[發明專利]一種低溫氣體濕度測量系統及方法

有效

• 申請號: 202011187896.0
• 申請日: 2020-10-30
• 公開（公告）號: CN112378956B
• 公開（公告）日: 2022-02-25
• 發明（設計）人: 劉景全;唐曉荷;林祖德;尤敏敏
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01N25/68
• 分類號: G01N25/68
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 徐紅銀;趙楠

本發明提供一種低溫氣體濕度測量系統及方法，包括：利用冷鏡露點法的原理，將氣體濕度測量轉化為對露點溫度的測量；露點生成裝置包括低溫控溫平臺及冷鏡，放置在低溫控溫平臺載物臺上，露點生成檢測系統包括激光發射器和光電探測器，激光發射器、光電探測器通過光學通孔外接在低溫控溫平臺真空罩外，激光發射器發出的光通過光學通孔入射到冷鏡，經反射后進入裝配濾光片的光電探測器，通過光電探測器信號明顯變化判斷露點生成。本發明使得低溫控溫平臺降溫到極低溫度下的同時，激光發射器和光電探測器仍在常溫狀態下工作，此時精準測得冷鏡上露點形成溫度，從而可以推導出較為精準的氣體濕度。

技術領域

本發明涉及低溫測量領域，具體地，涉及一種利用冷鏡露點法測量低溫下氣體濕度的系統及方法。

背景技術

隨著低溫領域超導、核聚變等技術的不斷發展，控制溫度的精度和穩定性的要求逐漸提升，對深低溫溫度傳感器在深低溫區(靠近絕對零度的溫區)的性能要求也相應提升。在深低溫溫度傳感器的標定中，通常將被測溫度傳感器放在真空腔內的載物臺，載物臺連接制冷機，通過壓縮機制冷再傳導，使載物臺上溫度降低，使用載物臺附近的溫度傳感器和加熱器進行控溫，實現對溫度傳感器的不同溫度點的標定。通常使用低溫控溫平臺對溫度傳感器進行溫度特性曲線的測量以及溫度傳感器的溫循沖擊。在低溫區測量時，即便已將腔體內氣壓抽真空至極低(100Pa)，依然偶爾存在平臺控溫不穩定的情況，氧氣結露是造成其溫度漂移或降溫不穩定的原因之一，需要一種方法來測量腔體內氧濕度從而排除或規避其影響。

冷鏡露點法是很成熟的測量濕度的方法，在國標GB/T 27895-2011和國家計量標準JJG 499-2004的“天然氣烴露點的測定冷卻鏡面目測法”和“精密露點儀檢定規程”中，描述測量某一種的氣體濕度是計算當前溫度下氣體蒸汽壓與當前溫度下飽和蒸汽壓的比值；冷鏡露點法即將鏡面降溫，當氣體在鏡面表面結露時說明該溫度下該氣體達到飽和蒸汽壓，該溫度為露點溫度，測得該溫度后通過公式推得該溫度對應的飽和蒸汽壓A，即為對應氣體含量，計算A與常溫下氣體飽和蒸汽壓的比值得到氣體在常溫下的濕度。兩份標準都是在于常壓附近進行測量，保證氣體的流動，使得氣壓在一段時間內保持不變。此兩種方法可以分別通過目測或者在露點儀內部建立“激光傳感器-反射鏡-光電探測器”光路并觀察光電探測器輸出參數的方法來觀察露點是否形成。此兩種方法的露點測量范圍都在-40℃～+40℃左右，由于氣體密度增大會導致傳熱，無法降低到更低的溫度，而如果氣壓降低，露點溫度也會相應的降低，由于儀器的限制也無法達到更低的溫度。

經對現有技術檢索發現，張文東等人在《工業計量》上撰文“精密露點儀全國量值比對及結果分析”，提供數據表明國內精密露點儀的測量的露點范圍一般不超過-20～40℃。沈超在《工業計量》上撰文“冷卻鏡面自動檢測法測量天然氣烴露點”，證明露點法同樣適用于測量除水蒸氣以外其他氣體(如天然氣烴)的濕度，其露點測量范圍在-40～4℃左右。綜上所述，目前報道的冷鏡露點法不能測量近真空條件的氧氣含量，因為其對應的露點溫度可能近-253.16℃，普通的測量控溫裝置無法達到該溫度和保證控溫精度。

發明內容

針對現有技術中在低溫測量領域的缺陷，且低溫控溫平臺可以提供上述低溫區的溫度精度控制，將低溫控溫平臺與冷鏡露點法相結合，同時考慮到普通激光發射器和光電探測器在低溫下無法發揮其性能的問題，營造了其常溫運行的環境。

日常生活中指的濕度是為相對濕度，用RH表示，常用以指空氣中所含水蒸氣量(水蒸氣壓)與相同情況下飽和水蒸氣量(飽和水蒸氣壓)的百分比。本發明所述的“氣體濕度”指的是腔體內氣體與腔體內飽和該氣體蒸汽壓的百分比，同樣也用RH表示。露點溫度常指代水蒸氣冷卻到飽和狀態，與水的物態相互轉換達到平衡狀態的溫度。本發明所述的“露點溫度”指的是腔體內氣體冷卻到飽和狀態，與該氣體的液態形式相互轉換達到平衡狀態的溫度。

本發明第一個方面提供一種低溫氣體濕度測量系統，包括：