电能质量分析仪主要应用在电网电力及用电场合,详细分析了大气颗粒物浓度的检测原理、检测方法

发布时间:15-06-15 10:54分类:技术文章 标签:功率分析仪
什么是功率分析仪?
提到功率分析仪,很多人都会觉得这是一个的分析仪器,与自己生活毫无相关。其实不然,功率分析仪不仅能够帮助工程师研发电力产品,也能为我们日常生活提供许多的帮助。功率分析仪中的功率指的是“电功率”(通过扩展也可以测量机械功率),“电功率”是反应用电设备耗电能力大小的指标,因此功率分析仪可以简单的理解为检测用电设备耗电能力大小的分析仪器。
功率分析仪应用行业
根据功率分析仪的作用,我们可以知道功率分析仪所应用的场合,那*是只要与电力相关的场合*可能用到功率分析仪,如发电端(太阳能光伏发电、风力发电),电力配送(逆变器、变压器),用电端(家电、电机),移动用电(电动车、蓄电池)等,下图反映了功率分析仪的应用场合。
功率分析仪与电表的区别
我们家里的电表也是反应用电多少的仪器,既然功率分析仪是分析设备用电能力的仪器,那功率分析仪与电表有什么异同呢?
功率分析仪与电表相同的地方*是,两者采集的基本电信号是一样的,电信号包括电压信号和电流信号。
功率分析仪与电表不同的地方是,电表只单纯的计量用电多少,而功率分析仪采集电压、电流后还需要对其做复杂的数据分析、处理、运算,显示出数据、波形、谐波、矢量图、频谱分布图、趋势图等内容,为研发人员设计研发电器产品提供可靠的理论依据。研发人员只有对电器的用电特性做出准确合理的判断后才能设计出更多更好的电器设备,提高我们的生活品质。
功率分析仪与电能质量分析仪的区别
电能质量分析仪是一种对电网中电能质量问题进行记录分析的测量工具,它可以捕捉故障现场的谐波、电压波动、闪变、功率和三相不平衡等常见的电能质量问题,为智能电网、新能源、电气化铁路和大型工业用户提供电能质量方面的性能评估和治理决策。电能质量分析仪可分为便携式系列和在线式系列。
电能质量分析仪采集的基本信号与功率分析仪一样都是电压、电流。那么两者究竟有何区分呢?
电能质量分析仪主要应用在电网电力及用电场合,用于评估电能质量好坏,测试对象为工频电,因为工频电的频率一般为50Hz,所以电能质量分析仪的带宽比较固定,为工频频率附近。如FLUKE电能质量分析仪F435-2的测试频率为50-60Hz,带宽大于10kHz。电能质量分析仪采样率一般为每周波512点,F435-2采样率可达每周波5000点。下图为电能质量分析仪测试的典型波形。
功率分析仪不仅要求能应用于电网电力,而且要求能测试变频器、电机等非工频场合,因此功率分析仪的带宽一般为宽频输入且采样率更高。HIOKI高精度功率分析仪3390的带宽为DC/0.5Hz~150kHz,采样率为500kS/s,可以满足各类应用场合的需要。下图为功率分析测量变频器输出波形图。
知道了两者的原理,我们再来说说两者的功能。电能质量分析仪主要针对工频电,进行电力故障诊断分析、供电质量评估管理、供电设备运行状态监测,对电能质量情况进行监视、异常捕获、数据记录,并且符合国际及*相关等级标准。
功率分析仪带宽广,所以应用场合更多,甚至可以说包含了电能质量分析仪的各项功能。这些功能不仅可以做工频范围的电能测试,还可以做非工频范围的变频测试,丰富了研发生产的测试手段。
功率分析仪与示波器的区别
相信只要是从事电类相关行业的人,大部分都接触过示波器。想当初在大学期间做电子竞赛,经常拿示波器观看板子的信号,将示波器的探头接到被测点,按一下AUTO按钮,屏幕中间*出现了被测信号的波形,使用非常方便。那么示波器为什么能抓到波形?如何抓到波形?我们看到的是不是实际波形呢?
示波器*常被提及的参数*是带宽和采样率,带宽表示示波器能测试信号的*大频率,采样率表示示波器采集信号的*大速度,如MDO3014示波器带宽为100MHz,采样率为2.5GS/s。由此可见示波器的采样速度非常快,这*必然导致示波器需要处理的数据量非常大,甚至超过示波器的运算能力,那么在这种情况下,数据如何处理呢?那*是几乎所有的数字示波器都存在死区时间,如下图所示。
简单的说,*是示波器并不是每时每刻都在采集数据,而是采集一段时间数据,计算一段时间,计算时前端ADC并不采集数据或者说采集的数据是无效数据,市面上大多数示波器的死区时间高达90%以上。由此可知示波器上看到的波形其实是真实波形的一小部分,而非全部波形。
通过之前的介绍,我们知道功率分析仪是分析电能量转换设备性能的重要工具,在实际应用中,必须要求功率分析仪工作无死区时间,否则*不能真实反映电能量转换设备的性能。功率分析仪前端ADC往往是16bit(大部分示波器ADC为8bit),功率分析仪的数据长度比示波器长,因此相对示波器而言,功率分析仪的带宽和采样率会低很多。
既然功率分析仪带宽不高,那么在实际测试中会不会影响测试结果呢?当然不会,因为功率分析仪测试的对象是电能量转换设备,常见的如变压器、逆变器、变频器、适配器、家用电器等等。我们可以发现这些设备的特点*是电压、电流频率不会很高,频率较高的如变频器等,基频也*在几十KHz,功率分析仪的带宽足够测试该信号。如此一来既能满足功率分析仪测试无死区的要求,又能满足被测信号的带宽要求。
下图为示波器测试信号的周期与功率分析仪测试信号的周期对比情况,示波器往往测试周期更短频率更高的信号,示波器是见微知著,功率分析仪测试的是周期较长频率较低的信号,功率分析仪无所遗漏!
功率分析仪与万用表的区别
电子工程师必定都用过万用表,但所有电子工程师都敢说了解万用表的工作原理和测试对象的吗?我想不一定。万用表顾名思义*是功能用处极多,测试对象极广的*电子测量仪器。
如泰克的DMM4050六位半数字万用表,其可测试内容包括:电压、电流、电阻、频率、周期、导通、二极管测试、电容、温度等,并提供丰富的硬件接口,方便客户二次开发。
通过之前的介绍,我们可以知道功率分析仪测试的原始信号*是交/直流电压、电流,而万用表也可以测试,也有人用万用表测试电压、电流来计算设备的功率。那么万用表是否能测试的准确呢?
示波器的采样率很高导致测试有死区,电能质量分析仪的测试带宽有限,所以无法测试高频。那么万用表呢?如DMM4050六位半数字万用表,其采样率为5kHz,测试带宽*大为10kHz,由此可见万用表的采样率并不高,且带宽也不高。而功率分析仪的采样率和带宽则高出很多。
除了带宽和采样率不同以外,万用表和功率分析仪的计算方法也不一样。
万用表测试交流信号得到的是真有效值(rms),且无法改变测试模式。而真有效值的特点*是只有当被测试的信号为标准正弦波时,其测试结果才*准确,如果测试对象不是正弦波,那么测试结果*会与实际值有偏差,甚至相差很大。万用表测试直流信号时,采样率会很慢,如果直流信号很稳定,那么万用表测试的值会非常准确,但是如果直流信号不稳定或带有纹波,那么万用表测试的结果也会偏差很大。
功率分析仪则不同,它的信号模式有有效值、平均值、峰值、基频测量值等,可以完全适应现实中的各种形式的信号类型,并进行准确测试。
功率分析仪和万用表还有一个*大的区别*是,万用表只能单*测试电压或电流,如果要计算功率,那么*必须*测电压或电流,然后再测电流或电压,*后通过电压电流来计算功率,如此一来电压、电流根本不是同时测得的,计算的功率也不具有很大的参考价值。
而功率分析仪*能同时测试电压、电流,3390分析仪的同步时钟为50ms或100ms,测得的功率才是实时功率。
功率分析仪基本原理
功率分析仪3390是一台多通道的高精度功率测量仪器,可以精确测量多相高电压和大电流信号,计算有功功率P、无功功率Q、视在功率S、功率因数、相位、能量等参数,并集成有谐波分析仪功能。
功率分析仪3390可以具有1~4个输入单元,每个输入单元包括一路电压和一路电流信号通道,每个信号通道均有自己*立的ADC。
谐波分析
几乎所有的功率分析仪都有谐波测量功能,有的支持40次,有的支持100次,有的支持128次。
说到谐波,我们首*关注的参数*是THD(总谐波畸变率),总谐波畸变率*是各次谐波的均方根值除以基波值(有时候是除以总波值叫THF),其值以百分比方式显示。
公式中除数基波值是基本不变的,但是被除数各次谐波的均方根值,则随着谐波次数的增多而增大。也*是说,用于计算THD的谐波次数越大,THD值*越大。而谐波次数越多测试出来的THD值离真实值*越接近。THD*是告诉你,被测信号里面含有多少谐波成分,是否足够“纯净”。我们的常识里面谐波*是危害很大的,几乎没有好处(谐波当然也可以废物利用,比如供电线融冰),THD的真实值可以*准确的告诉我们,被测信号的“纯度”,*像饮用水里面各种成分的含量一样,谐波*像水里面的漂白粉、重金属、有机物成分等,我们当然希望了解我们的饮用水里面所有各种成分的含量。

发布时间:15-06-01 17:26分类:技术文章 标签:大气颗粒物检测
摘要:大气颗粒物是一种重要的空气污染物,详细分析了大气颗粒物浓度的检测原理、检测方法。基于膜捕集的称重法是*基本的颗粒物浓度检测方法,但是基于其他原理的颗粒物浓度检测方法在颗粒物的实时在线检测方面得到了广泛应用,对各类监测方法的优缺点作了对比,指出自动化、智能化和网络化是大气颗粒物浓度检测仪器的方向发展。
大气环境检测是所有大气环境工作的物质基础,不论是进行大气环境质量监测、大气污染防治,还是进行大气环境科学及工程的研究,都必须是在科学、准确测定大气环境参数的基础上进行,离开了准确的检测,其他的大气环境方面的所有工作都成了无稽之谈,因此,大气环境检测技术也随着大气环境科学与工程的发展而得到了迅速发展。大气中悬浮颗粒物的存在,会对环境产生严重影响,因此,大气颗粒物一直是大气环境研究中*前沿领域之一。
大气颗粒物浓度是评价大气颗粒物的重要指标之一,颗粒物浓度的检(监)测一直受到环境工作者的重视。本文综述大气颗粒物浓度检测技术的原理及检测仪器设备的市场及研究现状,并展示其发展趋势。
1、大气颗粒物浓度及测试分类
大气中的悬浮颗粒物(SPM)是大气颗粒物的统称,可分为一次污染物和二次污染物。一次污染物是直接进入大气中的颗粒物,粒径大小一般在1~20μm范围内,大部分大于2.5μm;二次污染物颗粒较小,其大小在0.01~1.0μm范围内,是大气中的气态污染物之间及气态污染物与尘粒之间相互发生化学或光化学反应产生的。根据大气颗粒物的粒径大小,将大气颗粒物分别命名。其中,对环境影响较大,引起人们普遍关注的有总悬浮颗粒物(TSP)、可吸人颗粒物(PM10)、可人肺颗粒物(PM2.5)。
大气中的悬浮颗粒物对人体健康的负面影响,及对城市大气能见度、气候、空气质量、生态环境的影响,都与总悬浮颗粒物(TSP)、PM10及PM2.5的数量及质量多少有关,为准确描述颗粒物的影响,在研究大气颗粒物的行为、影响时,制定了大气颗粒物浓度的指标,大气颗粒物浓度可分为个数浓度、质量浓度和相对质量浓度。个数浓度指以单位体积空气中含有的颗粒物个数表示的浓度值,单位为粒/cm3、粒/L,多应用于空气洁净技术领域,无尘室、超净工作间等超低浓度环境和需要气溶胶的个数浓度来解释种种现象的气象学领域。质量浓度指以单位体积空气中含有的颗粒物的质量表示的浓度,单位为mg/m3或μg/m3,用于一般的大气颗粒物研究领域。相对浓度是指与颗粒物的*浓度有一定对应关系的物理量数值,作为相对浓度使用的物理量有光散射量、放射线吸收量、静电荷量、石英振子频率变化量等。
大气颗粒物浓度的测量,主要是根据颗粒物的物理性质(包括力学、电学、光学等)与颗粒物的数量或质量之间的关系,通过相应的仪器设备进行的。根据测量的具体操作,可将大气颗粒物的测试方法分为捕集测定法和浮游测定法,捕集测定法是指*用各种手段捕集空气中的微粒,再测定其浓度的方法;能保持空气中的浮游颗粒仍为浮游状态而测定其浓度的方法为浮游测定法。
2、个数浓度的测定 个数浓度的测定方法主要有两种:
2.1、化学微孔滤膜显微镜计数法
在洁净环境含尘浓度的测定中,用滤膜显微镜计数法测量个数浓度是个数浓度测定法的*基本方法,其原理是将微粒捕集在滤膜表面,再使滤膜在显微镜下成为透明体,然后观察计数,分试样样品采集、显微镜观察和粒子计数三个过程,属捕集测定法。
2.2、光散射式粒子计数器
光散射式粒子计数器的原理是用光照射浮游粒子,粒子将引起入射光的散射,球形粒子引起的光散射强度可由Mie的光散射理论式计算,被测粒子的散射光强与含各种粒径的聚苯乙烯标准粒子的散射光强相比较,得到不同粒径粒子的个数浓度。光散射法可直接得到测量数据,但颗粒物重叠、标准粒子与被测粒子的折射率不同及粒子带有电荷会造成误差;对于浓度较高的粒子,几乎所有的计数器都是随粒径的变小而计数率变低。
3、质量浓度的测定
颗粒物的质量浓度在大气颗粒物研究中使用*多,所以其测定方法的研究得到了充分重视,基于各种原理的测定的方法也*多,经常使用的方法有滤膜称重法、光散射法、压电晶体法、电荷法、β射线吸收法及*近几年发展起来的微量振荡天平法等。这些测试方法的具体原理是:
3.1、滤膜称重法
滤膜称重法是颗粒物质量浓度测定的基本方法,以规定的流量采样,将空气中的颗粒物捕集于高性能滤膜上,称量滤膜采样前后的质量,由其质量差求得捕集的粉尘质量,其与采样空气量之比即为粉尘的质量浓度。
仪器主要由采样仪、分析天平等组成,根据所用的采样仪的流量大小不同,将采样仪分为大流量(1m3/min以上)、中流量(100L/min左右)和小流量(10~30
L/min)三种,在选用采样仪时,应考虑他们之间的可比性,一般以大流量采样仪作比较。称重法单*或配合切割器可测量TSP、PM10、PM2.5,称重法测定颗粒物质量浓度时需要的时间一般较长(3~24h)。
滤膜称重法测定的是颗粒物的*质量浓度,其优点是原理简单,测定数据可靠,测量不受颗粒物形状、大小、颜色等的影响,但在测定过程中,存在操作烦琐、费时、采样仪笨重、噪声大等缺点,不能立即给出测试结果。
3.2、光散射式测量仪
光散射式测量仪测量质量浓度的原理和光散射式粒子计数器的原理类似,是建立在微粒的Mie散射理论基础上的。光通过颗粒物质时,对于数量级与使用光波长相等或较大的颗粒,光散射是光能衰减的主要形式。
光散射数字测尘仪包括光源、集光镜、传感器、放大器、分析电路及显示器等,由光源发出的光线照射在颗粒物上产生散射,此散射光通过集光镜到达传感器上,传感器把感受到的信号转换成电信号,经过放大和分析电路,可以计测脉冲的发生量,即可得到以每分钟脉冲数(CPM)表示的相对浓度。当颗粒物性质一定时,可以通过称重法*求出CPM与mg/m3的转换系数K,根据K值将CPM值直接转换、显示为质量浓度(mg/m3)。光散射数字测尘仪的光源有可见光、激光及红外线等,配合切割器,可以用来测量PM10、PM2.5。
光散射测尘仪属浮游测定法,可以实时在线监测空气中颗粒物的浓度,根据颗粒物性质预*设K值,可以现场直接显示质量浓度(mg/m3),体积小,重量轻,操作简便,噪音低,稳定性好,可直读测定结果,可以存储以及输出电信号实现自动控制,适于公共场所卫生及生产现场粉尘等场合和大气质量监测中使用。

发布时间:15-06-11 17:03分类:技术文章 标签:CO2气体传感器,红外气体
CO2浓度的检测方法大致分化学方法和物理方法。CO2浓度检测方法有滴定法、热催化法、气敏法、电化学法,这些属于化学方法,这些方法普遍存在价格贵,普适性差等问题,且测量精度较低。而物理的方法有超声波法、气相色谱法以及众多借助于光学来实现检测的方法。也有像光声光谱法这种化学和物理结合的方法。吸收光谱法的依据是不同化学结构的气体分子对不同波长的辐射的吸收程度不同,CO2气体分子对特定波长的红外光有强烈的吸收。
目前各种检测用的CO2传感器主要有固体电解质式、钛酸钡复合氧化物电容式、电导变化型厚膜式等,这些传感器存在对气体的选择性差、易出现误报、需要频繁校准、使用寿命较短等不足。而红外吸收型CO2传感器具有测量范围宽、灵敏度高、响应时间快、选择性好、抗干扰能力强等特点。
1 传感原理
红外吸收型CO2气体传感器是基于气体的吸收光谱随物质的不同而存在差异的原理制成的。不同气体分子化学结构不同,对不同波长的红外辐射的吸收程度*不同,因此,不同波长的红外辐射依次照射到样品物质时,某些波长的辐射能被样品物质选择吸收而变弱,产生红外吸收光谱,故当知道某种物质的红外吸收光谱时,便能从中获得该物质在红外区的吸收峰。
同一种物质不同浓度时,在同一吸收峰位置有不同的吸收强度,吸收强度与浓度成正比关系。因此通过检测气体对光的波长和强度的影响,便可以确定气体的浓度。
根据比尔朗伯定律,输出光发光强度I、输入光发光强度I0和气体浓度c之间的关系为
I=I0exp(-αmLc) (1)
式中:αm为摩尔分子吸收系数;c为待测气体浓度;L为光和气体的作用长度(传感长度)。对式(1)进行变换,得:
2 仪器设计框图
前端传感器输出的数字信号,以串口方式与STM32进行通讯,此仪器设计三通道采集,利用继电器电路对传感器通道进行选择,STM32将浓度值显示在液晶屏上,液晶屏带有触摸功能,通过编写液晶显示界面,调用相关按键程序,选择传感器通道以及保存为U盘数据等功能。框图如图1所示。
图1仪器设计框图 3 传感器选择
选择了DYNAMENT公司的premier二氧化碳传感器,此传感器运用非色散红外原理检测气体,它包括长寿命钨红外光源、供扩散气体进入的光通道、一对经温度补偿的红外原理热电交换检测元件、半导体温度传感器和处理红外热电交换检测器信号的电子电路,使用方便快捷,如图2为二氧化碳传感器外形封装图。
图2二氧化碳传感器外形封装 4 硬件电路设计
本仪器设计3个通道的二氧化碳传感器采集,通过3个继电器来选择传感器的通断。如图3为继电器控制电路。
图3继电器控制电路
使用低功耗单片机STM32F103RE,内核为:ARM32-bitCortex-M3
CPU,尺寸为:10mmx10
mm,带有4个串口,在本仪器设计中,用到3个串口,一个与传感器进行通讯,一个与液晶进行通讯,一个与USB存储模块通讯。如图4为控制器*小系统。
STM32STM32 图4 STM32STM32
选择迪文科技有限公司的液晶,型号为DMT32240C035_02W,基本参数为:3.5英寸,M100内核,65K色串口液晶人机界面。此款液晶带有触摸功能,系统设计时,不用添加按键电路,只需编写液晶按键程序*能实现按键功能,简单的实现参数的设置,数据保存,档位切换等功能。
5 软件设计
仪器开机后进入液晶程序界面,选择传感器通道,进入数据采集程序,将当前二氧化碳浓度值显示于液晶屏上,点击液晶显示界面上的保存按钮,保存当前时间的二氧化碳浓度值。仪器软件总体设计流程如图5所示。
图5软件流程图 6 室内实验
利用组装的便携式二氧化碳监测仪进行了室内的测试实验,如表1为3个通道对同一环境下,二氧化碳浓度的测试数据,每个通道测试10次。从测试数据上看每个通道测试数据较为稳定。且与空气中二氧化碳碳理论在浓度值接近。
7 总结
该仪器的开发主要是为二氧化碳储存项目服务,对二氧化碳泄露进行监测,针对泄露的二氧化碳浓度值范围不定的情况,仪器设计了三个通道,并通过实验测试了三个通道数据采集情况,测试结果说明,仪器运行正常。

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