液晶显示屏
2、功能键
3、电源开关（POWER）
4、电源指示灯（LED）
5、功能锁
6、入气口 （调节阀）
7、流量计
8、充电口
四：操作说明
1、将气源通过四氟管接入气体入口的快速接头将流量计向右旋转90°使其垂直于面板。
2、调节阀门观察浮子起动确保有气体输出，流量应控制 在0.75L/min左右(SF6流量计)或 2L/min左右(H2流量计)
3、将安全锁置于红点位置打开电源（按下POWER）观察数据显示LED为绿色表示电量充足随着电量下降LED指示灯逐渐变黄，LED为红色表示电量已不足但仍可使用1小时。
4、按▲▼键可在液晶屏上分别显示出RH、T、Td、PPmv的参数值。
5、按下POWER时无数据显示或红灯已亮应立即充 电。
6、充电时红灯亮表示电量不足绿灯亮表示电量充足。
7、充电具有保护功能，溶解氧仪在10小时以上可以充足。
8、电池无电时可直接由充电器供电。
9、在使用过程中一般在10分钟以内仪表即可达到稳定若有反应迟钝现象出现时可参照第七章内容将仪表做强迫自动校准。
10、测量结束后应及时关断电源关闭调节阀退出四氟管向左90°放下流量计。
五、技术参数
（1）露点（DP）
测量范围 -60°C……+60°C
精 度 -50°C……+20°C（±0.5°C)
响应时间 +20°C……0°C 10s
0°C……20°C 10s
-20°C……-40°C 200s
-40°C……-60°C 400s
(2)温度(T)
测量范围 -40°C……+80°C
精 度 ±0.1°C（at 20°C）
(3)相对湿度(RH)
测量范围 0……100%RH
精 度 RH＜10%时±0.0025%+8.75% of reading
RH＞10%时±0.7%+2% of reading
(4)绝对温度(AH)
测量范围 0……600g/m3 (±1%AH)
(5)体积浓度比(PPmv)
测量范围 0……30000PPmv
6)模拟输出 4……20mA 0……20mA
精 度 ±0.05full scale
(7)串 型 口 RS232C
8)外型尺寸 295×240×90(mm)
(9)重 量 4kg
六：强迫自动校准
1、将功能灯置于绿点用SF6气体或高纯氮气吹扫DMP-248直到RH＜3%RH并且Td每次变化小于0.01°C。关掉气源并关上进气调节阀。
2、观察仪表其显示值在5秒内Td值小于0.1°C否则重新吹扫。
3、按“CL”键盘一次再按“▼”键一次选择“More”这时“More”开始闪烁然后按“ENT”键。
4、当“Addr“闪烁时再按“▼”键一次此时“More”开始闪烁然后按“ENT”键。
5、此时“Regen”正在闪烁按“▲”键一次“Drycal“开 始闪烁然后按”ENT“键。
6、此时“Settings”正在闪烁按“▲”键一次“Calibration”然后按“ENT”键等待2分钟左右仪表重新显示数据则自校准完成。
7、任何一步操作失误时可按“CL”键清除然后从第一步开始操作。
注意：校准期间不得关断电源。
七：人工校准
1、将功能锁置于“红点”状态。
2、将高纯氮气引入进气口调节阀门使气体流量控制在0.75L/min(SF6流量计) 或1.8L/min(H2流量计)。
3、按“CL”键进入主菜单用箭头键“▲”或“▼ ”选择“Cali”(校准状态)之后再按“ENT”键。再用箭头键“▲”或“▼ ”选择“RH”(湿度佼准)然后再按“ENT”键。
4、如果是更换湿敏元件后校准则选择“Sensor Changed”（更换探头校准）反之选择“Not Changed”（不更换探头校准）然后按“ENT”键。
5、如选择更换探头“Sensor Changed”（更换探头必须选择“Sensor Changed”）程序自动选择两点法校准。首先是第一点“RH1”校准将探头插入LiCL2盐溶液槽,等到数据稳定后用箭头键“▲”或“▼”将相对湿度数值调整到“11.3%RH”按“ENT”键(只能按一次),程序会转到第二点“RH2”校准,将探头插入Nacl2盐溶液槽等到数据稳定后用箭头键“▲”或“▼”根据室温的不同将相对湿度数值调整到“75.3%RH”左右,按“ENT”键结束校准。
6、如果不更换探头“Not Changed”程序选择一点法校准“RH1 Point Cali”利用高纯氮吹扫仪表观察显示值半小时以上利用“▲”或“▼ ”键调节RH1使RH1为 ±0.02之间然 后按“ENT”返回。
7、若有必要可重复校验一次。校验完成后重新将安全锁放置在绿点上。
8、温度一般不需要校准若有必要可按“CL”键后选择“ Cali”（校准状态）按“ENT”键 然后选择“T”（温度校准）。校验方法同湿度校准方法。
对于露点温度-60°C的湿度测量长期以来只依靠镜面的方法,该方法从原理上讲只要有足够的制冷措施,就能测量任意露点温度。这种方法的最大问题就是对气体要求很高任何杂质和污染都会导致极大的测量误差。因此它几乎不能在线使用。另一个低湿度的传感器就是氧化铝传感器。它最低可测到（-100°C）露点但是这类传感器在保护状态下每年也会漂移±6°C……±10°C。因此就不能保证其工作的稳定性。另外以上两种类型仪表校准也非常困难这是因为它需要专门的露点发生器。由Vaisala公司发明的高分子薄膜电容具有很高的稳定性和抗污染能力。但长期以来只能用于露点-40°C以上湿度测量-40°C……-60°C的测量非敏感元件达不到而是存在着很大的误差。这主要是因为传统的计算方法和校准方法的问题。
Vaisala公司针对以上问题进行了长期研究利用在线状态下自动修正零点偏移这一行之有效的方法彻底地解决了低露点测量的精度问题。从而为低湿度测量提供了一种既稳定又精密的方法。
DMP248系列精密露点仪是Vaisala公司推出的专门用于测量低湿露点点的精密仪表它内含在线自动修正零点偏移这一专利软件它的探头是由高分子薄膜式湿敏电容和Pt100铂电阻组成的复合敏感元件。DRYCAP和DRYCAP.J高分子湿敏电容C的变化和测量气体的相对湿度（RH）成正比而Pt100可直接测量气体的温度（T）。由此可分别计算出露点温度（Td）体积浓度比（PPMV）。因此DMP248仪表虽然是精密露点仪但其校准参数 仍然是相对湿度RH和温度Ｔ。通常情况下两点校准就可以满足其精度了因为相对湿度RH和湿敏电容的电参数成线性关系。这是其它类型的露点仪无法比拟的。
Vaisala公司的湿敏电容是世界上最稳定的湿敏元件其自动修正零点偏移软件具有专利保护。它的DMP248系列精密露点仪拥有以上两项技术。它低湿稳定性具有世界领先水平该仪表既可在线使用亦可离线使用。其精度及量程范围特别适合开关SF6气体、氢站H2气体、空气中的N2、CO2等气体的微量水分测量。
二：DMP248测量原理
DMP248系列采用了Vaisala公司自发明的DRYCAP敏感元件该元件是专门用在低湿环境的温湿度测量并具有极强的抗结露能力。它包含了一个高分子湿敏薄膜电容和热敏电阻。电容值和相对湿度（RH%）成正比。加入温度信号后就可以由DRYCAP元件直接反映出Pw（水汽压）或露点值了其推导如下：
由温度传感器的Pt-100可以测出气体的温度值T0根据Go-ff-Gratch和Wexler修正公式可求出温度T下的饱和水汽压Pws（T）：
log（Pws（T））=（C1T-C2）/（T-C3）（T＞0） （1）
或者
log（Pws（T））= C4-C5/T （T＜0） （2）
又因为：RH=Pw/Pws（T）
所以气体的水汽压Pw为：Pw=RH×Pws
此时由Pw求出露点温度值Td0、Td值可以分别由（1）、（2）式求出。但在（1）、（2）中应将Pws（T）由Pw更换T由Td更换。对于0°C以下的低湿露点值当然也可由上述方法直接求出。但是其精度却很难保证因为相对湿度越接近于零其露点精度就越随着零点漂移量的变化而快速下降。由于其零点漂移使得误差就越大所以为了提高其测量精度必须在测量过程中设法减少其0%RH零点漂移。
例如：当露点为-40°C温度为20°C时其相对湿度为0.55%RH０偏移量为0.2%RH时（对于一般的RH传感器来说这要比其技术指标好的多了）使得实际测量的RH变为0.35%了。此时计算得出的露点为-44°C所以一个看起来较小的偏移量误差（该误差可由偏移或校准失误产生）对于低RH值来说将产生一个不能接受的露点误差。为解决这一精度问题DMP248系列精密露点仪使用新的专利计算方法即仪表在在线工作时自动计算偏移量变化并调整这一偏移量这一过程可由以下公式 来表达：
RHout=RH０+Gain×Pw/Pws（T） （3）
RH０=完全干状态下的输出
Pw=水汽压
Pws(T)=温度T的饱和水汽压
函数Pws(T)很容易求解所以在同一水汽压（Pw）下测量两个温度T值即两个Pws(T)就可以计算出漂移量RH0值了。
（假定Pw在这一过程中保持不变）
如上图所示其漂移量误差为-0.2%RH测量温度范围20°C……30°C其露点温度为-40°CGain为100%随着温度的升高RH%降低因为前响应是线性的此时RH０=0.2%。由读出的数值（0.35%RH）减去这一数据,就得到了正确数值为0.55%RH.由两点测量数据划一条直线,该直线和Y轴的交点就是RH0。
下图显示DMP248探头所安装的DRYCAP敏感元件DRYCAP由高分子湿敏元件和温敏元件组成。由湿敏元件和Pt-100R的信号时DRYCAP就可以精确地计算出水汽压从而可确定出低湿露 点值。在自动校准周期间Pt-100元件首先用来加热然后来测量温度。整个自动校准周期需时60……70s当自动周期被激活时传感器的输出被锁定。
DRYCAP探头在DMP248的安装
注 意：自动校准仅当DMP248使用在相对湿度低于10%RH（露点在-12°C……20°C以下）和温度在0°C……+80°C才能有效。
三：面板说明
1、液晶显示屏
2、功能键
3、电源开关（POWER）
4、电源指示灯（LED）
5、功能锁
6、入气口 （调节阀）
7、流量计
8、充电口
四：操作说明
1、将气源通过四氟管接入气体入口的快速接头将流量计向右旋转90°使其垂直于面板。
2、调节阀门观察浮子起动确保有气体输出，流量应控制 在0.75L/min左右(SF6流量计)或 2L/min左右(H2流量计)
3、将安全锁置于红点位置打开电源（按下POWER）观察数据显示LED为绿色表示电量充足随着电量下降LED指示灯逐渐变黄，LED为红色表示电量已不足但仍可使用1小时。
4、按▲▼键可在液晶屏上分别显示出RH、T、Td、PPmv的参数值。
5、按下POWER时无数据显示或红灯已亮应立即充 电。
6、充电时红灯亮表示电量不足绿灯亮表示电量充足。
7、充电具有保护功能，溶解氧仪在10小时以上可以充足。
8、电池无电时可直接由充电器供电。
9、在使用过程中一般在10分钟以内仪表即可达到稳定若有反应迟钝现象出现时可参照第七章内容将仪表做强迫自动校准。
10、测量结束后应及时关断电源关闭调节阀退出四氟管向左90°放下流量计。
五、技术参数
（1）露点（DP）
测量范围 -60°C……+60°C
精 度 -50°C……+20°C（±0.5°C)
响应时间 +20°C……0°C 10s
0°C……20°C 10s
-20°C……-40°C 200s
-40°C……-60°C 400s
(2)温度(T)
测量范围 -40°C……+80°C
精 度 ±0.1°C（at 20°C）
(3)相对湿度(RH)
测量范围 0……100%RH
精 度 RH＜10%时±0.0025%+8.75% of reading
RH＞10%时±0.7%+2% of reading
(4)绝对温度(AH)
测量范围 0……600g/m3 (±1%AH)
(5)体积浓度比(PPmv)
测量范围 0……30000PPmv
6)模拟输出 4……20mA 0……20mA
精 度 ±0.05full scale
(7)串 型 口 RS232C
8)外型尺寸 295×240×90(mm)
(9)重 量 4kg
六：强迫自动校准
1、将功能灯置于绿点用SF6气体或高纯氮气吹扫DMP-248直到RH＜3%RH并且Td每次变化小于0.01°C。关掉气源并关上进气调节阀。
2、观察仪表其显示值在5秒内Td值小于0.1°C否则重新吹扫。
3、按“CL”键盘一次再按“▼”键一次选择“More”这时“More”开始闪烁然后按“ENT”键。
4、当“Addr“闪烁时再按“▼”键一次此时“More”开始闪烁然后按“ENT”键。
5、此时“Regen”正在闪烁按“▲”键一次“Drycal“开 始闪烁然后按”ENT“键。
6、此时“Settings”正在闪烁按“▲”键一次“Calibration”然后按“ENT”键等待2分钟左右仪表重新显示数据则自校准完成。
7、任何一步操作失误时可按“CL”键清除然后从第一步开始操作。
注意：校准期间不得关断电源。
七：人工校准
1、将功能锁置于“红点”状态。
2、将高纯氮气引入进气口调节阀门使气体流量控制在0.75L/min(SF6流量计) 或1.8L/min(H2流量计)。
3、按“CL”键进入主菜单用箭头键“▲”或“▼ ”选择“Cali”(校准状态)之后再按“ENT”键。再用箭头键“▲”或“▼ ”选择“RH”(湿度佼准)然后再按“ENT”键。
4、如果是更换湿敏元件后校准则选择“Sensor Changed”（更换探头校准）反之选择“Not Changed”（不更换探头校准）然后按“ENT”键。
5、如选择更换探头“Sensor Changed”（更换探头必须选择“Sensor Changed”）程序自动选择两点法校准。首先是第一点“RH1”校准将探头插入LiCL2盐溶液槽,等到数据稳定后用箭头键“▲”或“▼”将相对湿度数值调整到“11.3%RH”按“ENT”键(只能按一次),程序会转到第二点“RH2”校准,将探头插入Nacl2盐溶液槽等到数据稳定后用箭头键“▲”或“▼”根据室温的不同将相对湿度数值调整到“75.3%RH”左右,按“ENT”键结束校准。
6、如果不更换探头“Not Changed”程序选择一点法校准“RH1 Point Cali”利用高纯氮吹扫仪表观察显示值半小时以上利用“▲”或“▼ ”键调节RH1使RH1为 ±0.02之间然 后按“ENT”返回。
7、若有必要可重复校验一次。校验完成后重新将安全锁放置在绿点上。
8、温度一般不需要校准若有必要可按“CL”键后选择“ Cali”（校准状态）按“ENT”键 然后选择“T”（温度校准）。校验方法同湿度校准方法。
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