CN101271084B - 集中循环式六氟化硫气体浓度的超声波检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了集中循环式六氟化硫气体浓度的超声波定量检测系统及方法，包括连接到集中控制器的集中检测器，集中检测器包括参考通道、检测通道和位于通道两端的一对超声波收发换能器，在参考通道和检测通道中均安装有氧气浓度传感器和温、湿度传感器，超声波信号同时在参考通道和检测通道中传播，集中控制器通过485总线分别与若干个气体通路选择器和一个风机控制器连接，依次检测每个气体通路选择器的检测点，本发明基于ARM微处理器，利用超声检测技术，结合AVR单片机、复杂可编程逻辑器件实现了对电气设备中六氟化硫气体含量的集中循环式智能在线检测和超标报警，本系统现场安装方便、内部结构简单、使用寿命长且成本低。

Description

集中循环式六氟化硫气体浓度的超声波检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种六氟化硫定量在线超声检测系统及检测方法，应用于电力系统的中压、高压和超高压断路器中，对六氟化硫绝缘和灭弧介质的泄漏进行在线检测。

背景技术

自上世纪60年代以来，六氟化硫(SF₆)气体以其优异的绝缘和灭弧性能，在电力系统中获得了广泛的应用，几乎成了中压、高压和超高压断路器中唯一的绝缘和灭弧介质。但是，这些含有六氟化硫的电力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使底层空气缺氧，会使人窒息；被电弧电击过的六氟化硫气体还会产生有害有毒的分解物，危害人身安全并对设备造成腐蚀。针对六氟化硫电气设备现场对人类健康的威胁，电力安全工作规程做了特别规定：装有六氟化硫设备的配电装置室必须保证六氟化硫气体浓度小于1000μV/V，除须装设强力通风装置外还必须安装能报警的氧量仪和六氟化硫气体浓度监测报警仪等。

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。前面的四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：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。

申请号为02800155.9、名称为″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″的专利申请，公开的是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和样品气体而依次测得超声波在校准气体和样品气体中的传播速度，然后根据与声速有关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。申请为03112800.9，名称为“差分法超声气体微量变化测定及控制评估系统”的专利申请，采取了两个通道，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电路具有独特而精密的跟踪性能及技术复杂性，而对该独特精密的跟踪性及技术复杂性未加以说明，所以本领域的普通技术人员无法实施。申请号为200320100440.1的专利申请公开了“一种用于变电站高压电器中检测六氟化硫气体的装置”，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收装置，但没有公开声波比较器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。申请号为200510037936.2的专利申请公开了一种“测量六氟化硫气体浓度的变送器及其测量方法”，该方法在设计和实现上采用在每个检测点安装一套检测器的方法，当检测点的个数增加时，相应的检测器的数目也会增加，这不但给系统的调试带了了不便，而且大大地增加了设备的成本，并使得系统的稳定性和精度受到了影响。

发明内容

本发明的一个目的是为了克服上述技术的不足，提供一种集中循环式六氟化硫气体浓度的超声波检测系统，可对低浓度六氟化硫进行实时检测。

本发明的另一目的是通过集中检测的方式，提供一种六氟化硫气体浓度的超声波检测方法，在现场只需通过简单的施工安装，即能可靠且高精度地集中循环式检测六氟化硫气体的浓度。

集中循环式六氟化硫气体浓度的超声波检测系统采用的技术方案是：包括连接到集中控制器的集中检测器，集中检测器包括参考通道及其两端的一对超声波收发换能器和检测通道及其两端的一对超声波收发换能器，在参考通道和检测通道中均安装有氧气浓度和温、湿度传感器，超声波信号同时在参考通道和检测通道中传播，集中控制器通过485总线分别与若干个气体通路选择器和一个风机控制器连接，将若干个气体通路选择器与集中检测器并接在一起；集中检测器、若干个气体通路选择器和风机控制器这三个单元均含有拨码开关。

集中循环式六氟化硫气体浓度的超声波检测方法采用的技术方案依次包括如下步骤：

(A)集中控制器发信号给气体通路选择器，气体通路选择器打开气体通路选择器包含的电磁阀组中的1号电磁阀，并使其它电磁阀处于关闭状态，然后集中控制器发信号给集中检测器，集中检测器打开两台抽气泵，抽气泵同时工作将抽入的参考气体和待测气体分别送到参考通道和检测通道；

(B)集中控制器向集中检测器发送检测命令，要求集中检测器对检测点的六氟化硫气体浓度、氧气浓度以及温、湿度进行检测，并将检测结果传送给集中控制器，集中控制器判断数据是否超出设定限，超出则进行报警、控制风机控制的模块启动风机，显示器显示检测点1的现场参数；

(C)电磁阀组中的电磁阀控制电路打开2号检测点电磁阀后，关闭1号电磁阀，同时使其它电磁阀处于关闭状态，抽气泵将背景气体和2号管道抽入的待测气体传送到参考通道和检测通道进行检测；

(D)方法同上述步骤(A)～(C)的过程，依次检测每个检测点的被测气体浓度。

本发明基于ARM微处理器，利用超声检测技术，结合AVR单片机、复杂可编程逻辑器件(CPLD)实现了对电气设备中六氟化硫气体含量的集中循环式智能在线检测和超标报警，现场安装方便、内部结构简单、使用寿命长且成本低。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是集中循环式六氟化硫气体浓度的超声波检测系统的连接结构图；

图2是图1中集中控制器1的连接结构图；

图3是图1检测器件的工作原理示意图；

图4是图1中集中检测器2的组成框图；

图5是图1中气体通路选择器3的组成框图。

具体实施方式

如图1所示，六氟化硫气体浓度的超声波检测系统由集中控制器1、集中检测器2、若干个气体通路选择器3、风机控制器4这四个单元组成。集中控制器1通过485总线5与集中检测器2、气路通路选择器3和风机控制器3进行通信；集中检测器2、气体通路选择器3和风机控制器4这三个单元均含有拨码开关。

集中控制器1的核心为ARM微处理器(ARM表示微处理器的一种型号)，将ARM模块6分别连接通信模块13、语音辅助装置12、数据存储模块11、红外智能识别仪10、键盘8、显示器7和实时时钟14；通信模块13与集中检测器2连接，在集中控制器1上预留通信接口和PC远程终端9连接。集中控制器1的功能如下：

1.利用485串行通信接口接收集中检测器2传送过来的测量数据，并进行整理存储以备后用；

2.对集中检测器2管理、调配；

3.控制气体通路选择器3，选择当前打开电磁阀组25中的哪个电磁阀，要检测哪个检测点的气体浓度；

4.判断现场数据是否超出设定限，超出则进行报警、启动风机等控制动作的输出；

5.液晶显示器7输出现场参数、报警历史数据、上次风机启动时间，并可通过键盘8和液晶显示器7联合作业进行时间设置、风机工作参数设置、通信设置、报警限设置等，并且有人工启动风机功能；

6.由红外智能识别仪10模块感知人员接近的红外线信号，触发集中控制器1的中断，播报语音数据；

7.与语音辅助装置12进行通信，响应语音装置的中断，并把要语音报出的数据传给语音装置；

系统预留的RS485或无线通信接口，作为系统检修、和PC远程终端9进行远程通信的接口，RS485和无线通信接口可以根据需要自行选择。

集中检测器2单元是本系统的核心部分，该单元利用超声波传播速度随两种气体组分的不同而变化的原理进行设计。集中检测器2包括参考通道16及其两端的一对超声波收发换能器18和检测通道17及其两端的一对超声波收发换能器18，参考通道16和检测通道17的设计方法完全相同。在参考通道16和检测通道17中均安装有氧气浓度传感器22和温度传感器21、湿度传感器24。超声波信号同时在参考通道16和检测通道17中传播，由于二者所含气体不同，且信号在检测通道17和参考通道16中所经过的声程相同，故超声信号在二者中的传播时间不同，传播时间的差值Δt与六氟化硫气体在混合气体中的含量有关。集中检测器2还包括CPLD运算模块19和AVR单片机模块20和抽气泵23。抽气泵23、氧气浓度和温度传感器22、21分别连接到AVR单片机模块20(AVR表示单片机的一种型号)，AVR单片机模块20连接集中控制器1，湿度传感器24与CPLD运算模块19连接。参考通道16中输入的是通过抽气泵23抽取校准气体，而检测通道17中输入的是现场待测的六氟化硫与背景气体的混合气体。系统采用差分式的检测方法，消除了环境差异对检测结果的影响，完成现场气体浓度、氧气浓度和温、湿度检测的任务。

集中检测器2单元中各个模块完成的功能如下：

CPLD运算模块19能够检测到同一周期内超声信号传播的微时差和多周期的长时差测量，可由用户根据需要自行设定量程。主要完成如下功能：

1.捕获超声波信号在参考通道16和检通道17中传播时间的差值；

2.产生频率一定的方波信号，经过放大后驱动超声发射换能器；

3.配合相应传感器测量现场湿度；

4.与AVR单片机模块20通信，将捕获的时间差值和采集到的湿度信息传到AVR单片机模块20中。

AVR单片机模块20完成的功能包括：

1.与集中控制器1通信；

2.与CPLD运算模块19通信获得时间差值和现场湿度信息；

3.通过氧气传感器22和温度传感器21采集到的信息计算现场的氧气含量和温度值；

4.利用CPLD运算模块19检测到的时间差值和温湿度信息计算现场六氟化硫的浓度和现场温湿度；

5.对抽气泵23进行控制，将现场的参考气体和待测气体抽取到参考通道16和检测通道17中。

气体通路选择器3由AVR控制模块26和电磁阀组25构成，AVR控制模块26通过通信模块27连接到集中控制器1。由于要对多个检测点的气体浓度进行测量，因此需要对各个气体通路选择器3进行选择，集中控制器1控制气体通路选择器3完成对气路的选择。集中控制器1与AVR单片机模块20通过RS485总线通信告知当前要检测哪个点的气体信息，AVR单片机模块20做出判断开启相应的电磁阀，使该路气体能够被抽送到参考通道16和检测通道17。每个选择器能够选择开关十六个检测点的气体通路。当检测点个数超过十六个时，可以通过增加气体通路选择器3的方法来进行扩展。每个气体通路选择器3模块的拨码开关的编码即为气路选择器的通信地址，集中控制器1通过发送编码就能够与相应的气体通路选择器3进行通信。

作为整个系统的的控制中枢，集中控制器1单元通过485总线5控制其他三个单元完成工作，为了实现集中控制器1和其他单元之间的多机通信，除集中控制器1之外的三个单元均含有拨码开关，拨码开关的编码值代表了各个单元的通信地址及单元信息，这使得整个装置具有灵活的扩展性，当需要增加检测点数目或调整单元资源时，只要调整各个单元的拨码开关，就能够实现气路选择器的扩展。

系统利用集中控制器1控制真空抽气泵23和电磁阀组25进行巡检工作，每经过一个周期可检测每个检测点的空气中六氟化硫气体、氧气浓度和温、湿度信息，集中控制器1启动真空抽气泵23的间隔时间可以由用户设定。

风机控制器4由AVR单片机控制，当现场六氟化硫浓度超出设定报警限时，由集中控制器1单元与风机控制器4通信启动对应点的风机进行换气。

本发明系统的具体工作过程如下：

1、系统上电后集中控制器1发信号给气体通路选择器，气体通路选择器3打开连接到检测点1的气体通路选择器3的电磁阀组25中的1号电磁阀，并使其它电磁阀处于关闭状态，此时集中控制器1发信号给集中检测器2单元，集中检测器2打开两台抽气泵23，抽气泵23同时开始工作将抽入的参考气体和待测气体分别送到参考通道16和检测通道17。

2、集中检测器2对检测点的六氟化硫浓度、氧气浓度以及温、湿度进行检测，并将检测结果传送给集中控制器1，集中控制器1判断数据是否超出设定报警限，超出则进行报警、控制风机控制模块启动风机，液晶显示检测点1的现场参数。

3、电磁阀组25中的电磁阀控制电路打开2号(检测点2)电磁阀后，关闭1号电磁阀(其它电磁阀处于关闭状态)，抽气泵23将2号管道抽入的气体传送到参考通道16和检测通道17进行检测，原理同上述的过程2，依次检测每个检测点，开启各个电磁阀的间隔时间可根据气路的具体情况由用户设定。

Claims (1)

1.一种集中循环式六氟化硫气体浓度的超声波检测方法，该超声波检测方法中使用集中循环式六氟化硫气体浓度的超声波检测系统，该系统包括连接到集中控制器(1)的集中检测器(2)，集中检测器(2)包括参考通道(16)和位于该参考通道(16)两端的一对超声波收发换能器(18)、以及检测通道(17)和位于该检测通道(17)两端的一对超声波收发换能器(18)，在参考通道(16)和检测通道(17)中均安装有氧气浓度传感器(22)、温度传感器(21)和湿度传感器(24)，超声波信号同时在参考通道(16)和检测通道(17)中传播，其特征是：集中控制器(1)通过485总线(5)分别与若干个气体通路选择器(3)和一个风机控制器(4)连接，将若干个气体通路选择器(3)与集中检测器(2)并接在一起；集中检测器(2)、若干个气体通路选择器(3)和风机控制器(4)这三个单元均含有拨码开关；

集中控制器(1)内置ARM模块(6)，将ARM模块(6)分别连接第一通信模块(13)、语音辅助装置(12)、数据存储模块(11)、红外智能识别仪(10)、键盘(8)、显示器(7)和实时时钟(14)；第一通信模块(13)的另一端与集中检测器(2)连接，在集中控制器(1)上预留通信接口和PC远程终端(9)连接；

集中检测器(2)还包括CPLD运算模块(19)、第一AVR单片机模块(20)和抽气泵(23)，抽气泵(23)、氧气浓度传感器(22)和温度传感器(21)分别连接到第一AVR单片机模块(20)，第一AVR单片机模块(20)连接集中控制器(1)，湿度传感器(24)与CPLD模块(19)连接；

气体通路选择器(3)由第二AVR单片机模块(26)和电磁阀组(25)构成，第二AVR单片机模块(26)通过第二通信模块(27)连接到集中控制器(1)；

其特征是依次包括如下步骤：

(A)集中控制器(1)发信号给气体通路选择器(3)，气体通路选择器(3)打开气体通路选择器(3)中电磁阀组(25)的1号电磁阀，并使其它电磁阀处于关闭状态，同时集中控制器(1)发信号给集中检测器(2)，集中检测器(2)打开抽气泵(23)，抽气泵(23)工作将1号管道抽入的参考气体和待测气体分别送到参考通道(16)和检测通道(17)；

(B)集中检测器(2)对检测点的六氟化硫气体浓度、氧气浓度以及温、湿度进行检测，并将检测结果传送给集中控制器(1)，集中控制器(1)判断数据是否超出设定限，超出则进行报警控制风机控制器(4)的模块启动风机，显示器(7)显示检测点的现场参数；

(C)电磁阀组(25)中的电磁阀控制电路打开2号电磁阀后，关闭1号电磁阀并使其它电磁阀处于关闭状态，抽气泵(23)工作将2号管道抽入的参考气体和待测气体分别送到参考通道(16)和检测通道(17)进行检测；

(D)方法同上述步骤(A)～(C)的过程，依次检测每个检测点。

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