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研究生: 邱瑞慶
Ruei-cing Ciou
論文名稱: 電容式聚合物露點計品質檢測與線性化校正系統研究
Study of Quality Inspection and Linear Calibration System for Capacitive Polymer Hygrometer
指導教授: 蔡明忠
Ming-jong Tsai
口試委員: 郭永麟
none
陳金聖
Chin-sheng Chen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 自動化及控制研究所
Graduate Institute of Automation and Control
論文出版年: 2013
畢業學年度: 101
語文別: 中文
論文頁數: 126
中文關鍵詞: 露點電容式聚合物露點計資料擷取線性化校正品管檢測
外文關鍵詞: Dew Point, Capacitive Polymer Hygrometer, automatic data acquisition, linearization calibration, quality inspection
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水氣量測對於現代工廠的設備儀器是需要被注意的,在無法得知儀器中濕度變化的情況下,可能會因為濕度的高低變化,使得儀器零件因此故障,所以需要準確的露點感測器來做量測。本研究目的為建構電容式聚合物露點計自動檢測以及線性化校正系統,系統包含PC控制器、自行開發之人機介面(HMI, Human Machine Interface)、實驗腔體、雙流量閥控制模組、露點感測器、標準源MBW973、露點計微處理器晶片模組、資料擷取模組、校正模型建立、通訊系統及線性補償系統。
本研究首先建構可控制露點量程之實驗腔體,再將露點感測器安裝於實驗腔體中,進行露點的量程檢測與校正。由PC端透過DAQ卡輸出電壓控制雙流量閥以控制腔體濕度(-60℃~20℃),藉由冷鏡面式露點儀MBW 973作為參考標準源及回授。本研究運用伺服回授控制乾、濕空氣的流量控制閥,來達到低露點至高露點的混流量測。其中極高與極低露點必須考慮到流量閥所能控制的流量輸出範圍,與乾空氣的輸出量匹配,並參考IEC 61298-2規範完成晶片在不同濕度下之輸出訊號檢測。再將計算出其訊號對應露點的曲線係數利用Modbus寫回露點感測器STM32F微處理器晶片中,完成露點計線性化校正。最後透過自動品質檢測系統,設定各人機介面參數與標準參考源參數,再次進行露點感測器的品質檢測,如誤差、重現性、遲滯性等並記錄與輸出品管及校正報表,完成品質檢驗。
本研究透過自動量程實驗設計,建立了乾濕控制閥輸出匹配與回授機制,完成露點測試腔體之流量控制參數。各量程的目標露點藉由伺服回授控制皆可以使腔體達到所要求的準確度範圍內,其準確度最高可以達到±1℃的範圍。由實驗數據顯示,檢測樣本A的各量程平均誤差將可控制在2%以內,確實能有效改善露點計的穩定度與精確度。


The moisture measurement is very important for modern factory's equipments. If the humidity in an instrument can not be measured, the equipments may be failed because the humidity is changed too much. Therefore, a precise hygrometer is necessary for the humidity measurement. The purpose of this study is to construct a quality inspection and linearization calibration system for Capacitive Polymer Hygrometers (CPH). The system consists of a host PC with self-developed Human Machine Interface, a humidity controlled chamber, two mass flow control modules, a hygrometer, a standard MBW973, a microprocessor chip module, an automatic data acquisition module, a linear calibration model, communication and compensation systems.
To process a dew point span measurement and calibration, a hygrometer is installed in a humidity chamber. Two mass flow meters are controlled with a DAQ module from the host PC, and a Dew Point Device (MBW973) is worked as a standard reference / feedback. This study uses servo feedback technique to control both the dry and wet mass flow meters to reach the required ranges of dew point (-60℃~20℃) with mixing flow measurement. The highest and lowest dew point measuring must consider the exact output range of dry and wet mass flow meters, and the output signal is measured under different humidity by the microprocessor chip based on IEC 61298-2. The main system calculates polynomial mathematical coefficients from the signal corresponding to the dew point automatically, and the coefficients are saved into the STM32F based CPH via Modbus. After the automatic data acquisition system with HMI parameter setting, the inspected functions of CPH include error percentage, repeatability and output quality reports from the system.
By following the automatic span experiment design, an output matching combination of dry and wet mass flow meters is established. It enables more accurate control of the required dew point in humidity chamber with function feedback. In each span, the servo feedback technique is used to control the dew point in a certain range, in which the best accuracy within ±1℃can be achieved. From the experimental results, the average error from each span of Sensor-A has been maintained within 2%, and the accuracy and stability of a hygrometer can be improved.

摘 要 I Abstract II 誌 謝 III 目 錄 IV 圖 目 錄 VIII 表 目 錄 XII 第一章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究動機與目的 6 1.3 研究方法 7 1.4 本文架構 10 第二章 文獻回顧與相關技術探討 12 2.1 濕空氣特性參數 12 2.1.1 相對溼度( RH, Relative Humidity ) 13 2.1.2 絕對溼度( AH, Absolute Humidity ) 14 2.1.3 露點( Dew Point ) 14 2.2 相對溼度與露點檢測方法 17 2.3 相對溼度與露點校正標準 24 2.4 文獻探討 30 第三章 感測器品質檢測與校正方法 33 3.1 傳感器非線性校正原理 33 3.1.1 線性迴歸分析 34 3.1.2多項式線性迴歸 39 3.2 伺服迴授控制原理 44 3.3 串列通訊原理 48 3.3.1 RS-485傳輸技術介紹 49 3.3.2 Modbus通訊協定原理 52 3.3.3 CRC(冗餘檢查 Cyclic Redundancy Check ) 55 3.4 標準品質測量程序 57 第四章 系統架構與軟硬體設計 62 4.1 實驗平台架構 62 4.2 系統運作機制 66 4.3 系統硬體架構 67 4.3.1 待校正露點計 70 4.3.2 STM32F微處理器 72 4.3.3 MBW973標準源 73 4.3.4 類比數位資料擷取卡 75 4.3.5 流量控制閥 76 4.4 系統軟體架構 78 4.4.1 回授電壓模型 80 4.4.2 輸入量程模型 82 4.4.3 計算校正係數模型 83 4.4.4 通訊介面模型 85 第五章 實驗結果與討論 87 5.1 實驗步驟 87 5.2 人機介面介紹 89 5.3 實驗方法介紹 94 5.3.1 初始露點值實驗 94 5.3.2 穩定時間 100 5.3.3 露點分段控制實驗 103 5.3.4 目標露點與迴授設定 106 5.4 測試腔體伺服控制結果 109 5.5 露點計自動品管檢測結果 113 5.6 露點計自動校正檢測結果 115 第六章 結論與未來發展方向 118 6.1 結論 118 6.2 未來發展方向 120 參考文獻 122

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