设计一款露点仪

1万 · 2019-7-23 12:30

设计一款露点仪湿度是一个与我们的工农业生产及生活息息相关的量，测量气体中的水蒸气露点温度的仪器叫露点仪。本文主要根据冷镜原理和光电检测技术设计了一
种新型的双光路镜面露点仪，用于工业生产中气体的湿度检测。
采用以ARM为核心的STM32微控制器，采用高精度的测量电路和
控制算法，设计出了高精度的双光路镜面露点仪。其中测量光经分光后，一路
光直接被光电管接收，作为参考信号，对光强自动进行温度补偿;另一路光经
冷镜面反射和散射后经透镜聚焦被光电管接收，使反射光和散射光线都用于测
量，不浪费光线，光信号经光电转换及放大后控制制冷器制冷，使气体中的水
蒸气在镜面上冷凝并达到相平衡状态，通过高精度的测温电路测出露层温度，
实现对气体湿度的精确测量。
由于湿度测量系统是一个纯滞后系统，对于纯滞后系统的控制方法进行了
研究及仿真，确定并采用改进型Smith控制方法进行测量控制，使测量速度大大
提高，实验结果表明本方案设计的仪表测量精度高、测量速度快、耗气量小、
稳定性好。

1万 · 2019-7-23 12:31

湿度是水分子在气体中的客观存在，在压力不变的情况下，气体中的水蒸
气达到饱和时的温度即为气体的露点温度。气体中水分含量的多少直接影响到
人们的生产和生活，湿度是一个与我们生产生活息息相关的量，一个重要的环
境参数，无论是在生产作业中还是平时的生活中，湿度这个环境参数有着重要
的意义，随着国家科学技术的不断进步与发展，湿度最初仅仅应用在粮食以及
食品的生产及储存、防霉、温室种植、环境气象等个别领域，现在，湿度的应
用领域无处不在，己经应用到生活的方方面面，处于不可或缺的地位。因此，
对于湿度的监测尤为重要。

1万 · 2019-7-23 12:31

目前，国际上所定义的湿度即为气体中的水蒸气含量，定义固体和液体中
的含水量为水分。湿度测量即是气体中水蒸气含量的测量，正如我们大家都知
道的那样，空气主要由氧、氮、二氧化碳气体和总数不到1%的稀有气体等多种
混合气体组成的。除过空气中这些多种的混合气体之外，空气里面还存在一种
在数量上经常发生变化的、起到非常重要作用的水汽成分。在湿度测量时，主
要就是研究测量这种在气体中以水蒸气形式存在的、经常发生变化的水汽成分。

1万 · 2019-7-23 12:32

组成水分子的主要元素是氢和氧两种元素，无色无味，分子式是HzO, 1932
年人们发现了氧元素在自然届中存在三种同位素，即原子序数相同而原子量不
同。氧的同位素也存在于天然水中，所以天然水的分子量为18. 01530
水的密度也不是一个常量，随温度的变化而变化。常压下，水的密度变化
有一个特点，即温度从0 0C到4 0C的上升过程中，水的密度呈逐渐增大的趋势，
在4 0C的时候，水的密度达到最大值，然后随着温度的进一步升高，水的密度又
逐渐减小。水分子在温度范围为0到100 0C时，液态水分子会以不同比例的二聚
水和三聚水的形式存在，而在4 0C时水分子全部由二聚水组成，因而出现了上述
水分子密度随温度变化的反常现象。

1万 · 2019-7-23 12:32

1万 · 2019-7-23 13:19

平衡和饱和是针对一个体系来说的，任何一个体系的状态都有描述这个体
系状态的参数。我们在研究任何体系的时候，都应当考虑对体系状态有影响的
一些独立的体系状态参数和所研究体系的分界面的状态。
如果对于一个我们所研究的体系，在研究过程中无化学反应，体系状态参
数没变化，则说明体系处于平衡状态。为保持体系的平衡，必须满足在各相均
匀的前提下达到力的、热的和化学的平衡。如果对于所研究的体系在研究过程
中发生了化学变化，或者对于描述研究体系的任何一个状态参数发生了变化，
则就打破了所研究体系的平衡条件，体系将从平衡状态变成不平衡状态。
平衡和饱和是湿度测量中一个极其重要的概念，在湿度测量的研究中，主
要的研究对象是临界点以下的水汽，因此它可以和液体水或者固体水共同存在。
对于所研究的气体湿度测量的领域来讲，气相是指纯水汽或者水汽与干空气的
混合物，液相一般指水，固相则一般指冰。固、液、气三相点是一个很重要的
状态。
两相之间分界面的几何形状多种多样，规定理想的平面为两种相平面饱和
时的分界面。当任何两相之间分界面不为理想平面时，体系状态和平衡条件与
理想平面上的情况是不同的。

1万 · 2019-7-23 13:20

在成分分析中，一般对于某种物质含量的多少人们习惯用浓度单位来表示
因此，在测定气体中水分的含量时偶尔也使用“含水量”、“水分浓度”等相关
术语。在湿度的测量过程中，整个体系当成一个二元混合物体系来处理。
国际上普遍使用重量法作为湿度基准，它是一种绝对测量方法，其量值以
混合比表示。因此混合比是湿度的最基本表示方法，而经常使用的仪器直接测
量可以得到露点温度、相对湿度、体积比等湿度的表示方法，根据它们的物理
意义，相互之间可以互相转化来表示湿度。
针对本论文主要研制的双光路镜面露点仪的主要测量单位用露点温度来表
示湿度，因此，重点介绍一下露点温度的表示方法。
如图1.1所示，图为温度与饱和水蒸气压的曲线图，其中对处于A点状态的
气体，若该气体在水蒸气压不变的情况下进行逐渐冷却，则该气体的状态是一
条平行于横轴，最终与饱和水蒸气曲线相交于B点，B点状态对应的温度为Td,
如果此时在气体中有一个光洁的平面或者有凝结核，则气体在逐渐冷却的情况
下，气体中的水蒸气就会在光洁平面上结露，此时气体中水气达到饱和平衡(即
到达B点状态)，对应的温度Td值即为气体的露点温度值。因此，露点温度常
用来表示气体的湿度。

1万 · 2019-7-23 13:20

目前湿度的众多表示方式主要分为两大类，一类为化学类湿度表示量，如
质量混合比(单位为}/k}>，含湿量也即比湿(单位为}/k}>，体积比即体积分
数(单位uL/L)等都是化学类湿度量;常见的相对湿度(%RH),露点温度、霜
点温度、绝对湿度等是物理类湿度量;其中混合比、体积比、比湿等湿度量，
在测量中都与状态参数温度、压力没有关系;露点温度、霜点温度等物理类湿
度量在测量过程中与温度的状态参数无关，只是和压力参数有关系;而物理类
湿度量中的相对湿度、绝对湿度、水蒸气分压在测量过程中却与温度、压力等
状态参数都有关系「‘」。
湿度测量由最早的仅应用在气象方面，近代己经发展到应用在工业、农业
和科学技术的各个领域里面。是一个与我们生产生活息息相关的量，不仅影响
工农业生产的质量和产量「z7，而且对生产的安全、节能等都有着十分重要的意义。
在高压电气设备中广泛使用的SF。气体灭弧和大型氢冷发电机中使用的氢气，对
于使用气体中的含水量都有严格的要求，气体中水蒸气含量过高，都会损坏设
备，影响设备的正常运行，甚至发生安全事故，威肋、到工作人员的生命安全。
随着国家电力系统的发展，对于气体中水蒸气含量的检测具有十分重要的意义。

1万 · 2019-7-23 13:21

1万 · 2019-7-23 13:21

1万 · 2019-7-23 13:21

1万 · 2019-7-23 13:22

本设计以高性能、低成本、低功耗的ARM Cortex-M3内核的STM32的微控
制器为系统的控制核心，发光管和光电管实时检测镜面结露状态，使用高精度
Pt100铂电阻测量镜面温度，测温电阻在开机时使用继电器切换到标准的高精度
R7_5和R 100标准电阻对铂电阻进行自校准，使测温更准确，并设计了高精度的光
电检测和测温电路，主板上增加DS 18B20温度传感器，测量环境温度。使用了两
路串口，一路控制显示屏，一路与计算机通讯，并且外扩了大容量存储芯片，
以便对测量数据进行存储、查询和删除操作，本设计所有的模拟元器件均采用
高精度的元器件，使测量结果更精确。

1万 · 2019-7-23 13:22

本系统采用的是意法半导体公司推出的以ARM Cortex-M3为内核的32位微
控制器STM32系列产品[[37]，该系列产品所用微处理器是ARM公司为高性能、低
成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的，本系统用的微控制器为STM32F103 ,
该系列产品为ARM Cortex-M3内核，32位精简指令系统，在72MHZ频率下操作，
内嵌有高速的存储模块，其中FLASH存储器高达_512K, SRAM高达64K，拥有广
泛的增强I/O口功能，外部设备连接到两路APB总线上。所有的器件均提供了3
个12位的ADC模块，4个普通的16位定时器，外加2个PWM定时器，拥有标准的
优异的接口，如有多达2个护C接口，3个SPI接口，2个护S接口，1个SDIO, _5个
USART,1个USB和1个CAN总线。
STM32高性能微控制器可以在一40 0C }-+105 0C的温度变化范围内工作，供电电
源在2.0 V到3.6V之间。由于目前各行各业对单片机的要求在不断的提高，处理器
间的互连越来越复杂，对于单片机的一系列硬件接口一个都不能少，因此，处
理器必须在不增加功耗的条件下来处理更多的任务，STM32系列产品采用的是
Cortex-M3内核，其在架构上有多项改进，提升了性能，同时提高了代码密度的
Thumb-2指令集，大幅度提高中断响应的紧祸合嵌套向量中断控制器，具有业界
最优的功耗水平，使得以前只能求助于高级犯位处理器或者DSP的软件设计在
STM32上也可以流畅的运行。

1万 · 2019-7-23 13:22

1万 · 2019-7-23 13:22

光电检测部分由发光管和接收管组成，由于在测量过程中必须要求光源对
镜面的照度有良好的稳定性，因此采用经温度补偿的可调恒流源为发光管的激
励源，保持光源在测量过程中的热稳定性，发光管发出的光经分光镜后分为两
束光线，其中一路由光电管直接接收，不经过镜面，不会受到镜面污染等影响，
同时可以对入射光强进行一定的温度补偿，作为参考光路信号;另一路经透镜
使光线完全聚焦于镜面用于测量，在镜面开始结露之前，若镜面光洁无污染，
光源足够稳定，则入射和反射的光通量基本相同，随着温度的下降，镜面开始
结露，由于露层的形成，入射光就发生散射，接收到的光信号就会减少，经两路
光电管接收反射和散射信号，光的散射信号大致和露层的厚度成正比，光信号
经光电转换电路后送入STM32微处理器进行A/D转换，对镜面进行实时检测光信
号并计算出半导体制冷量的大小。
采用恒流源为发光管提供一个稳定的发光电源，利用光电管接收发光管发
出来的光信号，对光信号进行光电处理后送入高精度的模数转换芯片ADS1110
进行AD转换后，送入STM32微控制器进行光信号的处理，根据光信号对露层的变
化来控制半导体制冷器进行制冷或者加热操作，如此反复操作，使冷镜面上的
水气达到饱和状态，从而寻找出露点温度值，光信号采集如图4. 5所示，光信号
的处理框图如图4. 6 0
对于光信号的检测应用了16位高分辨率，带有差分输入的可以连续自校准
的模数转换器 ADS1110。由于ADS1110在计算输出码时，并没有考虑到调节器
的增益和偏移误差，因此芯片内部集成了自校准电路功能对此进行补偿[39]。自
校准功能不需要人为的干预和调整，且内部自带有滤波器，使用时不需要在额
外设计外部滤波电路，通过I2C接口通信，体积小，电源消耗少，非常适用于高
分辨率的测量，因此使用非常简单。

1万 · 2019-7-23 13:23

1万 · 2019-7-23 13:23

温控系统的设计主要包括对温度的测量与控制，本系统中对于温度的测量
主要是对气体露点即镜面温度的检测和环境温度的检测，其中环境温度主要用
于对特殊的测量气体进行温度补偿和参考使用，对于镜面温度的检测要求有很
高的精度，因此在镜面温度检测时采用的是高精度的铂电阻Pt100进行测温，铂
电阻元件在相当宽的温度范围内阻值和温度接近线性关系，稳定性好，精度很
高，而且输出信号较强，便于数字显示，随着半导体技术的发展，铂电阻的体
积也越来越小，镶嵌在镜面内，使得测量点和镜面的温度值更接近，采用四线
制的钡」温电路，提高测量精度，图4. 7所示为四线制铂电阻测温电路图。

1万 · 2019-7-23 13:23

1万 · 2019-7-23 13:24

数据采集模块主要包括对流量、电量、温度等参数的采集，滤波放大后，
送入AD7718进行模数转换，通过配置AD7718为多通道连续转换模式，通过单
片机的中断响应来轮询读取采集到的不同数据信号，从而读取不同的信号采样
值送入单片机进行处理。
AD7718是多通道的高精度模数转换器，单电源供电(+3 V或+_5 V，其片
内带有一个可编程增益放大器的4-E型的ADC模数转换器。ADC的分辨率为
24位，可编程增益放大器的范围为20^-2}, 8档可编程。可以将20mV}2._56V
的输入信号无需处理电路直接进行转换。片内有多路开关，可以将模拟输入配
置成多通道输入进行模数转换，同时AD7718外接32KHZ的晶振工作，工作时
钟通过片内PLL产生「40j。
由于完善的内部结构，因此AD7718在应用时非常简单。传感器的输出信号
可以与AD7718的模拟输入直接相连，其标准的SPI数字接口可直接与单片机连
接，无需外接多余电路。本系统的数据采集电路如图4.8所示。AD7718外部接
32768Hz的晶振，AD7718的数据就绪RDY作为中断信号接入单片机的PB_5引
脚，串行数据输出DOUT引脚连接单片机的PB6引脚，串行数据输入DIN引脚
接单片机的PB7引脚，串行时钟线SCLK接单片机的PD2引脚，使用时通过
STM32的中断进行轮询读取AD7718不同通道的采样值进行处理。

1万 · 2019-7-23 13:24