带有两个α探测器的露点湿度计

1　基本原理

如图1所示,样气经过滤器后,经一级预冷再由三级半导体致冷器冷却。在半导体致冷器冷端有一个活度0.37 MBq的54.68 MeV241Am源及一个薄膜铂电阻,另一α源下没有致冷器,作为外接比较放大器的基准。在壳上部有两个半导体α探测器。放射源及半导体探测器构成状态传感器,间距2 mm,检测结露。两个薄膜铂电阻分别用于检测气体温度和放射源表面温度。这两个温度值分别用于温度补偿及露点测量。测量时将电致冷器通上电流,它使放射源1冷却,其表面凝结着一层露水,源发射的α粒子经凝结在它上面的露水层射入半导体探测器,后者的输出脉冲被输给脉冲放大器。当露水层的厚度变化时,放大器输出的脉冲幅度超过规定阈值的计数率nF时亦发生变化。由于放射源2处没有冷却板,其上不会凝结露水,所发射的α粒子射入另一半导体探测器,它输出的脉冲被输入到甄别器和另一放大器上,后者的输出脉冲计数率nR是一常数。两个放大器输出的脉冲同时加到触发比较电路上。触发比较电路输出一列脉冲。这列脉冲按时间的平均值正比于(nF-nR)。这列脉冲再输给积分放大电路,转变成另一直流讯号S-。S-用来控制致冷器的工作电流,以改变露水层的厚度,直到露水层的厚度刚刚为零,nF=nR时为止。此时的温度即为露点温度[1]。

2　测量装置

整个测量装置由探头和主机组成。

探头由双α源、温度传感器、两个半导体探测器及两个前置放大器组成。用聚四氟乙烯盒密封后通过电缆与主机相连。聚四氟乙烯盒密封要严密,以防周围环境变化影响测量结果。两个α源均采用241Am厚源,两个金硅面垒探测器后各自接着差分放大器和串联负反馈放大器,以提高共模抗干扰的能力,输出经跟随器以提高负载能力。两路信号输出后经触发比较放大器积分后送入计算机,主机和电路方框图见文献[2]。

3　气体温度的补偿及误差分析

探头部分采用的是金硅面垒探测器,当温度升高时,金硅面垒探测器中的漏电流增大,加在金硅面垒探测器负载上的压降增大,所以pn结上的结电压下降,结电容增加,因此幅度超过一定阈值的输出计数减小。为消除这一误差,采用了双金硅面垒探测器,当温度升高时,参考道与露点道输出的计数都减小。而从触发电路输出的平均电压V-为

其中:NF为露点道平均计数率,NR为参考道平均计数率,V为触发比较电路电压。因为两道中的NF和NR都减小,特别当温度接近露点时,NF、NR随温度变化值相近,NF-NR基本不变,而NF和NR都是很大的数,稍有一点变化对NF+NR影响不大,所以输出的V-保持不变。经积分放大后转变为平均误差信号S-=KV-,它驱动致冷件冷却达到平衡条件NF=NR。这样就消除了温度变化引起的误差。脉冲计数率NF和NR有一个泊松分布,信号方差在概率论中为