芬兰VAISALA DMP248 精密露点仪的原理与应用

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）

　　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°C，Gain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。

　　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。

　　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，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。