《線上阻容式高溫煙氣水分分析方法及儀器》是南京埃森環境技術有限公司於2006年1月13日申請的專利，該專利的申請號為2006100377520，公布號為CN1800842，公布日為2006年7月12日，發明人是劉德允、章曙。
《線上阻容式高溫煙氣水分分析方法及儀器》包括阻容式濕度感測器，高頻振盪電路、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，所述阻容式濕度感測器電容濕度敏感元件，溫度感測器和加熱器組合而成；所述加熱器（Hr）連線加熱溫控器；高分子薄膜電容濕度敏感元件連線高頻振盪電路的輸入端、高頻振盪電路的輸出端連線頻率/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，連線煙溫補償處理電路，並經零點/滿度校準電路進行零點滿度校準；校準後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。
2011年，《線上阻容式高溫煙氣水分分析方法及儀器》獲得第七屆江蘇省專利項目獎優秀獎。
（概述圖為《線上阻容式高溫煙氣水分分析方法及儀器》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：線上阻容式高溫煙氣水分分析方法及儀器
- 公布號：CN1800842
- 公布日：2006年7月12日
- 申請號：2006100377520
- 申請日：2006年1月13日
- 申請人：南京埃森環境技術有限公司
- 地址：江蘇省南京市龍蟠中路168號江蘇軟體園1幢1212室
- 發明人：劉德允、章曙
- 分類號：G01N27/12（2006.01）、G01N27/02（2006.01）、G01N1/24（2006.01）
- 代理機構：南京天翼專利代理有限責任公司
- 類別：發明專利
- 代理人：湯志武
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
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，一般的溫度範圍在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線上測量，是一個十分困難的問題，2006年1月前在中國國內一般使用氧化鎬測量乾濕煙氣中的氧量，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，涉及相當複雜的物理—化學理論分析和計算，這是因為測量水分要比測量溫度複雜得多，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，乾濕球法和電子式感測器法。電子式水分感測器產品及水分測量屬於90年代興起的行業，近年來，中國國內外在水分感測器研發領域取得了長足進步。濕敏感測器正從簡單的濕敏元件向集成化、智慧型化、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。
氣體水分的測量在中國國外2006年1月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，2006年1月前開發的可以用於線上測量的高溫感測器為，採用薄膜電容的敏感元件，由於結構和材質上不能耐腐蝕，不能用於含有酸性氣體的高溫煙氣的線上測量，具體套用於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，側重於各種場合下的攜帶型氣體水分的測量，沒有可以套用在高溫煙氣水分測量的產品。
截至2006年1月，中國國內已經有水分和濕度測量的技術和產品，但由於工藝上還存在一定的問題，測量的精度和使用的範圍還比較局限，一般只用於普通環境的水分測量。
發明內容
專利目的
《線上阻容式高溫煙氣水分分析方法及儀器》就是針對上述2006年1月前已有技術的不足，提供一種能克服高溫煙氣的粉塵、高溫和酸性腐蝕問題、可以線上長期穩定的測量高溫煙氣中水分的線上阻容式高溫煙氣水分儀。
技術方案
1）防粉塵不鏽鋼燒結過濾器採樣裝置：解決煙氣線上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：採用高分子薄膜電容濕度敏感元件和鉑電阻溫度感測器組合。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於周圍煙氣中的水分高低，因為感測器尺寸小和聚合物薄膜很薄，所以感測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感測器的電介質特性而使感測器的電容值改變，由於煙氣中水分的含量變化與電容變化成線性關係，從而可以通過測量電路來解決高溫煙氣測量水分的問題。鉑電阻溫度感測器測量煙氣溫度變化，用於進行溫度補償。
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：由於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，採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，採用電容濕度敏感元件作為水分感測器、並利用高頻振盪電路和頻率/電壓轉換電路對水分感測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，通過溫度感測器輸出一個隨煙氣溫度變化的溫度電壓信號，連線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。
經過煙溫補償後的電信號輸出到零點/滿度校準電路進行零點滿度校準；校準後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4-20毫安電流信號，輸出至監控數據處理單元並可連線現場顯示裝置。
高溫煙氣水分儀，其特徵是包括阻容式濕度感測器，高頻振盪電路、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，所述阻容式濕度感測器包括高分子薄膜電容濕度敏感元件用於測量煙氣水分；測量煙氣溫度的鉑電阻溫度感測器用於溫度自動補償；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連線加熱溫控器；高分子薄膜電容濕度敏感元件連線高頻振盪電路的輸入端、高頻振盪電路的輸出端連線頻率/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，且與煙溫溫度感測器電路的輸出煙溫變化的溫度電信號一道連線煙溫補償處理電路，經過煙溫補償後的電信號輸出到零點/滿度校準電路進行零點滿度校準；校準後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4-20毫安電流信號，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；經過煙溫補償後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，並在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。
改善效果
1）採用以上所述的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）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。
附圖說明
圖1為《線上阻容式高溫煙氣水分分析方法及儀器》線上阻容式高溫煙氣水分儀阻容式濕度感測器示意圖；
圖2為該發明線上阻容式高溫煙氣水分儀工作原理框圖；
圖3為該發明線上阻容式高溫煙氣水分儀電路圖。
權利要求
1、線上阻容式高溫煙氣水分儀，其特徵是包括阻容式濕度感測器，高頻振盪電路、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，所述阻容式濕度感測器包括用於煙氣水分測量的高分子薄膜電容濕度敏感元件，用於溫度補償的煙溫溫度感測器，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）連線加熱溫控器；高分子薄膜電容濕度敏感元件連線高頻振盪電路的輸入端、高頻振盪電路的輸出端連線頻率/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，且與煙溫溫度感測器電路的輸出煙溫變化的溫度信號一道連線煙溫補償處理電路，經過煙溫補償後的電信號輸出到零點/滿度校準電路進行零點滿度校準；校準後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4-20毫安電流信號，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，其特徵是煙溫補償處理電路為VCA610晶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，其特徵是煙溫補償後的電信號輸出端連線零點/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，採用電容濕度敏感元件作為水分感測器、並利用高頻振盪電路和頻率/電壓轉換電路對水分感測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，其特徵是設有溫度補償處理電路，通過溫度感測器輸出一個隨煙氣溫度變化的溫度電壓信號，連線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，其特徵是經過煙溫補償後的電信號輸出到零點/滿度校準電路進行零點滿度校準；校準後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4-20毫安電流信號，輸出至監控數據處理單元並可連線現場顯示裝置。
實施方式
下面結合附圖對線上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）阻容式感測器包括高分子薄膜電容濕度敏感元件（圖1中的C0），用於測量高溫煙氣中的水分變化；
2）Pt100鉑電阻煙溫感測器（圖1中的Rt），用於測量高溫煙氣的煙氣溫度變化，用於煙氣水分測量的溫度補償；
3）加熱器（圖1中的Hr），用於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感測器。
《線上阻容式高溫煙氣水分分析方法及儀器》裝置是一種專門用於高溫煙氣水分線上測量的，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感測器置於高溫煙氣中；
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）將高頻振盪器（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）由於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式關係，水分的變化使得電容值發生變化，從而使高頻振盪器Fc的頻率發生變化，隨水分值變化的高頻振盪頻率輸出到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）經過煙溫補償後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；煙溫補償後的電信號輸出端連線零點/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）校準後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4-20毫安電流信號，再輸出到相關的監測、顯示裝置；
8）與此同步的是將煙溫感測器（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）處理後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）將阻容式濕度感測器（參見圖3中的3.1）置於高溫煙氣中；
2）將加熱器Hr通過加熱溫控器（參見圖3中的3.1）對阻容式濕度感測器進行加熱；
3）將高頻振盪器（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感測器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，從而高頻振盪器的震盪頻率值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盪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）信號變換處理後，將頻率（濕度）信號轉換為對應的0-1伏電壓信號，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平滑濾波後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）經過煙溫補償後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）校準後的電信號通過LM385進行電壓放大到0-10伏，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0-10伏的電壓信號轉變成相應的4-20毫安電流信號，再輸出到相關的監測、顯示裝置；
8）與此同步的是將煙溫感測器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4-20毫安的電流信號，再將4-20毫安的電流信號經過RCV420（參見圖3）轉換為0-10伏煙溫電信號；
9）處理後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（參見第5條）。
10）所需的電源24伏DC，通過DC/DC模組進行處理後，轉換為±12伏DC（參見圖3中的3.7），並通過三端穩壓電路7805和C7、C8、C9處理後輸出5伏DC的前置供電電源；
榮譽表彰
2011年，《線上阻容式高溫煙氣水分分析方法及儀器》獲得第七屆江蘇省專利項目獎優秀獎。
