吸附式干燥机露点测控仪

张 勇 丁逸民 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

吸附式干燥机作为提供干燥气源的主要设备，现广泛应用于微电子、机动车、钢铁、化纤、核电等各个行业和领域，它采用变压吸附方式通过干燥塔和再生塔的循环切换达到除湿目的。传统的吸干机采用时序分配方法来控制干燥时间和再生时间，这种控制方式虽然设备成本较低，但为保证有足够的除湿效果，往往将再生时间设置得过长，从而设备的运行费用比较高，而且不利于节能减排。

目前吸干机的智能控制方式有露点控制和温差控制两种。干燥剂吸收水分或释放水分都会引起温度变化，温差控制是通过测量干燥机塔的上下温差的变化并进行实时计算，从而相对准确地估计出干燥机干燥塔吸湿饱和程度和再生塔脱水的还原程度，并以此来分配切换时序，达到据实延长干燥塔的干燥时间、缩短再生塔的再生时间、降低干燥机自身损耗气体的目的。但是，温差法是间接测量方法，不直观，不能应用于温场有变化的场合。

露点控制法可直接根据目标露点来控制吸干机的运行（再生时间），并直观显示成品气的露点，既提高了设备运行效率，又直接监测成品气的湿度指标，使吸干机达到了最大限度的节能环保效果。

据此提出一种设想，能否采用露点控制和温差控制相结合的方法实现对吸干机更好的控制。具体的实现方法：对整机实行露点实时监测并反馈控制干燥塔时间的切换，对再生塔实行温差控制方法寻求到最短再生时间，使两个塔的干燥再生能力都达到最佳状态，从而保证更好的节能效果。

1 工作原理和仪器构成

1.1 工作原理

1.1.1 时序控制

吸附式干燥机的基本结构如图1所示，湿空气通过进口开关阀门 A，进入1号塔 ，接受干燥处理，然后通过一系列回阀（单回阀）到达干燥机出气口。一部分干燥空气通过调节阀使再生气接受限流控制，调节至接近大气压，然后进入2号塔。干燥的低压空气（称为再生气）吸掉2号塔干燥剂在干燥过程中吸收的水分，使干燥剂再生，然后再生气通过再生阀E排放。吸附剂再生之后，再生阀E关闭，然后进口开关阀G打开，2号塔加压至管线压力。进口开关阀A关闭，并且再生阀H也打开，此时1号塔从高压瞬时泄为常压，大量的水分从系统中泄出，1号塔转为再生塔，2号塔转为干燥塔，湿空气在2号塔接受干燥处理，而1号塔则进入再生工序。如此反复切换干燥和再生塔，就能连续不断地将进口湿空气处理成出口干燥气。时序控制方法是满足上述运行程序的最基本的方法，它满足下列几个要求：

图1 吸附式干燥机的基本结构

1）按照制造商或用户设定的干燥/再生时间定时地开启或关闭各相应的阀门，以保证干燥塔和再生塔定时连续的自动切换和转换。达到上述吸干机基本运行程序要求。

2）能提供用户几种固定的时序分配方案或连续可变的时序分配范围，使用户在长期使用吸干机的过程中能依据四季变化或因吸干机老化而引起的工况不同人为地改变时序分配，使吸干机达到较佳的工作效果。

1.1.2 温差控制

上述时序控制方式能保证吸干机正常运行，但不能保证其高效率节能运行。最关键的缺陷：在用户负载下降的情况下，不会减少再生气的用量，也不能根据系统需求而自动调节再生气用量。

温差控制是一种再生节能的控制方式。通过监测吸附剂层的内部温度变化，根据干燥机的实际需求来调节再生气的用量。这些温度变化是干燥阶段的热量吸收和再生阶段的热量释放的结果。温度变化程度是压缩空气系统中水气含量的间接测量尺度，可用于决定机塔在干燥阶段的在线时间。

满载时，一个机塔拥有5 min的干燥能力。非满载时，可让机塔保持在线状态，直到其干燥能力用完为止。这样可尽量减少再生气的用量。例如，在50%负载时，一个机塔可保持在线状态10 min（而不是通常的5 min）；在33%负载时，可保持在线状态15 min。这样，再生气用量与系统需求相匹配。在50%负载时，使用正常再生气用量的50%；在33%负载时，使用正常再生气用量的33%。从而能依据用户负载的实际情况达到不同的节能效果。

用温度传感器作为感测元件分布在1号塔的上层和下层、2号塔的上层和下层（如图1所示）。当2号机塔离线，开始再生阶段4，传感器B1测量温度。

微处理器记忆初始温度，当温度变化量到达一定值（即温差达到某一数值），认为2号塔再生完毕，关闭CV4停止再生。露点控制器利用同样的方法，测得在线1号机A1与A2温度传感器读数的差异（即1号机干燥温差）。同样到达某一数值，计算干燥阶段干燥机层满载时的温度上升值。2号塔返回到干燥阶段时，认为1号塔干燥已充分，此时微处理器发生信号，让1号机塔离线进行再生。如此反复切换干燥和再生塔，这样既可充分挖掘干燥机的干燥能力，又可控制再生状态，大大延长干燥时间，缩短再生时间，达到了节能的效果。

1.1.3 露点控制

直接测量吸干机出气口的露点值，并与用户设定的露点值比较，低于设定露点值时，不切换干燥塔和再生塔，认为干燥塔仍有干燥能力，让干燥塔继续工作 。经过一段时间后，干燥塔干燥能力达到满载，出气口露点回升，一旦超出设定值时，露点控制器切换干燥塔和再生塔。因此，能直接利用出气口露点指标延长两个塔的切换时间，达到理想的节能效果。

1.2 仪器构成

露点控制器的构成框图如图2所示。

1)露点传感器及变送部分

采用进口薄膜电容式露点传感器。测量范围为20 ℃～-60 ℃（露点温度）：耐压1.5 MPa，露点测量准确度±2 ℃（露点温度）；露点测量年漂移± 1 ℃（露点温度）。露点变送部分包括C/F转换以及信号整形和驱动。

2)压力传感器及变送部分

采用进口扩散硅压力传感器，测量范围为0～ 1.7 MPa；测量准确度为± 0.1%。

3)温度传感器及变送部分

采用激光修止薄膜铂电阻作为温度传感器，温度测量准确度为± 0.5 ℃。

4)温差控制用传感器及变送部分

采用进口半导体热敏电阻作为温差控制用传感器；测量范围为0 ℃～100 ℃；温度测量准确度为± 1.0 ℃，采用温差相减计算后的准确度± 0.5 ℃；温差测量经微处理器修正后的测量不确定度为± 0.2 ℃。压力传感测量部分和露点传感测量部分相配合，经微处理器计算后能进行常压露点和压力露点的换算并显示。露点控制器配合在吸附式干燥机上使用所测得的是管线上的压力露点，此时，测得的实时管线压力和压力露点在露点控制器内微处理器上自动运算，可得到实时常压露点，反之亦然。温度传感测量部分和露点传感测量部分相配合，经微处理器计算后能得到管线内干燥气体的相对湿度值（%RH）。露点控制器在压力状态下测得压力露点，经与实时压力值的测量配合，经计算后得到常压露点，再与实时温度值测量配合，经计算后能自动得到实时相对湿度值，给用户在湿度单位制选择上有一定的余地。

图2 露点控制器的构成框图

1.3 露点控制器的软件设计

在设计露点控制器时最大限度地考虑到实用性，使科研样机在技术性能和实用功能上能满足用户的需求，并留有一定的扩展能力。主要包括以下几个方面：

1）通过对管线气体露点、压力、温度的直接测量，能直接显示压力露点和气体压力；能切换显示管线气体的常压露点、相对湿度、绝对含水量、实际上电计时时间、干燥塔和再生塔切换时间计数和切换提示管线气体温度等。因此要求露点控制器的微处理器用户系统的软件包括这样一些计算模块：压力露点/常压露点换算程序、露点/相对湿度换算程序/露点/ PPM换成程序、上电时间积累计数程序和时序分配程序。

2）键盘管理功能要求：干燥塔和再生塔切换时间的连续设定（5 min ～ 4 h）、露点控制的露点连续设定（20 ℃ ～ 65 ℃）、各路温度测量的零位校准（±9.9 ℃）、露点测量的键盘零位校准（±9.9 ℃）、压力测量的键盘零位校准。在键盘使用方法上能正常面板显示、数据查询、数据修改或设定3种人机对话模式。相应地，露点控制器的软件设计必须包括上述键盘管理和显示功能程序。

3）控制方式的设计和管理

提出用温差控制方式调节再生时间，用露点控制方式调节干燥时间，该方案在理论上比当今国际干燥机知名企业美国的HANKISON公司和英国的PENUDR公司的单独温差控制方案和单独露点控制方案更为合理和先进。露点控制器控制方式的设计：

（1）通电开机后，系统自动进入时序控制方式（因为吸干机在刚运行时还达不到要求的露点），两个塔的切换按固定时间（用户可设定该固定时间）运行一定的周期数（用户也可设定该周期数）。逐步进入预设的露点范围之后，系统进入温差 -露点混合控制方式。

（2）系统进入温差 - 露点混合控制方式之后，露点控制器对吸干机当时的干燥塔1号机塔内吸附剂下层温度A1进行测量并记忆，直测露点高于设定露点从而结束1号塔干燥阶段时，传感器A1再次读取温度，露点控制器利用两次温度读数的差异，阶段吸附剂充分再生的温度下降预期值。进入再生阶段时，传感器A2读取温度，并开始监测温度下降。当实际温度下降到计算的预期值，说明吸附剂层已再生充分，此时微处理器发出信号，让1号机塔停止再生。露点控制器在2号机塔干燥时同样进行相同的读取温度并计算，在再生时同样进行温度观测和动作。而两个塔的切换则由直观露点测量来决定，既缩短了再生时间，又延长了干燥时间。露点控制器的软件程序框图如图3所示。

图3 露点温差混合控制软件框图

2 试验结果

经标定后控制器露点测量准确度优于±2.0 ℃。该露点控制器到杭州日盛新技术有限公司，与无热吸附式干燥机组连机调试，获得成功（表1）。

表1 联机试验结果

3 结语

该装置是目前国内自行研制成功的第一台直接测量出气口露点并反馈控制吸附式干燥机切换运行的全自动控制器。采用的温差露点混合控制方式属于国际上首次提出并在吸附式干燥机运行中得到实现。由于该控制仪设计思路新颖，功能完善，在研制过程中已受到国内许多厂商的青睐。

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