基於ndir的露點儀的製作方法

2023-08-09 08:27:11

專利名稱：基於ndir的露點儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及露點測量儀器，尤其涉及一種基於NDIR技術的露點儀。
背景技術：
氣體中微量水份的測量歷來是較難的一門技術，可以說，直到現在國際上還沒有一種成 熟完善的技術手段能全面解決各種工況環境下微量水的測量問題。在應用了近代技術之後， 也只能說針對某一特定環境，採用某一項技術手段，解決某種程度(包括量程和精度)的微 水份測量問題。
隨著SFe高壓電氣設備在我國的使用量越來越大，為了保證SF6設備的運行安全，SR中的 微水測量也越來越重要。微水測量已成為運行中預防性試驗的主要項目之一。目甜現有的測
量方法
1、 鏡面式露點儀
不同水份含量的氣體在不同溫度下的鏡面上會結露。採用光電檢測技術，檢測出露層並 測量結露時的溫度，直接顯示露點。鏡面製冷的方法有半導體製冷、液氮製冷和高壓空氣 製冷。鏡面式露點儀採用的是直接測量方法，在保證檢露準確、鏡面製冷高效率和精密測量
結露溫度前提下，該種露點儀可作為標準露點儀使用。目前國際上最高精度達到士o. rc(露
點溫度)， 一般精度可達到士0.5。C以內。
其不足為鏡面式露點儀一般要求流量為0.25升/分鐘至5升/分鐘之間，流量過大或過 小都將導致測量不準確。鏡面式露點儀一般不能用於相對溼度低於10%RH的露點測量。
2、 電傳感器式露電儀
採用親水性材料或憎水性材料作為介質，構成電容或電阻，在含水份的氣體流經後，介 電常數或電導率發生相應變化，測出當時的電容值或電阻值，就能知道當時的氣體水份含量。 建立在露點單位制上設計的該類傳感器，構成了電傳感器式露點分析儀。目甜國際上最高精 度達到± 1. CTC (露點溫度)， 一般精度可達到± 3'C以內。
傳感器法僅適用於相對溼度低於1%朋的露點測量。
3、 晶體振蕩式露點儀
芬蘭維薩拉公司採用表面聲波原理製造出獨有的表面聲波傳感器取代冷鏡式露點儀中傳 統的露點鏡。表面聲波傳感器內的壓電石英品片上被嵌入了一個信號發送端和接受端。發送 端發射一定頻率的電磁波，電磁波在石英片表面轉化為聲波，聲波沿著晶片表面傳送到接受 端，並最終轉換成電磁波。當石英品片表面有露或霜形成時，露或霜就會對聲波有一定的吸 收作用，通過處理、比較發送端和接受端電磁波信號頻率和振幅，從而快速、準確地確定露、霜、鹽積物的狀態。同時用鉑電阻精確地測量出此時的露點溫度或霜點溫度。石英晶片表面 的製冷則採用改進後效率更高的帕爾貼元件活水製冷收。
利用晶體沾溼後振蕩頻率改變的特性設計晶體振蕩式露點儀是一項較新的技術，目前尚 處於不十分成熟的階段，國外有相關產品，但精度較差且成本很高。
上述鏡面式露點儀由於需溫度冷卻，製冷時間長，所需的電源功率大，鏡面怕汙染等缺 點，因此，不便於在線監測和可攜式測量。
隨著現代科學技術的發展，人們紛紛把光電技術、新材料技術、紅外技術、微波技術、 微電子技術、光纖技術、聲波技術甚至納米技術應用到氣體中水份的測量。利用氣體中的水 份對紅外光譜吸收的特性，基於NDIR (Non-Dispersive Infra-Red:非色散紅外線)技術， 採用NDIR雷射光源可以設計紅外式露點儀。公開號為CN1145115的發明專利即公丌了二種"改 進的NDIR氣體檢測器"。
目前該儀器的難點是很難測到低露點，主要是紅外探測器的峰值探測率還不能達到微量 水吸收的量級，還有氣體中其他成份含量對紅外光譜吸收的幹擾。但這是一項很新的技術， 對於環境氣體水份含量的非接觸式在線監測具有重要的意義。 發明內容
本實用新型要解決的技術問題是針對現有技術存在的不足，提供一種不需要冷卻降溫
系統、測量速度快、穩定性和重複性好、方便於在線監測和可攜式測量的基於NDIR技術的露 點儀。
本實用新型的技術方案是 一種基於NDIR的露點儀，包括第一採樣氣室、採樣氣體入口、 氣流減壓裝置、排氣管道、壓力傳感器和溫度傳感器，所述採樣氣體入口經氣流減壓裝置後 通過管路與第一採樣氣室左上端連接，第一採樣氣室右下端接至排氣管道，排氣管道上接有
壓力傳感器，其特徵在於還包括背景光源、測量光源、光接收器、光源調製電路、信號調 理電路、A/D轉換電路和分析控制單元；所述背景光源、測量光源上下布置、水平安裝於第 一採樣氣室的氣體入口側，第一採樣氣室的另一側水平對應安裝光接收器和溫度傳感器，所 述光接收器輸出信號、壓力傳感器信號、溫度傳感器信號分別送入信號調理電路並依次經信
號調理電路、A/D轉換電路後送入分析控制單元，分析控制單元輸出控制信號至光源調製電
路，光源調製電路連接並驅動背景光源和測量光源工作。
進一歩地，在第一採樣氣室和排氣管道之間還接有第二採樣氣室，在第二採樣氣室內安
裝有H2S傳感器和SO2傳感器，H2S傳感器和SO,傳感器的輸出接至信號調理電路並依次經信號 調理電路、A/D轉換電路後送入分析控制單元。
所述的分析控制單元還與輸入鍵盤、無源報警接點和LCD顯示器連接。本實用新型與現有技術比較，具有如下優點
1、 採用NDIR原理的紅外露點儀不需要冷卻降溫系統，故較適合於在線檢測。
2、 使用NDIR方式測量時，被測氣體中雜質對鏡面的汙染所引起的測量誤差大大減小， 可能不必考慮清洗傳感器鏡面。
3、 測量速度快， 一般不會大於5分鐘。
4、 不像阻容傳感器那樣依賴於環境溫度，光譜法測量中，溫度的影響大大減少。
5、 本實用新型的測量原理決定了其長期穩定性和重複性較好。

圖1為本實用新型的總體結構框圖； '圖中1-採樣氣體入口、 2-氣流減壓裝置、3-第一採樣氣室、4-第二採樣氣室、5-排氣 管道、6-分析控制單元、7-光源調製電路、8-背景光源、9-測量光源、10-光接收器、11-溫 度傳感器、12-壓力傳感器、13-H2S傳感器、14-S02傳感器、15-信號調理電路、16-A/D轉換 電路、17-輸入鍵盤、18-LCD顯示器、19-無源報警接點、20-RS232通訊口。
具體實施方式

以下結合附圖詳細說明本實用新型的具體實施方式
。
本實用新型的工作原理利用光譜吸收理論，即同一種物質對不同波長光的吸光度不同。
吸光度最大處對應的波長稱為最大吸收波長Amax，不同濃度的同一種物質，其吸收曲線形狀 相似，Xmax不變。而對於不同物質，它們的吸收曲線形狀和Amax則不同。吸收曲線可以提 供物質的結構信息，並作為物質定性分析的依據之一。不同濃度的同一種物質，在某一定波 長下吸光度A有差異，在入max處吸光度A的差異最大。此特性可作作為物質定量分析的依 據.在入max處吸光度隨濃度變化的幅度最大，所以測定最靈敏。吸收曲線是定量分析中選 擇入射光波長的重要依據。
在上述理論中，所謂的濃度是指在一定容量下，所含有的某種氣體的分子數。分子數越 多，.在入max處吸光度越大。
水有兩個非常強的光譜吸收帶，第一個為2550nm—2770nm，第二個為1830nm—1900nm。 第一個吸收帶的吸收能力比第二個略大。若使用第一個光譜吸收帶，主雷射光源使用LED27， 背景雷射光源使用LED34，光接收器使用PD36;若使用第二個光譜吸收帶，主雷射光源使用 LED18,背景雷射光源使用LED16 (或LED21)，光接收器使用PD24;但是，由於LED18和LED16 的發射能力遠大於LED27和LED34，且PD24的性能也優於PD36，故在水分測量中，我們選用 LED16、 LED18和PD24組合。
圖l本實用新型的總體結構框圖中，基於NDIR技術的露點儀包括第一採樣氣室3、採樣 氣體入口 1、氣流減壓裝置2、排氣管道5、溫度傳感器11和壓力傳感器12，所述採樣氣體入口 1經氣流減壓裝置2後通過管路與第一採樣氣室3左上端連接，第一採樣氣室3右下端 接至排氣管道5，排氣管道5上接有壓力傳感器12，其特徵在於還包括背景光源8、測量 光源9、光接收器IO、光源調製電路7、信號調理電路15、 A/D轉換電路16和分析控制單元 6;所述背景光源8、測量光源9上下布置、水平安裝於第一採樣氣室3的氣體入口側，第一 採樣氣室3的另一側水平對應安裝光接收器10和溫度傳感器ll，所述光接收器10輸出信號、 溫度傳感器11信號、壓力傳感器12信號分別送入信號調理電路15並依次經信號調理電路 15、 A/D轉換電路16後送入分析控制單元6，分析控制單元6輸出控制信號至光源調製電路 7，光源調製電路7連接並驅動背景光源8和測量光源9工作。
在第一採樣氣室3和排氣管道5之間還接有第二採樣氣室4，在第二採樣氣室4內安裝 有貼傳感器13和S(M專愈器14， H2S傳感器13和S(M專感器14的輸出接至信'號調理電路15 並依次經信號調理電路15、 A/D轉換電路16後送入分析控制單元6。
採樣氣體入口 1的金屬件與SF6開關氣體抽取處的出口外形相配套，氣流減壓裝置2應保 證進入第一採樣氣室3的氣壓不大於5個大氣壓，且氣流是穩定的。第一採樣氣室3應使光 程不大於5釐米，且不吸附H20氣體，壓力傳感器12用來測量第一採樣氣室3的氣壓，溫度 傳感器11用來測量第一採樣氣室3的溫度。第一採樣氣室3排出的殘氣進入第二採樣氣室4， 背景光源8採用市售的LED16光源，測量光源9採用市售的LED18紅外光源，光接收器10採 用市售的PD24紅外檢測器。溫度傳感器11採用PT100鉑電阻測溫元件，在第二採樣氣室4中 安裝兩個化學傳感器H2S傳感器13和SCU專感器14，可用來測量SF6氣體中有無開關故障氣 體S02和H2S。
通過前面的分析，為提高解析度，A/D轉換電路16採用16位的AD7705，為降低成本，LCD 顯示器l8舉用l2864的液晶器件。分析控制單元6的微處理闢晶片CPU採用"EM,內存採 用X504S。當採樣氣體通過第一採樣氣室3時，分析控制單元6的CPU控制光源調製電路7 發出測量光源的驅動脈衝，PD24紅外光接收器10電路將接收到的電信號經信號調理電路15 進行調整和放大，然後經A/D轉換電路16晶片AD7705變成數位訊號，送至分析控制單元6 的CPU分析和處理。
當第一採樣氣室3通過的是不含水分的乾燥氮氣時，CPU控制光源調製電路7驅動背景 光源LED16，光接收器PD24電路同樣將接收到的電信號進行調整和放大，然後經A/D轉換電 路晶片AD7705變成數位訊號，作為背景信號，供CPU分析和處理。
被測量的氣體從第一釆樣氣室3排出後進入第二採樣氣室4，在第二採樣氣室內安裝有 市售的H2S傳感器13和S02傳感器14，兩傳感器的輸出信號經信號調理電路]5處理後，也進 入A/D轉換電路AD7705進行模數轉換，送至分析控制單元6的CPU進行分析和處理，從而得 出SF,，中微量故障氣體的含量。當故障氣體含量超標時，可通過分析控制單元6的無源報警接點19驅動報警設備，也可 以通過分析控制單元6的RS232通訊口 20將該信息遠傳，測量結果可輸出至LCD顯示器18 上顯示，分析控制單元6的相關設定通過鍵盤17輸入，以上均為現有技術，在此不贅述。
本實用新型的紅外露點儀採用NDIR技術，不需要冷卻降溫系統，非常適合於SR高壓電 氣設備SF6中微水測量的在線檢測和可攜式檢測。
權利要求1、一種基於NDIR的露點儀，包括第一採樣氣室、採樣氣體入口、氣流減壓裝置、排氣管道、壓力傳感器和溫度傳感器，所述採樣氣體入口經氣流減壓裝置後通過管路與第一採樣氣室左上端連接，第一採樣氣室右下端接至排氣管道，排氣管道上接有壓力傳感器，其特徵在於還包括背景光源、測量光源、光接收器、光源調製電路、信號調理電路、A/D轉換電路和分析控制單元；所述背景光源、測量光源上下布置、水平安裝於第一採樣氣室的氣體入口側，第一採樣氣室的另一側水平對應安裝光接收器和溫度傳感器，所述光接收器輸出信號、壓力傳感器信號、溫度傳感器信號分別送入信號調理電路並依次經信號調理電路、A/D轉換電路後送入分析控制單元，分析控制單元輸出控制信號至光源調製電路，光源調製電路連接並驅動背景光源和測量光源工作。
2、 根據權利要求1所述的基於NDIR的露點儀，其特徵在於在第一採樣氣室和排氣管 道之間還接有第二採樣氣室，在第二採樣氣室內安裝有H2S傳感器和S02傳感器，HaS傳感器 和S02傳感器的輸出接至信號調理電路並依次經信號調理電路、A/D轉換電路後送入分析控制 單元。
3、 根據權利要求1或2所述的基於NDIR的露點儀，其特徵在於所述的分析控制單元 還與輸入鍵盤、無源報警接點和LCD顯示器連接。
專利摘要基於NDIR的露點儀，包括第一採樣氣室、採樣氣體入口、氣流減壓裝置、排氣管道、壓力和溫度傳感器，還包括背景光源、測量光源、光接收器、光源調製電路、信號調理電路、A/D轉換電路和分析控制單元；背景光源、測量光源水平安裝於第一採樣氣室的氣體入口側，另一側水平對應安裝光接收器和溫度傳感器，所述光接收器、壓力傳感器、溫度傳感器信號分別送入信號調理電路並依次經信號調理電路、A/D轉換電路後送入分析控制單元，分析控制單元輸出控制信號至光源調製電路並驅動背景光源和測量光源工作。本實用新型不需要冷卻降溫系統，非常適合於高壓電氣設備SF6中微水測量的在線和可攜式檢測。
文檔編號G01N21/31GK201233364SQ200820024130
公開日2009年5月6日 申請日期2008年6月13日 優先權日2008年6月13日
發明者李洪景 申請人:淄博惠傑電氣技術開發有限公司