CN101936939A - Sf6气体中微水测量用湿度标定饱和盐溶液法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SF6气体中微水测量用湿敏元件湿度标定的饱和盐溶液法及装置。其方法是利用一定温度下封闭容器中饱和盐溶液的平衡蒸气压，作为工作标准湿度，测得不同标准湿度下湿敏元件的电容值，即可获得待标定湿敏元件的感湿特性，在此基础上设计了湿度标定饱和盐溶液法的装置，装置中的温控箱和恒温浴槽可避免外界环境温度变化的影响，使温度达到均匀，设置独立的气体和液体温度计、气体循环风扇和液体搅拌器，可加速平衡的建立。本发明的效果和益处是为SF6气体中微水测量用湿敏元件的湿度标定提供一种实用、有效的方法，此方法湿度标定范围大、效果好，能够准确标定元件的感湿特征量，正确判断元件的性能是否稳定，且装置简单、操作方便、成本低廉、标定时间短。

Description

SF6气体中微水测量用湿度标定饱和盐溶液法及装置

技术领域

本发明属于电力系统设备检测/监测技术领域，具体涉及六氟化硫气体绝缘设备的SF6气体中微水含量测量技术。

背景技术

六氟化硫气体(SF6)已被广泛应用于电力系统GIS等电气设备，当SF6气体绝缘设备中的气体含有水份并达到一定程度后，会引起严重的不良后果，检测及控制SF6气体中的微水含量是确保设备安全运行的关键。目前检测SF6气体微水含量的方法已经很多，这些方法几乎都需要用湿度传感器及感湿元件等来测量湿度，湿度检测中敏感元件及传感器的感湿特征量必须经过定量标定才能表征湿度的确切数值。现有的湿敏元件湿度标定方法干-湿球帕斯卡计法，影响该标定方法精度的因素很多，如水的纯度、棉纱的清洁度、温度计的大小和准确度，以及空气的粘度、流通速度热导率等，测量条件要求苛刻，难以保证。因此寻求一种利用本发明提出的饱和盐溶液法等原理进行湿敏元件标定的方法和装置是本领域的研究目标。本发明提出的SF6气体中微水测量用湿度标定饱和盐溶液法，标定容器密闭，盐溶液配制简单，标定范围为5％RH～98％RH，标定范围大，标定结果精确，且仪器装置简单，费用低廉，便于标定。

发明内容

为克服现有技术中存在的问题，本发明提出了一种SF6气体中微水测量用湿度标定饱和盐溶液法及装置。

本发明具体采用以下技术方案：

一种SF6气体中微水测量用饱和盐溶液湿度标定装置，该装置包括一恒温浴槽、一装有饱和盐溶液的容器、一气体循环风扇、一液体搅拌器、一支气体温度计、一支液体温度计、湿敏元件、用于湿敏元件电容量测量的电容测量仪表，其特征在于：

所述装有饱和盐溶液的容器置于恒温浴槽中；

所述气体循环风扇与所述液体搅拌器通过密封的容器口外接电源控制装置，所述气体循环风扇与所述液体搅拌器的转速可控；

气体循环风扇扇片端置于所述容器中的饱和盐溶液的上方空间，用于循环饱和盐溶液上方空气，所述液体搅拌器的搅拌器端置于饱和盐溶液中，用于对溶液进行搅拌；

所述气体温度计、液体温度计的温泡分别置于所述容器中的饱和盐溶液上方空间和饱和盐溶液中，分别用于测量所述容器中气体和饱和盐溶液的温度；

所述湿敏元件置于所述容器中的饱和盐溶液上方空间，由电缆穿过密封的容器口连接所述湿敏元件与所述电容测量仪表，所述电容测量仪表测量湿敏元件的电容。

本发明公开的湿度标定装置，所述装有饱和盐溶液的容器为一个或多个，当所述容器为多个时，每个容器内放入同一种待标定的湿敏元件，以获得同一温度下的多个标准湿度，缩短标定时间；每个容器内放入不同的待标定的湿敏元件，可以同时标定多个元件。

基于上述的湿度标定装置，本发明还公开了一种SF6气体中微水测量用湿度标定饱和盐溶液法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

(1)根据不同温度下不同饱和盐溶液的相对湿度值，选择所需要测试的相对湿度值对应的盐，按所述方法在容器中配制好需要的饱和盐溶液；

(2)根据上述方法连接好装置，把需要标定的湿敏元件放入容器中，并用电缆连接电容测量仪表；

(3)根据温度与饱和盐溶液相对湿度的对应关系，选择需要测试的相对湿度对应的温度，根据上述湿度标定装置，用气体温度计和液体温度计分别测量气体和液体的温度，在恒温浴槽、气体循环风扇和液体搅拌器的同时作用下，使气体温度和液体温度达到需要的平衡温度，此时饱和盐溶液的平衡蒸气压即为需要测试的标准湿度，记录此时电容测量仪表的电容值；

(4)重复步骤(1)，(2)，(3)，连续测试湿敏元件的电容值，得到所需不同相对湿度下的电容值；

(5)绘制测得的电容值与相对湿度值的关系曲线，即得到待标定湿敏元件的湿度测量特性。

本发明公开的SF6气体中微水测量用湿度标定饱和盐溶液法及装置具有以下优点：

1)利用在封闭容器中饱和盐溶液的平衡蒸气压，作为工作标准湿度，给定温度的高低由饱和盐溶液的种类和平衡温度作决定。选取不同的饱和盐溶液，并使其处于不同的平衡温度下，即可获得各种温度下的一系列不同温度的恒湿空间。

2)本发明的饱和盐溶液容易制备，制备方法简单，操作方便，且盐种类的选择方式多。

3)本发明的方法和装置主要用于标定测量SF6气体中微水含量的感湿元件，对低湿度的标定效果较好。

4)可同时标定多个元件，且装置简单，成本低廉，操作方便，标定时间短。

5)本发明的装置通过保温材料避免外界环境温度变化的影响，用水浴的方法使其温度达到均匀，恒温浴槽结构简单且效果很好。

6)本发明的装置中在饱和盐溶液上方空间装一个气泵强制循环饱和盐溶液上方空气，并使用液体搅拌器对液体进行搅拌，气泵和液体搅拌器的转速可由电源控制装置进行改变，这会加速平衡的建立，缩短达到平衡的时间，对连续测试是非常有利的，且系统可抵抗温度变化的影响。

7)通过对传感器的试验标定得出，本饱和盐溶液法是很好的感湿特征量定量标定方法，可用于敏感元件及传感器的湿度标定，湿度标定范围大，效果好，能够准确标定元件的感湿特征量，正确判断元件的性能是否稳定。

附图说明

图1为本发明的饱和盐溶液标定装置结构示意图；

图2为电容值与相对湿度变化曲线；

图3为标定方法的步骤流程图。

图中标号：1为湿敏元件，2为气体循环风扇，3为液体搅拌器，4为温泡，5为加热循环装置，6为电容测量仪表，7为电源控制装置，8为水，9为控温箱，10为气体温度计，11为液体温度计，12为进水口，13为出水口，14为恒温浴槽，15为电缆，16为盐溶液，17为固体盐，18为装有饱和盐溶液的容器，19为塞子。

具体实施方式

下面结合说明书附图和相应表格对本发明的技术方案作进一步详细说明。

饱和盐溶液法是根据拉乌尔定律。溶质的溶解降低了该温度下溶液的蒸气压，但溶解盐达到饱和时，在给定温度下溶液的平衡蒸气压最小并保持恒定。因此，可以利用在封闭容器中饱和盐溶液的平衡蒸气压，作为工作标准湿度。该温度的高低，则由饱和盐溶液的种类和平衡温度作决定。选取不同的饱和盐溶液，并使其处于不同的平衡温度下，即可获得各种温度下的一系列不同温度的恒湿空间。在温度0～50℃范围内，几种饱和盐溶液的平衡湿度如表1所示。

表1饱和盐溶液的相对湿度

如图1所示为本发明的饱和盐溶液标定装置结构示意图，该装置包括一恒温浴槽14、一装有饱和盐溶液的容器18、一气体循环风扇2、一液体搅拌器3、一支气体温度计10、一支液体温度计11、湿敏元件1、用于湿敏元件电容量测量的电容测量仪表6，所述装有饱和盐溶液的容器18置于恒温浴槽14中；所述气体循环风扇2与所述液体搅拌器3通过密封的容器口19外接电源控制装置7，气体循环风扇扇片端置于所述容器中的饱和盐溶液16的上方空间，用于循环饱和盐溶液上方空气，所述液体搅拌器3的搅拌器端置于饱和盐溶液中，用于对溶液进行搅拌；所述气体温度计、液体温度计的温泡4分别置于所述容器中的饱和盐溶液上方空间和饱和盐溶液中，分别用于测量所述容器中气体和饱和盐溶液的温度；所述湿敏元件1置于所述容器中的饱和盐溶液上方空间，由电缆15穿过密封的容器口连接所述湿敏元件与所述电容测量仪表，所述电容测量仪表测量湿敏元件的电容。

图1中的控温箱9、水8、进水口12、出水口13和加热循环装置5组成恒温浴槽14；控温箱使用保温材料制成。气体温度计和液体温度计分别测量容器中气体和液体的温度；电源控制装置控制气体循环风扇及液体搅拌器的速度；电容测量仪表测量湿敏元件的电容，电缆起连接作用。

在图1中，由于温度会影响饱和盐溶液湿度固定点，可将饱和盐瓶放在有控温设置的环境中，通过保温材料避免外界环境温度变化的影响，用水浴的方法使其温度达到均匀。温度控制波动范围要求并不高，三小时内在±0.2℃即可。通常，用饱和盐标准检测元件与传感器时，并不要求湿度固定点绝对精确，没有控温的饱和盐标准还是可以应用的，因为饱和盐的调节随时在进行，它可以将缓慢变化的温度影响补偿到最低或完全补偿掉。

在饱和盐溶液上方空间装一个气泵强制循环饱和盐溶液上方空气，并对液体进行搅拌，在极低的速度下。这会加速平衡的建立，缩短平衡的时间，这对连续测试是非常有利的。具有搅拌后循环装置的饱和盐系统可抵抗温度变化的影响。

在配制饱和盐溶液时，对盐、溶液和仪器有如下的要求。

饱和盐溶液所用容器具有一定形状，这种形状应易于清洗，所用材料应为耐腐蚀、不吸湿且绝热的，并且具有一定的憎水性，防止盐溶液的“爬晶”现象，有机玻璃就可以满足这些要求。容器以圆形为宜，清洗时要振荡。容器的容积，包括饱和盐溶液和固定点空间两部分，溶液(包括固体盐)占整个容积的1/5较为合适，留下4/5空间测试用。溶液多了并无用处，因为平衡只与自由表面积有关。迅速建立平衡达到湿度固定点，要求空间要小，而开盖测量时，要使平衡尽量少受影响，要求空间要大，二者是矛盾的。为了照顾以上两方面的情况，容积的大小要根据饱和盐溶液的用途来确定。测试标定元件，容积可小一些，测试标定传感器，容积可大一些；一次测量一个元件或一支传感器的容积可小一些，一次测量多个元件或多支传感器的容积要大些。容器的开口要小，这样在测试和标定时，一旦打开盖子或塞子时，容器内外交换的空气较少，对瓶内的影响较小。不宜采用广口瓶，口较大，瓶身较细，开盖后会造成较大影响，为使检测与标定时的盐溶液达到汽一液平衡，需要很长时间。容器内盐溶液的自由表面应尽可能大些，因为液相中水分子的蒸发及气相中水分子的凝结都与液相自由表面积有关。尽可能大的自由表面积，有利于迅速建立平衡。

在某一固定温度上，一种饱和盐的水溶液只能提供一个相对湿度固定点。所以要有合适的间隔，湿度固定点随温度变化要小，盐的物理化学性质稳定。根据表1不同温度下饱和盐溶液的相对湿度值(RH)，一般选择具有不同相对湿度范围的五种盐和15～35℃的温度范围就可以进行简单的检测与标定。选择的盐含5％RH～98％RH范围，且相邻两种盐的RH间距大约在20％左右。在低湿固定点密集，而中温段较疏。在本试验中，由于当相对湿度达到30％RH以上时，已经为电压下降时的相对湿度极值，所以，本试验主要进行低湿度段的测量。

配制饱和盐溶液要用纯度为分析纯或更高纯度的盐和纯水，目的是使杂质含量尽可能低，使产生的湿度点更加精确。选定的无机盐其形态均为固体结晶，溶于水后达到溶解平衡，溶液中只要看到有固体盐出现，即为饱和溶液。在实际配制中，往往固体量要多一些，以防温度升高，溶解度增大变为非饱和溶液。配制完的饱和溶液固体颗粒含量在20℃下约占液体高度的1/3至1/2，这样的含量可保证降温时不整体结块，升温时不形成非饱和溶液。要使几种盐在同样容器内的液面高度一致，各种盐的溶解度不一样，所加的水量和盐量不会一致，在配制时可交替向容器内加盐和水并且加入量要少，还要充分搅拌，确保溶液是饱和的。为提高溶解速度，可将水稍稍加热，在配制时边搅拌边冷却。若水过多，溶液变为非饱和溶液，要想使溶液变为饱和，只需将溶液倒入烧杯中，加热使水蒸发一些即可。

基于上述标定装置的湿度标定饱和溶液法的步骤如下(如图3所示)：

1.根据表1中不同温度下不同饱和盐溶液的相对湿度值，选择从低湿度到高湿度和从高湿度到低湿度连续测试所需要测试的相对湿度值对应的盐，按上述方法在图1容器中配制好需要的饱和盐溶液；

2.按上述方法连接好装置，把需要标定的湿敏元件放入容器中，并用电缆连接电容测量仪表；

3.根据表1中的温度与饱和盐溶液相对湿度的对应关系，选择需要测试的相对湿度对应的温度，用气体温度计和液体温度计分别测量气体和液体的温度，在恒温浴槽、气体循环风扇和液体搅拌器的同时作用下，使气体温度和液体温度达到需要的平衡温度，此时饱和盐溶液的平衡蒸气压即为需要测试的标准湿度，记录此时电容测量仪表的电容值；

4.重复步骤1，2，3，分别从低湿度到高湿度和从高湿度到低湿度连续测试湿敏元件的电容值，得到所需的所有不同相对湿度下的电容值；

5.把测得的从低湿度到高湿度和从高湿度到低湿度的电容值与相对湿度值分别绘制成曲线，即得到待标定湿敏元件的湿度测量特性。

经过以上论证后，按上述步骤对湿度传感器在饱和盐瓶中进行了标定。并将其测量值纪录后绘制为图2。由图2可见，这类湿度传感器电容与相对湿度近于线性关系，而且敏感膜越薄和膜中孔隙率越大，则湿敏电容的灵敏度越高。传感器的测量范围宽，可以达到0～100％RH。下式为湿度传感器电容与相对湿度二者的理论计算公式：

C＝C₀(1.25×10^-7RH³-1.36×10^-5RH²+2.19×10^-3RH+9.01×10^-1)

式中C₀为相对湿度55％时的湿敏电容值。

通过将实验测得的数据与上式所计算的结果进行比较，二者吻合的比同类产品要好。通过低湿到高湿和从高湿到低湿可以得到，该传感器的湿滞回差小，性能稳定。可以作为很好的湿度测量设备。

Claims (11)

1.一种SF6气体中微水测量用饱和盐溶液湿度标定装置，该装置包括一恒温浴槽、装有饱和盐溶液的容器、一气体循环风扇、一液体搅拌器、一支气体温度计、一支液体温度计、湿敏元件、用于湿敏元件电容量测量的电容测量仪表，其特征在于：

所述装有饱和盐溶液的容器置于恒温浴槽中；

气体循环风扇置于所述容器中的饱和盐溶液的上方空间，用于循环饱和盐溶液上方空气，液体搅拌器置于饱和盐溶液中，用于对溶液进行搅拌，所述气体循环风扇与所述液体搅拌器通过密封的容器口外接电源控制装置，所述气体循环风扇与所述液体搅拌器的转速可控；

所述气体温度计的温泡置于所述容器中的饱和盐溶液上方空间，所述液体温度计的温泡置于所述容器中的饱和盐溶液中，分别用于测量所述容器中气体和饱和盐溶液的温度；

所述湿敏元件置于所述容器中的饱和盐溶液上方空间，由电缆穿过密封的容器口连接所述湿敏元件与所述电容测量仪表，所述电容测量仪表测量湿敏元件的电容值。

2.根据权利要求1所述的湿度标定装置，其特征在于：所述装有饱和盐溶液的容器为一个或多个，当所述容器为多个时，每个容器内放入同一种待标定的湿敏元件，以获得同一温度下的多个标准湿度，缩短标定时间。

3.根据权利要求1所述的湿度标定装置，其特征在于：所述装有饱和盐溶液的容器为一个或多个，当所述容器为多个时，每个容器内放入不同的待标定的湿敏元件，以便同时标定多个元件。

4.根据权利要求1-3所述的湿度标定装置，其特征在于：所述恒温浴槽包括控温箱、水、进水口、出水口和加热循环装置，所述控温箱由保温材料制成，在控温箱中装入水，使用水浴的方式保持控温箱内的温度均匀，所述控温箱分别设置一进水口和一出水口，通过水管连接至加热循环装置。

5.根据权利要求4所述的湿度标定装置，其特征在于：所述装有饱和盐溶液的容器所用材料耐腐蚀、不吸湿且绝热，并且具有憎水性。

6.根据权利要求5所述的湿度标定装置，其特征在于：所述装有饱和盐溶液的容器所用材料为有机玻璃。

7.根据权利要求6所述的湿度标定装置，其特征在于：所述装有饱和盐溶液的容器为圆形。

8.根据权利要求1-3所述的湿度标定装置，其特征在于：所述装有饱和盐溶液的容器的容积，包括饱和盐溶液和溶液上方空间两部分，饱和盐溶液占整个容积的1/5，溶液上方空间占整个容积的4/5。

9.根据权利要求8所述的湿度标定装置，其特征在于：所述盐溶液中盐的选择依据不同温度下饱和盐溶液的相对湿度值RH，选择同一温度下具有不同相对湿度范围的五种盐，所述五种盐的相对湿度值RH构成5％～98％的湿度标定范围，且相邻两种盐的相对湿度值RH的间距在20％，根据需要标定的湿度范围选择五种盐中的一种或几种。

10.根据权利要求9所述的湿度标定装置，其特征在于：配制完的饱和盐溶液中固体颗粒含量在20℃下约占液体高度的1/3至1/2。

11.一种基于权利要求1-9所述的湿度标定装置的SF6气体中微水测量用湿度标定饱和盐溶液法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

(1)根据不同温度下不同饱和盐溶液的相对湿度值，选择所需要测试的相对湿度值对应的盐，根据权利要求6-7的要求在所述容器中配制好需要的饱和盐溶液；

(2)将需要标定的湿敏元件放入容器中，并用电缆连接电容测量仪表；

(3)根据温度与饱和盐溶液相对湿度的对应关系，选择需要测试的相对湿度对应的温度，根据权利要求1或2所述的湿度标定装置，用气体温度计和液体温度计分别测量气体和液体的温度，在恒温浴槽、气体循环风扇和液体搅拌器的同时作用下，使气体温度和液体温度达到需要的平衡温度，此时饱和盐溶液的平衡蒸气压即为需要测试的标准湿度，记录此时电容测量仪表的电容值；

(4)重复步骤(1)，(2)，(3)，连续测试湿敏元件的电容值，得到所需不同相对湿度下的电容值；

(5)绘制测得的电容值与相对湿度值的关系曲线，即得到待标定湿敏元件的湿度测量特性。

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