專利名稱：在線阻容式高溫煙氣水分分析方法及儀器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種高溫煙氣水分分析方法，具體說是一種在線阻容式高溫煙氣分析方法及分析儀器。
背景技術：
高溫煙氣一般指火電行業燃煤發電工程產生的氣體，作為一種比較特殊的介質，一般的溫度范圍在80-120度，特別情況下可能達到160度，另外煙氣中一般會存在粉塵和酸性物質如SO2、NOX等，如何克服高溫、高粉塵和酸性物質而保證煙氣水分的在線測量，是一個十分困難的問題，目前在國內一般使用氧化鎬測量干濕煙氣中的氧量，通過計算獲得煙氣水分，是一種間接測量的方法，這種方法存在的主要問題是測量的成本高而測量的精度低，不能滿足高溫煙氣測量的需要。
工農業生產、氣象、環保、國防、科研、航天等部門，經常需要對環境水分進行測量及控制。對環境溫、水分的控制以及對工業材料水份值的監測與分析都已成為比較普遍的技術條件之一，但在常規的環境參數中，水分是最難準確測量的一個參數。
在計量法中規定，水分定義為“物象狀態的量”。日常生活中所指的水分為相對水分，用RH％表示。總言之，即氣體中(通常為空氣中)所含水蒸氣量(水蒸氣壓)與其空氣相同情況下飽和水蒸氣量(飽和水蒸氣壓)的百分比。
水分測量始終是世界計量領域中著名的難題之一。一個看似簡單的量值，深究起來，涉及相當復雜的物理—化學理論分析和計算，這是因為測量水分要比測量溫度復雜得多，溫度是個獨立的被測量的量值，而水分卻受其他因素(大氣壓強、溫度)的影響。。
水分測量從原理上劃分有二、3十種之多。常見的水分測量方法有動態法(雙壓法、雙溫法、分流法)，靜態法(飽和鹽法、硫酸法)，露點法，干濕球法和電子式傳感器法。電子式水分傳感器產品及水分測量屬于90年代興起的行業，近年來，國內外在水分傳感器研發領域取得了長足進步。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數檢測的方向迅速發展，為開發新一代水分測控系統創造了有利條件，也將水分測量技術提高到新的水平。
氣體水分的測量在國外目前的發展方向主要是利用高分子薄膜電容式電子測量技術，該領域的典型代表主要有以下兩家1.芬蘭VAISALA是溫水分測量領域的專業廠商，目前開發的可以用于在線測量的高溫傳感器為，采用薄膜電容的敏感元件，由于結構和材質上不能耐腐蝕，不能用于含有酸性氣體的高溫煙氣的在線測量，具體應用于造紙行業高溫蒸汽的水分測量。
2.德國TESTO是水分測量領域的專業廠商，側重于各種場合下的便攜式氣體水分的測量，沒有可以應用在高溫煙氣水分測量的產品。
國內目前已經有水分和濕度測量的技術和產品，但由于工藝上還存在一定的問題，測量的精度和使用的范圍還比較局限，目前一般只用于普通環境的水分測量。
發明內容
本發明就是針對上述現有技術的不足，提供一種能克服高溫煙氣的粉塵、高溫和酸性腐蝕問題、可以在線長期穩定的測量高溫煙氣中水分的在線阻容式高溫煙氣水分儀。
本發明在線阻容式高溫煙氣水分儀，所采用的技術方案是1)防粉塵不銹鋼燒結過濾器采樣裝置解決煙氣在線測量過程中煙氣粉塵磨損和堵塞問題。
2)阻容式煙氣水分測量原理采用高分子薄膜電容濕度敏感元件和鉑電阻溫度傳感器組合。水蒸汽穿過高分子薄膜電容濕度敏感元件的上部電極，到達高分子活性聚合物薄膜。煙氣中的水蒸汽被薄膜吸收的量值取決于周圍煙氣中的水分高低，因為傳感器尺寸小和聚合物薄膜很薄，所以傳感器可以對周圍環境的濕度變化作出快速反應。聚合物中吸收的水蒸汽改變了傳感器的電介質特性而使傳感器的電容值改變，由于煙氣中水分的含量變化與電容變化成線性關系，從而可以通過測量電路來解決高溫煙氣測量水分的問題。鉑電阻溫度傳感器測量煙氣溫度變化，用于進行溫度補償。
3)測量探頭高溫伴熱通過加熱使測量探頭的溫度達到防止煙氣中的水分結露，避免出現冷凝水造成煙氣中的SO2和NOX變成酸而腐蝕測量探頭。
溫度補償由于煙氣水分會隨煙氣溫度的變化而發生變化，需要測量煙氣的實際溫度，采用溫度補償減少水分測量的誤差，滿足測量的精度。
高溫煙氣水分分析方法，采用電容濕度敏感元件作為水分傳感器、并利用高頻振蕩電路和頻率/電壓轉換電路對水分傳感器的輸出信號進行轉換，得到電壓值和與水分含量成正比的信號，設有溫度補償處理電路，通過溫度傳感器輸出一個隨煙氣溫度變化的溫度電壓信號，連接該電壓至溫度補償處理電路，將電容/頻率變化信號和溫度變化信號分別傳輸到頻率電壓轉換電路和自動溫度補償電路中進行溫度自動補償處理，輸出校正過的與被測氣體含水量成正比的信號。
經過煙溫補償后的電信號輸出到零點/滿度校準電路進行零點滿度校準；校準后的電壓信號直接輸出或再通過電流電壓轉換電路生成相對應的4-20mA電流信號，輸出至監控數據處理單元并可連接現場顯示裝置。
高溫煙氣水分儀，其特征是包括阻容式濕度傳感器，高頻振蕩電路、頻率/電壓轉換電路；煙溫補償處理電路零點滿度校準電路和電壓電流轉換器，從而生成和水分含量成正比的電信號，所述阻容式濕度傳感器包括高分子薄膜電容濕度敏感元件用于測量煙氣水分；測量煙氣溫度的鉑電阻溫度傳感器用于溫度自動補償；和加熱高分子薄膜電容濕度敏感元件的加熱器，將加熱器Hr連接加熱溫控器；高分子薄膜電容濕度敏感元件連接高頻振蕩電路的輸入端、高頻振蕩電路的輸出端連接頻率/電壓轉換電路的輸入端，轉換電路的輸出端輸出與水分含量成正比的電壓信號，且與煙溫溫度傳感器電路的輸出煙溫變化的溫度電信號一道連接煙溫補償處理電路，經過煙溫補償后的電信號輸出到零點/滿度校準電路進行零點滿度校準；校準后的電壓信號直接輸出或再通過電流電壓轉換電路生成相應的4-20mA電流信號，輸出至顯示監控裝置。
煙溫補償處理電路為VCA610可變增益放大電路，通過VCA610和P1對濕度信號進行煙溫自動補償；經過煙溫補償后的電信號輸出到零點/滿度校準電路(參見圖3中的3.5)LM385電路，并在LM385的輸出端設有可調電阻P2進行濕度電信號的滿度校準，在LM385設有電阻P3進行濕度電信號的零點校準。
本發明的特點是1)采用以上所述的4種綜合技術方案，很好地解決了高溫煙氣水分測量過程中所面臨的高溫、高粉塵和強腐蝕等技術難題；2)利用溫度補償技術保證了煙氣水分測量的精度和可靠性，實際的使用效果可以完全滿足以下設計技術指標煙氣測量溫度-20-+180℃±2℃；煙氣水分測量0-20％±2％3)目前產品已經實際試用多套，最長運行時間已經過年度，使用效果滿足客戶的要求。
圖1為本發明在線阻容式高溫煙氣水分儀阻容式濕度傳感器示意2為本發明在線阻容式高溫煙氣水分儀工作原理框3為本發明在線阻容式高溫煙氣水分儀電路圖具體實施方式
下面結合附圖對在線阻容式高溫煙氣水分儀的原理及實現方法進行具體的說明1)阻容式傳感器包括高分子薄膜電容濕度敏感元件(圖1中的C0)，用于測量高溫煙氣中的水分變化；
2)Pt100鉑電阻煙溫傳感器(圖1中的Rt)，用于測量高溫煙氣的煙氣溫度變化，用于煙氣水分測量的溫度補償；3)加熱器(圖1中的Hr)，用于加熱高分子薄膜電容濕度敏感元件(圖1中的C0)，防止煙氣中的水分凝結而腐蝕損壞高分子薄膜電容濕度敏感元件(圖1中的C0)，4)以上3者共同組成了高溫煙氣水分儀阻容式濕度傳感器。
本發明裝置是一種專門用于高溫煙氣水分在線測量的，根據工作原理框圖(圖2)說明工作方法和步驟如下1)將圖一的阻容式濕度傳感器置于高溫煙氣中；2)將加熱器Hr通過加熱溫控器(參見圖2中的2.1)進行加熱；3)將高頻振蕩器(參見圖2中的2.3)產生的高頻信號輸出到高分子薄膜電容濕度敏感元件Ch上；4)由于高分子薄膜電容濕度敏感元件Ch的電容量與被測量的煙氣水分含量的變化值有一定的函數關系，水分的變化使得電容值發生變化，從而使高頻振蕩器Fc的頻率發生變化，隨水分值變化的高頻振蕩頻率輸出到f/v頻率/電壓轉換電路(參見圖二中的2.4)；5)經過f/v頻率電壓轉換電路(參見圖二中的2.4)變成一個和煙氣水分含量成正比的電壓信號，該信號輸出到自動煙溫補償電路(參見圖二中的2.5)進行煙溫補償處理；6)經過煙溫補償后的電信號輸出到零點/滿度校準電路(參見圖2中的2.6)進行零點滿度校準；煙溫補償后的電信號輸出端連接零點/滿度校準電路，且零點/滿度校準電路由二級運放器LM385電路構成，在一級運放器的輸出端設有可調電阻P2進行濕度電信號的滿度校準，第二級運放器LM385設有可調電阻P3進行濕度電信號的零點校準。
7)校準后的電信號輸出到電壓電流轉換電路(參見圖2中的2.7)進行處理，將電壓信號生成相應的4-20mA電流信號，再輸出到相關的監測、顯示裝置；8)與此同步的是將煙溫傳感器(參見圖2中的RT)測量的煙溫變化的溫度信號輸出到溫度轉換電路(參見圖2中的2.2)進行處理；9)處理后的溫度補償信號再輸出到自動煙溫補償電路(參見圖2中2.5)進行煙溫補償。
根據工作電路圖(圖3)具體說明工作方法和步驟如下1)將阻容式濕度傳感器(參見圖3中的3.1)置于高溫煙氣中；
2)將加熱器Hr通過加熱溫控器(參見圖3中的3.1)對阻容式濕度傳感器進行加熱；3)將高頻振蕩器(參見圖3中的3.2)產生的高頻信號輸出到高分子薄膜電容濕度傳感器C0上(參見圖3中的3.1)；4)高分子薄膜電容濕度敏感元件C0(參見圖3中的3.1)因測量的煙氣中水分含量(煙氣濕度)的變化而使得電容量發生變化，從而高頻振蕩器的震蕩頻率值fc也(參見圖3中的3.2)產生變化，隨水分的含量而變的高頻震蕩波經過直流阻隔電容C5輸出到f/v頻率電壓轉換電路(參見圖3中的3.3)LF412的輸入端；5)經過f/v頻率/電壓轉換電路(參見圖3中的3.3)信號變換處理后，將頻率(濕度)信號轉換為對應的0-1V電壓信號，從f/v頻率電壓轉換電路(參見圖3中的3.3)的輸出端輸出，經過C6平滑濾波后輸入到自動煙溫補償電路(參見圖3中的3.4)的輸入端R11、R13，相應的煙溫電信號同時也輸入到VCA610可變增益放大電路，通過VCA610和P1對濕度信號進行煙溫自動補償；6)經過煙溫補償后的電信號輸出到零點/滿度校準電路(參見圖3中的3.5)LM385的輸入端，通過P2進行濕度電信號的滿度校準，通過P3進行濕度電信號的零點校準；7)校準后的電信號通過LM385進行電壓放大到0-10V，輸出到電壓電流轉換電路(參見圖3中的3.6)AD694進行處理，將0-10V的電壓信號轉變成相應的4-20mA電流信號，再輸出到相關的監測、顯示裝置；8)與此同步的是將煙溫傳感器Rt(參見圖3中的3.1)測量的煙溫變化的溫度信號輸出到溫控表中的溫度轉換電路(參見圖3中的溫控表)進行處理，將煙溫的電信號轉換為4-20mA的電流信號，再將4-20mA的電流信號經過RCV420(參見圖3)轉換為0-10V煙溫電信號；9)處理后的煙溫電信號再輸出到自動煙溫補償電路(參見圖3中的3.4)的RCA610，進行煙溫補償(參見本節第5條)。
10)所需的電源24VDC，通過DC/DC模塊進行處理后，轉換為±12VDC(參見圖3中的3.7)，并通過三端穩壓電路7805和C7、C8、C9處理后輸出5VDC的前置供電電源；
權利要求
1.在線阻容式高溫煙氣水分儀，其特征是包括阻容式濕度傳感器，高頻振蕩電路、頻率/電壓轉換電路；煙溫補償處理電路和電壓電流轉換電路，所述阻容式濕度傳感器包括用于煙氣水分測量的高分子薄膜電容濕度敏感元件，用于溫度補償的煙溫溫度傳感器，和加熱高分子薄膜電容濕度敏感元件的加熱器組合而成；所述加熱器(Hr)連接加熱溫控器；高分子薄膜電容濕度敏感元件連接高頻振蕩電路的輸入端、高頻振蕩電路的輸出端連接頻率/電壓轉換電路，頻率/電壓轉換電路的輸出為和水分含量成正比的電壓信號，且與煙溫溫度傳感器電路的輸出煙溫變化的溫度信號一道連接煙溫補償處理電路，經過煙溫補償后的電信號輸出到零點/滿度校準電路進行零點滿度校準；校準后的電壓信號直接輸出或再通過電流電壓轉換電路生成相應的4-20mA電流信號，輸出到顯示監測裝置。
2.由權利要求1所述的高溫煙氣水分儀，其特征是煙溫補償處理電路為VCA610芯片構成的可變增益放大電路。
3.由權利要求1或2所述的高溫煙氣水分儀，其特征是煙溫補償后的電信號輸出端連接零點/滿度校準電路，且零點/滿度校準電路由二級運放器(LM385)電路構成，在一級運放器的輸出端設有可調電阻(P2)進行濕度電信號的滿度校準，第二級運放器(LM385)設有可調電阻(P3)進行濕度電信號的零點校準。
4.高溫煙氣水分分析方法，采用電容濕度敏感元件作為水分傳感器、并利用高頻振蕩電路和頻率/電壓轉換電路對水分傳感器的輸出信號進行轉換，得到電壓值和與水分含量成正比的信號，其特征是設有溫度補償處理電路，通過溫度傳感器輸出一個隨煙氣溫度變化的溫度電壓信號，連接該電壓至溫度補償處理電路，將電容/頻率變化信號和溫度變化信號分別傳輸到頻率電壓轉換電路和自動溫度補償電路中進行溫度自動補償處理，輸出校正過的與被測氣體含水量成正比的信號。
5.由權利要求4所述的高溫煙氣水分分析方法，其特征是經過煙溫補償后的電信號輸出到零點/滿度校準電路進行零點滿度校準；校準后的電壓信號直接輸出或再通過電流電壓轉換電路生成相對應的4-20mA電流信號，輸出至監控數據處理單元并可連接現場顯示裝置。
全文摘要
在線阻容式高溫煙氣水分儀，包括阻容式濕度傳感器，高頻振蕩電路、頻率/電壓轉換電路；煙溫補償處理電路和電壓電流轉換電路，所述阻容式濕度傳感器電容濕度敏感元件，溫度傳感器和加熱器組合而成；所述加熱器(Hr)連接加熱溫控器；高分子薄膜電容濕度敏感元件連接高頻振蕩電路的輸入端、高頻振蕩電路的輸出端連接頻率/電壓轉換電路，頻率/電壓轉換電路的輸出為和水分含量成正比的電壓信號，連接煙溫補償處理電路，并經零點/滿度校準電路進行零點滿度校準；校準后的電壓信號直接輸出或再通過電流電壓轉換電路輸出到顯示監測裝置。利用溫度補償技術保證了煙氣水分測量的精度和可靠性，實際的使用效果可以完全滿足要求。
文檔編號G01N1/24GK1800842SQ20061003775
公開日2006年7月12日 申請日期2006年1月13日 優先權日2006年1月13日
發明者劉德允, 章曙 申請人:南京埃森環境技術有限公司