CN101131348A - Sf6气体测量装置 - Google Patents

Abstract

SF6气体测量装置，属于电力及环保领域气体含量测量设备领域。包括：出气口(1)、进气口(2)、检测滤光片(3)、检测传感器(4)、背景传感器(5)、背景滤光片(6)、气室(7)、光源(8)、微处理器(9)、A/D转换(10)、多路转换开关(12)、滤波及预处理(13)，其特征在于：背景传感器(5)、检测传感器(4)特性相同/接近，背景传感器(5)和背景滤光片(6)到光源(8)的距离比检测传感器(4)和检测滤光片(3)近，两传感器光学滤光片的中心波长CWL、半波带宽、HPB相同/接近。与现有技术相比，具有价格低、检测效果好、适合民用等优点。

Description

SF6气体测量装置

技术领域

SF6气体测量装置，属于电力及环保领域气体含量测量设备领域。

背景技术

传统的气体测量方法是采用NDIR法进行分析，根据某一特定气体对某段红外波长的吸收特性原理来测量气体的浓度。这种测量方法具有以下几个特点：

1、当红外光通过待测气体时，这些气体分子对特定波长的红外光有吸收，其吸收关系服从朗伯--比尔(Lambert-Beer)吸收定律；

2、光强在气体介质中随浓度c及厚度L按指数规律衰减。吸收系数取决于气体特性，各种气体的吸收系数μ互不相同。对同一气体，μ则随入射波长而变。

3、为了分析特定组分，应该在传感器或红外光源前安装一个适合分析气体吸收波长的窄带滤光片，或使用窄带光源，使传感器的信号变化只反映被测气体浓度变化。

传统NDIR气体测量的工作原理为：被测气体从进气口进入气室，从出气口出(对于弥漫式测量，被测气体也可从进出气口，扩散进气室)窄带光源透过气室中的被测气体照射到检测滤光片和背景滤光片上，滤光片只让特定波长的红外光通过并对检测传感器和背景传感器起作用，加背景传感器的作用是消除背景光和环境温度对测量的影响。检测滤光片和背景滤光片的中心波长不同。滤波及预处理模块对检测传感器和背景传感器的输出信号进行滤波和放大，通过多路转换开关和A/D转换器进入微处理器，用检测传感器的信号减去背景传感器的信号即为被测气体的浓度。微处理器再对该值进行温度及线性化等补偿，通过输出将测量结果送出和显示。存在的主要问题是SF6气体因其吸收光谱的中心波长为10.6um，此中心波长的窄带滤光片的价格较高，10.6um的窄带光源价格也很高，不适用民用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种价格低、检测效果好、适用民用的SF6气体测量装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该SF6气体测量装置，包括：出气口、进气口、检测滤光片、检测传感器、背景传感器、背景滤光片、气室、光源、微处理器、A/D转换、多路转换开关、滤波及预处理，光源与微处理器相连，微处理器与A/D转换、多路转换开关、滤波及预处理相连，滤波及预处理与检测传感器、背景传感器相连，微处理器与通信输出相连，其特征在于：背景传感器、检测传感器特性相同/接近，背景传感器和背景滤光片到光源的距离比检测传感器和检测滤光片近，两传感器光学滤光片的中心波长CWL、半波带宽、HPB相同/接近。

检测滤光片、背景滤光片采用宽带光学滤波片。

宽带光学滤波片波长带宽为5-14um。

光源到背景滤光片的距离1，比光源到检测滤光片的距离L的比值通常取值为0.1～0.9。

背景传感器和检测传感器为红外敏感的传感器。

光源采用窄带光源或宽带光源。

进气口和出气口连接气泵或气室壁上分布设置多个小孔。连接气泵主要加快进入和离开气室的速度。气室壁上分布设置多个进出气小孔，适合于气体弥漫方式进出气。

工作原理是：

检测传感器、背景传感器采用两个完全相同或相近的具有特定带通滤波特性的对红外敏感的传感器件。检测传感器、背景传感器上的光学滤光片的半波带宽HPB和中心波长CWL分别相同或接近；故对进入气室待测气体具有相同或相近的吸收特性。因为背景传感器和背景滤光片到光源的距离比检测传感器和检测滤光片近，造成检测传感器和背景传感器所接收到光源发出的光的光程不同。由于气体厚度L不同，造成两个传感器的输出信号不相同，存在一个与被测气体浓度相关的差值V。通过后续电路对这个差值进行检测分析，即可得到被测气体的浓度信息。

与现有技术相比，本发明SF6气体测量装置所具有的有益效果是：检测传感器、背景传感器采用两个完全相同或相近的具有特定带通滤波特性的对红外敏感的传感器件。背景传感器和背景滤光片到光源的距离比检测传感器和检测滤光片近，两传感器光学滤光片的中心波长CWL、半波带宽、HPB相同/接近。光源采用窄带光源或宽带光源。因此，在与现有技术相同的检测效果情况下，不需采用中心波长为10.6um的价格昂贵的窄带滤光片和10.6um的窄带光源，大大降低了成本，增加了实用性，适用于民用。

附图说明

图1是本发明SF6气体测量装置的结构示意图；

图2-4是气体测量装置的电路原理图。

图1-4本发明SF6气体测量装置的最佳实施例：

图1中：1出气口    2进气口    3检测滤光片    4检测传感器    5背景传感器    6背景滤光片    7气室    8光源    9微处理器    10A/D转换    11气压计    12多路转换开关    13滤波及预处理    14通信输出。

图2-4中：U1中央处理器    U2A/D转换器    U3通信芯片    U4-U6光电耦合器    U7运算放大器    U8信号处理芯片    R1-R25电阻器    C1-C14电容    V1精确稳压管V2-V5普通稳压管    V6保护稳压管    V7开关晶体管    P1-P6sip接插件    JT1晶振    D1压力计    Q1背景传感器    Q2检测传感器    DS1红外光源    K1多路转换开关。

具体实施方式

下面结合附图1-4对本发明SF6气体测量装置做进一步说明：

参照图1：该SF6气体测量装置由出气口1、进气口2、检测滤光片3、检测传感器4、背景传感器5、背景滤光片6、气室7、光源8、微处理器9、A/D转换10、气压计11、多路转换开关12、滤波及预处理13、通信输出14组成。采用的检测传感器4、背景传感器5的光学滤光片的中心波长CWL、半波带宽HPB相同，检测传感器4、背景传感器5采用的是红外敏感传感器。并采用宽带光学滤波片。宽带光学滤波片的波长带宽为5-14um。背景传感器5和背景滤光片6比检测传感器4和检测滤光片3到光源8的距离近，假定光源8离检测滤光片3的距离为L，光源8到背景滤光片6的距离1，1/L的比值通常取值为0.1～0.9。光源8采用窄带光源或宽带光源均可。进气口2和出气口1采用气泵或气体弥漫方式进出气。采用气体弥漫方式进出气时，在气室7壁上开有多个进出气孔。检测传感器4、背景传感器5其前端分别安装检测滤光片3和背景滤光片6，两传感器安装在气室7的同一端，光源8安装在气室7的另一端，气室7上方两侧分别安装出气口1和进气口2，光源8与微处理器9相连，微处理器9与A/D转换10、多路转换开关12、滤波及预处理13相连，多路转换开关1与气压计11相连，滤波及预处理13与检测传感器4、背景传感器5相连，微处理器9与通信输出14相连。

对于测量要求不很高的场合，气压计11可以不用。

如图2-4所示，后续电路工作原理是：

1、中央处理器U1的18脚输出驱动脉冲LIghtCTL，脉冲宽度为400ms-1000ms(典型值为800ms)之间，脉冲周期为1-2S(典型值为1.6S)。输出的脉冲可以驱动外接开关晶体管V7来控制气室部分的红外光源DS1发出4-14um的周期性红外光波。

2、气室部分的背景传感器Q1能够接受到红外光源DS1发出的周期性红外线，并能够输出变化的周期性信号，信号通过接插件P3和接插件P4的连接输出到滤波及预处理电路。在滤波及预处理电路中首先通过以运算放大器U7A芯片及其外围电路组成的带通滤波放大电路，其中电位器R23可以调解输出信号的放大倍数也就是输出信号的强度。输出的信号不仅能够保持良好的波形并且信号经过足够的放大，然后进入信号处理芯片U8A和U8B组成的预处理电路，输出背景信号sf62。

3、气室部分的检测传感器Q2也能够接受到红外光源DS1发出的周期性红外线，并能够输出变化的周期性信号，信号通过接插件P5和接插件P6的连接输出到滤波及预处理电路。在滤波及预处理电路中首先通过以运算放大器U7B芯片及其外围电路组成的带通滤波放大电路，其中电位器R22可以调解输出信号的放大倍数也就是输出信号的强度。输出的信号不仅能够保持良好的波形并且信号经过足够的放大，然后进入信号处理芯片U8C和U8D组成的预处理电路，输出检测信号sf61。

4、通过滤波放大预处理的背景信号sf62和检测信号sf61进入由多路转换开关K1。多路转换开关K1可以根据控制信号ChangeO2SF6的变化来控制哪种信号在什么时间能够进入A/D转换器U2。A/D转换器U2的作用是把由多路转换开关传送过来的模拟信号转变为能由中央处理器U1处理的数字信号。这样A/D转换器U2就把经过转换的检测信号通过数字信号线送给中央处理器U1。中央处理器U1是整个检测器的核心，担负着信号的控制、信号的处理以及SF6函数的换算等。

5、当有SF6气体进入气室，SF6气体对红外光线有吸收作用，根据朗伯--比尔(Lambert-Beer)吸收定律，光强在气体介质中随浓度c及厚度L按指数规律衰减。SF6气体在气室中的浓度基本相同，但检测传感器Q2和背景传感器Q1所检测的气体介质的厚度不同，其差值L不同，两路监测器的光强差值与厚度差值也按指数规律衰减。故检测信号与背景信号的差值为B+b，其中B为检测传感器Q2和背景传感器Q1的固有差值，b与SF6气体浓度呈指数规律变化。所以背景传感器Q1和检测传感器Q2输出的信号不同。所以进入A/D转换器U2的sf61和sf62信号不相同，于是中央处理器U1接受到的两种不同信号。

6、气压计D1可以检测现场的大气压力，并且可以以数字信号的形式传送给中央处理器U1，以便中央处理器U1根据大气的压力来修正检测到SF6气体浓度。

7、中央处理器U1得到的信息包括背景检测信号、检测检测信号、气压信号等数字信号。中央处理器U1就是根据这些信息通过一定的函数关系就可以得到SF6气体的含量。

8、中央处理器U1把经过处理的SF6气体含量的值通过通信芯片U3与光电耦合器U4-U6以及外围电路组成的通信模块进行输出。

在中央处理器U1的不断控制下，在间断时间可调的情况下重复步骤1-8即可实时测量气室中SF6气体的浓度。

工作过程如下：

被测气体从进气口2进入气室7，从出气口1出，对于弥漫式测量，被测气体也可从气室7壁上开的多个小孔扩散进气室7，由于检测传感器4、背景传感器5采用两个完全相同或相近的具有特定带通滤波特性的对红外敏感的传感器件。检测传感器4、背景传感器5上的光学滤光片3、6的半波带宽HPB和中心波长CWL分别相同或接近；故对进入气室待测气体具有相同或相近的吸收特性。因为背景传感器5和背景滤光片6到光源8的距离比检测传感器4和检测滤光片3近，造成检测传感器4和背景传感器5所接收到光源8发出的光的光程不同。由于气体厚度L不同，造成两个传感器的输出信号不相同，存在一个与被测气体浓度相关的差值V。通过后续电路对这个差值进行检测分析，即可得到被测气体的浓度信息。滤波及预处理模块13对检测传感器4和背景传感器5的输出信号进行滤波和放大，通过多路转换开关12和A/D转换10进入微处理器9，微处理器9再对该值进行温度及线性化等补偿，通过通信输出14将测量结果送出和显示。

Claims (7)

1.SF6气体测量装置，包括：出气口(1)、进气口(2)、检测滤光片(3)、检测传感器(4)、背景传感器(5)、背景滤光片(6)、气室(7)、光源(8)、微处理器(9)、A/D转换(10)、多路转换开关(12)、滤波及预处理(13)，光源(8)与微处理器(9)相连，微处理器(9)与A/D转换(10)、多路转换开关(12)、滤波及预处理(13)相连，滤波及预处理(13)与检测传感器(4)、背景传感器(5)相连，微处理器(9)与通信输出(14)相连，其特征在于：背景传感器(5)、检测传感器(4)特性相同/接近，背景传感器(5)和背景滤光片(6)到光源(8)的距离比检测传感器(4)和检测滤光片(3)近，两传感器光学滤光片的中心波长CWL、半波带宽、HPB相同/接近。

2.根据权利要求1所述的SF6气体测量装置，其特征在于：检测滤光片(3)、背景滤光片(6)采用宽带光学滤波片。

3.根据权利要求2所述的SF6气体测量装置，其特征在于：宽带光学滤波片波长带宽为5-14um。

4.根据权利要求1所述的SF6气体测量装置，其特征在于：光源(8)到背景滤光片(6)的距离1，比光源(8)到检测滤光片(3)的距离L的比值通常取值为0.1～0.9。

5.根据权利要求1所述的SF6气体测量装置，其特征在于：背景传感器(5)和检测传感器(4)为红外敏感的传感器。

6.根据权利要求1所述的SF6气体测量装置，其特征在于：光源(8)采用窄带光源或宽带光源。

7.根据权利要求1所述的SF6气体测量装置，其特征在于：进气口(2)和出气口(1)连接气泵或气室(7)壁上分布设置多个进出气小孔。

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