CN2840030Y - 在线阻容式高温烟气水分仪 - Google Patents

Abstract

在线阻容式高温烟气水分仪，包括阻容式湿度传感器，高频振荡电路、频率/电压转换电路；烟温补偿处理电路和电压电流转换电路，所述阻容式湿度传感器电容湿度敏感元件，温度传感器和加热器组合而成；所述加热器(Hr)连接加热温控器；高分子薄膜电容湿度敏感元件连接高频振荡电路的输入端、高频振荡电路的输出端连接频率/电压转换电路，频率/电压转换电路的输出为和水分含量成正比的电压信号，连接烟温补偿处理电路，并经零点/满度校准电路进行零点满度校准；校准后的电压信号直接输出或再通过电流电压转换电路输出到显示监测装置。利用温度补偿技术保证了烟气水分测量的精度和可靠性，实际的使用效果可以完全满足要求。

Description

在线阻容式高温烟气水分仪

                             技术领域

本实用新型涉及一种高温测量仪，具体说是一种在线阻容式高温烟气水分仪。

                             背景技术

高温烟气一般指火电行业燃煤发电工程产生的气体，作为一种比较特殊的介质，一般的温度范围在80-120度，特别情况下可能达到160度，另外烟气中一般会存在粉尘和酸性物质如SO2、NOX等，如何克服高温、高粉尘和酸性物质而保证烟气水分的在线测量，是一个十分困难的问题，目前在国内一般使用氧化镐测量干湿烟气中的氧量，通过计算获得烟气水分，是一种间接测量的方法，这种方法存在的主要问题是测量的成本高而测量的精度低，不能满足高温烟气测量的需要。

工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境水分进行测量及控制。对环境温、水分的控制以及对工业材料水份值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一，但在常规的环境参数中，水分是最难准确测量的一个参数。

在计量法中规定，水分定义为“物象状态的量”。日常生活中所指的水分为相对水分，用RH％表示。总言之，即气体中(通常为空气中)所含水蒸气量(水蒸气压)与其空气相同情况下饱和水蒸气量(饱和水蒸气压)的百分比。

水分测量始终是世界计量领域中著名的难题之一。一个看似简单的量值，深究起来，涉及相当复杂的物理—化学理论分析和计算，这是因为测量水分要比测量温度复杂得多，温度是个独立的被测量的量值，而水分却受其他因素(大气压强、温度)的影响。。

水分测量从原理上划分有二、3十种之多。常见的水分测量方法有：动态法(双压法、双温法、分流法)，静态法(饱和盐法、硫酸法)，露点法，干湿球法和电子式传感器法。电子式水分传感器产品及水分测量属于90年代兴起的行业，近年来，国内外在水分传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代水分测控***创造了有利条件，也将水分测量技术提高到新的水平。

气体水分的测量在国外目前的发展方向主要是利用高分子薄膜电容式电子测量技术，该领域的典型代表主要有以下两家：

1.芬兰VAISALA：是温水分测量领域的专业厂商，目前开发的可以用于在线测量的高温传感器为，采用薄膜电容的敏感元件，由于结构和材质上不能耐腐蚀，不能用于含有酸性气体的高温烟气的在线测量，具体应用于造纸行业高温蒸汽的水分测量。

2.德国TESTO：是水分测量领域的专业厂商，侧重于各种场合下的便携式气体水分的测量，没有可以应用在高温烟气水分测量的产品。

国内目前已经有水分和湿度测量的技术和产品，但由于工艺上还存在一定的问题，测量的精度和使用的范围还比较局限，目前一般只用于普通环境的水分测量。

                              发明内容

本实用新型就是针对上述现有技术的不足，提供一种能克服高温烟气的粉尘、高温和酸性腐蚀问题、可以在线长期稳定的测量高温烟气中水分的在线阻容式高温烟气水分仪。

本实用新型在线阻容式高温烟气水分仪，所采用的技术方案是：

1)防粉尘不锈钢烧结过滤器采样装置：解决烟气在线测量过程中烟气粉尘磨损和堵塞问题。

2)阻容式烟气水分测量原理：采用高分子薄膜电容湿度敏感元件和铂电阻温度传感器组合。水蒸汽穿过高分子薄膜电容湿度敏感元件的上部电极，到达高分子活性聚合物薄膜。烟气中的水蒸汽被薄膜吸收的量值取决于周围烟气中的水分高低，因为传感器尺寸小和聚合物薄膜很薄，所以传感器可以对周围环境的湿度变化作出快速反应。聚合物中吸收的水蒸汽改变了传感器的电介质特性而使传感器的电容值改变，由于烟气中水分的含量变化与电容变化成线性关系，从而可以通过测量电路来解决高温烟气测量水分的问题。铂电阻温度传感器测量烟气温度变化，用于进行温度补偿。

3)测量探头高温伴热：通过加热使测量探头的温度达到防止烟气中的水分结露，避免出现冷凝水造成烟气中的SO2和NOX变成酸而腐蚀测量探头。

4)温度补偿：由于烟气水分会随烟气温度的变化而发生变化，需要测量烟气的实际温度，采用温度补偿减少水分测量的误差，满足测量的精度。

高温烟气水分仪，其特征是包括阻容式湿度传感器，高频振荡电路、频率/电压转换电路；烟温补偿处理电路零点满度校准电路和电压电流转换器，从而生成和水分含量成正比的电信号，所述阻容式湿度传感器包括高分子薄膜电容湿度敏感元件用于烟气水分；测量烟气温度的铂电阻温度传感器用于温度自动补偿；和加热高分子薄膜电容湿度敏感元件的加热器，将加热器Hr连接加热温控器；高分子薄膜电容湿度敏感元件连接高频振荡电路的输入端、高频振荡电路的输出端连接频率/电压转换电路的输入端，转换电路的输出端输出与水分含量成正比的电压信号，且与烟温温度传感器电路的输出烟温变化的温度电信号一道连接烟温补偿处理电路，经过烟温补偿后的电信号输出到零点/满度校准电路进行零点满度校准；校准后的电压信号直接输出或再通过电流电压转换电路生成相应的4-20mA电流信号，输出至显示监控装置。

烟温补偿处理电路为VCA610可变增益放大电路，通过VCA610和P1对湿度信号进行烟温自动补偿；经过烟温补偿后的电信号输出到零点/满度校准电路(参见图3中的3.5)LM385电路，并在LM385的输出端设有可调电阻P2进行湿度电信号的满度校准，在LM385设有电阻P3进行湿度电信号的零点校准。

本实用新型的特点是：

1)采用以上所述的4种综合技术方案，很好地解决了高温烟气水分测量过程中所面临的高温、高粉尘和强腐蚀等技术难题；

2)利用温度补偿技术保证了烟气水分测量的精度和可靠性，实际的使用效果可以完全满足以下设计技术指标：

烟气测量温度：-20-+180℃±2℃；

烟气水分测量：0-20％±2％

3)目前产品已经实际试用多套，最长运行时间已经超过2年，使用效果满足客户的要求。

                               附图说明

图1为本实用新型在线阻容式高温烟气水分仪阻容式湿度传感器示意图

图2为本实用新型在线阻容式高温烟气水分仪工作原理框图

图3为本实用新型在线阻容式高温烟气水分仪电路图

                             具体实施方式

下面结合附图对在线阻容式高温烟气水分仪的原理及实现方法进行具体的说明：

1)阻容式传感器包括高分子薄膜电容湿度敏感元件(图1中的C0)，用于测量高温烟气中的水分变化；

2)Pt100铂电阻烟温传感器(图1中的Rt)，用于测量高温烟气的烟气温度变化，用于烟气水分测量的温度补偿；

3)加热器(图1中的Hr)，用于加热高分子薄膜电容湿度敏感元件(图1中的C0)，防止烟气中的水分凝结而腐蚀损坏高分子薄膜电容湿度敏感元件(图1中的C0)，

4)以上3者共同组成了高温烟气水分仪阻容式湿度传感器。

本实用新型装置是一种专门用于高温烟气水分在线测量的，根据工作原理框图(图2)说明工作方法和步骤如下：

1)将图一的阻容式湿度传感器置于高温烟气中；

2)将加热器Hr通过加热温控器(参见图2中的2.1)进行加热；

3)将高频振荡器(参见图2中的2.3)产生的高频信号输出到高分子薄膜电容湿度敏感元件Ch上；

4)由于高分子薄膜电容湿度敏感元件Ch的电容量与被测量的烟气水分含量的变化值有一定的函数关系，水分的变化使得电容值发生变化，从而使高频振荡器Fc的频率发生变化，随水分值变化的高频振荡频率输出到f/v频率/电压转换电路(参见图二中的2.4)；

5)经过f/v频率电压转换电路(参见图二中的2.4)变成一个和烟气水分含量成正比的电压信号，该信号输出到自动烟温补偿电路(参见图二中的2.5)进行烟温补偿处理；

6)经过烟温补偿后的电信号输出到零点/满度校准电路(参见图2中的2.6)进行零点满度校准；烟温补偿后的电信号输出端连接零点/满度校准电路，且零点/满度校准电路由二级运放器LM385电路构成，在一级运放器的输出端设有可调电阻P2进行湿度电信号的满度校准，第二级运放器LM385设有可调电阻P3进行湿度电信号的零点校准。

7)校准后的电信号输出到电压电流转换电路(参见图2中的2.7)进行处理，将电压信号生成相应的4-20mA电流信号，再输出到相关的监测、显示装置；

8)与此同步的是将烟温传感器(参见图2中的RT)测量的烟温变化的温度信号输出到温度转换电路(参见图2中的2.2)进行处理；

9)处理后的温度补偿信号再输出到自动烟温补偿电路(参见图2中2.5)进行烟温补偿。

根据工作电路图(图3)具体说明工作方法和步骤如下：

1)将阻容式湿度传感器(参见图3中的3.1)置于高温烟气中；

2)将加热器Hr通过加热温控器(参见图3中的3.1)对阻容式湿度传感器进行加热；

3)将高频振荡器(参见图3中的3.2)产生的高频信号输出到高分子薄膜电容湿度传感器C0上(参见图3中的3.1)；

4)高分子薄膜电容湿度敏感元件C0(参见图3中的3.1)因测量的烟气中水分含量(烟气湿度)的变化而使得电容量发生变化，从而高频振荡器的震荡频率值fc也(参见图3中的3.2)产生变化，随水分的含量而变的高频震荡波经过直流阻隔电容C5输出到f/v频率电压转换电路(参见图3中的3.3)LF412的输入端；

5)经过f/v频率/电压转换电路(参见图3中的3.3)信号变换处理后，将频率(湿度)信号转换为对应的0-1V电压信号，从f/v频率电压转换电路(参见图3中的3.3)的输出端输出，经过C6平滑滤波后输入到自动烟温补偿电路(参见图3中的3.4)的输入端R11、R13，相应的烟温电信号同时也输入到VCA610可变增益放大电路，通过VCA610和P1对湿度信号进行烟温自动补偿；

6)经过烟温补偿后的电信号输出到零点/满度校准电路(参见图3中的3.5)LM385的输入端，通过P2进行湿度电信号的满度校准，通过P3进行湿度电信号的零点校准；

7)校准后的电信号通过LM385进行电压放大到0-10V，输出到电压电流转换电路(参见图3中的3.6)AD694进行处理，将0-10V的电压信号转变成相应的4-20mA电流信号，再输出到相关的监测、显示装置；

8)与此同步的是将烟温传感器Rt(参见图3中的3.1)测量的烟温变化的温度信号输出到温控表中的温度转换电路(参见图3中的温控表)进行处理，将烟温的电信号转换为4-20mA的电流信号，再将4-20mA的电流信号经过RCV420(参见图3)转换为0-10V烟温电信号；

9)处理后的烟温电信号再输出到自动烟温补偿电路(参见图3中的3.4)的RCA610，进行烟温补偿(参见本节第5条)。

10)所需的电源24VDC，通过DC/DC模块进行处理后，转换为±12VDC(参见图3中的3.7)，并通过三端稳压电路7805和C7、C8、C9处理后输出5VDC的前置供电电源。

Claims (3)

1、在线阻容式高温烟气水分仪，其特征是包括阻容式湿度传感器，高频振荡电路、频率/电压转换电路；烟温补偿处理电路和电压电流转换电路，所述阻容式湿度传感器包括用于烟气水分测量的高分子薄膜电容湿度敏感元件，用于温度补偿的烟温温度传感器，和加热高分子薄膜电容湿度敏感元件的加热器组合而成；所述加热器(Hr)连接加热温控器；高分子薄膜电容湿度敏感元件连接高频振荡电路的输入端、高频振荡电路的输出端连接频率/电压转换电路，频率/电压转换电路的输出为和水分含量成正比的电压信号，且与烟温温度传感器电路的输出烟温变化的温度信号一道连接烟温补偿处理电路，经过烟温补偿后的电信号输出到零点/满度校准电路进行零点满度校准；校准后的电压信号直接输出或再通过电流电压转换电路生成相应的4-20mA电流信号，输出到显示监测装置。

2、由权利要求1所述的高温烟气水分仪，其特征是烟温补偿处理电路为VCA610芯片构成的可变增益放大电路。

3、由权利要求1或2所述的高温烟气水分仪，其特征是烟温补偿后的电信号输出端连接零点/满度校准电路，且零点/满度校准电路由二级运放器(LM385)电路构成，在一级运放器的输出端设有可调电阻(P2)进行湿度电信号的满度校准，第二级运放器(LM385)设有可调电阻(P3)进行湿度电信号的零点校准。

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