一种露点仪的制作方法

本发明涉及湿度测量领域，具体涉及一种露点仪。

背景技术：

湿度是指示大气中水分子含量多少的物理量，标志着大气的干湿程度。在环境监测、工业生产、科学研究以及人们的日常生活中，湿度测量都发挥着其至关重要的作用。湿度的表示方法主要分为相对湿度、绝对湿度以及露(霜)点温度，其中露点温度已被国际公认为最精密的湿度表示方法，世界各国实际的湿度量值传递都是通过露点温度来实现的。

露点温度是一定压强下，使湿空气混合比达到纯水面下饱和混合比时刻的温度，是湿度表示的一个重要指标。露点温度测量方法根据原理的不同可以分为冷镜式光电露点仪、电传感器式露点仪、电解法露点仪、红外露点仪、半导体传感器露点仪和谐振式露点仪。

谐振式露点仪以石英晶体微天平(quartz crystal microbablance,QCM)作为微量称量工具。

技术以Sauerbrey方程为基础，建立QCM表面刚性质量改变与其谐振频率变化之间的线性关系，具体是基于石英晶体的压电效应对其电极表面的附着质量进行测量的仪器。基本工作原理是石英晶振表面所附着质量的改变引起石英晶振振动频率变化。根据此原理可以进行纳克级的质量检测，该方法具有精度高、灵敏度高、成本低等优点，受到了各国科学家的重视，目前已成为传感器领域的一个研究热点。传统的QCM湿度传感器主要采用感湿材料涂覆工艺，利用在QCM表面涂覆感湿材料从而实现对空气中水分的吸附。

但是由于QCM露点传感器测量原理和自身结构的限制，环境因素对QCM露点传感器的测量精度影响很大，尤其是受到测气体中杂质颗粒的影响，杂质颗粒具体包括灰尘和油脂等悬浮于受测气体中的颗粒。原因是QCM露点传感器吸收水分子的同时还会将这些悬浮于受测气体中的颗粒一同吸附，因此降低了QCM露点传感器的测量精度。为了降低受测气体中悬浮颗粒对QCM露点传感器测量精度的影响，通常采用的办法是将受测气体经过恒温、恒压和恒流的除污(过滤)系统。增加设备投入成本的同时也必然增加影响QCM露点传感器测量精度的因素。

技术实现要素：

本申请提供一种露点仪，用于提高露点的测量精度。

根据第一方面，一种实施例中提供一种露点仪,包括：

第一谐振式质量传感器，用于通过吸附待测气体中水分子和杂质以获取第一测量数据；

第二谐振式质量传感器，用于通过吸附待测气体中杂质以获取第二测量数据；

计算单元，用于计算所述第一测量数据和所述第二测量数据的差值；

处理器，用于将差值带入Sauerbrey方程计算得到待测气体的露点。

进一步，所述第一测量数据和所述第二测量数据是频移数据或质量数据。

进一步，所述第一谐振式质量传感器是石英晶体微天平传感器。

进一步，所述第二谐振式质量传感器是石英晶体微天平传感器。

进一步，所述第一谐振式质量传感器和第二谐振式质量传感器都包括：

石英基片，为片状结构；

金属电极，为电镀在所述石英基体侧面的金属薄膜。

进一步，所述第二谐振式质量传感器还包括憎水层，是憎水性材料形成的薄膜结构；所述憎水层覆盖在所述金属电极的外表面，用于减少所述第二谐振式质量传感器对待测气体中水分子的吸收。

进一步，还包括第一振荡电路、第二振荡电路和计数器；

所述第一振荡电路，其串联在所述第一谐振式质量传感器与所述计数器之间，用于给所述第一谐振式质量传感器提供振荡信号；

所述第二振荡电路，其串联在所述第二谐振式质量传感器与所述计数器之间，用于给所述第二谐振式质量传感器提供振荡信号；

所述计数器与所述处理器连接，用于单位时间内分别对所述第一谐振式质量传感器的振荡信号和所述第二谐振式质量传感器的振荡信号进行计数，并将计数数据发送给所述处理器；

所述第一测量数据和所述第二测量数据是所述计数器获取的计数数据。

进一步，还包括基准频率源，与所述计数器连接，所述基准频率源用于输出参考频率信号；所述计数器对所述基准频率源输出的参考频率信号进行计数，用于计数参考。

进一步，还包括第一振荡电路、第二振荡电路、第一A/D转换电路和第二A/D转换电路；

所述第一振荡电路串联在所述第一谐振式质量传感器与所述第一A/D转换电路之间；所述第一A/D转换电路与所述处理器连接；所述第一A/D转换电路将所述第一振荡电路的振荡信号转化为数字信号发送给所述处理器；

所述第二振荡电路串联在所述第二谐振式质量传感器与所述第二A/D转换电路之间；所述第二A/D转换电路与所述处理器连接；所述第二A/D转换电路将所述第二振荡电路的振荡信号转化为数字信号发送给所述处理器；

所述第一测量数据和所述第二测量数据是数字信号数据。

进一步，还包括第一信号调理电路和第二信号调理电路；

所述第一信号调理模块串联在所述第一振荡电路和所述第一A/D转换电路之间，用于对所述第一振荡电路输出的频率信号转化为电压信号并输出给所述第一A/D转换电路；

所述第二信号调理模块串联在所述第二振荡电路和所述第二A/D转换电路之间，用于对所述第二振荡电路输出的频率信号转化为电压信号并输出给所述第二A/D转换电路。

依据上述实施例的一种露点仪，由于通过获取第一谐振式质量传感器吸附待测气体中水份及悬浮颗粒以获取第一测量数据，通过第二谐振式质量传感器吸附待测气体中除水以外的悬浮颗粒获取的第二测量数据。处理器根据第一测量数据和第二测量数据，获得待测气体的露点，使得露点的测量精度得到提高，降低了受测气体中悬浮颗粒对露点测量精度的影响。

附图说明

图1为一种实施例的石英晶体微天平传感器的示意图；

图2为一种实施例的石英晶体微天平传感器的示意图；

图3为一种实施例的石英晶体微天平传感器的石英晶片示意图；

图4为另一种实施例的露点仪的结构示意图；

图5为另一种实施例的露点仪的电路框图；

图6为另一种实施例的露点仪的电路示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

在本发明实施例中，为提高露点的测量精度，采用第一谐振式质量传感器和第二谐振式质量传感器分别获取第一测量数据和第二测量数据，再通过处理器依据第一测量数据和第二测量数据获取露点温度。其中，第一测量数据是与待测气体中水份和悬浮颗粒质量相关的测量数据，第二测量数据是与待测气体中悬浮颗粒的质量相关的测量数据。

实施例一：

请参考图1和图2所示，为一种石英晶体微天平传感器结构图，包括石英基片1、镀金属电极2、敏感薄膜3、电极引线4、基座5和电极6。石英基片1通过两个电极引线4固定在基座5上，两个电极6穿过基座5分别与电极引线4连接。石英基片1的两个侧面各镀有镀金属电极2，两个电极引线4分别与石英基片1的两个侧面的两个镀金属电极2分别连接。每个镀金属电极2上覆盖有敏感薄膜3。

QCM传感器的基体为压电石英晶片，石英晶片是由石英棒按照一定的角度切成的薄片，通常是圆形、正方形和矩形。按照切割方位的不同，通常可分为AT、BT、X、Y、SC切，近年有一些新的切型逐渐开始在一些特殊行业使用。不同切型的晶体片有不同的特性，最大的区别在于频率的温度特性。最常用的石英谐振器由AT切石英晶体片经蒸镀或者溅射方式在晶片的两面形成电极，工作电极，有一面的，也有双面的，常用的电极通常是Au,SiO2,Pt,Cu,Ti,TiO2。为提高选择测试物质的性能，通常在电极表面修饰具有特异选择和吸附功能的敏感薄膜，QCM传感器的敏感薄膜的选择上要满足一定的敏感性(最小10ng的吸附量)、可逆性(即能吸附又能解析)、和稳定性(具有一定的可靠寿命)，使用时根据研究的实际需求设计结构和组合方式。

在本实施例中，石英晶体以的AT切割方式切割的，为圆形，直径一般为10mm左右。石英基片1两面都带有直径为5mm左右的镀金属电极2，基频一般选择为4—15MHz。敏感薄膜3均匀覆于石英基片1的表面，厚度一般不超过2μm，敏感薄膜3需要对待测气体的物质成分有较好的敏感性和选择性。敏感薄膜3对待测气体中的水成分有吸附作用(在本申请文件中称为亲水性QCM传感器)。具体敏感薄膜3可采用SPPESK(磺化聚芳醚砜酮)膜，因为SPPESK对水蒸气具有较高的响应灵敏度。SPPESK是一种合成有机高分子材料，将0.0110g的SPPESK溶于1.697g的DMAC有机溶剂中，静置3个小时，充分溶解，作为待用的膜材料。选用10MHz基频的石英晶振，清晰干净，采用蘸涂的方法涂膜，先用烘箱干燥2小时，然后用99.999％的高纯氮气以1cm³/s的流量干燥50个小时，完成干燥后，就可进行湿度检测了。

请参考图3所示，为一种石英晶体微天平传感器的石英晶片示意图，包括石英基片21、镀金属电极22、敏感薄膜23、电极引线24和憎水薄膜27。石英基片21的两个侧面各镀有镀金属电极22，两个电极引线24分别与石英基片21的两个侧面的两个镀金属电极22分别连接。每个镀金属电极22上覆盖有敏感薄膜23。在敏感薄膜23的表面还覆盖有一层憎水薄膜27。憎水薄膜27可以使QCM传感器对待测气体中的水成分有排斥作用(在本申请文件中称为憎水性QCM传感器)。

QCM传感器的核心是石英晶振，应用的是石英晶体的压电效应，当石英晶体施加交变电压时，石英晶体就会振动，当振荡电路的频率与石英晶体的固有频率一致时，便会产生共振，此时振荡最稳定。在一定条件下，当石英晶振表面吸附其它物质时，石英晶振的固有频率随吸附物质质量的大小而改变。露点仪的QCM传感器就是根据这一原理。在石英晶振表面做一层敏感薄膜，利用薄膜对水蒸气的吸附作用，把待测气体的湿度信号转化为频仪信号进行检测，频移和质量变化的关系如以下公式：

其中，Fo为晶体基频(MHz)，△M为质量改变量(g)，A为电极面积(cm²)△F为频移。由以上公式可以看出，频移与质量改变量有简单的线性关系。负号表示质量增加引起频率下降。此公式就是质量效应型QCM传感理论的Sauerbrey方程。

请参考图4所示，为一种露点仪的结构示意图，包括第一谐振式传感器、第二谐振式传感器和处理器。第一谐振式质量传感器用于通过吸附待测气体中水分子和杂质以获取第一测量数据。第二谐振式质量传感器用于通过吸附待测气体中杂质以获取第二测量数据。第一测量数据和第二测量数据是频率数据或质量数据。处理器用于根据第一测量数据和第二测量数据，计算待测气体的露点。本实施例中，第一谐振式传感器和第二谐振式传感器都是石英晶体微天平传感器。其中第一谐振式传感器是亲水性QCM传感器100，第二谐振式传感器是憎水性QCM传感器200。其中，亲水性QCM传感器100对待测气体中的水成分有吸附作用，憎水性QCM传感器200对待测气体中的水成分有排斥作用。且亲水性QCM传感器100和憎水性QCM传感器200对待测气体中的悬浮颗粒的吸附能力相近。为了保证亲水性QCM传感器100和憎水性QCM传感器200对待测气体中的悬浮颗粒的吸附能力相同，在制作本实施例露点仪之前，先对保证亲水性QCM传感器100和憎水性QCM传感器200两个传感器吸附悬浮颗粒的能力进行测试，测试方法是：将亲水性QCM传感器100和憎水性QCM传感器200两个传感器放入干燥后的待测气体中，测试其频率变化，如果变化一致则证明亲水性QCM传感器100和憎水性QCM传感器200对待测气体中的悬浮颗粒的吸附能力相近。因憎水性QCM传感器200已覆盖有憎水薄膜，所以不用另外单独测试其亲水性。

在本实施例中，亲水性QCM传感器100和憎水性QCM传感器200同时对待测气体进行测量，以获取测量数据，测量数据与QCM传感器所吸附的待测气体中悬浮颗粒的质量相关。处理器分别监测亲水性QCM传感器100和憎水性QCM传感器200频率的变化量，应用Sauerbrey方程分别计算出监测亲水性QCM传感器100和憎水性QCM传感器200所吸附悬浮颗粒的质量，将亲水性QCM传感器100和憎水性QCM传感器200测量的所吸附悬浮颗粒的质量数据进行比较，具体比较方法可取差值。其比较结果就是露点仪所需要测量的待测气体中水蒸气的质量。

在本实施例中，处理器还可以将监测的亲水性QCM传感器100和憎水性QCM传感器200频率的变化量进行比较，应用的Sauerbrey方程的变形公式如下：

其中，Fo为晶体基频(MHz)，△M为质量改变量(g)，A为电极面积(cm²)△F为频移，△F1为亲水性QCM传感器100的频移，△F2为憎水性QCM传感器200的频移，△M1为亲水性QCM传感器100吸附悬浮颗粒的质量，△M2为亲水性QCM传感器100吸附悬浮颗粒的质量。在本实施例中，第一谐振式质量传感器获取的第一测量数据是频移△F1，第二谐振式质量传感器获取的第二测量数据是频移△F2。然后计算第一测量数据和第二测量数据的差值为△F1-△F2。在将差值△F1-△F2带入公式(2)中(即将差值△F1-△F2带入Sauerbrey方程)，计算得到△M1-△M2的值，就可计算出露点仪所需要测量的待测气体中水蒸气的质量。

进一步，第一谐振式质量传感器可以直接依据Sauerbrey方程获取的第一测量数据为质量数据△M1，第二谐振式质量传感器可以直接依据Sauerbrey方程获取第二测量数据为质量数据△M2，再计算第一测量数据和第二测量数据的差值为△M1-△M2，就可计算出露点仪所需要测量的待测气体中水蒸气的质量。

进一步，本申请公开的技术方案在实际应用中，憎水性QCM传感器可直接采用不包括敏感薄膜的QCM，具体是憎水性QCM传感器包括石英基片、镀金属电极和电极引线，不包括敏感薄膜或憎水薄膜。采用这种简化的憎水性QCM传感器就可以提高露点仪的测量精度。当然增加憎水薄膜，并且其憎水薄膜与亲水性QCM的敏感薄膜吸附悬浮颗粒能力相近，更能提高露点仪的测量精度。

其中，本申请的实施例中通过QCM传感器获取到测量数据，再计算出待测气体的露点是现有技术，被广泛应用到实际生活中。

本申请的实施例公开了一种露点仪，由于通过将亲水性QCM吸附待测气体中水份及悬浮颗粒以获取第一测量数据与憎水性QCM吸附待测气体中除水以外的悬浮颗粒获取的第二测量数据进行比较，进而获得待测气体的露点，使得露点的测量精度得到提高，降低了受测气体中悬浮颗粒对露点测量精度的影响。本实施例中公开的露点仪具有灵敏度高、稳定性好、精度高、测量范围广、成本低、易于实现现场连续检测的优点。

实施例二：

请参考图5所示，为另一种实施例中露点仪的电路结构示意图，包括第一路检测电路41、第二路检测电路42和处理器40。第一路检测电路41包括QCM1传感器100、振荡电路110、信号调理电路120和A/D转换模块130。第二路检测电路42包括QCM2传感器200、振荡电路210、信号调理电路220和A/D转换模块230。其中，第一路检测电路41的振荡电路110的输入端与QCM1传感器100连接，用于为QCM1传感器100起振；信号调理电路120的输入端与振荡电路110的输出端连接，用于将振荡电路110输出的频率信号转化为电压信号；A/D转换模块130的输入端与信号调理模块120的输出端相连，A/D转换模块130的输出端与处理器40相连，用于将信号调理电路120转化的电压信号转化成处理器40可以识别的模拟量；第二路检测电路42的振荡电路210的输入端与QCM2传感器200连接，用于为QCM2传感器200起振；信号调理电路220的输入端与振荡电路210的输出端连接，用于将振荡电路210输出的频率信号转化为电压信号；A/D转换模块230的输入端与信号调理模块220的输出端相连，A/D转换模块230的输出端与处理器40相连，用于将信号调理电路220转化的电压信号转化成处理器40可以识别的模拟量；该露点仪还包括电源模块用于露点仪提供电源。其中，QCM1传感器100选用亲水性QCM传感器，QCM2传感器200选用憎水性QCM传感器200；处理器40可采用MCU处理器，具体可选用MSP430F247单片机。振荡电路可采用基于电压比较器的串联型振荡电路，其输出是TTL电平信号，具体可采用超高速电压比较器LT1711。A/D转换模块可选用ADC0809，信号调理电路可包括LM331芯片；LM331芯片将频率转换成电压信号，在通过ADC0809将模拟量传输到MCU处理器。

实施例三

请参考图6所示，为另一种实施例中露点仪的电路结构示意图，包括QCM1传感器100和QCM2传感器200、振荡电路53、振荡电路54、基准频率源55、计数模块52、处理器51、温度检测模块57、显示模块56和电源模块58。温度检测模块57、显示模块56和电源模块58分别于处理器51连接，电源模块58用于为露点仪提供电源。温度检测模块57用于测量露点温度。显示模块56用于显示与露点测量相关的数据信息。振荡电路53的输入端与QCM1传感器100连接；振荡电路54的输入端与QCM1传感器200连接；振荡电路54的输出端、振荡电路53的输出端和基准频率源55的输出端与计数模块52的输入端连接；计数模块53的输出端与处理器51连接。振荡电路的输出端输出与石英晶体微天平传感器的频率对应的待测振荡信号。基准频率源的输出端输出与基准频率源的频率对应的基准振荡信号，用于输出参考频率信号。计数模块52对基准频率源输出的参考频率信号进行计数，用于计数参考。计数模块52分别对待测振荡信号和基准振荡信号同时开启计数，经过门限时间T后，计数器将各自的计数值发送给处理器，处理器根据计数模块的计数值以及基准频率源的频率值就可以计算出石英晶体微天平传感器的频率值，进而获取待测气体的露点温度。计数模块52具体可采用计数器。

以上应用了具体个例对本申请进行阐述，只是用于帮助理解本申请，并不用以限制本申请。对于本申请所属技术领域的技术人员，依据本申请的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。