（测试计量技术及仪器专业论文）全自动露点测控系统的研制.pdf

硕士论文猁露_ 剐螈制柳幻 摘要 本文介绍了用于复含式干燥器的露点测控系统和露点测量仪。详细讲 述了露点控制器和露点测量仪软硬件设计、调试和实验过程。 复合式干燥器是由冷冻干燥器和吸附干燥器构成的串联系统。它的露 点测控系统由露点控制器( 单片机应用系统) 和温湿度传感器构成，其露 点测量采用了间接测量方法。通过控制吸附干燥器的工作时间和再生时问， 实现了节省能源、提高压缩空气质量和延长设备寿命的目的。 本露点测量仪是由主控单元、数采单元和显示单元组成的多单片机系 统。f 1 它是一种准确、可靠的露点测量仪器。它可以作为通用露点测量仪和 专用工业仪表使用d 关键词： 冷冻干燥器。，吸附干燥器，露敏 单片机 硕士论文全自动露点测控系统的研制 a b s t r a c t t h ed e s i g no ft h ed e w - p o i n tm e t e ra n dt h ed e w p o i n tc o n t r o ls y s t e mf o ra c o m p l e xd r y e ri si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h i sa r t i c l ed e t a i l st h em e t h o do f t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n ti nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ec o m p l e xd r y e ri sac o m p l e xs y s t e mc o m p o s e do far e f r i g e r a n td r y e r a n da r e g e n e r a t i v ed r y e r b a s e do nt h er u l eo f d e w - p o i n t i n d i r e c t m e a s u r e m e n t ，t h ed e w p o i n tc o n t r o ls y s t e mw h i c hc o n s i s t s o fad e w p o i n t c o n t r o l l e r ( s i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o ra p p l i c a t i o ns y s t e m ) a n da t e m p e r a t u r e h u m i d i t ys e n s o rc a nc o n t r o lt h ew o r kt i m ea n dr e g e n e r a t i o nt i m e o fad r y e ra sar e s u l t ，t h ec o n t r o ls y s t e mh a s g r e a ts i g n i f i c a n c e i n s a v i n g e n e r g y ，i m p r o v i n g a i rq u a l i t ya n dp r o t e c t i n ge q u i p m e n t t h ed e w - p o i n t m e t e ri n c l u d e s c o n t r o l l i n gs e c t i o n ，d a t a g a t h e r i n g s e c t i o na n dd i s p l a y i n g s e c t i o n i ti sa na c c u r a t ea n dr e l i a b l ei n s t r u m e n tf o rd e w - p o i n tt e s t i n g i tc a n b eu s e da sa g e n e r a ld e w - p o i n t m e t e ro ras p e c i a li n d u s t r i a li n s t r u m e n t k e y w o r d s ：r e f r i g e r a n td r y e r ,r e g e n e r a t i v ed r y e r , d e wp o i n t ， s i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o r 2 硕士论文 全自动露点测控系统的研制 1 1 课题背景 1 绪论 本课题是建立在“全自动露点测控系统和智能化露点测量仪研制”项 目的基础上。本文所要研究的是用于压缩空气系统复合式干燥器的露点测 控系统和用于工业测量的露点测量仪。 压缩空气是工业生产中不可缺少的动力源。当压缩空气从压缩机后冷 却器中出来时，仍然含有一定量的水分。在某些应用领域，对这些水分的 存在十j 分敏感，所以要设法将其除去。将水分从压缩空气中除去的过程， 称为气体干燥。压缩空气中含有的水分，随着其在管道里冷却，其水分将 析出。 在压缩空气系统中，如果有水分，将会给使用者带来许多的弊端：增 加运行和维修成本，即对仪表、电磁阀、气缸等元件的维修费用会上升： 降低设备的工作效率，并有可能造成生产中断。如：对于喷漆、喷砂、气 动控制系统、食品加工、制药等行业，因压缩空气含水分高将直接影响到 产品质量。 常用的对压缩空气进行干燥的方法主要有2 种，即吸附式干燥法和冷 冻式干燥法l l j 。 1 吸附式干燥法 这种方法属于固体除湿法。所采用的吸附剂一般有硅胶、铝胶和分子 筛。这些物质本身具有大量孔隙，能产生毛细现象；而且材料表面上的蒸 气分压力，低于周围空气中的水蒸气分压力。在压差的作用下，压缩气体 中的水蒸气产生扩散运动，从而将水分吸收。吸收了一定水分的吸附剂进 行脱湿、再生处理后，可以再次应用。为了维持设备的连续运转，一般在 干燥设备中采用双塔结构。一个塔进行吸附，另一个塔进行再生，两个塔 交替工作。按照再生方式的不同，可以将吸附干燥器分为加热再生式和无 热再生式两种。 吸附式干燥法是发展较早，技术相对成熟的一种方法。目前在制取一4 0 以下常压露点的干燥空气时，它基本上是唯一被广泛采用的方法。吸附 式干燥法的优点是：运行时不需要冷却水、耗电量比较低、设备简单、投 硕士论文全自动露点测控系统的研制 资低廉、维修方便及工作可靠。 吸附式干燥法的缺点是：对于某些对干燥度要求不是很高的用户，这 种方法的运行费用高。例如，即使以比较节能的无热再生吸附式干燥法来 讲，用于再生的气量也占到总气量的1 5 以上f 2 l 。此外，吸附剂对空气中 的油份和液态水比较敏感。因为这些物质会停留在吸附剂的表面，从而降 低吸附剂的性能，所以必须有比较完善的前处理装置。由于吸附式干燥法 采用双塔交替工作，控制阀容易疲劳损坏。而且在变压吸附中，由于吸附 剂直接频繁摩擦，产生粉尘，对压缩空气也可能会造成“二次污染”。 由于吸附式干燥法具有悠久的历史和成熟的使用、设计经验，在我国 它仍然是一种流行的方法。 2 冷冻式干燥法 其原理是采用一定的冷冻技术，将压缩气体冷却到露点以下，从而使 其中的水蒸气以液态的形式凝结出来并进而排出。这种方法在制取压力露 点在0 以上的气体中获得广泛的应用。 冷冻式干燥法能耗低、设备体积小、工作可靠、维护简单，而且对气 源没有特别的要求：同时由于冷却的作用，可以在一定范围内将油雾从气 体中分离，即有一定的除油能力。目前冷冻式干燥法也随着制冷技术的发 展而进步，例如冷冻干燥器单台处理能力，已经可以达到5 0 0 m 3 m i n 以上。 冷冻式干燥法对环境温度比较敏感，大容量的冷冻机需要很多冷却 水。在高寒、缺水地区，应用这种方法会带来一些问题。 这两种方法的最大差异在于： 1 冷冻式干燥法节能显著，但压力露点必须在0 以上。对于一些要 求压缩空气干燥度较高的领域，无法满足要求； 2 吸附式干燥法可能达到较高的干燥度，压力露点可达2 0 4 0 ，甚 至更高。但耗能较大，再生耗气量达1 5 1 7 ( 无热再生式1 f 2 1 。 将冷冻干燥器节能的特点和吸附干燥器具有更高干燥度的特点结合 起来，可以组成复合式干燥器。这样就既能满足节能等方面的要求，又能 达到较低的压力露点。即通过冷冻干燥器将压缩空气中的绝大部分水分除 掉，然后再经过吸附干燥器进行深度干燥。现在工业生产中已经普遍采用 复合式干燥器对压缩空气进行深度干燥处理。 2 硕士论文全自动露点测控系统的研制 1 2 本文工作 本课题的主要工作是对一台c d s l 8 0 0 a 型复合式干燥器( 额定处理量 4 0 m 3 m i n ，冷冻压缩机功率7 4 5 7 w ，工作压力08 m p a ) 进行技术改造：提 出控制方案，实现露点自动控制。完成露点测量仪的样机研制。 在分析了整个复合式干燥器系统组成和工作过程后，可以把整个系统 看作是由冷冻干燥器和吸附干燥器构成的串联系统。在考虑控制方案时也 把二者分开考虑。 对冷冻干燥器采用现在已经成熟的变频节能控制技术进行改造，实现 节省能源、优化运行性能和延长设备寿命的控制要求。对吸附干燥器，设 计了露点测控系统进行控制。采用空气露点实时测量、自动控制a 、b 塔 工作时间的方式，实现节能、降低生产与使用成本的目的。 露点测控系统由传感器和露点控制器组成。通过对国内外蘸点测试文 献的研究，从成本、精度、响应时间、量程范围等几个方面考虑，最终决 定采用露点间接测量的方法。即采用薄膜电容湿度传感器和温度传感器测 量出压缩空气的相对湿度和温度，再通过查表得出露点值。 从功能、体积、成本几方面考虑，露点控制器采用了单片机应用系统。 它具有采集、处理数据，提供人机界面，输出控制量等功能。并能实现与 p c 机的串口通信。 把露点测量部分独立出来完成了露点测量仪的研制。露点测量仪采用 多单片机系统，实现了数据采集、处理、模拟量输出和结果显示等功能。 研制的露点控制器和露点测量仪已投入生产，并在多家企业投入使 用。性能稳定，满足使用要求，产生了良好的经济效益和社会效益 硕士论文全自动露点测控系统的研制 2 复合式干燥器控制方案 2 1 控制要求 复合式干燥器是一种对压缩空气进行干燥的工业设备。它由冷冻干燥 器和吸附干燥器两部分串联组成的。其工作流程见图2 1 。压缩空气的干 燥过程是：湿空气先进入空气一空气热交换器预冷，再进入空气冷媒热交 换器冷却干燥。冷却干燥后的空气，进入a 吸附塔进行深度干燥。最后露 点合格的空气又进入空气空气热交换器预热，形成热的干燥空气( 成品气) 进入用气管道供生产使用。同时利用一部分成品气吹入b 吸附塔，使硅胶 再生( 恢复吸水能力) 。经过一定工作时间后a ，b 塔切换：b 塔干燥，a 塔再生，重复以上过程。 图21 夏台式干燥器工作流程 对系统分析后发现在进行空气干燥时，冷冻、吸附干燥器两者的工作 特性不同。冷冻干燥器处理后的压缩空气压力露点不能低于冰点。吸附干 燥器输出的压缩空气压力露点可以在一个较大的范围内变化。 由于二者工作特性不同，决定把整个系统看作由冷冻、吸附两个子系 统串联组成。这样做的好处在于可以有针对性的对系统提出控制方案，同 4 硕士论文全自动露点测控系统的研制 时可以简化系统控制模型，便于对系统进行分析研究。 1 冷冻干燥器控制要求 冷冻干燥器现有控制方式只是简单的开关控制。压缩机的实际运行工 况千变万化，大多数时间工作在非最佳的状态下。这种控制方式影响了压 缩空气露点的控制精度，更主要的是导致了电能的浪费。而且压缩机的重 复启动不仅严重影响压缩机的使用寿命，而且也进一步浪费了电能。 冷冻干燥器主要用途是除去压缩空气中的大部分水分( 一般在9 5 以 上) 。经过冷冻干燥器处理后的空气压力露点最低一般不能低于0 ，而复 合式干燥器一般要求输出气体露点在4 0 ( 2 左右。所以可以按照节省能源、 优化运行性能和延长设备寿命的要求，采取一定的方式对冷冻干燥器压缩 机进行优化控制，然后再经过吸附干燥器对气体进行深度干燥【2 j 。 对于冷冻干燥器的技术改造，可以考虑采用现在已经成熟的变频节能 控制技术。这样不仅可以改善系统控制性能，延长压缩机使用寿命，还可 以大幅度节约能源。冷冻干燥器的主要部件是压缩机。现在大多数压缩机 的空载运行时间高达3 0 以上，造成能源的大量浪费。采用变频调节技术 对压缩机进行控制，压缩机转速可以按照外界状态的变化而调整，使控制 超调量减小同时可以节省能源。并且可以使压缩机实现软启动，延长了压 缩机寿命。变频技术的相关资料很多。考虑到成本和时间因素，所以本文 对于冷冻干燥器的变频控制改造只做理论上的讨论，为以后实施技术改造 提供一条思路。 2 吸附干燥器控制要求 吸附干燥器的吸附容量在设计时是按最恶劣的工况进行考虑的，通常 取1 3 的备用系数。当它在正常工况下运行时就会有3 0 左右的富余。其 干燥塔与再生塔之间的切换系采用定时控制的方式。工作时间与再生时间 之比恒定为1 ，它不能根据实际工况作出调整，因而这部分富余的吸附能 力不能得到利用。这样除造成大约3 0 的能源浪费外，还影响设备的使用 寿命。直接引进外国的自动控制设备，除具有价格高不能被国内用户所接 受的因素外，所引进产品的质量、维护等因素也不能为生产单位所接受。 吸附干燥器可以把露点已接近o 的压缩空气进一步干燥。如何实现 对干燥器的可靠控制，使经过干燥的气体稳定在露点设定值，这是我们控 制的重点。如果实际成品气露点高于设定值，则不能满足用户用气要求： 硕士论文全自动露点测控系统的研制 如果低于设定值，则会造成能源浪费，生产成本提高。所以对干燥器实行 露点自动控制十分有必要。 本文设计了专用露点测控系统对吸附干燥器进行改造。通过高性能的 传感器在线检测干燥器出口气体的露点，再用露点控制器根据实际的工况 及用户设定的露定值，自动调整干燥塔的工作时间。这样就充分利用了干 燥器的吸附能力，使原来一般5 分钟的工作时间延长至1 0 2 0 分钟。提高 了工作时间与再生耗气时间之比，减小了平均再生气耗量，达到理想的节 能目的。同时阀门的动作频率会因此降低，因丽还会带来延长阀门寿命， 降低使用成本的好处。 下面将按照冷冻干燥器和吸附干燥器的控制要求，具体讲述二者的控 制方案。 2 2 冷冻干燥器的控制 2 2 1 冷冻干燥原理和过程 冷冻干燥器就其发展而言早于吸附干燥器，但只是在技术发展到能大 量生产各种优质高效的制冷元件以后，它才走上了工业实用。空气中的水 分一般以过热或饱和状态存在于气体之中。当空气的温度被降低后( 低于 露点) ，空气中的水分就会以液态水的形式被析出，从而达到去除水分的目 的。冷冻干燥法就是使用制冷设备将空气冷却，从而来干燥空气。 冷冻干燥法可以实现设备的连续运转，而且相对于吸附干燥方法，能源 的消耗量较低，不需要再生气体。同时当空气的温度被降低后，其中的油 蒸汽也可以析出，所以可以满足一定的除油的需要。但这种方法所能达到 的干燥度不能很高。冷冻干燥的露点一般不能降到0 度以下( 水分在0 度 以下会结霜或冰，不易清除) 。这对大部份压缩空气应用场合来讲是颇为适 宜的。例如作为仪表用气而言，由于气动仪表几乎全部安装在环境温度适 宜的仪表站房内，以这种o c 左右的露点压力空气完全可保证其安全准确 运行【4 l 。冷冻干燥器可以单独使用，也可以作为吸附干燥器的前级使用。 这样可以先除去气体中的大量水分，从而降低吸附干燥器的工作强度。 图2 2 是冷冻干燥法的基本原理示意图。压缩气体首先进入热交换器 硕士论文全自动露点测控系统的研制 中进行初步冷却，析出一定的水分：接着气体进入蒸发器中冷却到所需要 的温度：然后进入气液分离器中分离出冷凝水。最后净化完成的气体再通 入热交换器中和干燥前的气体进行热量交换，最终送给用户。 压缩机 图22 冷冻干燥器示意图 2 2 2 影响冷冻干燥设备性能的因素 冷冻干燥器是利用制冷机组中的制冷剂，如氟利昂r 2 2 等，在蒸发器 管道内高速流动时吸热蒸发，而使与之进行热交换的压缩空气的温度下降， 从而使压缩空气中的水蒸气冷凝析出，达到压缩空气的去湿干燥。通常为 了提高效率，利用经蒸发器后送出的干燥压缩空气( 低温) 对未经干燥的压 缩空气进行预冷。 影响压缩空气冷冻干燥设备性能的主要因素有：压缩空气的入口温 度、压力露点温度f 蒸发温度) 和制冷系统的冷凝温度等【5 】。 ( 1 ) 压缩空气的入口温度对干燥器性能的影响 由于制冷设备工艺的正常运行需要严格合理的匹配性，即制冷能力与 热负荷的匹配，单位时间制冷量与单位时间的热负荷匹配。否则将使制冷 压缩机过载，过热度提高，进入恶性制冷循环，影响压缩空气质量和制冷 系统的安全运行，缩短设备寿命。因此为了满足制冷设备的特定工况要求， 规定压缩空气冷冻干燥工艺流程中的入口温度 4 0 。 ( 2 ) 压力露点温度( 蒸发温度) 对干燥器性能的影响 由于气氟利昂制冷剂换热器( 蒸发器) 采用壳管式换热器，制冷剂走管 程，空气走壳程，导流板增加空气扰动，提高传热效果。在整个热交换过 程中，压力露点温度的设定将影响制冷系统的单位时间制冷量。即压力露 7 硕士论文全自动露点测控系统的研制 点温度的高、低通过热交换过程直接影响蒸发温度的高、低。而蒸发温度 则是制冷系统的重要参数。在冷凝条件不变的情况下，它的高低将直接影 响系统制冷量，从而影响设备的能力。因此规定，压力露点温度为2 8 ， 以满足设备的正常工作。 f 3 ) 制冷系统的冷凝温度对干燥器性能的影响 由于制冷系统的换热原理，制冷时吸收的热量加上压缩作功产生的热 量的总和将要在冷凝过程中放出，即： q k ：q o + q n t ( 2 1 ) 式中q k 冷凝热： q o 蒸发吸收热； q a l 压缩作功热。 因此冷凝时冷却条件的好坏，也将影响冷冻干燥器的正常运行。气态 氟利昂制冷剂在冷凝过程中要充分液化为液态制冷剂，才能保证节流蒸发 后的吸热效果。因此要求水冷式冷冻干燥设备的冷却水水温 3 2 ，以保 证液化质量，从而保证空气的干燥质量。 2 2 3 冷冻干燥器控制方案 冷冻干燥器子系统本身有两大主要调节部分，即压缩机功率调节和制 冷剂流量调节。其中压缩机功率调节由变频器完成，制冷剂流量则由电子 膨胀阀调节。冷冻干燥器原先是单纯开停控制，效率低，压缩机过热保护 不可靠。采用变频调速控制，压缩机就不仅是工作在开，关状态，而是可以 随外界条件柔性变化，使系统具有更高的季节能效i ：p ( s e e r ) 。 变频调速方式具有机械特性好、功率因素优良、运行稳定可靠、精度 高、综合效率高、电力消耗少、调速范围广和节能效果显著等众多优点， 是节能改造的最佳选择，具有越来越广泛的应用性和使用价值。变频调速 技术就是在交流电动机和电网之间装一个频率可变化的装置交频器。 它能够改变供电电源的频率，其输出频率可随着生产机械的需要而变化。 也就是说频率不再是电网电源的固有频率5 0 h z ，而是通过变频器之后成 为可变化的。通过改变电源频率，变速装置可以无级地改变压缩机的电机 转速。使制冷剂的质量流量发生变化。若工况一定，机组的制冷墓与制冷 硕士论文全自动露点测控系统的研制 剂的质量流量成正比。依据此原理机组能按照实际负荷大小，使制冷剂流 量与之匹配。冷冻干燥器控制方案见图2 3 。因为变频技术现在已经成熟， 参考资料多，所以本文只提出控制方案，未做更进一步的工作。 图2 3冷冻千爆器控制示意图 2 3 吸附干燥器的控制 2 3 1 吸附干燥器工作原理 吸附是因吸附质与吸附剂分子间相互作用而发生吸附质分子相际转 移的一种现象。压缩空气的干燥常采用物理吸附方法。当待干燥的压缩空 气与吸附剂充分( 无时间限制) 接触时，空气中的水分子扩散到吸附剂上并 因范德华引力而被吸附。与此同时，被吸附的水分子因本身的热运动及外 界气态分子碰撞，有一部分离开吸附剂表面返回气相，即发生脱附。当同 一时间内水分子的吸附量与脱附量相等时，就达到了一个动态吸附平衡， 此时吸附与脱附过程均在进行，但速度相等，这种动态吸附平衡是在一定 温度与压力条件下建立的。当温度和压力改变时，系统原有的平衡关系将 被打破而建立一个新的平衡关系。由吸附过程的热力学特性可知，一定温 度下，水的吸附量随气相中水气分压增大而增大；一定压力下，水的吸附 9 硕士论文全自动露点测控系统的研制 量随温度升高而减少。即在低温或高压下水分被吸附，在高温或低压下水 分被解吸。吸附干燥器正是依此原理而工作的。 吸附干燥器一般采用双塔式，一塔进行吸附，另一塔进行荐生( 解 吸) 。依再生方式的不同可分为无热再生式干燥器、有热再生式干燥器和微 热再生式干燥器。本课题讨论的是无热再生干燥器。无热再生干燥器的实 际工作过程分吸附、再生、均压三个阶段，微热与有热再生干燥器则由吸 附、再生、吹冷、均压四个阶段构成一个工作循环。工作时，压缩空气交 替流经a 、b 两个充满吸附剂的塔式容器。一塔在工作压力( 高水气分压) 状态下吸附时，另一塔则在接近大气压( 低水气分压) 状态下( p s a 法) 或受热 状态下( t s a 法) 解吸，然后按所设定的程序切换两塔交替工作。 2 3 2 影响吸附干燥设备性能的因素 影响压缩空气吸附干燥设备性能的主要因素是：压缩空气的压力和温 度、在干燥器内的气体流速大小、吸附剂再生的效果、干燥器入口压缩空 气的含水量及含油量大小等i ”。 ( 1 ) 入口压缩空气的压力、温度对干燥器性能的影响 进入干燥塔的压缩空气温度对干燥器的性能影响较大，压缩空气温度 越低，吸附剂的吸附性能越好。因为压力一定时，相对湿度随气体温度的 升高而下降，吸附剂的吸附能力将明显下降。在一定的水蒸气分压下，吸 附剂的吸附温度与水分吸附量呈函数关系，即使吸附温度变化很小，其对 应的吸附量也将明显变化。因此，应该严格控制进入干燥塔的压缩空气温 度，使其 4 0 。 压缩空气的压力变大，则吸附层相应温度的水蒸气分压变大，压力露 点增大，吸附温度增高。 ( 2 ) 压缩空气的流速对吸附性能的影响 压缩空气在干燥塔内的实际流速越大，吸附剂的吸附效果越羞。这是 由于压缩空气中的水分与吸附剂的固体表面不能充分接触的缘故。吸附剂 表面有许多微孔，只有压缩空气中的水分子与吸附剂的实际表面积充分接 触，吸附剂的吸附性能才能充分发挥。为了提高干燥塔的吸附性能，应尽 量降低压缩空气在塔内的流速。实验表明压缩空气在塔内的流速为02 l o 硕士论文全自动露点测控系统的研制 0 3 5 m s 合适。 ( 3 ) 吸附剂再生效果的影响 吸附干燥器进行再生时，控制参数有：压力、温度、再生气量、再生 时间和压力露点。其中压力露点是最主要的控制参数。因为压力露点的高 低反映了压缩空气在干燥器内干燥程度，关系到压缩空气的质量。由于压 缩空气中含有水分，水分子与其它气体分子缔合并相互作用，所以压缩空 气不是理想气体。直接用水在压缩空气中的组成百分比来衡量，是非常不 准确的。用传感器直接衡量压缩空气的压力露点值才是准确有效的。再生 加热时间越长，吸附剂再生越完全，但是过长的加热时间会影响吸附剂干 燥性能。它不仅耗电大，而且在工作塔与再生塔切换后，留在干燥器内的 再生热量散发不出来。这样就使塔内的干燥剂不能冷却到要求的温度，影 响刚投入的压缩空气的干燥效果。 ( 4 ) 进入干燥器的压缩空气含水量和含油量对干燥器性能的影响 在设计干燥器时，进入干燥器的压缩空气是以饱和状态来计算压缩空 气的含水量。若进入干燥器的压缩空气为过饱和状态或带来大量的液态水， 则干燥塔的负载会大大加重，吸附剂的吸附性能会受到较大影响，部分吸 附剂吸水后会破碎。若进入干燥器的压缩空气含油量较大时，会使吸附剂 “中毒”，失去吸附性能，使干燥器失去干燥作用。 2 3 3 吸附干燥器控制方案 吸附干燥器的控制目标是将输出空气的露点值稳定在一个设定的范 围内。它在前一级冷冻干燥器对压缩空气已经干燥的基础上，继续对空气 进行深度干燥。吸附干燥器结构如图2 4 。 吸附干燥器工作时，待干燥空气从进气管道进入吸附干燥器。上半周 期a 塔进行吸附工作，薄膜阀v 2 、v 3 打开，v 1 、v 4 关闭，空气进入a 塔。由于a 塔内为高压状态，b 塔内为低压状态，所以单向阀v 5 被吹开， v 6 关闭。干燥后的气体进入出气管道，供用户使用。同时从出气管道引出 一部分干燥气体( 称为再生气体) 通过开度阀v 9 。由于a 塔内为高压状 态，b 塔内为低压状态，所以单向阀v 8 被吹开，v 7 关闭。再生气体进入 b 塔，使塔内的吸附剂吸附能力得到恢复( 称为吸附剂的再生过程) ，b 塔 硕士论文全自动露点测控系统的研制 处于再生过程。吸附剂的再生时间按经验估算一般为5 分钟。b 塔再生过 程完成后，如果a 塔工作过程仍在继续，则b 塔进入均压过程，此时v 2 关闭。当a 塔的吸附剂接近饱和时，上半周期结束。下半周期a 、b 塔工 作流程与上半周期正好相反。工作时序见图25 。 空气出口 塔 b 塔 区开度阀 q 薄膜阀( 开) 薄膜阀( 关) o 单向阀( 开) 单向阀( 关) 空气入口 图24 吸附干燥器上半周期工作示意图 l工作再生 均压 l 再生 i 均压 工作 f nt 1 t 9 l t 冀it 4 图2 5 吸附干燥器工作时序围 由吸附干燥器原理可知，影响空气露点的因素有输入空气的状态参数 ( 湿度、温度、压强等) 、吸附剂的品质、再生气体的流量和工作周期的长 短等。在干燥器性能结构参数已定的情况下，可以调节控制的部件有薄膜 阀v i 、v 2 、v 3 、v 4 的开关，开度阀v 9 的开度大小。干燥器的工作对象 是空气。空气的湿度变化具有影响因素多、滞后时间长、环境干扰复杂等 特点。要想实现把压缩空气的露点控制在一定范围内的控制目标，必须考 虑干燥器的运行特性和各种其它因素来选择控制方法。 吸附干燥器有一个很重要的运行特性：“变露点”运行特性( 4 j 。它反映 在两个方面： l 、在干燥器接个服役期内，吸附剂( 硅胶、铝胶及分子筛) 的吸附活性 1 2 硕士论文全自动露点测控系统的研制 随时间而进行性衰退。吸附材料表面的微小孔隙是其吸附活性赖以存在的 结构基础。压缩空气中大量的微小尘埃及油露日积月累地与吸附材料表面 直接接触，使吸附表面的有效空隙数不可逆减少直至完全失去吸附活性。 另一方面双塔交替工作，使吸附材料本身一直在频繁的变压状态中反复挤 压、摩擦，原本完整有序的颗粒形状逐渐粉化。不但使吸附活性减弱，而 且增加了阻力。所以在整个吸附剂服役期间里，输出压缩空气露点逐步上 升。当到达吸附活性临界点时，就不得不更换吸附剂了。吸附活性临界点 的确定应符合工艺流程所规定的压力露点。不同的工业门类对压缩空气的 压力露点要求不一样，因而更换吸附剂的频数也不一样。 2 在吸附干燥器的一次工作循环里，输出压缩空气的露点也是不恒 定的。这种不恒定是由吸附剂在工作时吸水饱和所引起的。由于双塔按一 定时间切换交替工作，造成输出成品气的露点曲线呈锯齿状形态。如图2 6 。 曲线拐点正是双塔循环切换点。对于循环时间短的吸附干燥器( 例如无热再 生式) 其形状曲线如图中实线所示。对于循环时间长的吸附干燥器( 例如加 热再生式) 则如虚线所示。从图中可以看出无热再生吸附干燥器的输出成品 气品质特性要高于加热再生式。当然这是以频繁切换而导至运动阀件的工 作寿命降低为代价的。总的说来，这种由吸湿饱和引起的露点变化，在短 时间里并无明显现象，而且也可以通过缩短切换循环时间来获得改善。 由以上分析可知，一台技术上较完善的吸附干燥器，所设计的循环时 间应该是可变的，以适合不同工业门类、工艺流程对压缩空气干燥度的不 同需求。实际上吸附干燥器输出的成品气压力露点主要取决于进气温度( 饱 和湿度) 及循环时间。这三者之间的关系见图2 7 。从图中可以看出若采用 4 分钟循环，并降低输入进气温度至1 5 ，其输出的成品气压力露点便可 达9 0 。为此只要在其前端加一只冷冻干燥器便可达到。 压力露点 压力曩点 循环周期( 分) 。 l_ 4 二爿1 4 ，升：翻4 ，7 图2 6 循环周期对露点的影响图2 7 进气温度对露点的影晌 硕士论文全自动露点测控系统的研制 由于干燥器性能结构参数已定，所以只能通过控制薄膜阀v i 、v 2 、 v 3 、v 4 的开关和开度阀v 9 的开度大小，来控制输出空气的露点。但是增 加一个开度阀会增加成本，按工厂实际要求暂不增加开度阀。在现有条件 下，可以通过控制薄膜阀v 1 、v 2 、v 3 、v 4 的开关，也就是控制吸附干燥 器的循环周期，同样可以达到控制输出气体露点的目的。 具体实现方式是：露点传感器在整个工作过程中，在线检测干燥器输 出压缩空气的实时露点，并将测量露点与设定露点比较。当测量露点不高 于设定露点时，维持a 、b 塔当前状态；当测量露点高于设定露点时，控 制器发出信号，a 、b 塔切换。这样控制后，在保证成品气露点合格的前 提下，使干燥器原来一般5 分钟的工作时间延长至1 0 - 2 0 分钟。提高了工 作时间与再生耗气时间之比，减小了平均再生气耗量，达到理想的节能目 的。同时阀门的动作频率会因此降低，因而还会带来延长阀门寿命，降低 操作使用成本的好处。 按照以上分析，本课题设计了露点控制器。它可以产生4 路继电器输 出，控制薄膜阀v 1 、v 2 、v 3 、v 4 的开关。这样就控制了干燥器的工作流 程，实现了对吸附干燥器的自动控制。 2 3 4 优化控制方案 以上控制方案是在现有干燥器基础上提出的。如果给干燥器增加更多 的测量和控制部件，可以实现更佳的控制目的。但是在现有技术和工艺条 件下，实现起来还有困难。下面提出并比较几种控制方案，为将来的改进 做一些理论上的探讨。 2 3 4 1 反馈控制 典型的连续控制系统是由控制对象、测量环节、比较器、调节器和执 行器构成的输出反馈控制系统6 1 。干燥器采取这种控制方法的系统结构如 图2 8 。 1 4 硕士论文全自动露点测控系统的研制 厂_ 一r 掣3 l 审 蝌卣定值 空气 日i l - _ r 一 图2 8 吸附干燥器输出反馈控制系统 空气由管道进入吸附干燥器干燥以后，出口空气的露点经过露点测量 与露点设定值比较以后，送入露点调节器。在调节器内部根据控制要求经 过计算后，输出模拟量控制开度阀的开度，改变再生气体的流量；输出开 关量控制薄膜阀的开关，改变a 、b 塔的工作时间。从而改变出1 2 1 空气的 露点，使其与露点设定值一致。 2 3 4 。2 串级控制 一般再生气体的压力是波动的，再生气体的流量会随着压力的波动而 变化，因此再生气体压力的变化会造成对出口空气露点的扰动。由于压力 波动到出口空气露点的变化要经过管道的传输，吸附等一系列环节，这些 环节具有惯性和纯滞后，因此，控制通道的惯性和纯滞后很大，使得出口 空气的露点偏差加大，调节时间加长。所以，用图2 8 单回路负反馈控制 是难于获得理想的控制效果的。为了稳定再生气体的压力，可以增加再生 气体压力测量，构成压力调节环节。由于压力波动经压力测量、调节、控 制阀门，控制通道的纯滞后很小，惯性也减小了。因此控制作用可以及时、 有效地控制再生气体压力的波动。这样构成了如图2 g 所示的空气蹲点串 级控制系统。 硕士论文全自动露点测控系统的研制 空气出口 图2 9 吸附干爆器串级控制系统 可以看出，露点调节器和压力调节器是串联工作的，因此称作串级控 制。露点调节器的输出作为压力调节器的输入，压力调节器的输出控制阀 门动作。串级控制系统分为主控回路和副控回路，与之对应的露点调节器 和压力调节器分别称为主控调节器和副控调节器；露点对象和压力对象分 别称为主控对象和副控对象；作用在两个回路中的扰动分别称为一次扰动 和二次扰动。 串级控制系统由于存在副控回路，具有很多特点。如可以减少副控对 象的等效时间常数：提高系统的工作频率；抑制进入副控回路的扰动等。 2 3 4 3 前馈控制 负反馈控制系统中，当对象受到扰动的作用，被控量偏离给定值时， 调节器才会起控制作用，改变对象的输出，从而补偿扰动的影响。这种靠 偏差来消除扰动影响的负反馈控制系统，控制作用总是落后于扰动的作用。 工业生产过程中控制对象总是存在惯性和纯滞后。从扰动作用到系统上， 使被控量偏离给定值需要一定的时间。而从控制量改变，到被控量发生变 化，也需要一定时间。所以在负反馈控制系统中，从扰动作用产生，到使 被控量回复到给定的要求值需要相当长的时间。 对于存在扰动的系统，可以直接按照扰动进行控制，称作前馈控制。 在理论上，它可以完全消除扰动引起的偏差。对于露点测控系统，为了克 1 6 硕士论文全自动露点测控系统的研制 服压力波动的影响，可以采用串级控制。若系统中入口空气有扰动时，由 于系统的惯性和纯滞后，控制系统仍然不能保证出e l 空气的露点平稳。 为了提高控制质量，可以加入前馈控制。首先测量出入口空气流量的 情况，然后由前馈调节器依据一定的调节规律改变调节阀。这样就保证了 出口空气露点的稳定。 在加有前馈控制的系统中，一旦出现扰动，前馈调节器就直接根据扰 动的大小和方向，按照前馈调节规律，补偿扰动对被控量的影响。由于惯 性和纯滞后，扰动作用到系统上，被控量尚未发生变化。前馈调节器就进 行了补偿。如果补偿作用恰到好处，可以使被控量不会因扰动作用而产生 偏差。 需要指出的是前馈控制系统中，前馈调节器只对被前馈的量有补偿作 用，而对未被引入前馈调节器的其它扰动没有任何补偿作用。它们对控制 对象的影响，同未设前馈调节器时完全一样。事实上，不可能对全部扰动 量设置前馈调节器。因此，前馈控制系统经常是在对主要扰动设置前馈调 节器的基础上，与其它控制如负反馈控制、串级控制等结合在一起，起到 取长补短的效果。 2 3 4 4 前馈串级控制的实现 前馈串级控制系统集中了前馈、反馈和串级控制系统的优点，特别适 合于惯性大，滞后时间长的控制系统。而干燥器控制系统正是这样一种系 统。如图21 0 。 此系统可以看作是在串级控制的基础上，引入前馈控制，以克服入口 空气流量波动的影响。图中压力测量部件，压力调节器，和调节阀门构成 串级副控回路。露点测量部件，露点调节器，副控回路构成串级主控回路。 入1 3 空气流量是串级控制系统的扰动量，由流量测量环节把扰动量的大小 输送到前馈调节器，前馈调节器的输出送到比较器，于是前馈控制与串级 控制构成了前馈串级控制。 1 7 硕士论文全自动露点测控系统的研制 图21 0 吸附千燥器前馈一串级控制系统 前馈一串级控制系统方框图如图2 1 1 所示。图中d s ) 是前馈调节器； d 1 ( s ) ，d 2 ( s ) 分别是串级控制的主、副控调节器：g 1 ( s ) ，g 2 ( s ) 分别是串级 控制的主控对象和副控对象的传递函数：对于前馈控制来说g t ( s ) 也是对象 的控制通道的传递函数；g n ( s ) 是对象扰动通道的传递函数。 露 匿p 斗! 竺h 露点调节嚣 + 0 压力调节暑 副控对象l+ 4 图21 1 吸附干燥器前馈一串级控制系统方框图 硕士论文全自动露点测控系统的研制 3 露点测量技术 要实现干燥器的露点自动控制，露点的准确测量是基本条件。露点的 测量一直以来就是一个比较困难的课题。 3 1 湿空气 含有水蒸气的空气称为湿空气。完全不含水蒸气的空气称为干空气。 为了简化湿空气性质的分析和计算，通常工程上提出如下假设； 湿空气视为由两种组分组成的混合气体，即将干空气看作一个整体， 水蒸气则看作另一种组分。湿空气中任一组分及其混合物整体，均视为理 想气体。湿空气遵守道尔顿( d a l t o n ) 分压定律，即p = p 。+ p 。式中p 。为 干空气的分压；p 。为水蒸气的分压。干空气的存在，不影响水蒸气与其凝 聚相之间的相平衡。即在相同温度下，湿空气中水蒸气的饱和蒸汽压与其 单独存在时相同。 描述空气干湿程度的参数有以下几种： ( 1 ) 饱和蒸汽压p w 。 对应于一定的空气温度t ，有一个饱和水蒸气压p 。它就是在温度t 时水蒸气在空气中的最大分压。含有最大水蒸气量的空气称为饱和空气。 ( 2 ) 露点t d 空气在含湿量d 不变的情况下冷却，达到饱和状态时的温度称为露点 t d ，此时开始有水珠冷凝出来。当空气的含湿景d 和总压p 一定时，对应 的饱和蒸汽压p 。和露点t d 也就确定了。可根据下式计算饱和蒸汽压： p 。2 - d v ( o 6 6 2 + d )( 3 1 ) ( 3 ) 相对湿度巾 未饱和湿空气中水蒸气的物质的量n ，与相同温度、相同总压下饱和空 气中水蒸气的物质的量之比称为相对湿度。 巾= n v n v s = p p w 。( 32 ) 式中，p v - 一湿空气相同温度下水蒸气分压力。 p 。湿空气相同温度下水蒸气的饱和压力。 中的大小表示湿空气接近饱和蒸汽的程度。巾越小，说明湿空气吸收 1 9 硕士论文全自动露点测控系统的研制 水分的能力越大。 在一定温度下，水蒸气分压力p 。存在一定的上限值，即温度t 下的 饱和水蒸气压力p 。当温度变化时，p 、v 。也发生变化。从工程意义上讲， 在一定压力下的湿空气中水蒸气饱和分压力p 。仅与温度有关。对含湿量 定的气体，温度降低到一定程度将出现冷凝现象，即进入饱和状态，此 时的温度即为该含湿量气体的露点温度。此时的水蒸气分压力也即饱和压 力p 。露点温度与含湿量是对应的，而且表示更加方便。如称露点是一7 0 较之称含湿量0 0 0 2 7 8 9 9 m 3 要方便得多，且直观易表达。在工业生产 领域，压缩空气是以露点来表示干燥度的。所能达到的露点是干燥器一个 重要的性能指标，所以准确的露点测量是干燥器系统控制的第一步。 3 。2 露点测量 露点的测量有许多方法，可分为直接和间接两种测量方法。直接测量 精度比较高，但成本很高：间接测量精度相对较差，但在一定范围内可以 使用，成本大大低于直接测量。 3 2 1 直接测量 露点的直接检测方法有多种形式，主要有镜面法、电解法、电容法 等【7 1 。镜面法通过观察气体冷却过程中镜面结露时的状态来确定露点。尽 管观察过程可以通过现代光学系统完成，但受价格等因素影响不适于普通 过程测量。氯化锂传感器前一时期应用较为广泛，但由于时效、寿命及环 境等因素影响而限制了使用。在电解法中，将自金做为电极，通过五氧化 二磷溶液吸附水后导电率变化来测定含湿量，再推得露点温度，适于低湿 稳定气体测量。可以测到低至5 p p m 范围，但高湿度气体会损坏测量仪器。 电容法在氧化铝的表面敷一层金的表面蒸发膜，通过水气吸附时的电容变 化来测定湿度。其优点是反应速度快、测量范围宽，但时效较大。需经常 校准，而结构上的限制又为校准带来许多困难。石英晶体测量湿度是非常 精确的方式，但由于仪器结构复杂、价格昂贵使其仅限于标准测量及标定 等场合。 硕士论文全自动露点测控系统的研制 对应以上检测露点的方法，相应传感器也有很多种，因其自身的特点 而使其在一定的领域和范围内应用。 3 2 2 间接测量 3 2 2 1相对湿度转换方式 近年来，衡量湿度的另一个参数一一相对湿度的检测发展很快，其中 以高分子聚合物为感湿材料的电容薄膜式湿敏元件获得了压倒优势的发 展。这类传感器由于反应速度快且价格低廉而深受使用者的欢迎。由于制 造工艺的进步，特别是随着集成半导体技术的高速发展，使传感器与调理 电路集成在一起。传感器性能由此得到很大提高，使相对湿度检测更加准 确、快速、时效小而时间稳定性高。 对于实时性露点真接测量方法，由于价格昂贵及稳定速度和使用条件 等原因而限制了使用范围。而使用相对湿度的检测结果转换成露点温度则 容易实现。 如果知道了空气的相对湿度和饱和水蒸气压，露点就可以通过以下公 式间接计算出来： 乃2 忱销 。， 式中：t d _ 常压露点； p 。一饱和水蒸气压： r h 一相对湿度； 温度在- 4 0 + 5 0 c 时：t 。= 2 3 7 3 ，m = 7 5 ，a = 6 1 0 7 8 由上式可知，只要知道空气的相对湿度和饱和水蒸气压就可以计算出 露点。相对湿度可以用湿度传感器测得。在2 m p a 压力下，可近似认为饱 和水蒸气压与压力大小无关，只取决于温度。不同温度下得到的饱和水蒸 2 l 硕士论文全自动蓐点测控系统的研制 气压可以列出一个饱和水蒸气压表。所以只要测量出空气的温度，再从饱 和水蒸气压表中查到相应的饱和水蒸气压，代入公式即可得到常压露点值。 露点间接计算也可以采用查表的方法计算。首先，测得环境温度t ， 然后可通过查饱和水蒸气压表得到该温度下的饱和蒸汽压p 。，由公式 r h = ( p j p 。) 1 0 0 可算得该温度下的水蒸气分压p 。；再反查饱和水蒸气压 表可得露点。 式( 3 3 ) 包含许多复杂运算。如果直接用公式进行计算，会占用计算 机大量内存。对于内存小计算机，无法进行大量的复杂运算。查表法相对 于直接计算占用的内存可以大量减少，所以一般采取查表的方法替代直接 使用公式计算的方法来进行露点的计算。 由上面的分析，测量露点可以转换为湿度和温度的测量。露点直接测 量方法测量仪器价格高，工业使用无法承受；并且直接测量方法测试周期 长，通常在几分钟以上，无法满足工业实时控制的需要。而湿度、温度的 测量方法形式多样，在一定范围内精度可以达到要求，价格便宜，实时性 好。所以选择间接方法测量露点是适合工业的控制要求的，也是本课题所 采用的方法。 3 2 2 2 露点插值计算 采用查表法计算露点，由于表的数据是有限的，而测量值往往不能直 接从表上查出。这时可以用插值法计算露点。 如根据温度查表得到该温度下的饱和蒸汽压p 。，由r h = ( p ，p 。) 1 0 0 可算得该温度下的水蒸气分压p ，再反查饱和水蒸气压表。如果无法直接 查到与p 。相同的饱和水蒸气压值，则通过比较得到表中相邻的饱和水蒸气 压p 。l 、p v 2 ，且满足条件：p ，1 p ， p v 2 。再通过查表得到对应于p v l 、p ，2 的 露点值t d l 、t d 2 。这样就可以采用插值法计算露点。插值法有许多种，采 用常用的线性插值法，由下面