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高压气源露点测试技术

技术简介

       高压气源露点测试仪采用冷镜式露点测量原理,主要是由光路、气路和电路三部分组成。气体经过进气口吹入测量腔体,从镜面上方掠过,并通过流量调节阀门控制流量,使之达到测量要求。光路部分由光源、滤光组件、透镜、反射镜面和硅光电池组成。当气体在镜面上结露时,光路被改变,从而使硅光电池产生的电信号产生变化。电路部分主要包括制冷机模块、光路采集模块、控制模块。制冷机模块包括微型制冷机和制冷机电源,主要负责对镜面降温及加热、采集镜面温度并发送至控制模块。光路采集模块的主要功能是对光源供电、采集光电转换信号并发送至控制模块。控制模块主要功能是通过通信接口对制冷机模块和光路采集模块发送控制指令并接收温度、光路信号,负责控制检测流程以及显示人机交互界面等功能。产品内部结构采用模块化安装方式,制冷模块、电源模块和控制模块分别合理安装在机箱内部,不仅保证了产品的耐振动、冲击特性,同时各个模块更换方便,增强了产品的可维修性。

       高压气源露点测试仪研制过程包括方案设计、产品研发、定型试验和小批试制等阶段。首先对国内外冷镜式露点仪的制冷方式,测量范围、测量精度进行调研。目前市场上的冷镜式露点仪除了采用液氮或高压空气制冷外,主要采用的是热电制冷配合压缩机使用,该技术的优点是温度控制精度高,范围广,但主要缺点是体积大、重量重,不具备便携性。并且上述种类的冷镜式露点仪中,只有采用高压空气制冷的露点仪能够对15MPa以上的高压气源进行检测,但目前该类产品的使用操作比较复杂,且测量稳定性较差。
通过对制冷技术的调研,采用斯特林原理的微型制冷机对镜面降温,制冷机在机械设计架构上,结合非常成熟的双活塞运动结构,该结构的斯特林型低温制冷机在国际上已有数十年的应用。该制冷机的优点是制冷范围广、体积小、重量轻、功率小,能够满足冷镜式露点仪制冷范围以及便携性的要求。为了提高测量精度和稳定性,在露点仪的光路系统设计中,改进光学组件结构,使得露点检测更加灵敏准确,同时光路安装调试更加方便简单。气路设计中,充分考虑高压气源的特点,采用安全可靠的两级减压方式,确保产品的安全性。软件方面,采用WinCE嵌入式操作系统,配合大屏幕触摸屏的使用,开发更加符合用户需求的人机交互界面。


技术指标

测量范围
霜/露点:-80℃DP~0℃DP(大气压下);
测量误差:仪器在规定测量范围内测量结果的最大允许误差为±2℃DP;
温度分辨率:0.1℃;
测量模式:自动测量;
测量气体流量:氮气400ml/min、氧气370ml/min、氢气200ml/min、空气400ml/min;
测量气体压力:5Mpa~35MPa;
测量时间:露点仪在吹除本底或达到平衡后完成一次测量露点的时间应小于10min;
连续工作时间:正常连续工作时间:不小于8h;
镜面制冷方式:专用微型制冷机;
镜面温度传感器:RTD(Pt100);
显示:7寸彩色LCD触摸显示屏;
可靠性:MTBF不小于500h;
维修性:MTTR不大于2h;
工作环境温度范围:-40℃~+45℃。
电气特性:额定电压:交流220V±10%,50Hz;功耗≤100W;
重量:小于20Kg。


技术特点

       JH-7000露点仪主要技术特征包括微型制冷机技术、光学检测技术、镜面温度采集技术和六性设计等。微型制冷机技术主要是设计冷镜式露点仪专用制冷机,该制冷机采用斯特林原理,只需电力即可完成对镜面的降温,并且具有制冷范围广、体积小、功耗低等特点。光学检测技术是对传统冷镜式露点仪的光路系统进行优化升级,主要包括改进光源,光电采集器件的模块化设计,以及露点判断光路的设计等。运用该技术的冷镜式露点仪具有检测灵敏度高、稳定性好和易维护等特点。镜面温度采集技术是针对传统冷镜式露点仪镜面温度梯度误差而进行的优化设计,该技术对镜面结构重新设计,并使用特殊工艺将温度传感器和镜面焊接为整体,大大降低了镜面和传感器之间的温度误差,提高了测量的准确度。

       目前国内高压气源冷镜式露点仪大多采用外界冷媒作为制冷源,例如液氮、液态二氧化碳或高压空气等,该类露点仪受到制冷条件影响,均存在制冷范围较窄,降温速度不可控,测量准确度低,重复性差以及自动化水平低等不足。JH-7000露点仪采用微型制冷机进行降温,不但无需外界冷媒,而且温度可控,能够精确测量露点温度,重复性好,同时具有体积小、携带方便、功耗低等特点。国外同类产品目前均采用压缩机辅助热电制冷的方式,该方式具有测量范围大、精度高的优点,但通常重量和体积较大、不具备便携性,并且功耗大,大多适用于实验室使用,不适合现场的测量,而且价格昂贵,且维修和售后服务流程复杂,周期长,维护成本高。


应用领域和范围

       军工、电力、石化、半导体、气体生产等行业的露点测试


专利状态

       已取得专利3项


技术状态

       批量生产、成熟应用阶段


合作方式

       合作开发


投入需求

       50万元


转化周期

       半年


预期效益

       高压气源露点测试仪性能稳定,可靠性高,不仅能够满足部队相关单位对高压气源的露点温度检测要求,同时具备良好便携性和较高的智能化水平,提高了作战效率,丰富了检测手段。

       高压气源露点测试仪在2013、2014年实现100台销售,单台售价为8.25万人民币.随着部队使用的BJ-63A露点仪进入产品寿命末期,大量高压气源露点测试仪面临更新换代,预计未来5内,JH-7000高压气源露点测试仪年需求量在100台以上。

       我国在冷镜式露点分析仪的研究与制造方面与国外存在较大差距,目前采用帕尔帖冷泵制冷的精密露点分析仪基本上都是国外产品,主要包括MBW、MICHELL等品牌。这类产品价格昂贵(通常在30万人民币/台以上)且便携性差,目前只适用于实验室和计量单位。随着科技不断进步,工业用气要求越来越高,未来露点分析仪的需求量将越来越大并且对测量范围和小型化会提出更高的要求。该技术成果能够很容易实现民用产品的转化,测量范围将达到+20~-100℃甚至更低,体积和重量进一步减小,从而使我国气体微水含量检测领域摆脱对国外产品的依赖。

       该产品能够广泛应用于陆军、海军和空军相关领域,除此之外,在电力、石化、半导体、气体生产等行业都有着很好的应用前景。该成果的出现,填补了国内空白,打破了进口仪器对国内高纯气体露点检测领域的长期垄断。并且随着产品的推广,有望实现出口,在全球气体水分检测行业占有一席之地。