CN100334444C - 测量六氟化硫气体浓度的变送器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量六氟化硫气体浓度的变送器及其测量方法。该变速器具有超声波检测装置、单片机和环境参数采集电路。超声波检测装置具有波形发生器、放大隔离电路、采样装置、参照装置、隔离放大整形电路、比较及测量滤波器、分频器和晶振电路。环境参数采集电路具有温度采集电路。使用时，单片机根据相应的程序算式以超声波检测装置测得的超声测量信号和环境参数采集电路测得的温度信号为变量而算出六氟化硫气体浓度。本发明的变送器结构简单、使用安全，能在现场进行实时测量，可对低浓度六氟化硫进行实时测量且精度较高。

Description

测量六氟化硫气体浓度的变送器及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量六氟化硫气体浓度的变送器及测量六氟化硫气体浓度的方法。

背景技术

六氟化硫(SF₆)是具有卓越的电绝缘性和灭弧特性的气体。在电力工业中，六氟化硫广泛应用于电气设备中，如电源开关、封闭式电容器组、变压器等，这些含有六氟化硫的电气设备在运行的过程中，有时会出现六氟化硫气体的泄漏。因为六氟化硫气体比重比空气大，泄漏后聚集在房间中的而使低层空间缺氧，会使人窒息；被电弧电击过的六氟化硫气体还会产生有毒有害的分解物，并对设备造成腐蚀。针对六氟化硫电气设备现场环境对人类健康的威胁，有关法律法规规定必须在相应的配电装置室中安装监控和超标报警系统。

从物理性质上看，六氟化硫常态下是一种无色、无味、无毒的不易燃气体，比重约为空气的5倍。从化学性质上看，其化学成分稳定，具有极好的热稳定性。因此若采用化学传感器检测六氟化硫气体浓度则不像检测氧气或者二氧化碳气体那样容易。目前已被采用的一些测量六氟化硫气体浓度的方法多为物理方法，如：气相色谱法、导热系数法、电子漂移法、光干涉法、超声波测量法等。前面的4种方法不仅需要昂贵的仪器设备，而且要求操作者具有相当高的操作水平，因此推广普及相当困难。超声波测量法则具有设备成本较低、操作简单的优点。采用超声波测量法测量二元混合气体的原理是：因为在样品气中传播的超声波速度可以表示为样品气体的平均分子量和温度的函数，而若样品气体为二元混合气体时，只要测定出样品气中的超声波传播速度与样品气的温度，就可以求得样品气的平均分子量，进而可以由此计算出样品气中任一种气体的浓度。

二元混合气体在常温常压下可以看作是理想气体，超声波是以很高速度作小振幅振动在气体中传播，其过程可以看作是绝热过程。理想气体中声速可以表示为：

c＝(γRT/M)^1/2  (1)，

其中，R＝8.31J·Mol^-l·K^-1是气体常数，T是绝对气体温度，γ是气体定压比热与定容比热的比值，M是一摩尔气体的质量。对于二元混合气体，

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}=\frac{{\mathrm{nC}}_{\mathrm{va}}+(1-n)C_{\mathrm{vb}}}{{\mathrm{nC}}_{\mathrm{Pa}}+(1-n)C_{\mathrm{Pb}}},$ $\stackrel{\‾}{M}={\mathrm{nM}}_a+(1-n)M_b,$

a、b分别代表目标气体和背景气体，n是气体a的浓度，1-n是气体b的浓度，C_va和C_vb分别是气体a、b的定容比热，C_pa和C_pb分别是气体a、b的定压比热，并且有C_vi＝C_pi-R₀，i代表a、b。

两路发射信号同相位，则两路接收信号相位差θ为：

C₁是一定浓度a与b混合气体中声速，C₂是单一b气体中声速，f为声脉冲频率。把式(1)带入(2)中，并令L为1可得：

1988出版的“Nuclear Instruments and Methods in Physics Research”(核装置及其方法在物理学领域内的研究)第219页至234页刊登了美国斯坦福大学的G.Hallewell等发表的“A Sonar-Based Technique for the Ration-metric Determination of Binary GasMixtures”(基于声纳技术的二元混合气体的定量检测技术)一文、1993年出版的“Sensorsand Actuators”传感器和激励器)第413页至419页刊登了Joos R.N等发表的“AnUltrasonic Sensor for the Analysis of Binary Gas Mixtures”(一种检测二元混合气体的超声波传感器)以及1995年出版的《声学技术》第105页至108页刊登了同济大学的阎玉舜、陈亦鹃、汤建明发表的“超声分析二元混合气体浓度的理论及应用”，上述3个文献均公开了一种采用超声波脉冲时间间隔法测量混合气体浓度的方法，其方法是：第一、在待测混合气中设置一对固定距离的超声换能器，从一个换能器向另一个换能器发射超声波脉冲，测量超声波脉冲传播的时间，进而计算出超声波在待测气体中的传播速度；第二、测量环境温度，第三、根据超声波速度、环境温度与气体介质混合比例三者之间的函数关系推算出气体的浓度。该方法的不足之处在于：测量精度不够高，不能满足检测低浓度SF₆气体的要求。

中国专利申请02800155.9公开了一种“利用超声波测定样品气体中的氧气浓度和该样品气的流量的装置及方法”，在进行气体浓度的测量时，先后在同一通道内输入校准气体与样品气体而依次测得超声波在校准气体与样品气体的传播速度，然后根据与声速有关的计算式计算出样品气体的浓度值；但是这种测量方法的效率较低，且不能实时测量，在工业应用中难以推广普及；同时，其测量精度还不够高，不能满足检测低浓度气体如低浓度的六氟化硫的要求。中国专利申请03112800.9公开了一种“差分法超声气体微量变化测定及控制评估系统”，该申请采用两个通道，一个通道在现场密封，它接触到的是尚未变化的气体，另一通道不密封，微变气体在此使声速产生微变。工作时，两通道温度相同，温度响应亦相同，通过差分电路后两路信号相减，最后输出反应气体含量变化的信息。但是该申请指出它所采用的锁相环路具有独特而精密的跟踪性能及技术复杂性，而该申请对该独特精密的跟踪性及技术复杂性又未加以说明，所以本领域的普通技术人员无法实施。中国专利申请200320100440.1公开了“一种用于变电站高压电器中检测六氟化硫气体的装置”，该申请采用一个气体吸入装置不断抽入环境中的气体，使之进入声波比较器，声波比较器的输出讯号进入讯号处理器，讯号处理器再算出六氟化硫气体浓度。在该申请中只有一个气体吸入装置，但没有公开声波比较器中比较的是哪些气体或声波比较器比较的是什么，也没有公开声波发生装置和接收装置，也没有公开讯号处理器处理什么讯号和实现该申请的电路原理图等一系列问题，故而对于本领域的普通技术人员根本无法实施该申请的方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、安全，可对低浓度六氟化硫进行实时测量且精度较高的测量六氟化硫气体浓度的变送器和测量六氟化硫气体浓度的方法。

实现本发明目的中的提供一种测量六氟化硫气体浓度的变送器所采用的技术方案是，该变送器具有超声波检测装置，超声波检测装置具有采样装置和参照装置；采样装置和参照装置内部的作为发射端的一端均设有发射超声波的超声波换能器，作为接收端的另一端均设有接收超声波的超声波换能器；其特征在于：还具有单片机和环境参数采集电路；超声波检测装置还具有波形发生器、放大隔离电路、隔离放大整形电路、比较及测量滤波器、分频器和晶振电路；晶振电路的晶振信号输出端接分频器；分频器具有两个输出端，分别是使用时可输出第一频率f₁的第一频率输出端和使用时可输出第二频率f₂的第二频率输出端，所述的第一频率f₁在超声波的频率范围内，所述的第二频率f₂是第一频率f₁的50至300倍；分频器的第一频率输出端接波形发生器的输入端，其第二频率输出端接比较及测量滤波器的频率信号输入端；波形发生器的输出端接放大隔离电路，放大隔离电路的输出端同时与采样装置和参照装置的发射端处的超声波换能器的电源端电连接，采样装置和参照装置的接收端处的超声波换能器的输出端各自与相应的隔离放大整形电路的输入端电连接；各隔离放大整形电路的输出端与比较及测量滤波器的2个超声测量信号的相应输入端电连接，比较及测量滤波器的超声测量信号数据及控制端与单片机的超声测量信号数据及控制端双向电连接；环境参数采集电路具有温度采集电路；温度采集电路的温度信号输出端与模数转换电路的温度信号输入端电相连，模数转换电路的数据及控制端与单片机的第一环境参数数据及控制端双向电相连；单片机在使用时根据相应的算式以超声测量信号和温度信号为变量而可计算出六氟化硫气体浓度。

上述技术方案中，采样装置的发射超声波的换能器与接收超声波的换能器之间的距离相等于参照装置的发射超声波的换能器与接收超声波的换能器之间的距离；参照装置和采样装置均是一个外壳为管形且通过设置在管形外壳上的2至6个微孔与外部空气相通的装置；参照装置和采样装置的发射超声波的超声波换能器分别设置在相应的管形外壳内部的一端，参照装置和采样装置的接收超声波的超声波换能器分别设置在相应的管形外壳内部的另一端。

上述技术方案中，参照装置在采样装置正上方2米至5米处。

上述技术方案中，环境参数采集电路还具有含氧量采集电路和湿度采集电路，含氧量采集电路的含氧量信号输出端与模数转换电路的含氧量信号输入端相连，湿度采集电路的湿度信号输出端与单片机的湿度信号输入端相连；单片机还具有控制信号输出端，该控制信号输出端是使用时在六氟化硫气体浓度值超标或湿度值超标或氧气含量值不达标的情况下，可输出风机启动控制信号和/或报警控制信号的端口；本变送器还具有RS-485串口电路，单片机的串行数据及控制端与RS-485串口电路的串行数据及控制端双向电连接。

上述技术方案中，比较及测量滤波器具有窗口比较器、数字相位计算器和数字滤波器；窗口比较器的2个输入端即为比较及测量滤波器的2个超声测量信号输入端，窗口比较器的输出端接数字相位计算器的超声测量信号输入端，数字相位计算器的输出端接数字滤波器的输入端，数字滤波器的超声测量信号数据及控制端即为比较及测量滤波器的超声测量信号数据及控制端。

上述技术方案中，分频器、波形发生器和比较及测量滤波器设置在一块复杂可编程逻辑器件CPLD内。

实现本发明目的中的一种测量六氟化硫气体浓度的变送器，其所采用的方法具有以下步骤：①变送器开机后正常工作时，超声波检测装置的晶振电路将晶振信号输至分频器，温度采集电路则将采集的有关环境气体温度值的信号经模数转换器进行模数转换后输送至单片机、而由单片机存储在相应的寄存器内；②分频器对输入的晶振信号进行分频后，输出第一频率的电信号至波形发生器，同时输出第二频率的电信号至比较及测量滤波器；波形发生器对第一频率的电信号进行处理后产生超声波频段内的电信号，该电信号经放大隔离电路放大隔离后一路输至采样装置，另一路输至参照装置，采样装置的发射端处的超声波换能器和参照装置的发射端处的超声波换能器同时产生相同频率的超声波；③采样装置和参照装置的接收端处的超声波换能器接收相应的超声波信号，并相应地产生一对电信号；这对电信号经各自的隔离放大整形电路隔离放大整形后输至比较及测量滤波器中；④比较及测量滤波器一方面将分频器输送来的第二频率的电信号作为测量基准信号，另一方面将隔离放大整形电路输送来的两路信号进行相位比较、根据测量基准信号进行相位差θ的计算、再进行数字滤波，最后得到一个精确的有关超声波的相位差θ的信号；比较及测量滤波器将上述相位差θ的信号传输至单片机的超声测量信号数据及控制端；单片机将该相位差θ的信号存储在单片机中相应的寄存器内；⑤单片机根据其寄存器中的上述相位差θ的信号和上述环境温度值的信号进行计算，得出六氟化硫气体的浓度值；⑥单片机对上述计算出的六氟化硫气体浓度值进行判断，若六氟化硫气体浓度值超过预设的超标浓度值时，则单片机输出控制信号和/或报警信号。

根据上述测量六氟化硫气体浓度的方法，变速器的环境参数采集电路还具有含氧量采集电路和湿度采集电路，含氧量采集电路的含氧量信号输出端与模数转换电路的含氧量信号输入端相连，湿度采集电路的湿度信号输出端与单片机的湿度信号输入端相连；单片机还具有控制信号输出端，该控制信号输出端是使用时在六氟化硫气体浓度值超标或湿度值超标或氧气含量值不达标的情况下，可输出风机启动控制信号和/或报警控制信号的端口；步骤①中，环境参数采集电路的湿度采集电路将采集到的湿度信息以频率信号的形式输送至单片机的湿度信号输入端，单片机对其进行频率计算后得出湿度值，之后单片机将上述湿度值的数据存储在单片机中相应的寄存器内；与此同时，含氧量采集电路将采集的有关环境中的氧气含量值的模拟信号经模数转换器进行模数转换后输送至单片机的第一环境参数信号输入端，单片机将上述数据存储在单片机中相应的寄存器内；步骤①中，单片机还对上述环境气体湿度值和氧气含量值进行判断，若湿度值超标或氧气含量值不达标，则单片机输出控制信号和/或报警信号。

根据上述测量六氟化硫气体浓度的方法，变速器的超声波检测装置的比较及测量滤波器具有窗口比较器、数字相位计算器和数字滤波器；窗口比较器的2个输入端即为比较及测量滤波器的2个超声测量信号输入端，窗口比较器的输出端接数字相位计算器的超声测量信号输入端，数字相位计算器的输出端接数字滤波器的超声测量信号数据及控制端，数字滤波器的输出端即为比较及测量滤波器的超声测量信号数据及控制端；步骤④中，比较及测量滤波器由窗口比较器同时对来自参照装置的接收端处的超声波换能器所接收到的信号的上升沿和对来自采样装置的接收端处的超声波换能器所接收到的信号的波形的下一个上升沿或下降沿所到达的先后时间进行比较，从而得到一个持续时间为Δl高电平信号；数字相位测量器以来自分频器的第二频率输出端的频率信号f₂作为测量基准信号对所述Δl进行计算，得出Δl所对应的相位差Δθ(0≤Δθ＜π)；当没有六氟化硫气体泄漏时，即六氟化硫气体浓度为0％，则Δl＝0，Δθ＝0；若六氟化硫气体有泄漏，且随着泄漏的六氟化硫气体浓度的增加，超声波在采样装置中的传播速度开始减小但其频率不变，而超声波在参照装置中的传播速度和频率均不变；所以所述Δl和Δθ也逐渐增大；若泄漏的六氟化硫气体浓度较大，当Δθ＝π弧度时，Δl跳变为0，数字相位计算器使Δθ由π弧度跳变至0弧度，同时程序内的计数变量n加1，n的初始值为0；而Δl和Δθ继续随着泄漏的六氟化硫气体浓度的增加而增大，当再次有Δθ＝π弧度时，Δθ即跳变为0弧度，同时数字相位计算器内的周期计数变量n再加1，以此类推；最后数字相位计算器根据公式θ＝πn+Δθ得到θ值。

本发明具有积极的效果：(1)本发明的变送器所采用的测量六氟化硫气体浓度的方法是相位差分法，并提供了具体的实施方式，本发明的变速器中无锁相环路，而是利用分频技术，由分频器输出两路不同频率的电脉冲，它们是第一频率电脉冲和第二频率电脉冲；第一路电脉冲的频率与超声波频率相对应，第二路电脉冲的频率是第一路电脉冲频率的数十倍至数百倍；第一路电脉冲又分成两路，一路使采样装置产生第一频率的超声波，另一路使参照装置同时产生第一频率的超声波，这两路超声波被相应的超声波换能器接收并转换成电信号后，分别经过隔离放大输至比较及测量滤波器进行相位比较；第二路电脉冲输至比较及测量滤波器后频率是第一路电脉冲频率的数十倍至数百倍，被比较及测量滤波器用以作为测量相位差的标准测量单位来进行相位差的测量，所得到的测量结果送至单片机，再由单片机根据该测量结果以及所接收的温度参数，按照相应的算式计算出六氟化硫的浓度，根据不同的浓度数值，单片机进行相应的输出。因此，本发明的变送器是一种可对现场的六氟化硫的浓度进行实时测量且精度较高的装置，且实用性较强。(2)因为本发明的检测采样取自声波的相位变化，因此不但测量微量气体浓度的精度高，同时测量气体浓度的动态范围大。按有关规定，当SF₆气体浓度达到1000PPM时，必须报警。而本发明的变送器精度可达50PPM，安全可靠。(3)本发明的变送器在工作中其超声信号的波形是占空比为1∶1的连续方波，选择这种波形的超声波可以杜绝驻波干扰，稳定性好。(3)当本发明可对比较及测量滤波器所输出的相位差的测量结果进行数字滤波处理，而可使测量精度得到提高。(4)本发明的变速器中的比较及测量滤波器、分频器和波形发生器可设置在一块复杂的可编程逻辑器件CPLD中，而把多种功能集于同一芯片，易于修改、扩展、在线实时测量、抗干扰能力强等优势。(5)本发明的变送器的自动化程度高，响应时间短，能在现场进行实时测量，还可在现场另外设置可受本发明的变速器控制的风机，从而在紧情况下可通过单片机控制风机启动，提高了安全性和可靠性。

附图说明

图1为本发明测量六氟化硫气体浓度的变送器的原理框图。

图2为图1中的单片机的程序流程框图。

图3为具有本发明变送器的基于RS-485网络的测量SF₆气体浓度的监控系统装置框图。

图4为图3中的主控制器呼叫变送器中的单片机的流程图。

图5为图3中的本发明的变送器响应主控制器串行中断的程序流程框图。

图6为图3中的主控制器接收变速器数据，响应键盘中断和上位机中断的程序流程框图。

图7为本发明的变送器中的环境参数采集电路中的温度采集电路、湿度采集电路、氧量采集电路、单片机及RS-485接口驱动电路的电路原理图。

图8为本发明的变送器中的超声波检测装置的电路原理图。

图9为图3中的主控制器、RS-485串口电路和RS-232串口电路的电路原理图。

具体实施方式

(实施例1、测量六氟化硫气体浓度的变送器)

见图1，本实施例的测量六氟化硫气体浓度的变送器具有单片机21、超声波检测装置22、环境参数采集电路23和RS-485串口电路24。

见图7，标号为U10的单片机21的型号为AT89C51，单片机U10是一种低功耗、高性能的CMOS 8位微型计算机，它带有8k可编程电擦写的只读存储器(EPROM)。单片机21的端口P00至P07、端口READ和端口WRITE即为其超声测量信号数据及控制端；单片机(21)的端口P10至P13即为其第一环境参数数据及控制端；单片机(21)的T1端即为湿度信号输入端；单片机U10的RXD端、TXD端、P23端和P27端即为其串行数据及控制端。U10的21脚是控制信号和/或报警信号输出端。

仍见图1，超声波检测装置22具有波形发生器22-1、放大隔离电路22-2、采样装置22-3、参照装置22-4、隔离放大整形电路22-5、比较及测量滤波器22-6、分频器22-7和晶振电路22-8。其中，分频器22-7、波形发生器22-1和比较及测量滤波器22-6设置在一块复杂可编程逻辑器件CPLD 22-10内。

比较及测量滤波器22-6具有窗口比较器22-6-1、数字相位计算器22-6-2和数字滤波器22-6-3；窗口比较器22-6-1的2个输入端即为比较及测量滤波器22-6的2个超声测量信号输入端，窗口比较器22-6-1的输出端接数字相位计算器22-6-2的超声测量信号输入端，数字相位计算器22-6-2的输出端接数字滤波器22-6-3的输入端，数字滤波器22-6-3的输出端即为比较及测量滤波器22-6的超声测量信号数据及控制端。

晶振电路22-8的晶振信号输出端接分频器22-7的晶振信号输入端即CPLD U13的9脚；分频器22-7具有两个输出端，分别是使用时可输出第一频率f₁的第一频率输出端和使用时可输出第二频率f₂的第二频率输出端，所述的第一频率f₁在超声波的频率范围内，所述的第二频率f₂是第一频率f₁的100倍(在其它实施例中可以是50倍、150倍、200倍、250倍或300倍)；分频器22-7的第一频率输出端接波形发生器22-1的输入端，其第二频率输出端接比较及测量滤波器22-6的频率信号输入端；波形发生器22-1的输出端即CPLD U13的9脚接放大隔离电路22-2的输入端。

CPLD(复杂可编程逻辑控制器)由完全可编程的与/或门阵列和宏单元构成。与/或阵列是可编程的，可以实现多种逻辑功能；不但可实现常规的逻辑器件功能，还可实现复杂的时序逻辑功能。宏单元则是可实现组合或时序逻辑的功能模块，同时还提供了真值或补码输出和以不同的路径反馈等额外的灵活性。把CPLD应用于嵌入式应用系统，同单片机结合起来，更能体现其在系统可编程、使用方便灵活的特点，提高了嵌入式应用系统的性能。CPLD与单片机相连，可以作为单片机的一个外设，实现单片机所要求的功能。在超声波相位比较中，由于超声波频率为40kHz，而在相位比较中相位差精度要求很高，用普通单片机为超声波的相位差进行采样是远远不够的，因此采用了具有丰富的可编程I/O引脚的可编程逻辑器件CPLD U13，CPLD U13采集超声测量信号并进行处理后，将处理后的信号输至单片机U10的超声信号输入端，实现了单片机功能的扩展。

见图8，CPLD U13的数据及控制端具有D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、READ和WRITE端，分别接单片机U10的D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、READ和WRITE端。发光二极管D3为电源指示灯。HEADER 6为符合JTAG标准的、用于在CPLD U13下载程序的接线头。

仍见图1，采样装置22-3和参照装置22-4内部的作为发射端的一端均设有发射超声波的超声波换能器即超声波发射换能器J6，作为接收端的另一端均设有接收超声波的超声波换能器即超声波接收换能器J7。采样装置22-3的发射超声波的换能器与接收超声波的换能器之间的距离相等于参照装置22-4的发射超声波的换能器与接收超声波的换能器之间的距离；参照装置22-4和采样装置22-3均是一个外壳为管形且通过设置在管形外壳上的4个直径为1毫米的孔与外部空气相通的装置(在其它实施例中，外壳上的孔可以是2个、3个、5个或6个，孔径可以是0.5毫米或1.5毫米)；参照装置22-4和采样装置22-3的发射超声波的超声波换能器J6分别设置在相应的管形外壳内部的一端，参照装置22-4和采样装置22-3的接收超声波的超声波换能器J7分别设置在相应的管形外壳内部的另一端。参照装置(22-4)在采样装置(22-3)正上方3米(在其它实施例中，可以是2米或4米或5米)处。

见图8，隔离放大电路22-2主要由三极管Q1、Q2、变压器T1、电阻R13、R14、R98、R99和电容C99、C16、C14组成。电容C14的一端与三极管Q2的基极相连，电容C14的另一端即为放大隔离电路22-2的输入端。变压器T1的输出端即为放大隔离电路22-2的输出端。

放大隔离电路22-2的输出端同时接采样装置22-3和参照装置22-4的发射端处的超声波换能器J6的电源端1脚和3脚，采样装置22-3和参照装置22-4的接收端处的超声波换能器J7的输出端1脚和3脚分别接隔离放大整形电路22-5中的隔离放大整形电路22-5-1和22-5-2的输入端。隔离放大整形电路22-5由运算放大器LM356、运算放大器NE5532、比较器LM393和隔直电容C17、C18、C19、C20、C100、C101组成。运算放大器LM356、运算放大器NE5532和比较器LM393是三个集成块。运算放大器LM356的3脚和5脚分别接隔直电容C100和C101的负极，隔直电容C100和C101的正极即为隔离放大整形电路22-5-1和22-5-2的输入端。运算放大器LM356的1脚串接电容C17、电阻R39后接运算放大器NE5532的2脚，运算放大器LM356的7脚串接电容C19、电阻R40后接运算放大器NE5532的6脚；运算放大器NE5532的1脚和7脚串接电容C18和C20后分别接比较器LM393的1脚和7脚。隔离放大整形电路22-5-1的输出端OBJ和22-5-2的输出端REF分别接比较及测量滤波器22-6的2个超声测量信号的相应输入端即CPLD U13的7脚和5脚。

环境参数采集电路23具有温度采集电路23-1、含氧量采集电路23-2、湿度采集电路23-3和模数转换电路23-4。

见图7，温度采集电路23-1由型号为LM35的湿度传感器U6、滤波电容C28和电阻R68组成。LM35湿度传感器U6为精密集成电路温度传感器，其输出端Vout的输出电压与摄氏温度值成线性比例关系。湿度传感器U6的1脚接+5V电源，3脚接地线，2脚为湿度信号输出端，滤波电容C28与电阻R68串连后串接在地线和湿度传感器U6的2脚之间。温度采集电路23-1的温度信号输出端U6的2脚接模数转换电路23-4的温度信号输入端U8的1脚。

含氧量采集电路23-2由型号为BNC的含氧量检测传感器P2、比较器NE5532、滤波电容C22、C1和电阻R49、R50、R51、R3组成。电阻R3和电容C1组成RC延迟回路，该RC延迟回路的一端接比较器NE5532的输出端1脚，该RC延迟回路的另一端串接电阻R49后接传感器P2的输出端，传感器P2的接地端接地线；电容C22和电阻R50组成RC延迟回路，该RC延迟回路的一端接地线，另一端接比较器NE5532的正向输入端，电阻R51接在比较器NE5532的正向输入端和+5V电源端之间。比较器NE5532的输出端1脚作为含氧量采集电路23-2的信号输出端接模数转换集成电路U8的模拟信号输入端2脚。

湿度采集电路23-3为一个555非稳态电路，也称为多谐振荡器，该555非稳态电路由型号为LM555H的555定时器U14、根据环境湿度而改变电容大小的型号为HS1100的相对湿度传感器C15和电阻R1、R2、R4、R11组成；其中，C15串接在555集成电路U14的TRIG端2脚和地线之间，555集成电路U14的TRIG端2脚和THR端6脚相连；湿度信号的输出Q端3脚串接电阻R11后接单片机U10的定时/计数器端T1端15脚。电阻R4串接在地线和555集成电路U14的5脚之间；电阻R1和R2串接后接在地线和555集成电路U14的+5V电源之间，电阻R1和R2的接点接555集成电路U14的7脚；555集成电路U14的4脚、8脚接+5V电源，555集成电路U14的1脚接地线。555集成电路U14的6脚THR端为阀值端，2脚TRIG端为触发端，555集成电路U14的7脚DIS端为放电端，是其内部的三极管的输出端，该三极管有导通和截至两种状态，该状态由输入端6脚的电压值决定。U14的4脚R端为复位端。U14的5脚CVolt端为控制电压端，可以用它来改变上下触发电平值。U14的3脚Q端为湿度采集电路23-3的湿度信号输出端，该输出端接单片机21的湿度信号输入端15脚；U14的3脚有暂稳态0和暂稳态1两种输出状态。上电后电源+5V经电阻R1、R2对电容C15进行充电，充电时间常数τ＝(R₁+R₂)C₁₅。充电时6脚端的电压开始上升，直至3.33V时，7脚导通而放电，使Q端输出由高电平的暂稳态1跳变为低电平的暂稳态0；6脚端的电压开始下降，直至1.67V时，7脚截至，使Q端输出由低电平的暂稳态0跳变为高电平的暂稳态1；无论Q端的输出为1还是为0，如此周而复始形成了2个暂稳态的相互转换，在输出端得到连续的方波信号输出。该方波的频率为：

$f=\frac{1.43}{(R_1+{2R}_2)C_{15}}$

由上述公式显然可知该输出频率由电容值可变的C15决定。所以Q端输出的频率信号代表湿度采集电路23-3所在环境的湿度信息。

模数转换电路23-4由型号为TLC2543的模数转换集成电路U8和参考稳压电路组成。参考稳压电路由三端稳压二极管TC431、电阻R31、R32、R35和滤波电容C9组成。电容C9的一端接地线，另一端即为参考稳压电路的输出端，该输出端接模数转换集成电路U8的REF+脚。U8的模拟信号的输入端3至9脚、11脚和12脚均接地。从上述模拟信号输入端1脚和2脚输入的模拟信号由其内部的多路器选通。负参考电压REF-端13脚和片选端15脚接地；上述模拟信号输入端1脚和2脚输入的最大的输入电压范围由加于REF+端与REF-端的电压差决定。电源VCC端20脚接+5V直流电源，GND端10脚接地；用于输出模数(A/D)转换结束信号的EOC端19脚接单片机U10的1脚；时钟控制输入端18脚接单片机U10的2脚。模数转换集成电路U8的17脚为4位串行地址数据输入端，从该端口输入的地址数据用于选择模数转换集成电路U8的模拟信号输入通道，模数转换集成电路U8的17脚接单片机U10的3脚，模数转换集成电路U8的16脚为4位串行数据输出端，模数转换集成电路U8的16脚接单片机U10的4脚。在CLOCK端的时钟下降沿，EOC端从高电平变为低电平时，模数转换集成电路U8开始模数转换，并保持到模数转换完成及数据准备开始传输为止；EOC端从低电平变为高电平时，数据传输开始；数据传输结束后，EOC端从高电平变为低电平，准备开始模数转换。

单片机U10的21脚为报警信号输出端，该信号输出端是在使用时在六氟化硫气体浓度值超标或湿度值超标或氧气含量值不达标的情况下，可输出风机启动控制信号和/或报警控制信号。

图7中的发光二极管D1为电源指示灯。

仍见图7，本实施例的变送器还具有RS-485串口电路24，RS-485串口24由型号为MAX485DS的RS-485串行通讯接口芯片U7、电阻R36和RS-485接头J4组成。电阻R36的两端分别接在芯片U7的6脚和7脚，同时电阻R36的两端分别接RS-485接头J4的输入端。单片机U10的串行数据及控制端接RS-485串口24的串行数据及控制端。单片机U10的串行数据及控制端为10脚、11脚、24脚和28脚，RS-485串口24的串行数据及控制端为芯片U7的1脚、4脚、3脚和2脚。

RS-485是美国电气工业联合会(EIA)制定的利用平衡双绞线作传输线的多点通讯标准。它采用差分信号进行传输；最大传输距离可以达到1.2km；最大可连接32个驱动器和收发器；接收器最小灵敏度可达±200mV；最大传输速率可达2.5Mb/s。由此可见，RS-485协议正是针对远距离、高灵敏度、多点通讯制定的标准。MAX485DS接口芯片是Maxim公司的一种RS-485芯片。该芯片采用单一电源+5V工作，额定电流为300μA，并采用半双工通讯方式。该芯片具有将单片机U10的RXD端和TXD端输出的串行数据的TTL电平转换为RS-485数据串行信号所需电平的功能。TTL电平的逻辑“1”和逻辑“0”分别对应的电平为2.4V和0.4V。MAX485DS芯片内部含有一个驱动器和接收器。RO端和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机U10连接时只需分别与单片机U10的RXD端和TXD端相连即可；分别与单片机U10的P27端和P23端相连的RE端和DE端分别为RS-485串行通讯接口芯片U7的接收和发送的使能端，由于采用半双工通讯方式，所以当RE端为逻辑“1”、DE端为逻辑“0”时，该器件处于接收状态；当RE端为逻辑“0”、DE端为逻辑“1”时，该器件处于发送状态；其A端和B端分别为接收数据和发送数据的差分信号端，当A端的电平高于B端时，代表发送的数据为1；当A端的电平低于B端时，代表发送的数据为0。数据传输时，数据格式依次为：1位起始位，8位数据位，1位停止位。其中无奇偶校验位，通信错误检测通过累加和校验的方法实现。在A端和B端之间的电阻R36为匹配电阻，一般可选100Ω的电阻。

(实施例2、变送器测量六氟化硫气体浓度的方法)

见图1、图2、图7及图8，本实施例所采用的变送器由实施例1得到，并在变速器的单片机中设置相应的程序，该变速器工作时，测量六氟化硫气体浓度的方法具有以下步骤：①变送器开机后正常工作时，超声波检测装置22的晶振电路22-8将晶振信号输至分频器22-7，温度采集电路23-1则将采集的有关环境气体温度值的信号经模数转换器23-4进行模数转换后输送至单片机21、而由单片机21存储在相应的寄存器内；环境参数采集电路23的湿度采集电路23-3将采集到的湿度信息以频率信号的形式输送至单片机21的湿度信号输入端，单片机21对其进行频率计算后得出湿度值，之后单片机21将上述湿度值的数据存储在单片机21中相应的寄存器内；与此同时，含氧量采集电路23-2将采集的有关环境中的氧气含量值的模拟信号经模数转换器23-4进行模数转换后输送至单片机21的第一环境参数信号输入端，单片机21将上述数据存储在单片机21中相应的寄存器内。单片机21还对上述环境气体湿度值和氧气含量值进行判断，若湿度值超标或氧气含量值不达标，则单片机21输出控制信号和/或报警信号。

②分频器22-7对输入的晶振信号进行分频后，输出第一频率的电信号至波形发生器22-1，同时输出第二频率的电信号至比较及测量滤波器22-6；波形发生器22-1对第一频率的电信号进行处理后产生超声波频段内的电信号，该电信号经放大隔离电路22-2放大隔离后一路输至采样装置22-3，另一路输至参照装置22-4，采样装置22-3的发射端处的超声波换能器和参照装置22-4的发射端处的超声波换能器同时产生相同频率的超声波。

③采样装置22-3和参照装置22-4的接收端处的超声波换能器接收相应的超声波信号，并相应地产生一对电信号；这对电信号经各自的隔离放大整形电路22-5隔离放大整形后输至比较及测量滤波器22-6中。

④比较及测量滤波器22-6一方面将分频器22-7输送来的第二频率的电信号作为测量基准信号，另一方面将隔离放大整形电路22-5输送来的两路信号进行相位比较、根据测量基准信号进行相位差θ的计算、再进行数字滤波，最后得到一个精确的有关超声波的相位差θ的信号。

其中，比较及测量滤波器22-6由窗口比较器22-6-1同时对来自参照装置22-4的接收端处的超声波换能器所接收到的信号的上升沿和对来自采样装置22-3的接收端处的超声波换能器所接收到的信号的波形的下一个上升沿或下降沿所到达的先后时间进行比较，从而得到一个持续时间为Δl高电平信号；数字相位测量器22-6-2以来自分频器22-7的第二频率输出端的频率信号f₂作为测量基准信号对所述Δl进行计算，得出Δl所对应的相位差Δθ0≤Δθ＜π；当没有六氟化硫气体泄漏时，即六氟化硫气体浓度为0％，则Δl＝0，Δθ＝0；若六氟化硫气体有泄漏，且随着泄漏的六氟化硫气体浓度的增加，超声波在采样装置22-3中的传播速度开始减小但其频率不变，而超声波在参照装置22-4中的传播速度和频率均不变；所以所述Δl和Δθ也逐渐增大；若泄漏的六氟化硫气体浓度较大，当Δθ＝π弧度时，Δl跳变为0，数字相位计算器22-6-2使Δθ由π弧度跳变至0弧度，同时程序内的计数变量n加1，n的初始值为0；而Δl和Δθ继续随着泄漏的六氟化硫气体浓度的增加而增大，当再次有Δθ＝π弧度时，Δθ即跳变为0弧度，同时数字相位计算器22-6-2内的周期计数变量n再加1，以此类推；最后数字相位计算器22-6-2根据公式θ＝πn+Δθ得到θ值。

比较及测量滤波器22-6将上述相位差θ的信号传输至单片机21的超声测量信号数据及控制端；单片机21将该相位差θ的信号存储在单片机21中相应的寄存器内，如图2所示。

⑤单片机21根据其寄存器中的上述相位差θ的信号和上述环境温度值的信号进行计算，得出六氟化硫气体的浓度值。

⑥单片机21对上述计算出的六氟化硫气体浓度值进行判断，若六氟化硫气体浓度值超过预设的超标浓度值1000PPM时，则单片机21输出控制信号和/或报警信号。

(应用例1)

见图3，本应用例是将实施例2的变送器用于六氟化硫气体浓度监控系统。具体来说是应用RS-485网络，将主控制器1、上位机3和各变送器进行连接而形成一个对六氟化硫气体浓度进行实时监控的系统。

仍见图3，主控制器1具有用于接收和处理连接在RS-485网络上的各变送器所采集的数据的主控单片机11、通过RS-485网络与各变送器进行通讯及数据传输的RS-485串口12、用于与上位机3进行通讯及数据传输的RS-232串口13、用户控制用的键盘电路14和用于显示各变送器所采集的数据的LCD液晶显示器15。

见图9，标号为U1的主控单片机11为ATMEL公司的89S52，该芯片运算速度较快，性能稳定，且价格便宜。X1端、X2端为时钟信号输入端；RXD端、TXD端为来自RS-485串口12的串行数据输入端；INT1端、INT2端、T1端和T0端为键盘电路14的输入端；端口P00、P01、P02、P03、P04、P05、P06和P07为数据输出端，分别接LCD液晶显示器15的BD0端至BD7端。

仍见图9，RS-485串口12由型号为MAX485DS的RS-485串行通讯接口芯片U5、电阻R7和RS-485接头J1组成。

仍见图9，RS-232串口13由信号为MAX232ACPE的RS-232串行通讯接口芯片U4、RS-232接头和电容C80、C81、C82和C83组成。其中，上位机3是一台PC机，该PC机具有RS-232接口。

仍见图9，键盘电路14由标号为U2的键盘控制芯片74HC148，按键S1、S2、S3、S4、S5、S6及复位键，上拉电阻R1、R2、R3、R4、R5及R6组成。其中，连接在主控单片机11的RESET端上的复位键在原理图中未画出。键盘包括复位键、查询选择键、向上翻页键、向下翻页键、显示切换键，打印键和软件调零键这7个按键。

仍见图9，LCD液晶显示器15由标号为U3的液晶显示模块HD44780和3个型号为74ALS00的与非门U2A、U2B和U2C组成。

仍见图9，键盘电路14的输出端即键盘控制芯片U2的EO端、C端、B端、A端分别接主控单片机U1的INT1端、INT0端、X1端、X2端；LCD液晶显示器15的输入端即液晶显示模块U3的BD0至BD7端分别接主控单片机U1的P00至P07端；主控单片机U1的P23端、P24端、RXD端、TXD端分别接RS-485串口12中的串行通讯接口芯片U5的DE端、RE端、RO端、DI端；RS-485串口12中的接头J1与图7中的接头J4相接。主控单片机U1的RXD端、TXD端分别接RS-232串口13中的串行通讯接口芯片U4的T1 IN端、R1 OUT端；RS-232串口13接上位机3即PC机的RS-232接口。

在本应用例中，与主控制器1双向电连接的变送器2的个数有32个。

主控单片机11通过485网络接收到变送器发送过来的数据后，用户可通过键盘电路14将某个变送器检测的气体浓度的数据在LCD液晶显示屏15中显示出来。

见图4和图5，上述基于RS-485网络的六氟化硫气体浓度监控系统的主控制器与变送器之间进行通讯时所采用的方法具有以下步骤：

①主控制器1呼叫用户指定的从机即变送器时，主控制器1发送串行中断信息至所有连在RS-485网络上的变送器，该中断信息包含该变送器的地址信息，然后主控制器等待用户指定的变送器的单片机21的应答信号。

②所有连在RS-485网络上的变送器对所在监控点进行六氟化硫气体浓度数据的采集、环境中的湿度值的采集及氧气含量值的采集；同时变送器的RS-485串口24处于接收主控制器1发出的外部中断信息的状态。

③所有连在RS-485网络上的变送器的单片机21接收到该中断信号后，停止正在执行的主程序转而执行该中断，即中断入口；再执行关串行中断，即不再执行其它较低优先级或同等优先级的外部中断；之后，各变送器的单片机21开始判断上述中断信号中所包含的地址信息是否与本机地址相符，若不相符，则该变送器的单片机21执行开串行中断，即使变送器的RS-485串口24重新处于接收主控制器1发出的外部中断信息的状态，而变送器的单片机21的运算器回到在上述中断前所执行主程序的地方继续执行，即中断出口；若相符，则该变送器的单片机21经RS-485串口24向主控制器1发送应答信号，之后该变送器的单片机21进入等待接收主控制器1的监控命令的状态。

④若主控制器1没收到应答信号或收到的应答信号不正确，则主控制器1再次发送同一串行中断信息至所有连在RS-485串口的网络线路上的变送器；对同一变送器完成两次呼叫且在设定时间内均无应答信号或应答信号均不正确，则主控制器1提示错误信息，进入等待用户处理的状态；若主控制器1收到来自指定的变送器的单片机21的应答信号且该应答信号正确，则该主控制器1开始发送监控命令至该变送器的单片机21。

⑤该变送器的单片机21接收上述监控命令后，开始判断该命令是否为控制字，若不是，则变送器的单片机21执行开串行中断，之后跳出中断程序；若是，则该变送器的单片机21开始根据该控制字执行相应的控制命令，并按RS-485串行通信协议经RS-485串口24向主控制器1发送其所测得的六氟化硫气体的浓度值的数据、环境气体湿度值的数据和氧气含量值的数据；之后单片机21执行开串行中断，最后跳出中断程序。

⑥主控单片机11将接受到的各变送器所输送来的相应数据进行地址编码并存入其寄存器中的相应位置。

⑦主控单片机11定时扫描键盘电路14的状态，若有按键闭合，则主控单片机11响应键盘电路14的控制；用户通过键盘控制可以将上述各变速器测得的六氟化硫气体的浓度值、环境气体湿度值或氧气含量值逐一显示在LCD液晶显示屏15上。

见图6，上述基于RS-485网络的六氟化硫气体浓度监控系统的主控制器与上位机之间进行通讯时所采用的方法，具有以下步骤：

①主控单片机11完成与变速器的单片机握手程序后，将从RS-485串口12输入的、连接在主控制器所在RS-485网络上的各变送器测得的SF₆气体的浓度值的数据、环境气体湿度值的数据和氧气含量值的数据进行地址编码并存入其寄存器中的相应位置。

②主控单片机11定时扫描键盘电路14的状态，若有按键闭合，则主控单片机11响应键盘电路14的控制；用户通过键盘控制可以将上述各变速器测得的SF₆气体的浓度值、环境气体湿度值或氧气含量值逐一显示在LCD液晶显示屏15上。

③主控单片机11与上位机3完成握手程序后，主控单片机11按RS-232串行通信协议经RS-232串口13将上述各变送器测得的SF₆气体的浓度值的数据、环境气体湿度值的数据和含氧量值的数据传输至上位机3的相应输入端。

④上位机通过RS-232串口接收来自主控制器中的数据并对其进行实时分析，根据各变送器的地址编码信息而保存各变送器测得的数据，同时上位机对报警日志进行存储、管理。

⑤响应用户要求，以图表或图形的方式实时显示各变送器测得的数据，若发现某变速器出现问题或故障，及时采取相应的措施。

⑥上位机对各变送器的历史数据进行存储、管理，同时用户也可以对该软件进行系统设置；当发现某处某待测气体接近超标时，可人工启动相应的风机或启动相应的报警装置。

在本发明的变送器的其它实施例中，参照装置22-4也可以采用密闭结构的形式，此时，只需将其放置在采样装置22-3的附近即可，而采样装置22-3则必须采用与外界空气相通的结构形式，具体采用何种结构，还要看该采样装置22-3设置在所监控的相应的含有六氟化硫的设备的相对位置而定。若是参照装置22-4也采用与外界空气相通的结构形式，则优选与采样装置22-3具有相同的结构形式，并且设置在采样装置22-3的上方。

Claims (9)

1、一种测量六氟化硫气体浓度的变送器，具有超声波检测装置(22)，超声波检测装置(22)具有采样装置(22-3)和参照装置(22-4)；采样装置(22-3)和参照装置(22-4)内部的作为发射端的一端均设有发射超声波的超声波换能器，作为接收端的另一端均设有接收超声波的超声波换能器；其特征在于：还具有单片机(21)和环境参数采集电路(23)；超声波检测装置(22)还具有波形发生器(22-1)、放大隔离电路(22-2)、隔离放大整形电路(22-5)、比较及测量滤波器(22-6)、分频器(22-7)和晶振电路(22-8)；采样装置(22-3)与外界空气相通；晶振电路(22-8)的晶振信号输出端接分频器(22-7)的晶振信号输入端；分频器(22-7)具有两个输出端，分别是使用时可输出第一频率f₁的第一频率输出端和使用时可输出第二频率f₂的第二频率输出端，所述的第一频率f₁在超声波的频率范围内，所述的第二频率f₂是第一频率f₁的50至300倍；分频器(22-7)的第一频率输出端接波形发生器(22-1)的输入端，其第二频率输出端接比较及测量滤波器(22-6)的频率信号输入端；波形发生器(22-1)的输出端接放大隔离电路(22-2)的输入端，放大隔离电路(22-2)的输出端同时与采样装置(22-3)和参照装置(22-4)的发射端处的超声波换能器的电源端电连接，采样装置(22-3)和参照装置(22-4)的接收端处的超声波换能器的输出端各自与相应的隔离放大整形电路(22-5)的输入端电连接；各隔离放大整形电路(22-5)的输出端与比较及测量滤波器(22-6)的2个超声测量信号的相应输入端电连接，比较及测量滤波器(22-6)的超声测量信号数据及控制端与单片机(21)的超声测量信号数据及控制端双向电连接；环境参数采集电路(23)具有温度采集电路(23-1)；温度采集电路(23-1)的温度信号输出端与模数转换电路(23-4)的温度信号输入端电相连，模数转换电路(23-4)的数据及控制端与单片机(21)的第一环境参数数据及控制端双向电连接；单片机(21)在使用时根据相应的程序算式以超声测量信号和温度信号为变量而可计算出六氟化硫气体浓度。

2、根据权利要求1所述的测量六氟化硫气体浓度的变送器，其特征在于：采样装置(22-3)的发射超声波的换能器与接收超声波的换能器之间的距离相等于参照装置(22-4)的发射超声波的换能器与接收超声波的换能器之间的距离；参照装置(22-4)和采样装置(22-3)均是一个外壳为管形且通过设置在管形外壳上的2至6个孔与外部空气相通的装置；参照装置(22-4)和采样装置(22-3)的发射超声波的超声波换能器分别设置在相应的管形外壳内部的一端，参照装置(22-4)和采样装置(22-3)的接收超声波的超声波换能器分别设置在相应的管形外壳内部的另一端。

3、根据权利要求2所述的测量六氟化硫气体浓度的变送器，其特征在于：参照装置(22-4)在采样装置(22-3)正上方2米至5米处。

4、根据权利要求1所述的测量六氟化硫气体浓度的变送器，其特征在于：环境参数采集电路(23)还具有含氧量采集电路(23-2)和湿度采集电路(23-3)，含氧量采集电路(23-2)的含氧量信号输出端与模数转换电路(23-4)的含氧量信号输入端相连，湿度采集电路(23-3)的湿度信号输出端与单片机(21)的湿度信号输入端相连；单片机(21)还具有控制信号输出端，该控制信号输出端是使用时在六氟化硫气体浓度值超标或湿度值超标或氧气含量值不达标的情况下，可输出风机启动控制信号和/或报警控制信号的端口；本变送器还具有RS-485串口电路(24)，单片机(21)的串行数据及控制端与RS-485串口电路(24)的串行数据及控制端双向电连接。

5、根据权利要求1所述的测量六氟化硫气体浓度的变送器，其特征在于：比较及测量滤波(22-6)具有窗口比较器(22-6-1)、数字相位计算器(22-6-2)和数字滤波器(22-6-3)；窗口比较器(22-6-1)的2个输入端即为比较及测量滤波器(22-6)的2个超声测量信号输入端，窗口比较器(22-6-1)的输出端接数字相位计算器(22-6-2)的超声测量信号输入端，数字相位计算器(22-6-2)的输出端接数字滤波器(22-6-3)的输入端，数字滤波器(22-6-3)的超声测量信号数据及控制端即为比较及测量滤波器(22-6)的超声测量信号数据及控制端。

6、根据权利要求1所述的测量六氟化硫气体浓度的变送器，其特征在于：分频器(22-7)、波形发生器(22-1)和比较及测量滤波器(22-6)设置在一块复杂可编程逻辑器件CPLD(22-10)内。

7、由权利要求1所述的变送器测量六氟化硫气体浓度的方法，具有以下步骤：①变送器开机后正常工作时，超声波检测装置(22)的晶振电路(22-8)将晶振信号输至分频器(22-7)，温度采集电路(23-1)则将采集的有关环境气体温度值的信号经模数转换器(23-4)进行模数转换后输送至单片机(21)、而由单片机(21)存储在相应的寄存器内；②分频器(22-7)对输入的晶振信号进行分频后，输出第一频率的电信号至波形发生器(22-1)，同时输出第二频率的电信号至比较及测量滤波器(22-6)；波形发生器(22-1)对第一频率的电信号进行处理后产生超声波频段内的电信号，该电信号经放大隔离电路(22-2)放大隔离后一路输至采样装置(22-3)，另一路输至参照装置(22-4)，采样装置(22-3)的发射端处的超声波换能器和参照装置(22-4)的发射端处的超声波换能器同时产生相同频率的超声波；③采样装置(22-3)和参照装置(22-4)的接收端处的超声波换能器接收相应的超声波信号，并相应地产生一对电信号；这对电信号经各自的隔离放大整形电路(22-5)隔离放大整形后输至比较及测量滤波器(22-6)中；④比较及测量滤波器(22-6)一方面将分频(22-7)输送来的第二频率的电信号作为测量基准信号，另一方面将隔离放大整形电路(22-5)输送来的两路信号进行相位比较、根据测量基准信号进行相位差θ的计算、再进行数字滤波，最后得到一个精确的有关超声波的相位差θ的信号；比较及测量滤波器(22-6)将上述相位差θ的信号传输至单片机(21)的超声测量信号数据及控制端；单片机(21)将该相位差θ的信号存储在单片机(21)中相应的寄存器内；⑤单片机(21)根据其寄存器中的上述相位差θ的信号和上述环境温度值的信号进行计算，得出六氟化硫气体的浓度值；⑥单片机(21)对上述计算出的六氟化硫气体浓度值进行判断，若六氟化硫气体浓度值超过预设的超标浓度值时，则单片机(21)输出控制信号和/或报警信号。

8、根据权利要求7所述的测量六氟化硫气体浓度的方法，其特征在于：变速器的环境参数采集电路(23)还具有含氧量采集电路(23-2)和湿度采集电路(23-3)，含氧量采集电路(23-2)的含氧量信号输出端与模数转换电路(23-4)的含氧量信号输入端相连，湿度采集电路(23-3)的湿度信号输出端与单片机(21)的湿度信号输入端相连；单片机(21)还具有控制信号输出端，该控制信号输出端是使用时在六氟化硫气体浓度值超标或湿度值超标或氧气含量值不达标的情况下，可输出风机启动控制信号和/或报警控制信号的端口；步骤①中，环境参数采集电路(23)的湿度采集电路(23-3)将采集到的湿度信息以频率信号的形式输送至单片机(21)的湿度信号输入端，单片机(21)对其进行频率计算后得出湿度值，之后单片机(21)将上述湿度值的数据存储在单片机(21)中相应的寄存器内；与此同时，含氧量采集电路(23-2)将采集的有关环境中的氧气含量值的模拟信号经模数转换器(23-4)进行模数转换后输送至单片机(21)的第一环境参数信号输入端，单片机(21)将上述数据存储在单片机(21)中相应的寄存器内；步骤①中，单片机(21)还对上述环境气体湿度值和氧气含量值进行判断，若湿度值超标或氧气含量值不达标，则单片机(21)输出控制信号和/或报警信号。

9、根据权利要求7所述的测量六氟化硫气体浓度的方法，其特征在于：变速器的超声波检测装置(22)的比较及测量滤波器(22-6)具有窗口比较器(22-6-1)、数字相位计算器(22-6-2)和数字滤波器(22-6-3)  窗口比较器(22-6-1)的2个输入端即为比较及测量滤波器(22-6)的2个超声测量信号输入端，窗口比较器(22-6-1)的输出端接数字相位计算器(22-6-2)的超声测量信号输入端，数字相位计算器(22-6-2)的输出端接数字滤波器(22-6-3)的输入端，数字滤波器(22-6-3)的超声测量信号数据及控制端即为比较及测量滤波器(22-6)的超声测量信号数据及控制端；步骤④中，比较及测量滤波器(22-6)由窗口比较器(22-6-1)同时对来自参照装置(22-4)的接收端处的超声波换能器所接收到的信号的上升沿和对来自采样装置(22-3)的接收端处的超声波换能器所接收到的信号的波形的下一个上升沿或下降沿所到达的先后时间进行比较，从而得到一个持续时间为Δl高电平信号；数字相位测量器(22-6-2)以来自分频器(22-7)的第二频率输出端的频率信号f₂作为测量基准信号对所述Δl进行计算，得出Δl所对应的相位差Δθ(0≤Δθ＜π)；当没有六氟化硫气体泄漏时，即六氟化硫气体浓度为0％，则Δl＝0，Δθ＝0；若六氟化硫气体有泄漏，且随着泄漏的六氟化硫气体浓度的增加，超声波在采样装置(22-3)中的传播速度开始减小但其频率不变，而超声波在参照装置(22-4)中的传播速度和频率均不变；所以所述Δl和Δθ也逐渐增大；若泄漏的六氟化硫气体浓度较大，当Δθ＝π弧度时，Δl跳变为0，数字相位计算器(22-6-2)使Δθ由π弧度跳变至0弧度，同时程序内的计数变量n加1，n的初始值为0；而Δl和Δθ继续随着泄漏的六氟化硫气体浓度的增加而增大，当再次有Δθ＝π弧度时，Δθ即跳变为0弧度，同时数字相位计算器(22-6-2)内的周期计数变量n再加1，以此类推；最后数字相位计算器(22-6-2)根据公式θ＝πn+Δθ得到θ值。

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