露點溼度計和露檢測器的製作方法
2023-12-11 22:51:47 2
專利名稱：露點溼度計和露檢測器的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於確定氣體的露點的露點溼度計和用於確定中性的露的凝結的露檢測器。更具體地說，本發明涉及包括光纖的溼度計，或基於電容的改變的溼度計。
背景技術：
在農業中尤其是在溫室中使用的現有的溼度計不外乎以下三種。第一種是需要高度維護的乾濕計。第二種是相對溼度計，其操作原理根據電容的改變，這種溼度計在高的相對溼度下經常出問題。基於電容測量的廉價的儀器是不可靠的，因為讀數隨時間而改變，而和空氣中溼氣含量的變化無關。第三種檢測器是基於光學反射鏡的露點溼度計，這種溼度計價格非常昂貴，不適合於在溫室條件下日常使用，因為它們需要經常清潔反射鏡的表面。
在過去十年中，隨著熱電冷卻器和固態儀器的普及，光學凝結型露點溼度計成為一種最精確最可靠的溼度計，其提供寬的露點範圍和極好的重複性。
在光學露點溼度計中，通常是反射鏡的凝結表面由熱電冷卻器或珀耳帖冷卻器冷卻，直到露或霜在反射鏡中開始凝結為止。所述凝結表面利用周圍氣體保持在均衡的蒸汽壓力下，在表面上凝結的數量由光學技術檢測。把這樣一個溫度定義為露點溫度，在此溫度下凝結的速度精確地等於蒸發的速度。當被這樣控制時，一般利用被嵌入反射鏡表面中的鉑電阻溫度計、熱電偶或電熱調節器測量表面的溫度。
這種凝結型露點溼度計適用於水蒸氣含量的最大精度處於一個相當寬的露點範圍的情況，並且適用於存在會永久性地破壞其它類型的溼度計的由油、腐蝕性氣體、鹽或類似汙染物造成汙染的情況。一般地說，光學露點用於工業中需要精確地確定水蒸氣在氣體中的含量的情況，例如製藥工業、電子工業、化學工業和氣體/油精煉工業、氣象學和食品工業，被用於溫室中等。
光學凝結型露點溼度計的一個主要缺點是易於受凝結在冷卻表面上的水之外的其它物質的汙染，例如受到各種鹽溶質的汙染。這種汙染把露點測量的精度降低到一個這樣的程度，使得所述精度取決於汙染物存在的數量及其在水中的溶解度。如果允許可溶的和不可溶的物質在凝結表面上積聚，這些物質最終將引起系統的失控，這是因為它們減少了反射鏡的反射率。在現有技術的系統中，通過把反射鏡加熱到乾燥狀態來使光學檢測電路達到手動的或自動的重新平衡，從而克服和反射率減少有關的環路偏移的問題，但是沒有解決和可溶物質引起的蒸汽壓力的改變有關的測量誤差問題。可溶物質例如鹽類通過沉澱而在反射鏡表面上形成一個薄層。這些鹽類在露點以上的溫度下趨於吸收水蒸氣，並且在反射鏡再次變冷時又被溶解在露層中。因此被汙染的反射鏡的溫度即使在補償減少的反射率之後也不能達到真正的露點。最後形成的露層含有鹽類，其使得飽和蒸汽壓力減少。
設計了若干個專利為了解決這個問題。US 3623356涉及一種露點溼度計，其中通過手動或自動解除控制反射鏡的溫度的反饋控制系統，迫使反射鏡表面被加熱到乾燥狀態，與此同時，對在光檢測器橋式電路中的控制環放大器注入一個附加的電流。橋式電路補償由於汙物的積聚而引起的反射鏡的反射特性的改變。
US 4216669周期地切斷凝結溫度的控制，其中通過周期地把凝結表面(即反射鏡)冷卻到普通的露點溫度以下一段足以使凝結物大量生成並聚結的時間，從而溶解所有可溶的材料，並產生一種可以使溶質的分子遷移的介質。在冷卻之後立即把凝結表面加熱到一個高於普通露點的溫度，從而使溶劑(凝結物)全部蒸發，使溶質再次結晶或沉澱而成為相當大的團狀或孤立的群體。這使得凝結表面的大部分面積成為清潔的，或者具有固態沉澱，使得延長反射鏡保持清潔的時間間隔10到100倍。
Pieter R.Wiederbold在「The Cyling Chilled Mirror Dew PointHygrometer」，Sensors，July 1996，pp.25-27中討論了一種循環冷凍反射鏡(CCM)溼度計，其中反射鏡的溫度以被精確控制的速率降低，直到檢測點露的形成。在露的試樣可以在反射鏡上形成連續的層之前，反射鏡被加熱，因而在反射鏡表面上的露被蒸發。因而反射鏡幾乎總是(95％的時間)處於乾燥狀態，只有5％的時間在達到露點時含有露層。測量周期一般是每20秒一次。因為反射鏡表面只在一個非常短的時間內存在露，所以能夠使在反射鏡上積聚的汙物最少。在反射鏡周圍有一個40微米的圓柱形過濾器。和常規的溼度計系統中使用的內嵌的過濾器相比，這種過濾器不需要100％的總的試樣氣體通過其中的元件。而是試樣氣體圍繞元件的外部循環，並藉助於通過過濾器元件的對流進行測量。因為大部分微粒在過濾器周圍自由循環，並從測量室出去，所以過濾器被汙染得較慢。這種結構具有慢的響應時間和相當低的精度。
對於高溫應用，提出過一種使用光纖束的模型，所述光纖束用於使溫度敏感的電光元件和高溫環境隔離。
現有技術還提出過一種光學露點溼度計，其中光纖的端面被用作凝結表面。使用光纖代替反射鏡具有能夠阻止各種化學作用的優點，並大大減少這種溼度計的生產成本。不過，在光纖表面上的積聚的固體沉澱引起的汙染問題和反射鏡作為凝結表面的露點溼度計非常類似，並且主要障礙是精度和在長時間使用後的可靠性問題。
檢測溼度的另一種裝置是露點檢測器(和露點溼度計相反)。這種檢測器實際上模擬溼氣在自然表面例如在葉子上的凝結，不對檢測器的溫度進行控制，因而實際上非常可靠，因為其直接模擬凝結的自然過程。多種測量表明在夜間在葉子的溫度和露點檢測器的溫度之間具有良好的相關性。因而，這種檢測器適用於檢測水在各種表面例如在溫室的葉子上的凝結，其例如在夜間當空氣的溼度太高時報警，高的溼度是導致許多植物疾病的原因。所述報警可以操作各種乾燥機構，從而降低溫室的溼度。
實際上，露點檢測器比露點溼度計更適用於在夜間檢測溫室的溼度。因為它的確反映了在表面上的真實的自然的凝結情況，和由露點溼度計檢測的溼氣含量相比，這更好地表示葉子的狀態。
常規的露檢測器例如溫室中使用的露檢測器使用一對被分開一定距離的電線，當露橋接兩根導線時使導線之間的電阻從大約19兆歐下降到3兆歐。但是這種裝置具有電噪聲，因而具有可變的靈敏度，並且取決於在檢測器上的鹽類的沉澱。這種裝置的另一個問題是其一般需要高電壓，並且暴露的導體和導線易於受到氣候的腐蝕。在使用的1到20V的高電壓下所述腐蝕尤其快速。
US 4948263披露了一種用於露點測量裝置的露點檢測器，用於測量在氣體中水蒸氣的露點，其中包括被暴露於要測量的氣體中的檢測器表面，並且在冷卻時，在所述表面上，處於露點溫度的水蒸氣將凝結。在檢測器表面上安裝有兩個電極結構，其中包括電極部分，它們以均勻的間隔彼此平行地排列，並塗敷有對溼氣不敏感的絕緣層。達到露點溫度通過測量兩個電極結構之間的阻抗或電容確定。兩個電極結構的相互平行地設置的電極部分之間的距離是在達到露點溫度時最大的凝結水滴的直徑的數量級，或者小於所述直徑，並且絕緣層的厚度小於電極部分之間的距離。
US 4626774涉及一種露點測量儀器，其具有電容露點檢測器，其被冷卻裝置冷卻到由溫度檢測器測量的露點溫度。相位測量電路測量電容露點檢測器的阻抗的相位角。所測量的相位角用於測量露點檢測器的汙染。
US 5402075涉及一種電容溼度檢測器，其包括絕緣裝置；具有多個利用所述絕緣裝置固定的分開的電容檢測器導體的電容裝置，用於暴露於大氣中；以及利用所述絕緣裝置固定的遠離所述分開的電容檢測器導體的第一和第二電極；用於通過第一和第二電極施加周期性輸入電流的裝置；以及用於檢測表示溼氣橋接至少兩個電容檢測器導體的第一和第二電極之間的電容的改變的裝置。
通過名稱為「光纖露點溼度計」的第一實施例，本發明涉及一種包括光纖的用於確定氣體的露點的露點溼度計，其中通過定期地使作為凝結表面的光纖的端部恢復到其原始的無汙染狀態，大大減少了在凝結表面上沉積的固體汙染物。
發明內容
本發明提供一種用於確定氣體的露點的露點溼度計，包括光發射器和通過由至少一個光纖限定的光路光學連接的光檢測器，所述光路包括至少一個檢測間隙，所述間隙在兩個光纖的端部之間、光纖的端部和光發射器之間、或者在光纖的端部和光檢測器之間被形成；形成檢測間隙的光纖的至少一端是和所述氣體接觸的露形成端，在其上可以形成露，從而改變通過間隙向光檢測器傳輸的光；溫度控制裝置，用於控制露形成端和與所述露形成端相鄰的空氣的溫度；恢復裝置，用於基本上恢復通過露形成端的原始的光透射率，否則，所述光透射率將會由於在操作期間沉積的固體汙物而降低；以及控制機構，用於控制所述溫度控制裝置的操作，並在所述溼度計操作一段時間之後自動地啟動所述恢復裝置。
要被確定其蒸汽接觸(vapor contact)或露點的氣體可以是任何類型的氣體，一般是空氣，或N2O，CO2，O2以及被監視乾燥度的惰性氣體。
按照本發明的名稱為「光纖露點檢測器的實施例」，本發明涉及一種用於確定自然露凝結即在表面上例如溫室中的葉子上的露凝結的檢測器。這種檢測器的溫度隨環境溫度、溼度和由輻射而引起的冷卻而自由地變化，並且是不被控制的，因而真正反映了露的自然狀態。
按照這個實施例，本發明涉及一種用於確定在表面上的自然露凝結的露檢測器，包括
光發射器和通過由至少一個光纖限定的光路光學連接的光檢測器，所述光路包括至少一個檢測間隙，所述間隙在兩個光纖的端部之間或者在光纖的端部和光檢測器之間被形成；形成檢測間隙的光纖的至少一端是和所述氣體接觸的露形成端，在其上可以形成露，從而改變通過間隙從光發射器向光檢測器傳輸的光；光纖被嵌入平板中，所述平板具有基本上和所述表面的溫度相同的溫度；以及控制機構，用於監視所述光路的狀態，消除太陽輻射的發射和汙染的影響，並控制所述光發射器和所述光檢測器的操作。
平板的溫度儘可能接近地模擬在夜間的葉子的溫度。例如，當在溫室中使用時，其被由平板指向冷卻器區域的紅外輻射冷卻，例如，在夜間，從平板指向冷的天空。這種平板的一個例子是PVC板。
按照所述的第二實施例，最好所述露形成端是粗糙的，以便加速露在其上的凝結。此外，所述粗糙端還能夠增加檢測器的靈敏度，因為液體的積聚對所述粗糙端起「平滑」作用，因而增加乾濕之間的差別。
檢測器的露靈敏度可以通過改變露形成端的粗糙度被改變，例如通過利用具有不同粗糙度的另一端代替所述的一端。
此外，按照第二實施例，最好是檢測器還包括用於保護光路免受汙染的裝置，例如各種濾網、過濾器、保護管道，它們包圍著光路，因而避免汙物透過光路。
檢測器的露靈敏度可以通過改變下列參數的一個或幾個被改變光纖的直徑；間隙的尺寸；改變光發射器的後間隔(post-period)對後期間(post duration)比，使得通過間隙發射的光加熱露形成端並蒸發凝結在露形成端上的露；檢測器的露靈敏度和汙染保護值可以通過改變用於保護防止汙染的裝置來改變，例如當保護裝置是在其一端具有過濾器的管子時，可以通過改變保護管子的長度來改變；檢測器的露靈敏度可以通過利用熱電冷卻器對平板進行冷卻來改變；檢測器的露靈敏度也可以通過改變紅外發射和嵌入光纖的平板的熱傳導範圍來改變，例如通過改變平板的材料、顏色或粗糙度來改變。
第二實施例的控制機構從光檢測器的總的信號(其接收的從光發射器發出的光加上太陽輻射信號)中減去太陽輻射，按照光發射器和太陽輻射比，在白天中斷開始結露的監視，當檢測器處於乾燥狀態時，測量光的透射率，並按照「乾燥端光透射率」校準檢測器的門限靈敏度。
檢測器檢測的露通常是由水凝結而成。藉助於合適的選擇，露檢測器也可以包括恢復裝置，如下所述。
按照光學實施例的光發射器可以是能夠發射可見光或紅外光任何裝置，例如HFBR-2524 Hewlett Packard發射器(Hewlett PackardComponents，USA)。
按照光學實施例的光檢測器是一種能夠接收光並把所述接收的光轉換成容易檢測的信號例如電流的裝置，所述信號可以用數字表示。光檢測器的例子是HFBR-1524(Hewlett Packard Components，USA)接收器。
光發射器和光檢測器通過由至少一個光纖限定的光路相連。所述光路包括至少一個和氣體(在溼度計的情況下)或空氣(在露檢測器的情況下)接觸的檢測間隙。當溼度計和露檢測器由一個光纖構成時，所述檢測間隙可以在光纖和光發射器之間(當光纖和光檢測器相連時)；在光纖和光檢測器之間(當光纖和光發射器相連時)；或者溼度計和露檢測器可以包括至少兩個間隙，一個在光纖和光發射器之間，另一個在光纖和光檢測器之間(當光纖和光發射器以及光檢測器分開時)。
間隙也可以在兩個或多個光纖之間被形成，例如，當溼度計或露點檢測器包括兩個光纖時，可以在和光發射器相連的第一光纖和與光檢測器相連的第二光纖之間形成一個間隙。此外，當溼度計或露檢測器包括兩個光纖時，可以形成兩個間隙一個在第一光纖(和光發射器相連)和第二未被連接的光纖之間，另一個在未被連接的光纖和光檢測器之間。
本發明的溼度計或露檢測器也可以包括3個光纖一個和光發射器相連(第一外部光纖)，一個和光檢測器相連(第二外部光纖)，一個位於兩者之間，並和兩個光纖分開(中間光纖)，使得形成至少兩個檢測間隙，所述兩個間隙在中間光纖的端部和外部光纖的每個未被連接的端部之間。
每個檢測間隙由光纖的形成露的至少一端構成。這一端被稱為「露形成端」。在所述端部形成的露改變由光發射器通過間隙傳輸到光檢測器上的光。當露形成端的表面光滑即經過拋光時，其上形成的露減少通過間隙傳輸的光。當露形成端的表面粗糙(被磨過)時，在其上形成的露增加光的透射率。
和第一實施例的露點溼度計相結合，溫度控制裝置包括加熱/冷卻裝置，例如電熱冷卻器，例如SP 1652 Harlow Industries Inc.(USA)電熱冷卻器可以控制露形成端的溫度。
露點溼度計的控制機構一般能夠通過伺服機構控制溫度控制裝置。此外，所述控制機構可以自動地啟動恢復裝置，或者定期地啟動，例如利用定時器，或者在露形成端積聚一定量的凝結物之後啟動，所述凝結物的積聚通過在溼度計處於乾燥狀態時光透射率的減少確定。兩種類型的啟動(在特定的時間間隔之後或在積聚一定量的凝結物之後)被稱為「一個操作階段」。
在氣體中露的檢測可以通過保持在蒸汽壓力下露形成端的溫度和周圍的氣體均衡來確定，即露形成端被保持在這樣一個溫度下，在此溫度下凝結的速率精確地等於蒸發的速度，並且把這個溫度定義為露點溫度，並和氣體的露的含量精確地相關。
恢復裝置旨在用於恢復露形成端到其原始的形式，即其上沒有各種固體沉澱的汙染，從而恢復通過露形成端的原始的光透射率。
按照本發明的第一選擇的一種最合適的露點溼度計的實施例，所述恢復裝置包括能夠在露形成端吹出氣體的吹風器。按照本實施例，所述溫度控制裝置定期地冷卻光纖的露形成端到遠低於露形成溫度的溫度，使得形成大量的凝結物，藉以溶解沉澱在光纖端部的可溶物質，或者使不可溶的物質鬆動。在所述冷卻之後，吹風器吹出強氣流，足以把凝結物和所含的固體沉澱或者被溶解在其中的固體沉澱吹掉，因而清潔光纖的露形成端。露形成端的冷卻和吹氣被控制機構控制和定時。
按照本發明的第二個選擇，恢復裝置包括覆蓋光纖端部的可移動的透明膜，從而所述可移動的膜實際上構成凝結表面。代替直接在光纖端部形成，露在一部分膜上形成。膜被定期地移動，使得膜的另一個清潔的部分和光纖端部接觸，從而使所述端部除去沉澱的汙染。所述的膜例如可以是透明帶，例如由PolyesterTM(Lee Filters，UK)製成的可通過光纖端部的直線移動的膜。
按照本發明的第三選擇，所述恢復裝置能夠定期地切斷在露形成端的一小段光纖，因而暴露出新的未汙染的露形成端。所述恢復裝置例如可以呈切刀的形式，其能夠切除一小片含有汙染物的光纖，因而露出新的清潔的光纖端部。
按照本發明的第四選擇，形成檢測間隙的至少一個光纖是多個光纖例如被設置在一組內的光纖中的一個。定期地，先前用過的光纖被光纖組中的新的光纖置換，所述新的光纖是清潔的，其端部沒有汙染。
按照本發明的被稱為「凝結膜實施例」的第三實施例，一種凝結膜，例如由透明的合成膜構成，被置於電熱冷卻器上，以便增加露點溼度計或露檢測器的靈敏度。當所述凝結膜被冷卻時，例如水蒸氣便在膜上凝結。兩個光纖相對於所述的膜成一定角度被設置，其中一個和光發射器相連，另一個和用於測量從膜反射的光的光檢測器相連。液體在膜的外側(即不接觸電熱冷卻器的一側)上的凝結引起從膜的兩側反射的光的改變。膜和空氣的溫度被測量，並且對所得結果進行校準，從而產生空氣中溼氣的含量。定期地使所述的膜移動，使得每隔一段時間(例如每隔一兩天)便利用膜的新的清潔的部分進行凝結並在其上進行反射測量。在露點溼度計的優選實施例中，為了在穩定的溫度條件下操作，例如在冷凍器中，溫度控制裝置是一種熱電冷卻器，其能夠通過在膜上凝結露的過程中測量熱電冷卻器的電流測量空氣的相對溼度。
按照本發明的被稱為「凝結稜鏡實施例」的第四實施例，一個光學稜鏡被置於熱電冷卻器上，以便增加露點溼度計的靈敏度。光發射器和光檢測器通過由稜鏡的至少一個表面限定的光路實現光學連接。溼氣在所述稜鏡的表面上凝結，因而改變由光檢測器檢測的光的數量。熱電冷卻器的溫度可利用控制機構控制，當確定開始凝結時的溫度時，這可以使露點失真。
按照本發明的被稱為「電容露點檢測器實施例」的第五實施例，本發明涉及一種電容露點檢測器，其中藉助於利用水層作為電容器的一個電極使得在檢測器的外表面上沉澱的固體汙染物(鹽類、灰塵等)以及電極的腐蝕被大大減少。
所述的檢測器包括兩個電極結構，它們彼此被絕緣器分開，還包括使每個電極和測量電路相連的導線。第一電極結構是被安裝在絕緣器的一個表面上的導電板。第一電極藉助於塗層和周圍環境隔離，所述塗層不允許水和電解液透過。這種塗層的一個例子是漆。第二電極結構實際上本來不在檢測器中被形成，只是在暴露的絕緣器的外表面(即不和第一電極接觸的表面)上凝結有水層(包括一些自然存在於大氣中的電解質)或沉澱物時才被形成。測量電路經過導線和第一、第二電極結構相連，用於對所述電極結構提供電流，以便檢測電極之間的電容的改變。
按照本發明的第五實施例，最好是被暴露的在其上形成第二電極(水層)的絕緣器的外表面是粗糙的，以便加速在其上的露的凝結並增加檢測器的靈敏度。此外，所述粗糙表面還能夠消除鹽類的汙染對檢測器靈敏度的影響，因為只有基本上連續的水層(水滴不構成連續的水層)才能形成第二電極結構。
檢測器的露靈敏度可以通過改變絕緣器外表面的粗糙度被改變，在其上水凝露。例如，具有變化粗糙度的幾個可分開的絕緣器可以被使用。
檢測器的露靈敏度可以通過改變來自絕緣器外表面的紅外輻射被改變，例如通過改變表面的材料、顏色和粗糙度。
在所述的電容露點檢測器中，在絕緣器的暴露的外表面上設置一種吸收劑材料，藉以加速露的凝結並增加檢測器的靈敏度。
通過使用被設置在絕緣器的外表面上的網狀物(由導電材料或者由絕緣材料製成)可以消除鹽類汙染的影響，所述網狀物保護絕緣器。當存在形成第一電極的水層時，測量電路測量使其和第二、第一電極相連的兩個或多個導線之間的電阻。所述電阻用於測量檢測器的鹽類汙染。
可以使用印刷電路板實施所述檢測器，例如厚度為0.5mm，面積為59mm×54mm的印刷電路板。
下面參照非限制性的附圖和例子詳細說明本發明。
圖1表示按照本發明的第一個選擇的光纖露點溼度計，其中包括作為恢復裝置的吹風器；圖2表示按照本發明的第二個選擇的光纖露點溼度計，其中包括作為恢復裝置的可替換的透明膜；圖3表示按照本發明的第三個選擇的光纖露點溼度計，其中包括作為恢復裝置的刀具；圖4表示按照本發明的第四個選擇的光纖露點溼度計，其中一個中間的光纖屬於一組光纖，並且可以被定期地利用光纖組中的另一個光纖更換；圖5表示按照本發明第二實施例的光纖露檢測器；圖6表示按照本發明第三實施例的膜露點溼度計或露檢測器；圖7表示按照本發明第四實施例的稜鏡露點溼度計；圖8表示按照本發明第五實施例的電容露點檢測器；以及圖9表示圖8的電路的示意圖。
具體實施例方式
首先參看圖1，其中表示按照本發明的第一選擇的露點溼度計1。所述溼度計包括光發射器2，例如HFBR-1524發射器(Hewlett PackardComponents，USA)，光檢測器3，例如HFBR-2524接收器(HewlettPackard Components，USA)。光發射器2和光檢測器3通過由兩個光纖限定的光路耦聯和光發射器耦聯的第一光纖4以及和光檢測器耦聯的第二光纖5。光纖4和5相互分開，從而在其間形成檢測間隙6。光纖是Hewlett Packard塑料光纜HFBR-PUS001，直徑是1.0mm(Hewlett Packard Components，USA)。第一光纖的未連接的一端7和第二光纖的未連接的一端8作為露形成端。這些端部和要被確定露點的氣體接觸。在端部7和8上形成的露改變從光發射器2向光檢測器3的光的透射。
露形成端被安裝在溫度控制裝置9上，例如SP 1652 HarlowIndustries Inc.(USA)熱電冷卻器，該裝置可以控制露形成端7和8的溫度成為所需的溫度。溼度計還包括溫度計10，其確定露形成端7和8的溫度。吹風器11位於露形成端7、8附近，可以吹出足夠強的氣流，以便除去露形成端7、8的液滴。
所述系統包括控制機構12，其一直接收來自光檢測器3的輸入，並控制光發射器2、溫度控制裝置9和吹風器11的操作。
溫度控制器9處於控制機構12的伺服控制下。控制機構12一直控制溫度控制裝置9的溫度，使得從光檢測器3接收到的輸入基本上是恆定的，或者在一個恆值附近擺動。隨著氣體的露接觸的增加，控制裝置9的的溫度也增加，以便消除可以由光檢測器3察覺的光的改變。在測量過程中顯示的溫度的改變用於露點溫度計算。
定期地，例如每隔一個小時，控制機構12使溫度控制裝置9冷卻露形成端7、8，使得在露形成端出現大量的水滴形式的聚結，從而溶解其上存在的固體沉澱。吹風器11然後被啟動，吹出足夠強的氣流，吹掉含有被溶解的沉澱的水滴，從而使露形成端7、8基本上恢復到其原始的無汙染的狀態。
溼度計1被封裝在具有開口的殼體13內，使得只有露形成端7、8被暴露在氣體中，而溼度計的其餘部分被保護免受汙染。
圖2表示按照本發明的第二種選擇的光纖露點溼度計的21。所示的溼度計包括光發射器22，光檢測器23，和光發射器相連的第一光纖24以及和其分開的第二光纖25。所述溼度計包括兩個檢測間隙，第一檢測間隙26位於光纖24和25之間，第二檢測間隙位於光纖25和光檢測器23之間。光纖25的兩端即端部28(形成檢測間隙26)和端部29(形成檢測間隙27)作為露形成端，它們被設置在溫度控制裝置30上，並且其溫度藉助於溫度計31監視。
例如由PolyesterTM(Lee Filters，UK)製成的直線的可更換的透明帶32被設置在露形成端28和29的上方。所述的帶藉助於滑輪組33更換。
控制機構34和光發射器22、光檢測器23、溫度控制裝置30、溫度計31以及滑輪組33相連。
基本上形成在透明帶32上的露出現在露形成端28、29上。定期地，控制機構啟動滑輪組33，使得帶32被更換，因而使無汙染的新的一部分帶位於露形成端上方。除去帶的露形成端位於保護殼體35上之外，溼度計的所有部分都位於保護殼體35內，以便保護這些部分不受汙染。
圖3表示按照本發明的第三種選擇的光纖露點溼度計的41。所示的溼度計包括光發射器42，光檢測器43和與光發射器相連的一根光纖44。在光纖44的未連接端和光檢測器之間形成檢測間隙46，所述未連接端47作為露形成端並被設置在溫度控制裝置48上和溫度計49接觸。所述溼度計還包括可移動的刀具50，其能夠定期地從露形成端47切下一個非常薄例如幾微米的薄片，因而消除其上具有固體沉澱的薄片，並暴露出一個清潔的無汙染的自由端。在每次切除之後，刀具50精確地縮回一個其切除的距離，使得其處於能切除另一個相同尺寸的薄片的位置。
控制機構51和光發射器42、光檢測器43、溫度控制機構48以及刀具50相連，並定期地啟動刀具，使得定期地暴露新的無汙染的露形成端，保護殼體52保護溼度計的部件不受汙染。
當進行露點的計算時，在計算光透射係數時，把間隙逐漸增加這個事實考慮進去。
圖4表示按照本發明的第四種選擇的光纖露點溼度計的61。所述溼度計包括光發射器62和光檢測器63以及三根光纖。第一個外部的光纖64和光發射器相連，第二個外部的光纖65和光檢測器相連，中間的光纖66位於兩個外部的光纖之間。形成有兩個檢測間隙，第一個檢測間隙67在外部光纖64和中間光纖66之間，第二檢測間隙68在中間光纖66和外部光纖65之間。中間光纖的端部69和70作為露形成端，被設置在溫度控制裝置71上，並和溫度計72接觸。
中間光纖66是一組相同的光纖73中的一個，所述的光纖組例如位於傳輸帶74上，其中的相同的光纖由滑輪組75的運動帶動前進。控制機構75和溫度控制裝置71、光發射器62、光檢測器63以及滑輪組75相連。控制機構76定期地啟動滑輪組75，使得帶動傳輸帶74，從而使其上具有固體沉澱的被使用的光纖被無汙染的光纖73代替。保護殼體77確保光纖73在使用之前是無汙染的。
現在參看圖5，該圖表示按照本發明的第二實施例的光纖露檢測器，用於檢測例如在溫室中的自然凝結。所述的露檢測器80包括具有粗糙端88的兩根光纖81。所述光纖之間具有間隙89。光纖被嵌入PVC白色板82中，其溫度和周圍環境的自然溫度相同。一根光纖81和光發射器83相連，例如HFBR-1524發射(Hewlett PackardComponents，USA)，另一根光纖81和光檢測器84相連。在夜間，當溫度下降時，由於板82向天空方向的紅外發射，被嵌入板中的光纖81也被冷卻，因而水在光纖的粗糙的邊緣88上凝結，充滿粗糙的邊緣，使得光學系統中的光發射器增加。
電子控制系統85控制光發射器83和光檢測器84的參數，並且選擇地，當溼氣的含量高時，可以產生報警，從而啟動溫室中的乾燥裝置。
氣體通過保護管86進入間隙89，在所述保護管兩端具有過濾器87，所述過濾器濾除各種汙染，因而保護光纖免受灰塵和汙物的汙染。
按照利用上述的露檢測器進行的實驗，在夜間被置於白色PVC板中的光纖的溫度比玫瑰葉子的溫度只低0.1-0.2℃，因而所述板十分真實地模擬了葉子的自然條件。當光纖的兩端具有可以溶於水的化合物(例如硫)的汙染，並且水在光纖的粗糙的邊緣上凝結時，所述化合物便可以溶解在水中，產生充滿粗糙端的溶液。光通過溶液的透射率比光通過清潔的水(不含硫)的透射率相差很多。因為製造光纖的塑料材料抗腐蝕性和侵蝕性溶液，所以這種檢測器即使溫室的十分極端的條件下仍然能夠繼續工作。
現在參看圖6，其表示按照本發明第三實施例的膜露點溼度計，其包括凝結膜。露點溼度計90包括被置於熱電冷卻器92上的凝結膜，例如尼龍透明膜91。所述的膜把從光發射器94通過光纖93發出的光反射到和光檢測器96相連的光纖95中。利用風扇97使空氣在凝結膜上流通，並冷卻電熱冷卻器92的高溫側。當由電熱冷卻器92冷卻凝結膜91時，水在膜的外側(即面向上的一側)上凝結，並且改變光從膜的兩側的反射，所述改變由光檢測器96檢測。溫度檢測器98和99分別用於測量凝結膜和空氣的溫度。電子控制系統100控制冷卻器92、光發射器94和光檢測器96的操作，測量露點的溫度(即在其上形成露的膜的溫度)，並由檢測器98、99獲得空氣的溫度，因而可以計算被測量的空氣的露點。移動系統(未示出)每隔一段時間例如每周使長的連續的膜91前進一次，因而每隔一段時間使用新膜進行凝結和反射。因而，即使膜的特定部分被汙染從而使其上的光反射失真，這也能夠確保使用新膜而不會有所述的失真。當然，新的未被使用過的膜應當被保護免受汙染，例如被置於保護殼體內。
圖7表示按照本發明第四實施例的稜鏡露點溼度計101，其中包括一個光學稜鏡。這種溼度計包括光發射器102，光檢測器103和被置於熱電冷卻器105上的稜鏡104。稜鏡把從光發射器發出的光向著光檢測器反射。在由熱電冷卻器105對稜鏡進行冷卻時，水便在稜鏡表面上凝結，因而改變光從稜鏡表面上的反射。控制機構(未示出)可以把熱電冷卻器的溫度控制成為在稜鏡表面上發生凝結的溫度，因而檢測到光的改變。
圖8表示按照本發明的第五實施例的電容露點檢測器106。所述檢測器包括絕緣器107，藉助於保護塗層例如漆和周圍環境隔離的第一電極結構108，所述保護塗層不允許溼氣和電解液透入。這種檢測器包括第二電極結構109，其由在絕緣器107的暴露的外表面上凝結的水層構成。水是導電的，這是因為其中含有天然存在於空氣中的鹽類。檢測器通過導線110、111和測量電路(未示出)相連。當存在水時，如圖8所示，便形成電極109，使得電容在0.1到160p∏之間改變，所述電容的改變可以被測量。作為另一種選擇，在絕緣器107的外表面，可以附加一層網狀塗層，以便減少空氣中的鹽分對檢測器靈敏度的影響。
圖9說明由具有恆定面積的第一電極結構108』和由水層形成的具有可變面積的第二電極結構109』構成的電容露點檢測器的示意的等效電路，其中110』和111』是用於連接測量電路(未示出)的導線。
權利要求
1.一種用於確定氣體的露點的光纖露點溼度計，包括光發射器和通過由至少一個光纖限定的光路光學連接的光檢測器，所述光路包括至少一個檢測間隙；所述間隙在兩個光纖的端部之間、光纖的端部和光發射器之間、或者在光纖的端部和光檢測器之間被形成；形成檢測間隙的光纖的至少一端是和所述氣體接觸的露形成端，在所述光纖的至少一端上可以形成露，從而改變從光發射器通過間隙向光檢測器傳輸的光；溫度控制裝置，用於控制露形成端的溫度，選擇地還用於控制與所述露形成端相鄰的空氣的溫度；恢復裝置，用於利用無固體沉澱的光纖的新的一端基本上代替可以在其上形成露的所述光纖的至少一端，其中所述光纖的至少一端將會由於在操作期間沉積的固體汙物而損害；以及控制機構，用於控制所述溫度控制裝置的操作，並在所述溼度計操作一段時間之後自動地啟動所述恢復裝置。
2.如權利要求1所述的光纖露點溼度計，其中所述溫度控制裝置在所述控制機構的伺服控制下操作。
3.如權利要求2所述的光纖露點溼度計，其中所述控制機構和光檢測器相連，用於使所述溫度控制裝置把所述露形成端的溫度保持在露點形成溫度，在此溫度下在所述露形成端形成的露產生由光檢測器記錄的基本上固定的強度的光，或者使露形成端保持在在所述露形成溫度附近波動的溫度；根據所述露形成溫度確定所述露點。
4.如權利要求1-3任何一個所述的光纖露點溼度計，包括可移動的透明膜，其覆蓋所述露形成端，使得露形成在與之接觸的膜的一部分上；所述恢復裝置包括用於移動所述的膜，從而使膜的一個新部分和所述露形成端接觸，形成新的露形成部分的裝置。
5.如權利要求4所述的光纖露點溼度計，其中所述膜呈帶的形狀，其可以通過所述露形成端直線地移動。
6.如權利要求1-3任何一個所述的光纖露點溼度計，其中所述恢復裝置包括切刀，其能夠切除所述露形成端的一小片，因而露出新的露形成端。
7.如權利要求1-3任何一個所述的光纖露點溼度計，其中所述至少一個光纖是多個光纖中的一個，並且其中所述恢復裝置包括用於利用另一個無固體沉澱的光纖代替其上具有固體沉澱的至少一個光纖的裝置。
8.一種用於確定自然露凝結的光纖露檢測器，包括位於檢測器外部的露凝結表面；光發射器和通過由至少一個光纖限定的光路光學連接的光檢測器，所述光路包括至少一個檢測間隙，所述間隙被形成在兩個光纖的端部之間或者在光纖的端部和光檢測器之間；形成檢測間隙的光纖的至少一端是露形成端，在其上可以形成露，從而改變通過間隙從光發射器向光檢測器傳輸的光；所述光纖被嵌入平板中，所述平板具有基本上和所述表面的溫度相同的溫度；恢復裝置，用於利用無固體沉澱的光纖的新的一端基本上代替可以在其上形成露的所述光纖的至少一端，其中所述光纖的至少一端將會由於在操作期間沉積的固體汙物而損害；以及控制機構，用於監視所述光路的狀態，自動地啟動所述恢復裝置，消除太陽輻射和汙染的影響。
9.如權利要求8所述的光纖露檢測器，其中所述露形成端具有粗糙的表面。
10.如權利要求8或9所述的光纖露檢測器，還包括保護裝置，用於保護露形成端不受汙染。
11.一種用於確定氣體的露點的露點溼度計，包括用於形成凝結表面的可移動的透明膜，其被設置在溫度控制裝置上，所述溫度控制裝置用於控制所述膜的溫度；和一個光纖以光學方式相連的光發射器，用於在所述膜上發射光；以及以光學方式和光纖相連的光檢測器，用於檢測從所述膜反射的光，所述兩個光纖相對於所述膜呈一定角度被設置，使得能夠進行所述的檢測；所述可移動的透明膜和所述氣體接觸，並作為供露在其上凝結的表面，所述凝結改變從光發射器發射的並被反射到光檢測器的光；恢復裝置，用於定期地替換所述透明膜，使得露的凝結和光的反射在一個新的無汙染的膜上進行；以及控制機構，用於控制所述溫度控制裝置的操作，並計算氣體的露點。
12.如權利要求11所述的露點溼度計，其在穩定的溫度條件下操作，其中所述溫度控制裝置是熱電冷卻器，其能夠在所述膜上結露的過程中通過測量熱電冷卻器的電流從而測量所述氣體的相對溼度。
全文摘要
本發明涉及一種基於露在光纖的端部或在光學稜鏡的表面凝結的露點溼度計。本發明還涉及一種用於利用光學裝置確定自然露凝結的露檢測器，以及能夠通過檢測電容的改變檢測露的露檢測器。
文檔編號G01N21/41GK1657925SQ20041005622
公開日2005年8月24日 申請日期1999年10月29日 優先權日1998年10月30日
發明者埃格·茲樂金 申請人:奧普蒂蓋德有限公司