專利名稱：一種吸入式SF₆氣體泄漏監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于SF6氣體泄漏監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及采用雙波長紅外監(jiān)測原理、自帶溫度補償、具有數(shù)字信號輸出的高精度吸入式SF6氣體泄漏監(jiān)測方法及裝置。
背景技術(shù)：
在電力系統(tǒng)中，SF6氣體因其具有極好的絕緣性能和滅弧性能，獲得廣泛的應(yīng)用。但是由于SF6比空氣重，一旦泄漏，易沉積于電力開關(guān)室底部，人員進(jìn)入時造成人體缺氧。且SF6在高溫或電弧作用下，或遇到潮氣時，會分解成多種有毒物質(zhì)。故《國家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程》中明確要求對SF6設(shè)備及場所，需定期進(jìn)行監(jiān)測和檢查，并規(guī)定濃度IOOOppm為安全警戒值，超過此濃度將對人的生命造成威脅。負(fù)電暈放電檢測法是SF6氣體泄漏檢測較常用的方法之一，該方法通過使用高壓擊穿技術(shù)，利用SF6氣體的電弧阻斷特性，來檢測其在空氣中的含量。但是由于SF6氣體是強絕緣氣體，濃度超過一定值即會完全阻止放電，造成較大的測量誤差。另外，若長時間使用容易造成探針老化，縮短傳感器的使用壽命，并且會產(chǎn)生零點漂移，測量的可靠性難以保證。隨著紅外探測技術(shù)的發(fā)展，紅外SF6泄漏監(jiān)測技術(shù)在體積、功耗、性能、價格上所具有的以往技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，使其應(yīng)用日益廣泛。美國電力科學(xué)研究院首先將紅外探測技術(shù)應(yīng)用于變電站SF6氣體泄漏監(jiān)測，目前國內(nèi)應(yīng)用于SF6泄漏監(jiān)測的技術(shù)和裝置只是此技術(shù)的簡單應(yīng)用，具有以下不足:I) 一般采用半帶寬為250nm的干涉濾光片作為測量濾光片，由于半帶寬較寬，使得相關(guān)SF6泄漏監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測精度較低；2)輸出信號多為模擬信號，在實現(xiàn)數(shù)字輸出、溫度補償、消除光源和環(huán)境因素影響等功能方面存在不足，使用范圍受到很大局限。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種采用雙波長紅外監(jiān)測原理，帶有數(shù)字輸出、溫度補償功能、簡單可靠、靈敏度高的吸入式SF6氣體泄漏監(jiān)測方法及裝置。此方法和裝置能對SF6泄漏進(jìn)行定量監(jiān)測并對外輸出高精度SF6泄漏濃度值，具有監(jiān)測精度高、穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧等優(yōu)點。本實用新型采用的技術(shù)方案為:一種吸入式SF6氣體泄漏監(jiān)測裝置，該裝置包括出氣口、進(jìn)氣口、紅外光源、窗口片一、窗口片二、參比濾光片、測量濾光片、雙通道紅外探測器、溫度探測器、信號調(diào)理模塊、Α/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、光源驅(qū)動模塊、裝置本體、端蓋一和端蓋二；內(nèi)部中空的裝置本體形成一個氣室，氣室內(nèi)壁鍍金反射膜，其上設(shè)出氣口和進(jìn)氣口，裝置本體兩端裝有窗口片一及窗口片二，使氣室密封而不阻礙紅外光傳輸，氣室之中設(shè)置有溫度探測器，窗口片一的左側(cè)設(shè)有紅外光源，通過端蓋一固定并與裝置本體相連，窗口片二的右側(cè)設(shè)有雙通道紅外探測器，雙通道紅外探測器的兩個通道前面分別裝有參比濾光片和測量濾光片，從而使得雙通道紅外探測器能輸出一個參比信號和一個測量信號，通過端蓋二固定雙通道紅外探測器并與裝置本體連為一體，所述的針對SF6氣體泄漏監(jiān)測的參比濾光片和測量濾光片均為超窄帶干涉濾光片，在端蓋二外面設(shè)有電路板，電路板固
定在端蓋二上。其中，電路板上包括信號調(diào)理模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和光源驅(qū)動模塊，信號調(diào)理模塊對參比信號和測量信號進(jìn)行放大和濾波，A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)處理模塊能夠接收的數(shù)字信號，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)接收到的數(shù)字信號計算出被測氣體的濃度并將此濃度對外輸出，光源驅(qū)動模塊驅(qū)動紅外光源發(fā)出穩(wěn)定的紅外光。其中，參比濾光片的中心波長為3.95ym±40nmm，半帶寬為90nm±20nm，測量濾光片的中心波長為10.55 μ m±80nm,半帶寬為90nm±20nm。根據(jù)紅外光譜理論，非對稱極性分子由于內(nèi)部偶極矩轉(zhuǎn)動、振動等，對穿過氣體分子的紅外光產(chǎn)生吸收。不同類型的氣體分子偶極矩不同，使得一種氣體分子對特定波長的紅外光有明顯的吸收作用。根據(jù)朗伯-比爾定律:I = 10exp(-yCL);其中I為出射光強，Itl為入射光強，C為氣體濃度，L為吸收長度，μ為氣體的吸收系數(shù)，可改寫為:
C = -1/μL*ln(I0/I)=-1/μL*ln(1/T)從以上公式可知，當(dāng)吸收長度L與氣體的吸收系數(shù)μ已知時，
可以通過測量I和Itl的比值計算出被測氣體的濃度，I和Itl的比值稱為透射比^二f。實際
應(yīng)用中，由于紅外光很容易受多種因素(如溫度，電源電壓波動，光源老化等)影響，僅通過單一光束透射光強的衰減不能足以準(zhǔn)確地監(jiān)測氣體的泄漏。雙波長紅外監(jiān)測原理在單波長紅外監(jiān)測的基礎(chǔ)上增加一個參比波長，即選擇被測氣體對紅外光吸收最強的吸收峰處的波長為測量波長，而選擇另一個所有氣體對其都不具有吸收能力的波長為參比波長，使用雙通道紅外探測器、雙濾光片及處理雙波長信號對應(yīng)的電子電路及算法實現(xiàn)對氣體泄漏的監(jiān)測。通過一個測量濾光片和一個參比濾光片選擇透過的波長，透過兩個濾光片后，相應(yīng)波長的紅外吸收能量的變化反映到雙通道紅外探測器上，通過相應(yīng)的信號處理和計算后，確定被測氣體的存在及濃度信息。當(dāng)氣室中不存在被測氣體組分時，雙通道紅外探測器接收到的是未被吸收的紅外光，測量信號和參比信號相等；當(dāng)氣室中存在被測氣體組分時，測量光束的能量被吸收，檢測到的測量信號要小于參比光束的信號。設(shè)未通入3匕氣體時透過測量通道的光強為Itl，參比通道的光強為I, ;通入一定濃度SF6氣體后測量通道的光強為I，參比通道光強為r ;則透射比T = I' 0I/10r。對確定的氣體監(jiān)測裝置，有確定的Γ。的值，監(jiān)測時只要測得I和Γ，通過電路系統(tǒng)的信號處理后，就可以得到被測SF6氣體的濃度信息。這種參比處理能有效的消除光源不穩(wěn)定、光電器件的零點漂移等對測量精度的影響，使得雙波長紅外監(jiān)測具有較高的測量精度。根據(jù)以上分析，本發(fā)明另外提供一種吸入式SF6氣體泄漏監(jiān)測的方法，采用上述的吸入式SF6氣體泄漏監(jiān)測裝置，通過真空泵連接出氣口，促使被測泄漏氣體由進(jìn)氣口不斷流入氣室，連接外部電源供電以后，光源驅(qū)動模塊驅(qū)動紅外光源發(fā)出的紅外光，經(jīng)過進(jìn)入氣室內(nèi)的氣體吸收，又經(jīng)過參比濾光片和測量濾光片后到達(dá)雙通道紅外探測器，雙通道紅外探測器兩個通道分別產(chǎn)生一個包含光源和環(huán)境信息的參比信號和一個包含被測氣體濃度信息的測量信號，這兩個信號通過信號調(diào)理模塊的放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號之后，輸入到數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊通過數(shù)據(jù)處理排除掉光源和環(huán)境的影響，根據(jù)事先寫入的濃度計算模型得到被測泄漏SF6氣體的濃度，與此同時，溫度探測器也將探測到的被測泄漏SF6氣體的溫度輸入到數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊再對被測泄漏SF6氣體濃度進(jìn)行溫度修正，從而得到真實的被測泄漏SF6氣體濃度，將此SF6濃度對外輸出。其中，所述的數(shù)據(jù)處理模塊中數(shù)據(jù)處理時針對泄漏SF6氣體的特性，采用多點標(biāo)定方法，建立泄漏SF6氣體濃度計算模型，標(biāo)定時，在泄漏SF6監(jiān)測量程范圍內(nèi)選擇多個濃度點，配制標(biāo)準(zhǔn)混合氣，根據(jù)測量電壓和參比電壓得到一個只包含氣體濃度信息的變量D以消除光源的影響，根據(jù)D值與標(biāo)準(zhǔn)濃度Xtl值之間的對應(yīng)關(guān)系建立泄漏SF6氣體濃度計算模型，將此模型及標(biāo)定時的溫度信息一并寫入單片機存儲器內(nèi)，實際監(jiān)測時，數(shù)據(jù)處理模塊接收測量電壓、參比電壓和溫度三個數(shù)值，先計算出泄漏SF6氣體濃度信息變量D，以排除可能存在的光源波動和環(huán)境影響，再根據(jù)事先寫入的泄漏SF6氣體濃度計算模型計算出對應(yīng)的濃度值，然后根據(jù)溫度進(jìn)行溫度補償，得到補償后的泄漏SF6氣體濃度，此濃度即為被測泄漏SF6氣體的真實濃度值。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點為:本實用新型采用雙波長紅外監(jiān)測原理，是一種高效、安全的SF6泄漏監(jiān)測技術(shù)，具有監(jiān)測精度高、穩(wěn)定性好、可靠性高、壽命長等優(yōu)點。氣室內(nèi)壁鍍金反射膜、選用超窄帶干涉濾光片作為測量濾光片，可以有效地提高裝置的測量精度。將電路部分集成在較小的電路板上，并緊湊地裝配在端蓋上，以盡量減少本裝置的體積，使得裝置非常小巧。測試結(jié)果數(shù)字輸出，自帶溫度補償?shù)?，使得輸出結(jié)果更加準(zhǔn)確、便利。根據(jù)泄漏SF6氣體特性建立的計算模型、標(biāo)定及算法，保證了泄漏SF6氣體監(jiān)測的準(zhǔn)確性。本實用新型的吸入式SF6氣體泄漏監(jiān)測方法及裝置是電網(wǎng)SF6氣體泄漏監(jiān)測和報警必不可少的關(guān)鍵技術(shù)，其推廣應(yīng)用將有利于提高電網(wǎng)的安全運行和保障電力從業(yè)人員的安全。

圖1為本實用新型的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中:1.出氣口、2.進(jìn)氣口、3.紅外光源、4.窗口片一、5.窗口片二、6.參比濾光片、7.測量濾光片、8.雙通道紅外探測器、9.溫度探測器、10.信號調(diào)理模塊、11.Α/D轉(zhuǎn)換模塊、12.數(shù)據(jù)處理模塊、13.光源驅(qū)動模塊、14.裝置本體、15.端蓋一、16.端蓋二；圖2為七點標(biāo)定方法流程圖；圖3為本實用新型的數(shù)據(jù)處理流程圖。
具體實施方式
本實施例的具體結(jié)構(gòu)見附圖1，內(nèi)部中空的裝置本體14形成一個氣室，氣室內(nèi)壁鍍金反射膜，其上設(shè)出氣口 I和進(jìn)氣口 2，裝置本體14兩端裝有窗口片4和5，使氣室密封而不阻礙紅外光傳輸，氣室之中設(shè)置有溫度探測器9。窗口片4的左側(cè)設(shè)有紅外光源3，通過端蓋15固定并與裝置本體14相連。窗口片5的右側(cè)設(shè)有雙通道紅外探測器8，雙通道紅外探測器8的兩個通道前面分別裝有參比濾光片6和測量濾光片7，從而使得雙通道紅外探測器8能輸出一個參比信號和一個測量信號，通過端蓋16固定雙通道紅外探測器8并與裝置本體14連為一體。所述的針對SF6氣體泄漏監(jiān)測的參比濾光片6和測量濾光片7均為超窄帶干涉濾光片，參比濾光片6的中心波長為3.95 μ m±40nm,半帶寬為90nm±20nm,測量濾光片7的中心波長為10.55ym±80nm，半帶寬為90nm±20nm。在端蓋16外面設(shè)有電路板，電路板固定在端蓋16上，電路板上包括信號調(diào)理模塊10，A/D轉(zhuǎn)換模塊11，數(shù)據(jù)處理模塊12和光源驅(qū)動模塊13，信號調(diào)理模塊10對參比信號和測量信號進(jìn)行放大和濾波，A/D轉(zhuǎn)換模塊11將模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)處理模塊12能夠接收的數(shù)字信號，數(shù)據(jù)處理模塊12根據(jù)接收到的數(shù)字信號計算出被測氣體的濃度并將此濃度對外輸出，光源驅(qū)動模塊13驅(qū)動紅外光源3發(fā)出穩(wěn)定的紅外光。通過真空泵連接出氣口 1，促使被測泄漏SF6氣體由進(jìn)氣口 2不斷流入氣室。連接外部電源供電以后，光源驅(qū)動模塊13驅(qū)動紅外光源3發(fā)出紅外光，經(jīng)過進(jìn)入氣室內(nèi)的氣體吸收，又經(jīng)過參比濾光片6和測量濾光片7到達(dá)雙通道紅外探測器8，雙通道紅外探測器8兩個通道分別產(chǎn)生一個包含光源和環(huán)境信息的參比信號和一個包含被測氣體濃度信息的測量信號，這兩個信號通過信號調(diào)理模塊10的放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換模塊11轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號之后，輸入到數(shù)據(jù)處理模塊12，數(shù)據(jù)處理模塊12通過數(shù)據(jù)處理排除掉光源和環(huán)境的影響，根據(jù)事先寫入的濃度計算模型得到被測泄漏SF6氣體的濃度。與此同時，溫度探測器9也將探測到的被測泄漏SF6氣體的溫度輸入到數(shù)據(jù)處理模塊12，數(shù)據(jù)處理模塊12再對被測泄漏SF6氣體濃度進(jìn)行溫度修正，從而得到真實的被測泄漏SF6氣體濃度，將此SF6濃度對外輸出。數(shù)據(jù)處理程序針對SF6氣體的特性，采用多點標(biāo)定的方法，本實施例選擇七個標(biāo)定點，建立泄漏SF6氣體濃度計算模型，七點標(biāo)定方法的流程見附圖2。標(biāo)定時，在泄漏SF6&測量程范圍內(nèi)選擇7個濃度點，配制標(biāo)準(zhǔn)混合氣，送入標(biāo)準(zhǔn)混合氣后，根據(jù)測量電壓Vm和參比電壓VKrf得到一個只包含氣體濃度信息的變量D，根據(jù)D值與標(biāo)準(zhǔn)濃度Xtl值之間的對應(yīng)關(guān)系建立SF6氣體濃度計算模型，將此模型寫入單片機存儲器內(nèi)。實際監(jiān)測時，數(shù)據(jù)處理模塊12接收測量電壓Vm、參比電壓VKef和溫度Tm三個數(shù)值，先計算出氣體濃度信息變量D，以排除可能存在的光源波動和環(huán)境影響，再根據(jù)事先寫入的濃度計算模型采用查表法計算出對應(yīng)的濃度值Xm。然后根據(jù)溫度Tm計算出溫度補償系數(shù)K進(jìn)行溫度補償，得到補償后的氣體濃度Xt，此濃度即為被測SF6氣體的真實濃度值，將此數(shù)值對外輸出，其流程見附圖3。
權(quán)利要求1.一種吸入式SF6氣體泄漏監(jiān)測裝置，其特征在于:該裝置包括出氣口(I)、進(jìn)氣口(2)、紅外光源(3)、窗口片一(4)、窗口片二(5)、參比濾光片(6)、測量濾光片(7)、雙通道紅外探測器(8)、溫度探測器(9)、信號調(diào)理模塊(10)、A/D轉(zhuǎn)換模塊(11)、數(shù)據(jù)處理模塊(12)、光源驅(qū)動模塊(13)、裝置本體(14)、端蓋一(15)和端蓋二(16);內(nèi)部中空的裝置本體(14)形成一個氣室，氣室內(nèi)壁鍍金反射膜，其上設(shè)出氣口( I)和進(jìn)氣口(2)，裝置本體(14)兩端裝有窗口片一(4)及窗口片二(5),使氣室密封而不阻礙紅外光傳輸,氣室之中設(shè)置有溫度探測器(9)，窗口片一(4)的左側(cè)設(shè)有紅外光源(3)，通過端蓋一(15)固定并與裝置本體(14)相連，窗口片二(5)的右側(cè)設(shè)有雙通道紅外探測器(8)，雙通道紅外探測器(8)的兩個通道前面分別裝有參比濾光片(6)和測量濾光片(7)，從而使得雙通道紅外探測器(8)能輸出一個參比信號和一個測量信號，通過端蓋二(16)固定雙通道紅外探測器(8)并與裝置本體(14)連為一體，所述的針對SF6氣體泄漏監(jiān)測的參比濾光片(6)和測量濾光片(7)均為超窄帶干涉濾光片，在端蓋二( 16)外面設(shè)有電路板，電路板固定在端蓋二( 16)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種吸入式SF6氣體泄漏監(jiān)測裝置，其特征在于:電路板上包括信號調(diào)理模塊(10)，A/D轉(zhuǎn)換模塊(11)，數(shù)據(jù)處理模塊(12)和光源驅(qū)動模塊(13)，信號調(diào)理模塊(10)對參比信號和測量信號進(jìn)行放大和濾波，A/D轉(zhuǎn)換模塊(11)將模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)處理模塊(12)能夠接收的數(shù)字信號，數(shù)據(jù)處理模塊(12)根據(jù)接收到的數(shù)字信號計算出被測氣體的濃度并將此濃度對外輸出，光源驅(qū)動模塊(13)驅(qū)動紅外光源(3)發(fā)出穩(wěn)定的紅外光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種吸入式SF6氣體泄漏監(jiān)測裝置，其特征在于:參比濾光片(6)的中心波長為3.95 μ m±40nmm,半帶寬為90nm±20nm,測量濾光片(7)的中心波長為.10.55 μ m±80nm,半帶寬為 90nm±20nm。
專利摘要本實用新型提供一種吸入式SF6氣體泄漏監(jiān)測裝置，該裝置包括出氣口(1)、進(jìn)氣口(2)、紅外光源(3)、窗口片一(4)、窗口片二(5)、參比濾光片(6)、測量濾光片(7)、雙通道紅外探測器(8)、溫度探測器(9)、信號調(diào)理模塊(10)、A/D轉(zhuǎn)換模塊(11)、數(shù)據(jù)處理模塊(12)、光源驅(qū)動模塊(13)、裝置本體(14)、端蓋一(15)和端蓋二(16)。本實用新型帶有數(shù)字輸出、溫度補償功能、簡單可靠、靈敏度高的吸入式SF6氣體泄漏監(jiān)測方法及裝置該方法和裝置能對SF6泄漏進(jìn)行定量監(jiān)測并對外輸出高精度SF6泄漏濃度值，具有監(jiān)測精度高、穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧等優(yōu)點。
文檔編號G01N21/35GK202916062SQ20122063159
公開日2013年5月1日 申請日期2012年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月26日
發(fā)明者趙建華, 陳迎春 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)