氣體密度控制器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一體式SF6氣體密度控制器，其主要由機(jī)組、機(jī)芯、儀表度盤(pán)及外殼、彈簧管、補(bǔ)償元件、引壓元件、壓力傳感器、溫度傳感器、放大及補(bǔ)償電路、V/I轉(zhuǎn)換電路、微處理器(單片機(jī))、E2PROM組成，并聯(lián)的機(jī)組、壓力傳感器、和溫度傳感器，機(jī)組依次與溫度補(bǔ)償電路、度盤(pán)指示連接；壓力傳感器通過(guò)運(yùn)算放大和A/D轉(zhuǎn)換電路后接入微處理器，溫度傳感器接入微處理器；微處理器通過(guò)D/A和V/I轉(zhuǎn)換電路輸出4-20mA電流信號(hào)；微處理器根據(jù)壓力、溫度信號(hào)利用E2PROM內(nèi)的壓力—溫度綜合補(bǔ)償獲取該溫度下輸出信號(hào)的補(bǔ)償值，輸入放大及補(bǔ)償電路，并通過(guò)RS485接口電路直接輸出補(bǔ)償后壓力、補(bǔ)償前壓力及溫度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一體式SF6氣體密度控制器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于智能儀器儀表制造【技術(shù)領(lǐng)域】，為機(jī)電一體化型產(chǎn)品。產(chǎn)品主要采用了 傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)，特定溫度補(bǔ)償技術(shù)，使得該產(chǎn)品成為一款功能新穎、完善的復(fù)合 型產(chǎn)品。該產(chǎn)品除可以現(xiàn)場(chǎng)指示外還可輸出三種信號(hào)：開(kāi)關(guān)控制信號(hào)、兩線(xiàn)制4?20mA標(biāo) 準(zhǔn)電流信號(hào)和RS485數(shù)字量信號(hào)。產(chǎn)品主要應(yīng)用于智能變電站中SF6高壓電器設(shè)備（如斷 路器、互感器、組合電器等）運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)指示、控制及遠(yuǎn)程在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。

【背景技術(shù)】
[0002] SF6氣體作為絕緣滅弧介質(zhì)現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)中較高電壓等級(jí)變電站所運(yùn)行的 高壓電器設(shè)備（如斷路器、互感器、組合電器等）中。在高壓設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，若是由于SF6 氣體泄漏導(dǎo)致SF6氣體密度降低，從而使得分、合閘操作產(chǎn)生電弧，這將嚴(yán)重影響該設(shè)備的 運(yùn)行安全。因此對(duì)運(yùn)行設(shè)備中的氣體密度進(jìn)行監(jiān)測(cè)非常重要。
[0003] 目前高壓電器設(shè)備氣室內(nèi)的SF6氣體密度主要依靠密度繼電器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。它可通 過(guò)度盤(pán)來(lái)指示20°C環(huán)境溫度下的壓力。按照指針的不同位置觸發(fā)報(bào)警、閉鎖信號(hào)。
[0004] 密度繼電器的工作原理為：彈簧管將感應(yīng)到的SF6氣體壓力轉(zhuǎn)換為管端線(xiàn)位移， 感知壓力越大管端線(xiàn)位移就越大，而該位移將通過(guò)熱敏雙金屬溫度補(bǔ)償元件傳遞給齒輪傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將位移放大并轉(zhuǎn)換成角位移，帶動(dòng)指針旋轉(zhuǎn)，從而完成壓力指示。熱 敏雙金屬溫度補(bǔ)償元件做為重要元件，能夠隨環(huán)境溫度變化產(chǎn)生熱脹冷縮，在傳遞管端位 移時(shí)正好消除環(huán)境溫度引起的設(shè)備氣室壓力變化在儀表彈簧管管端所產(chǎn)生的位移，從而達(dá) 到溫度補(bǔ)償作用，使儀表指示的壓力值及接點(diǎn)輸出的報(bào)警、閉鎖壓力值始終為設(shè)備氣室內(nèi) 20°C時(shí)的壓力。
[0005] 雖然機(jī)械式密度繼電器能夠通過(guò)指針?lè)绞街甘驹O(shè)備氣室內(nèi)的氣體密度（即20°C 時(shí)的氣體壓力），并當(dāng)氣體發(fā)生泄漏而導(dǎo)致密度下降時(shí)也能發(fā)出報(bào)警及閉鎖開(kāi)關(guān)量信號(hào)，但 這些功能僅僅能夠滿(mǎn)足在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控的需要，并不具有信號(hào)遠(yuǎn)傳 和與計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行通信等功能，這正是該產(chǎn)品的局限所在。
[0006] 而對(duì)于SF6氣體密度變送器來(lái)說(shuō)，其只具有信號(hào)遠(yuǎn)傳和與計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行通 信等功能，而無(wú)現(xiàn)場(chǎng)指示監(jiān)控功能，為一些現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)工作帶來(lái)了麻煩，工作人員無(wú)法直觀 了解當(dāng)前設(shè)備的狀態(tài)。
[0007] 目前，國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施的智能電網(wǎng)工程要求對(duì)變電站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)進(jìn) 行遠(yuǎn)程在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，這就要求密度儀表具有信號(hào)遠(yuǎn)傳和與計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行通信等功 能；同時(shí)，為了方便現(xiàn)場(chǎng)工作人員的維護(hù)工作?？捎糜诂F(xiàn)場(chǎng)指示的密度儀表也是必不可少 的。一體式產(chǎn)品能夠同時(shí)消除以上兩種產(chǎn)品的弊端，且在成本控制、安裝與維護(hù)等方面為客 戶(hù)提供了良好的經(jīng)濟(jì)效益。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明目的是設(shè)計(jì)一種一體式SF6氣體密度控制器，以降低成本，便于維護(hù)。
[0009] -體式SF6氣體密度控制器，其主要由機(jī)組、機(jī)芯、儀表度盤(pán)及外殼、彈簧管、補(bǔ) 償元件、引壓元件、壓力傳感器、溫度傳感器、放大及補(bǔ)償電路、V/I轉(zhuǎn)換電路、微處理器、 E2PROM組成，并聯(lián)的機(jī)組、壓力傳感器、和溫度傳感器，機(jī)組依次與溫度補(bǔ)償電路、度盤(pán)指示 連接；壓力傳感器通過(guò)運(yùn)算放大和A/D轉(zhuǎn)換電路后接入微處理器，溫度傳感器接入微處理 器；微處理器通過(guò)D/A和V/I轉(zhuǎn)換電路輸出4-20mA電流信號(hào)；微處理器根據(jù)壓力、溫度信號(hào) 利用E2PROM內(nèi)的壓力一溫度綜合補(bǔ)償獲取該溫度下輸出信號(hào)的補(bǔ)償值，輸入放大及補(bǔ)償電 路，并通過(guò)RS485接口電路直接輸出補(bǔ)償后壓力、補(bǔ)償前壓力及溫度。
[0010] 機(jī)組、機(jī)芯、彈簧管、度盤(pán)、補(bǔ)償元件裝配控制器的機(jī)械部分并進(jìn)行調(diào)校，引壓元件 為U形結(jié)構(gòu)通過(guò)氬弧焊焊接技術(shù)從機(jī)組下端將壓力引至壓力傳感器端；壓力測(cè)量采用小型 硅壓阻壓力傳感器充油隔離芯體，該芯體被放置于焊接好的傳感器殼內(nèi)，采用端面、側(cè)面兩 道0形密封圈密封，配合壓緊螺母將芯體固定于傳感器殼內(nèi)，溫度測(cè)量采用溫度傳感器置 于溫度傳感器殼的腔體內(nèi)，電路板用螺釘固定在其支座上，用軟導(dǎo)線(xiàn)與壓力傳感器、溫度傳 感器、連接器連接，連接器通過(guò)螺釘固定于傳感器外殼上。
[0011] 本發(fā)明在密度繼電器的基礎(chǔ)上，通過(guò)結(jié)構(gòu)的再設(shè)計(jì)，將負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理的變送印制 板固定于其后，使之成為一體式產(chǎn)品。該產(chǎn)品依舊沿用了硅壓阻壓力傳感器與溫度傳感器， 分別用于測(cè)量SF6氣體的壓力和溫度參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電信號(hào)，經(jīng)過(guò)電路處理后送往 單片機(jī)做進(jìn)一步處理。針對(duì)壓力源的設(shè)計(jì)，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一套兩端全焊接的引壓元件，在保證 滿(mǎn)足高漏率要求的同時(shí)也保證了壓力源的同一性，加之對(duì)溫度補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化，使得機(jī)械表示 數(shù)與變送信號(hào)輸出更趨于一致，減少不必要的誤差。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1為本發(fā)明一體式SF6氣體密度控制器原理框圖，
[0013] 圖2為本發(fā)明一體式SF6氣體密度控制器溫度特性曲線(xiàn)及補(bǔ)償特性曲線(xiàn)示意圖，
[0014] 圖3-6為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015] 圖號(hào)說(shuō)明：1-機(jī)組、2-墊圈螺釘、3-墊圈、4-接點(diǎn)組、5-螺釘、6-罩殼、7-鋼化 玻璃、8-指針組件、9-度盤(pán)、10-鋼化玻璃密封圈、11-支撐圈、12-密度控制器固定螺釘、 13-密封控制器密封圈、14-接線(xiàn)盒、15-標(biāo)簽、16-堵頭、17-傳感器蓋、18-傳感器蓋密封 圈、19-硅壓阻壓力充油芯體、20-電路板蓋、21-電路板、22-螺母、23-密度控制器、24-接 頭。

【具體實(shí)施方式】
[0016] 如圖1-6所示，一體式SF6氣體密度控制器主要由機(jī)組、機(jī)芯、儀表度盤(pán)及外殼、彈 簧管、補(bǔ)償元件、引壓元件、壓力傳感器、溫度傳感器、放大及補(bǔ)償電路、V/I轉(zhuǎn)換電路、微處 理器（單片機(jī)）、E2PROM(內(nèi)含溫度補(bǔ)償程序）等組成。機(jī)組、機(jī)芯、儀表度盤(pán)、外殼、彈簧 管、補(bǔ)償元件等組成控制器的機(jī)械部分，用于示數(shù)指示及控制信號(hào)輸出；壓力傳感器及溫度 傳感器分別用于檢測(cè)SF6高壓電器設(shè)備內(nèi)氣體的壓力和溫度，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào) 送往單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)壓力、溫度信號(hào)利用E2PROM內(nèi)的壓力一溫度綜合補(bǔ)償軟件獲取該 溫度下輸出信號(hào)的補(bǔ)償值，放大及補(bǔ)償電路接到單片機(jī)的補(bǔ)償指令及補(bǔ)償數(shù)據(jù)后對(duì)壓力傳 感器的輸出信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的溫度補(bǔ)償，并將補(bǔ)償后的結(jié)果通過(guò)RS485接口電路直接輸出補(bǔ) 償后壓力、補(bǔ)償前壓力及溫度。補(bǔ)償后的結(jié)果也可通過(guò)D/A、V/I電路轉(zhuǎn)換成與20°C條件下 氣體壓力值相對(duì)應(yīng)的4?20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。用戶(hù)通過(guò)采集器將信號(hào)采集并與計(jì)算機(jī) 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。數(shù)據(jù)/控制中心通過(guò)網(wǎng)絡(luò)及現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)隨時(shí)監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)各臺(tái)設(shè)備 的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)，了解設(shè)備SF6氣體的泄漏情況，以便合理安排設(shè)備的維修保養(yǎng)周期，從 而使變電站無(wú)人值守將成為現(xiàn)實(shí)。
[0017] 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案的核心是機(jī)電一體相結(jié)合的新型元件設(shè)計(jì)及單片機(jī)溫度補(bǔ)償軟 件的修正算法設(shè)計(jì)。
[0018] 一方面，由于壓力傳感器需要與機(jī)械部分感應(yīng)同源壓力，而用戶(hù)普遍對(duì)于SF6氣體 的漏率要求（lXl〇iPa*m3/s)較高，因此要在保證漏率要求的基礎(chǔ)上，保證壓力的正常引 導(dǎo)而不至于壓力衰減，需設(shè)計(jì)相應(yīng)的引壓元件及編制相關(guān)加工工藝。
[0019] 另一方面，由于SF6氣體屬于非理想氣體，因此其壓力一溫度特性不符合理想氣體 狀態(tài)方程。目前市場(chǎng)上的其它的SF6氣體密度控制器溫度補(bǔ)償軟件的算法設(shè)計(jì)依據(jù)大多采 用Beattie-Bridgman公式
[0020] P= 56. 2(1+B)yT-Ay2
[0021] 其中A= 74. 9(1-0. 727XI(T3Y)
[0022] B= 2. 51XKT3Y(1-0. 846XKT3Y)
[0023] 由于這是一個(gè)近似公式，式中氣體壓力與溫度呈線(xiàn)性關(guān)系，但是實(shí)際上SF6氣體的 壓力一溫度特性存在著不同程度的非線(xiàn)性，因此以此公式作為溫度補(bǔ)償軟件的算法設(shè)計(jì)依 據(jù)時(shí)溫度補(bǔ)償精度會(huì)產(chǎn)生一定偏差，另外，溫度補(bǔ)償也無(wú)法包括壓力傳感器本身的溫度誤 差。因此本發(fā)明在單片機(jī)溫度綜合補(bǔ)償軟件的算法設(shè)計(jì)時(shí)將SF6氣體壓力一溫度特性和 傳感器溫度誤差綜合考慮，用專(zhuān)用試驗(yàn)裝置模擬現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境、條件，測(cè)試每只控制器的壓 力一溫度特性，并將各個(gè)控制器在基準(zhǔn)溫度20°C、低溫_20°C和高溫60°C時(shí)的壓力、溫度參 數(shù)存儲(chǔ)于各自的單片機(jī)數(shù)據(jù)單元中作為溫度補(bǔ)償依據(jù)，從而達(dá)到了控制器在低溫_2〇°C和 高溫60°C兩個(gè)溫度點(diǎn)的全補(bǔ)償效果。當(dāng)控制器工作在低于基準(zhǔn)溫度20°C的低溫區(qū)時(shí)，控制 器輸出壓力信號(hào)補(bǔ)償量在算法中用下式計(jì)算
[0024]

【權(quán)利要求】
1. 一體式SF6氣體密度控制器，其特征是主要由機(jī)組、機(jī)芯、儀表度盤(pán)及外殼、彈簧管、 補(bǔ)償元件、引壓元件、壓力傳感器、溫度傳感器、放大及補(bǔ)償電路、V/I轉(zhuǎn)換電路、微處理器、 E2PROM組成，并聯(lián)的機(jī)組、壓力傳感器、和溫度傳感器，機(jī)組依次與溫度補(bǔ)償電路、度盤(pán)指示 連接；壓力傳感器通過(guò)運(yùn)算放大和A/D轉(zhuǎn)換電路后接入微處理器，溫度傳感器接入微處理 器；微處理器通過(guò)D/A和V/I轉(zhuǎn)換電路輸出4-20mA電流信號(hào)；微處理器根據(jù)壓力、溫度信號(hào) 利用E 2PROM內(nèi)的壓力一溫度綜合補(bǔ)償獲取該溫度下輸出信號(hào)的補(bǔ)償值，輸入放大及補(bǔ)償電 路，并通過(guò)RS485接口電路直接輸出補(bǔ)償后壓力、補(bǔ)償前壓力及溫度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一體式SF6氣體密度控制器，其特征是機(jī)組、機(jī)芯、彈簧管、度 盤(pán)、補(bǔ)償元件裝配控制器的機(jī)械部分并進(jìn)行調(diào)校，引壓元件為U形結(jié)構(gòu)通過(guò)氬弧焊焊接技 術(shù)從機(jī)組下端將壓力引至壓力傳感器端；壓力測(cè)量采用小型硅壓阻壓力傳感器充油隔離芯 體，該芯體被放置于焊接好的傳感器殼內(nèi)，采用端面、側(cè)面兩道0形密封圈密封，配合壓緊 螺母將芯體固定于傳感器殼內(nèi)，溫度測(cè)量采用溫度傳感器置于溫度傳感器殼的腔體內(nèi)，電 路板用螺釘固定在其支座上，用軟導(dǎo)線(xiàn)與壓力傳感器、溫度傳感器、連接器連接，連接器通 過(guò)螺釘固定于傳感器外殼上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一體式SF6氣體密度控制器，其特征是用于測(cè)量SF6氣體壓 力的壓力傳感器感壓腔體采用多道密封措施。
【文檔編號(hào)】G05D11/13GK104317319SQ201410546636
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月15日
【發(fā)明者】晁超, 范聯(lián)科, 張少平 申請(qǐng)人:秦川機(jī)床集團(tuán)寶雞儀表有限公司