CN201233364Y

CN201233364Y - 基于ndir的露点仪

Info

Publication number: CN201233364Y
Application number: CN 200820024130
Authority: CN
Inventors: 李洪景
Original assignee: ZIBO HUIJIE ELECTRONIC TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: Shandong Huigong Electric Co., Ltd.
Priority date: 2008-06-13
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2009-05-06
Anticipated expiration: 2018-06-13

Abstract

基于NDIR的露点仪，包括第一采样气室、采样气体入口、气流减压装置、排气管道、压力和温度传感器，还包括背景光源、测量光源、光接收器、光源调制电路、信号调理电路、A/D转换电路和分析控制单元；背景光源、测量光源水平安装于第一采样气室的气体入口侧，另一侧水平对应安装光接收器和温度传感器，所述光接收器、压力传感器、温度传感器信号分别送入信号调理电路并依次经信号调理电路、A/D转换电路后送入分析控制单元，分析控制单元输出控制信号至光源调制电路并驱动背景光源和测量光源工作。本实用新型不需要冷却降温系统，非常适合于高压电气设备SF₆中微水测量的在线和便携式检测。

Description

基于NDIR的露点仪

技术领域

本实用新型涉及露点测量仪器，尤其涉及一种基于NDIR技术的露点仪。

背景技术

气体中微量水份的测量历来是较难的一门技术，可以说，直到现在国际上还没有一种成熟完善的技术手段能全面解决各种工况环境下微量水的测量问题。在应用了近代技术之后，也只能说针对某一特定环境，采用某一项技术手段，解决某种程度(包括量程和精度)的微水份测量问题。

随着SF₆高压电气设备在我国的使用量越来越大，为了保证SF₆设备的运行安全，SF₆中的微水测量也越来越重要。微水测量已成为运行中预防性试验的主要项目之一。目前现有的测量方法：

1、镜面式露点仪

不同水份含量的气体在不同温度下的镜面上会结露。采用光电检测技术，检测出露层并测量结露时的温度，直接显示露点。镜面制冷的方法有：半导体制冷、液氮制冷和高压空气制冷。镜面式露点仪采用的是直接测量方法，在保证检露准确、镜面制冷高效率和精密测量结露温度前提下，该种露点仪可作为标准露点仪使用。目前国际上最高精度达到±0.1℃(露点温度)，一般精度可达到±0.5℃以内。

其不足为：镜面式露点仪一般要求流量为0.25升/分钟至5升/分钟之间，流量过大或过小都将导致测量不准确。镜面式露点仪一般不能用于相对湿度低于10％RH的露点测量。

2、电传感器式露电仪

采用亲水性材料或憎水性材料作为介质，构成电容或电阻，在含水份的气体流经后，介电常数或电导率发生相应变化，测出当时的电容值或电阻值，就能知道当时的气体水份含量。建立在露点单位制上设计的该类传感器，构成了电传感器式露点分析仪。目前国际上最高精度达到±1.0℃(露点温度)，一般精度可达到±3℃以内。

传感器法仅适用于相对湿度低于1％RH的露点测量。

3、晶体振荡式露点仪

芬兰维萨拉公司采用表面声波原理制造出独有的表面声波传感器取代冷镜式露点仪中传统的露点镜。表面声波传感器内的压电石英晶片上被嵌入了一个信号发送端和接受端。发送端发射一定频率的电磁波，电磁波在石英片表面转化为声波，声波沿着晶片表面传送到接受端，并最终转换成电磁波。当石英晶片表面有露或霜形成时，露或霜就会对声波有一定的吸收作用，通过处理、比较发送端和接受端电磁波信号频率和振幅，从而快速、准确地确定露、霜、盐积物的状态。同时用铂电阻精确地测量出此时的露点温度或霜点温度。石英晶片表面的制冷则采用改进后效率更高的帕尔贴元件活水制冷收。

利用晶体沾湿后振荡频率改变的特性设计晶体振荡式露点仪是一项较新的技术，目前尚处于不十分成熟的阶段，国外有相关产品，但精度较差且成本很高。

上述镜面式露点仪由于需温度冷却，制冷时间长，所需的电源功率大，镜面怕污染等缺点，因此，不便于在线监测和便携式测量。

随着现代科学技术的发展，人们纷纷把光电技术、新材料技术、红外技术、微波技术、微电子技术、光纤技术、声波技术甚至纳米技术应用到气体中水份的测量。利用气体中的水份对红外光谱吸收的特性，基于NDIR(Non-Dispersive Infra-Red：非色散红外线)技术，采用NDIR激光光源可以设计红外式露点仪。公开号为CN1145115的发明专利即公开了一种“改进的NDIR气体检测器”。

目前该仪器的难点是很难测到低露点，主要是红外探测器的峰值探测率还不能达到微量水吸收的量级，还有气体中其他成份含量对红外光谱吸收的干扰。但这是一项很新的技术，对于环境气体水份含量的非接触式在线监测具有重要的意义。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：针对现有技术存在的不足，提供一种不需要冷却降温系统、测量速度快、稳定性和重复性好、方便于在线监测和便携式测量的基于NDIR技术的露点仪。

本实用新型的技术方案是：一种基于NDIR的露点仪，包括第一采样气室、采样气体入口、气流减压装置、排气管道、压力传感器和温度传感器，所述采样气体入口经气流减压装置后通过管路与第一采样气室左上端连接，第一采样气室右下端接至排气管道，排气管道上接有压力传感器，其特征在于：还包括背景光源、测量光源、光接收器、光源调制电路、信号调理电路、A/D转换电路和分析控制单元；所述背景光源、测量光源上下布置、水平安装于第一采样气室的气体入口侧，第一采样气室的另一侧水平对应安装光接收器和温度传感器，所述光接收器输出信号、压力传感器信号、温度传感器信号分别送入信号调理电路并依次经信号调理电路、A/D转换电路后送入分析控制单元，分析控制单元输出控制信号至光源调制电路，光源调制电路连接并驱动背景光源和测量光源工作。

进一步地，在第一采样气室和排气管道之间还接有第二采样气室，在第二采样气室内安装有H₂S传感器和SO₂传感器，H₂S传感器和SO₂传感器的输出接至信号调理电路并依次经信号调理电路、A/D转换电路后送入分析控制单元。

所述的分析控制单元还与输入键盘、无源报警接点和LCD显示器连接。

本实用新型与现有技术比较，具有如下优点：

1、采用NDIR原理的红外露点仪不需要冷却降温系统，故较适合于在线检测。

2、使用NDIR方式测量时，被测气体中杂质对镜面的污染所引起的测量误差大大减小，可能不必考虑清洗传感器镜面。

3、测量速度快，一般不会大于5分钟。

4、不像阻容传感器那样依赖于环境温度，光谱法测量中，温度的影响大大减少。

5、本实用新型的测量原理决定了其长期稳定性和重复性较好。

附图说明

图1为本实用新型的总体结构框图；

图中：1-采样气体入口、2-气流减压装置、3-第一采样气室、4-第二采样气室、5-排气管道、6-分析控制单元、7-光源调制电路、8-背景光源、9-测量光源、10-光接收器、11-温度传感器、12-压力传感器、13-H₂S传感器、14-SO₂传感器、15-信号调理电路、16-A/D转换电路、17-输入键盘、18-LCD显示器、19-无源报警接点、20-RS232通讯口。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

本实用新型的工作原理：利用光谱吸收理论，即同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax，不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似，λmax不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和λmax则不同。吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度A有差异，在λmax处吸光度A的差异最大。此特性可作作为物质定量分析的依据.在λmax处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。

在上述理论中，所谓的浓度是指在一定容量下，所含有的某种气体的分子数。分子数越多，在λmax处吸光度越大。

水有两个非常强的光谱吸收带，第一个为2550nm—2770nm，第二个为1830nm—1900nm。第一个吸收带的吸收能力比第二个略大。若使用第一个光谱吸收带，主激光光源使用LED27，背景激光光源使用LED34，光接收器使用PD36；若使用第二个光谱吸收带，主激光光源使用LED18，背景激光光源使用LED16(或LED21)，光接收器使用PD24；但是，由于LED18和LED16的发射能力远大于LED27和LED34，且PD24的性能也优于PD36，故在水分测量中，我们选用LED16、LED18和PD24组合。

图1本实用新型的总体结构框图中，基于NDIR技术的露点仪包括第一采样气室3、采样气体入口1、气流减压装置2、排气管道5、温度传感器11和压力传感器12，所述采样气体入口1经气流减压装置2后通过管路与第一采样气室3左上端连接，第一采样气室3右下端接至排气管道5，排气管道5上接有压力传感器12，其特征在于：还包括背景光源8、测量光源9、光接收器10、光源调制电路7、信号调理电路15、A/D转换电路16和分析控制单元6；所述背景光源8、测量光源9上下布置、水平安装于第一采样气室3的气体入口侧，第一采样气室3的另一侧水平对应安装光接收器10和温度传感器11，所述光接收器10输出信号、温度传感器11信号、压力传感器12信号分别送入信号调理电路15并依次经信号调理电路15、A/D转换电路16后送入分析控制单元6，分析控制单元6输出控制信号至光源调制电路7，光源调制电路7连接并驱动背景光源8和测量光源9工作。

在第一采样气室3和排气管道5之间还接有第二采样气室4，在第二采样气室4内安装有H₂S传感器13和SO₂传感器14，H₂S传感器13和SO₂传感器14的输出接至信号调理电路15并依次经信号调理电路15、A/D转换电路16后送入分析控制单元6。

采样气体入口1的金属件与SF₆开关气体抽取处的出口外形相配套，气流减压装置2应保证进入第一采样气室3的气压不大于5个大气压，且气流是稳定的。第一采样气室3应使光程不大于5厘米，且不吸附H₂O气体，压力传感器12用来测量第一采样气室3的气压，温度传感器11用来测量第一采样气室3的温度。第一采样气室3排出的残气进入第二采样气室4，背景光源8采用市售的LED16光源，测量光源9采用市售的LED18红外光源，光接收器10采用市售的PD24红外检测器。温度传感器11采用PT100铂电阻测温元件，在第二采样气室4中安装两个化学传感器：H₂S传感器13和SO₂传感器14，可用来测量SF₆气体中有无开关故障气体SO₂和H₂S。

通过前面的分析，为提高分辨率，A/D转换电路16采用16位的AD7705，为降低成本，LCD显示器18采用12864的液晶器件。分析控制单元6的微处理器芯片CPU采用77E58，内存采用X5045。当采样气体通过第一采样气室3时，分析控制单元6的CPU控制光源调制电路7发出测量光源的驱动脉冲，PD24红外光接收器10电路将接收到的电信号经信号调理电路15进行调整和放大，然后经A/D转换电路16芯片AD7705变成数字信号，送至分析控制单元6的CPU分析和处理。

当第一采样气室3通过的是不含水分的干燥氮气时，CPU控制光源调制电路7驱动背景光源LED16，光接收器PD24电路同样将接收到的电信号进行调整和放大，然后经A/D转换电路芯片AD7705变成数字信号，作为背景信号，供CPU分析和处理。

被测量的气体从第一采样气室3排出后进入第二采样气室4，在第二采样气室内安装有市售的H₂S传感器13和SO₂传感器14，两传感器的输出信号经信号调理电路15处理后，也进入A/D转换电路AD7705进行模数转换，送至分析控制单元6的CPU进行分析和处理，从而得出SF₆中微量故障气体的含量。

当故障气体含量超标时，可通过分析控制单元6的无源报警接点19驱动报警设备，也可以通过分析控制单元6的RS232通讯口20将该信息远传，测量结果可输出至LCD显示器18上显示，分析控制单元6的相关设定通过键盘17输入，以上均为现有技术，在此不赘述。

本实用新型的红外露点仪采用NDIR技术，不需要冷却降温系统，非常适合于SF₆高压电气设备SF₆中微水测量的在线检测和便携式检测。

Claims

1、一种基于NDIR的露点仪，包括第一采样气室、采样气体入口、气流减压装置、排气管道、压力传感器和温度传感器，所述采样气体入口经气流减压装置后通过管路与第一采样气室左上端连接，第一采样气室右下端接至排气管道，排气管道上接有压力传感器，其特征在于：还包括背景光源、测量光源、光接收器、光源调制电路、信号调理电路、A/D转换电路和分析控制单元；所述背景光源、测量光源上下布置、水平安装于第一采样气室的气体入口侧，第一采样气室的另一侧水平对应安装光接收器和温度传感器，所述光接收器输出信号、压力传感器信号、温度传感器信号分别送入信号调理电路并依次经信号调理电路、A/D转换电路后送入分析控制单元，分析控制单元输出控制信号至光源调制电路，光源调制电路连接并驱动背景光源和测量光源工作。

2、根据权利要求1所述的基于NDIR的露点仪，其特征在于：在第一采样气室和排气管道之间还接有第二采样气室，在第二采样气室内安装有H₂S传感器和SO₂传感器，H₂S传感器和SO₂传感器的输出接至信号调理电路并依次经信号调理电路、A/D转换电路后送入分析控制单元。

3、根据权利要求1或2所述的基于NDIR的露点仪，其特征在于：所述的分析控制单元还与输入键盘、无源报警接点和LCD显示器连接。