CN102998061B - 一种扩散式sf6气体泄漏监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种扩散式SF6气体泄漏监测装置及方法，该装置包括红外光源（1）、聚光镜（2）、温度探测器（3）、锥形集光器（4）、测量滤光片（5）、参比滤光片（6）、双通道红外探测器（7）、反射镜（8）、反射镜座（9）、支架（10）、过滤保护罩（11）、防水防尘透气膜（12）、信号调理模块（13）、A/D转换模块（14）、数据处理模块（15）、光源驱动模块（16）。本发明的目的在于提供一种能对泄漏SF6气体进行连续在线监测、响应快、精度和可靠性高的扩散式SF6气体泄漏监测方法及装置。此装置具有优异的防水防尘性能，无需使用抽气泵，能广泛应用于SF6气体泄漏监测系统中。
Description
技术领域
本发明属于SF6气体泄漏监测领域，具体涉及采用双波长红外监测原理和扩散式结构、自带温度补偿、具有数字信号输出的高精度SF6气体泄漏监测方法及装置。
背景技术
SF6气体由于具有极好的绝缘性能和灭弧性能，在电力系统中获得广泛的应用。但是，SF6气体的泄漏则会污染室内环境，使进入房间的操作人员、巡视检修人员的健康甚至生命受到严重威胁。因此，良好的SF6泄漏气体监测技术受到电力行业从业人员的重视和追求。
在SF6气体泄漏监测领域中，红外监测技术的优势正逐步得到公认和重视。红外气体泄漏监测技术是目前研究的热点之一，具备灵敏度高、精度高、稳定性好、具有良好的选择性、可靠性高、寿命长等优点。
在电力系统的SF6气体泄漏监测中，较常采用的方法是吸入式SF6泄漏监测技术，吸入式监测技术采用抽气泵将监测区域的待测气体吸入探测器内部，再利用相关测量原理对SF6的浓度进行测量。但在实际应用中，由于需要采用抽气泵抽气，气体进入气室前需要进行过滤、干燥，使得装置结构复杂、功耗较大，不利于进行连续在线监测，从而限制了此技术的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能对泄漏SF6气体进行连续在线监测、响应快、精度和可靠性高的扩散式SF6气体泄漏监测方法及装置。此装置具有优异的防水防尘性能，无需使用抽气泵，能广泛应用于SF6气体泄漏监测系统中。
本发明采用的技术方案为：一种扩散式SF6气体泄漏监测装置，该装置包括红外光源、聚光镜、温度探测器、锥形集光器、测量滤光片、参比滤光片、双通道红外探测器、反射镜、反射镜座、支架、过滤保护罩、防水防尘透气膜、信号调理模块、A/D转换模块、数据处理模块、光源驱动模块，具有开孔的支架形成一个中空的气室，支架上紧贴一层防水防尘透气膜，外面再套上过滤保护罩，在支架的一端放置镀金反射膜的反射镜，通过反射镜座固定并与支架相连，另一端设置红外光源和双通道红外探测器，红外光源前端设置有聚光镜，双通道红外探测器前面设置有测量滤光片和参比滤光片，测量滤光片和参比滤光片的前端设有锥形集光器，所述的针对SF6气体泄漏监测的测量滤光片和参比滤光片均为超窄带干涉滤光片，温度探测器置于气室中聚光镜与锥形集光器之间的空隙位置，电路板固定于支架上，电路板有外壳保护和固定，并与支架之间密封。
其中，电路板包括信号调理模块、A/D转换模块、数据处理模块和光源驱动模块，信号调理模块对参比信号和测量信号进行放大和滤波，A/D转换模块将模拟电信号转换成数据处理模块能够接收的数字信号，数据处理模块根据所接收的数字信号进行计算得到气体浓度并对外输出，光源驱动模块驱动红外光源发出稳定的红外光。
其中，测量滤光片的中心波长为10.55μm±80nm，半带宽为90nm±20nm，参比滤光片的中心波长为3.95μm±40nm，半带宽为90±20nm。
根据红外光谱理论，非对称极性分子由于内部偶极矩转动、振动等，对穿过气体分子的红外光产生吸收。不同类型的气体分子偶极矩不同，使得一种气体分子对特定波长的红外光有明显的吸收作用。根据朗伯-比尔定律：I＝I0exp(-μCL)；其中I为出射光强，I0为入射光强，C为气体浓度，L为吸收长度，μ为气体的吸收系数，可改写为：从以上公式可知，当吸收长度L与气体的吸收系数μ已知时，可以通过测量I和I0的比值计算出被测气体的浓度，I和I0的比值称为透射比实际应用中，由于红外光很容易受多种因素（如温度，电源电压波动，光源老化等）影响，仅通过单一光束透射光强的衰减不能足以准确地监测气体的泄漏。双波长红外监测原理在单波长红外监测的基础上增加一个参比波长，即选择被测气体对红外光吸收最强的吸收峰处的波长为测量波长，而选择另一个所有气体对其都不具有吸收能力的波长为参比波长，使用双通道红外探测器、双滤光片及处理双波长信号对应的电子电路及算法实现对气体泄漏的监测。通过一个测量滤光片和一个参比滤光片选择透过的波长，透过两个滤光片后，相应波长的红外吸收能量的变化反映到双通道红外探测器上，通过相应的信号处理和计算后，确定被测气体的存在及浓度信息。当气室中不存在被测气体组分时，双通道红外探测器接收到的是未被吸收的红外光，测量信号和参比信号相等；当气室中存在被测气体组分时，测量光束的能量被吸收，检测到的测量信号要小于参比光束的信号。设未通入SF6气体时透过测量通道的光强为I0，参比通道的光强为I′0；通入一定浓度SF6气体后测量通道的光强为I，参比通道光强为I′；则透射比T＝I′0I/I0I′。对确定的气体监测装置，有确定的I0和I′0的值，监测时只要测得I和I′，通过电路系统的信号处理后，就可以得到被测SF6气体的浓度信息。这种参比处理能有效的消除光源不稳定、光电器件的零点漂移等对测量精度的影响，使得双波长红外监测具有较高的测量精度。
根据以上分析，本发明提供一种扩散式SF6气体泄漏监测的方法，泄漏的SF6气体在与空气混合后，经自然扩散进入上述的吸入式SF6气体泄漏监测装置，首先经过过滤保护罩的第一层过滤作用初步滤除大的灰尘杂质，再经过防水防尘透气膜彻底滤除水分和灰尘，通过支架上的开孔进入气室，在气室中，由光源驱动模块驱动红外光源发出红外光，经过聚光镜的聚焦、准直作用后，射向气室中的气体，经过被测气体吸收后，到达反射镜上之后被反射，红外光再次通过气室并被吸收，锥形集光器将反射镜反射来的红外光进行汇聚，经过测量滤光片和参比滤光片到达双通道红外探测器，双通道红外探测器两个通道分别产生一个包含光源和环境信息的参比信号和一个包含被测气体浓度信息的信号，这两个信号通过信号调理模块的放大、滤波和A/D转换模块转换成数字信号之后，输入到数据处理模块，数据处理模块通过数据处理排除掉光源和环境的影响，根据事先写入的泄漏SF6气体浓度计算模型得到被测SF6气体的浓度，与此同时，温度探测器也将探测到的泄漏SF6气体的温度输入到数据处理模块，数据处理模块再对泄漏SF6气体浓度进行温度修正，从而得到真实的泄漏SF6气体的浓度，将此SF6浓度对外输出。
其中，所述的数据处理模块中数据处理时针对泄漏SF6气体的特性，采用多点标定方法，建立泄漏SF6气体浓度计算模型，标定时，在泄漏SF6监测量程范围内选择多个浓度点，配制标准混合气，根据测量电压和参比电压得到一个只包含气体浓度信息的变量D以消除光源的影响，根据D值与标准浓度X0值之间的对应关系建立泄漏SF6气体浓度计算模型，将此模型及标定时的温度信息一并写入单片机存储器内，实际测量时，数据处理模块接收测量电压、参比电压和温度三个数值，先计算出泄漏SF6气体浓度信息变量D，以排除可能存在的光源波动和环境影响，再根据事先写入的泄漏SF6气体浓度计算模型计算出对应的浓度值，然后根据温度进行温度补偿，得到补偿后的泄漏SF6气体浓度，此浓度即为被测泄漏SF6气体的真实浓度值。
本发明与现有技术相比的优点为：
本发明采用双波长红外监测原理和扩散式结构进行SF6泄漏气体的浓度监测，具有易于实现连续在线监测、响应快、精度和可靠性高、优异的防水防尘性能和无需使用抽气泵等优点。采用双波长红外监测原理、选用超窄带干涉滤光片作为测量滤光片、反射镜的采用增加了吸收长度、锥形集光器的采用增强了接收光强、防水防尘透气膜的采用有效地避免了水分灰尘的干扰以及进行温度补偿、修正，有效地提高了泄漏SF6气体监测的精度。根据泄漏SF6气体特性建立的计算模型、标定及算法，保证了泄漏SF6气体监测的准确性。测试结果数字输出，自带温度补偿等，使得输出结果更加准确、便利。
本发明的扩散式SF6气体泄漏监测方法及装置是电网SF6气体泄漏监测和报警必不可少的关键技术，其推广应用将有利于提高电网的安全运行和保障电力从业人员的安全。
附图说明
图1为本发明的装置的结构示意图；
图中：1.红外光源、2.聚光镜、3.温度探测器、4.锥形集光器、5.测量滤光片、6.参比滤光片、7.双通道红外探测器、8.反射镜、9.反射镜座、10.支架、11.过滤保护罩、12.防水防尘透气膜、13.信号调理模块、14.A/D转换模块、15.数据处理模块、16.光源驱动模块；
图2为七点标定方法流程图；
图3为本发明的数据处理流程图。
具体实施方式
本发明的最佳实施方案是采用抛物面聚光镜对红外光源发出的红外光进行聚焦和准直，采用球面反射镜和锥形集光器实现红外光的反射和汇聚，球面反射镜表面镀金，以确保红外探测器接收到足够的光强。采用防水防尘透气膜，既能有效地避免粉尘、水分等杂质对光学元件的影响，又能保证气体顺利进入气室，以获得较快的响应速度。
本实施例的结构如图1所示，具有开孔的支架10形成一个中空的气室，支架10上紧贴一层防水防尘透气膜12，外面再套上过滤保护罩11，在支架10的一端放置镀金反射膜的反射镜8，通过反射镜座9固定并与支架相连。另一端设置红外光源1和双通道红外探测器7，红外光源1前端设置有聚光镜2，双通道红外探测器7前面设置有测量滤光片5和参比滤光片6，测量滤光片5和参比滤光片6的前端设有锥形集光器4。所述的针对SF6气体泄漏监测的测量滤光片5和参比滤光片6均为超窄带干涉滤光片，测量滤光片5的中心波长为10.55μm±80nm，半带宽为90nm±20nm，参比滤光片6的中心波长为3.95μm±40nm，半带宽为90±20nm。温度探测器3置于气室中聚光镜2与锥形集光器4之间的空隙位置。电路板固定于支架10上，包括信号调理模块13、A/D转换模块14、数据处理模块15和光源驱动模块16，信号调理模块13对参比信号和测量信号进行放大和滤波，A/D转换模块14将模拟电信号转换成数据处理模块15能够接收的数字信号，数据处理模块15跟所接受的数字信号进行计算得到气体浓度并对外输出，光源驱动模块16驱动红外光源1发出稳定的红外光，电路板有外壳保护和固定，并与支架之间密封。
装置工作时，泄漏的SF6气体在与空气混合后，经自然扩散进入本装置，首先经过过滤保护罩11的第一层过滤作用初步滤除大的灰尘杂质，再经过防水防尘透气膜12彻底滤除水分和灰尘，通过支架10上的开孔进入气室。在气室中，由光源驱动模块16驱动红外光源1发出红外光，经过聚光镜2的聚焦、准直作用后，射向气室中的气体，经过被测气体的吸收后，到达反射镜8上被反射，红外光再次通过气室并被吸收，锥形集光器4将反射镜8反射来的红外光进行汇聚，经过测量滤光片5和参比滤光片6到达双通道红外探测器7，双通道红外探测器7两个通道分别产生一个包含光源和环境信息的参比信号和一个包含被测气体浓度信息的信号，这两个信号通过信号调理模块13的放大、滤波和A/D转换模块14转换成数字信号之后，输入到数据处理模块15，数据处理模块15通过数据处理排除掉光源和环境的影响，根据事先写入的泄漏SF6气体浓度计算模型得到被测SF6气体的浓度。与此同时，温度探测器3也将探测到的泄漏SF6气体的温度输入到数据处理模块15，数据处理模块15再对泄漏SF6气体浓度进行温度修正，从而得到真实的泄漏SF6气体的浓度，将此SF6浓度对外输出。
数据处理程序针对SF6气体的特性，采用多点标定的方法，本实施例选择七个标定点，建立泄漏SF6气体浓度计算模型，七点标定方法的流程见附图2。标定时，在泄漏SF6监测量程范围内选择7个浓度点，配制标准混合气，送入标准混合气后，根据测量电压Vm和参比电压VRef得到一个只包含气体浓度信息的变量D，根据D值与标准浓度X0值之间的对应关系建立SF6气体浓度计算模型，将此模型写入单片机存储器内。实际监测时，数据处理模块15接收测量电压Vm、参比电压VRef和温度Tm三个数值，先计算出气体浓度信息变量D，以排除可能存在的光源波动和环境影响，再根据事先写入的浓度计算模型采用查表法计算出对应的浓度值Xm。然后根据温度Tm计算出温度补偿系数K进行温度补偿，得到补偿后的气体浓度XT，此浓度即为被测SF6气体的真实浓度值，将此数值对外输出，其流程见附图3。
Claims (1)
1.一种扩散式SF6气体泄漏监测的方法，该方法使用一种扩散式SF6气体泄漏监测装置，其特征在于：该装置包括红外光源(1)、聚光镜(2)、温度探测器(3)、锥形集光器(4)、测量滤光片(5)、参比滤光片(6)、双通道红外探测器(7)、反射镜(8)、反射镜座(9)、支架(10)、过滤保护罩(11)、防水防尘透气膜(12)、信号调理模块(13)、A/D转换模块(14)、数据处理模块(15)、光源驱动模块(16)，具有开孔的支架(10)形成一个中空的气室，支架(10)上紧贴一层防水防尘透气膜(12)，外面再套上过滤保护罩(11)，在支架(10)的一端放置镀金反射膜的反射镜(8)，通过反射镜座(9)固定并与支架(10)相连，另一端设置红外光源(1)和双通道红外探测器(7)，红外光源(1)前端设置有聚光镜(2)，双通道红外探测器(7)前面设置有测量滤光片(5)和参比滤光片(6)，测量滤光片(5)和参比滤光片(6)的前端设有锥形集光器(4)，针对SF6气体泄漏监测的测量滤光片(5)和参比滤光片(6)均为超窄带干涉滤光片，温度探测器(3)置于气室中聚光镜(2)与锥形集光器(4)之间的空隙位置，电路板固定于支架(10)上，电路板有外壳保护和固定，并与支架之间密封，
电路板包括信号调理模块(13)、A/D转换模块(14)、数据处理模块(15)和光源驱动模块(16)，信号调理模块(13)对参比信号和测量信号进行放大和滤波，A/D转换模块(14)将模拟电信号转换成数据处理模块(15)能够接收的数字信号，数据处理模块(15)根据所接收的数字信号进行计算得到气体浓度并对外输出，光源驱动模块(16)驱动红外光源(1)发出稳定的红外光；
测量滤光片(5)的中心波长为10.55μm±80nm，半带宽为90nm±20nm，参比滤光片(6)的中心波长为3.95μm±40nm，半带宽为90±20nm；
泄漏的SF6气体在与空气混合后，经自然扩散进入所述的扩散式SF6气体泄漏监测装置，首先经过过滤保护罩(11)的第一层过滤作用初步滤除大的灰尘杂质，再经过防水防尘透气膜(12)彻底滤除水分和灰尘，通过支架(10)上的开孔进入气室，在气室中，由光源驱动模块(16)驱动红外光源(1)发出红外光，经过聚光镜(2)的聚焦、准直作用后，射向气室中的气体，经过被测气体吸收后，到达反射镜(8)上之后被反射，红外光再次通过气室并被吸收，锥形集光器(4)将反射镜(8)反射来的红外光进行汇聚，经过测量滤光片(5)和参比滤光片(6)到达双通道红外探测器(7)，双通道红外探测器(7)两个通道分别产生一个包含光源和环境信息的参比信号和一个包含被测气体浓度信息的信号，这两个信号通过信号调理模块(13)的放大、滤波和A/D转换模块(14)转换成数字信号之后，输入到数据处理模块(15)，数据处理模块(15)通过数据处理排除掉光源和环境的影响，根据事先写入的泄漏SF6气体浓度计算模型得到被测SF6气体的浓度，与此同时，温度探测器(3)也将探测到的泄漏SF6气体的温度输入到数据处理模块(15)，数据处理模块(15)再对泄漏SF6气体浓度进行温度修正，从而得到真实的泄漏SF6气体的浓度，将此SF6浓度对外输出；
所述的数据处理模块(15)中数据处理时针对泄漏SF6气体的特性，采用多点标定方法，建立泄漏SF6气体浓度计算模型，标定时，在泄漏SF6监测量程范围内选择多个浓度点，配制标准混合气，根据测量电压和参比电压得到一个只包含气体浓度信息的变量D以消除光源的影响，根据D值与标准浓度X0值之间的对应关系建立泄漏SF6气体浓度计算模型，将此模型及标定时的温度信息一并写入单片机存储器内，实际测量时，数据处理模块(15)接收测量电压、参比电压和温度三个数值，先计算出泄漏SF6气体浓度信息变量D，以排除可能存在的光源波动和环境影响，再根据事先写入的泄漏SF6气体浓度计算模型计算出对应的浓度值，然后根据温度进行温度补偿，得到补偿后的泄漏SF6气体浓度，此浓度即为被测泄漏SF6气体的真实浓度值。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20151021 Termination date: 20211126 |
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