CN104020121A - 一种抗干扰关键技术的开关柜臭氧含量识别系统 - Google Patents
一种抗干扰关键技术的开关柜臭氧含量识别系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种抗干扰关键技术的开关柜臭氧含量识别系统。该系统由采气滤气器模块、紫外光谱检测模块、模拟信号处理电路、温湿度补偿传感器、A/D转换电路模块、微机处理器单元和监测主机组成。本发明具有以下优点：1.本发明使用先进的光谱法，寿命长，更加环保。2.光谱法只需通过特氟龙管采集电化学，相比于传统的局放检测仪器，有更广泛的应用；3.本发明具有极强的抗干扰能力和较高的灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于智能电网在线监测及其应用领域，特别是涉及高压开关柜局部放电在线监测中臭氧监测领域，具体是一种抗干扰关键技术的开关柜臭氧含量识别系统。
背景技术
高压开关柜是电力系统非常重要的电气设备，绝缘件表面污秽、受潮和凝露；高压母线连接处及断路器触头接触不良；导体、柜体内表面上有金属突起，导致毛刺且较尖；柜体内有可以移动的金属微粒，它有积累电荷的能力，当靠近高压导体且并未接触时，放电最可能发生，高压开关柜故障的潜伏期都会产生放电现象。为了监测高压开关柜的绝缘状态，人们开发了一系列高压开关柜局放监测装置。
当前，应用较为广泛的高压开关柜局放监测技术可以分为二类：
1、局部放电电磁波检测技术(刘云鹏,王会斌,王娟,律方成.高压开关柜局部放电UHF在线监测系统的研究[A].高压电器,2009(2):15-17.将庆云.电力变压器局部放电超高频检测技术的研究[D].保定：华北电力大学，2006.单平.变压器局部放电超高频模式识别系统的研究[D].西安：西安交通大学，2003)。
2、局部放电臭氧检测技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种抗干扰关键技术的开关柜臭氧含量识别系统，通过接收柜体内部放电产生的臭氧浓度，实现局放的检测和模式的识别。它只需将采气管固定在开关柜高压设备附近，并对设备状况进行实时动态监测，该系统具有极强的抗干扰能力和较高的灵敏度。
本发明解决上述的技术问题的技术方案是：
一种抗干扰关键技术的开关柜臭氧含量识别系统，采用紫外线接收法的原理，用不变的紫外灯光源发生紫外线，光波过滤器只允许波长253.7nm的紫外线通过。经过样品光电传感器，再经由臭氧接收池后，抵达采样光电传感器。经过样品光电传感器和采样光电传感器电旌旗灯号比拟，再经由数学模子的核算，得出臭氧浓度，数据通过RS232物理接口经过RS232/RS485协议转换器将监测数据以ASCII码的形式向外发送，监测主机通过RS485转USB接收数据。该系统由采气滤气器模块、紫外光谱检测模块、模拟信号处理电路、温湿度补偿传感器、A/D转换电路模块、微机处理器单元和监测主机组成。
1.各部件结构：
1)所述采气滤气器模块由特氟龙制做的导气管、抽气泵、臭氧净化器、电磁阀组成，导气管与电磁阀连接，电磁阀与抽气泵进口连接，抽气泵出口与臭氧净化器进口连接；电磁阀控制抽气泵将气体样品通过导气管吸收到臭氧净化器内部。
2)所述紫外光谱检测模块由汞灯、臭氧吸收池、光电二极管构成，汞灯连接于臭氧吸收池上方，臭氧吸收池与光电二极管进口连接；由汞灯发射功率一定的平行紫外光束，通过臭氧吸收池吸收后，将气体样品送入光电二极管接受并分析能量损失，由模拟信号处理电路将光能转化为电压信号，温湿度是影响监测精度的因素，为了确保臭氧检测的精确度，需要根据温湿度补偿传感器对实时的温湿度修正朗伯比尔定律的参数。
3)所述模拟信号处理电路内含内含光电转换电路和放大滤波电路，光电转换电路的出口端与放大滤波电路的进口端连接。
4)所述温湿度补偿传感器是由温度补偿传感器和湿度补偿传感器构成，温度补偿传感器和湿度补偿传感器并联。
5)所述A/D转换电路模块由模数转换电路和A/D参考模块构成，模数转换电路设有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ接口，模数转换电路的Ⅲ接口与A/D参考模块连接。模数转换电路将模拟电压信号为数字信号；通过A/D参考模块修改A/D芯片的偏移量和工作区间，使釆样芯片始终工作于线性度最佳的区间。
6)所述微机处理器单元由单片机ARM7、液晶显示屏、声光提示模块、旋钮输入设备、通讯模块构成。以单片机ARM7为核心，单片机ARM7设有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ接口，Ⅰ接口与液晶显示屏连接，Ⅱ接口与声光提示模块连接，Ⅲ接口与旋钮输入设备连接，Ⅳ接口与通讯模块连接。单片机ARM7的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ接口协调仪器各部分的工作：液晶显示屏显示监测数据和操作菜单；声光提示模块提示臭氧池的工作状态和参数，对池压、温湿度等异常等情况进行提示；旋钮输入设备是仪器面板的唯一输入设备，操作简单；通讯模块包含标准USB和RS232通讯协议和物理接口，同时提供0-2.5V、4-20mA模拟输出接口。
7)所述监测主机由一台装有windows xp操作系统和终端仿真程序的pc机构成，监测主机在监控室起到查看现场监测数据和上传数据的作用。
2.各部件的连接关系：
所述采气滤气器模块的臭氧净化器出口与紫外光谱检测模块的臭氧吸收池进口连接；紫外光谱检测模块的光电二极管出口与模拟信号处理电路的光电转换电路的进口端连接；模拟信号处理电路的放大滤波电路出口端与A/D转换电路模块的模数转换电路的Ⅰ接口连接；和温湿度补偿传感器的温度补偿传感器和湿度补偿传感器并联后与A/D转换电路模块的模数转换电路的Ⅱ接口连接；A/D转换电路模块的模数转换电路的Ⅳ接口与微机处理器单元的单片机ARM7连接；微机处理器单元的通讯模块与监测主机连接。
系统的工作流程为利用采气滤气模块和紫外光谱检测模块，通过模拟信号处理电路中的光电转换电路将待测混合气体中的臭氧浓度从非电信号转化为模拟电压信号，然后经放大滤波电路将该模拟信号进行预处理并由模数转换电路和A/D参考模块进行A/D转换，将转换后的数字信号送至微处理器单元的单片机ARM7，对检测后的数据进行计算处理，并通过液晶显示屏显示检测结果，以及通过通讯模块的RS-232接口电路将采集数据送到监测主机进行数据处理。此外，还可以通过显示面板的旋钮来动态设定浓度上限值，若测得的浓度超过上限值则通过声光提示模块进行提示，实现臭氧的实时监控。
监测主机终端仿真程序，简单易用，可修改数据采样间隔，通讯的波特率，数据记录间隔。此外，数据可以保存为文本文件，然后以微软Excel(或其它展开表格)方式打开，这样，通过定义分隔符(例如逗号和回车)可以转换成柱状形式的格式数据，进行数据处理和图形化。臭氧混合率(ppbv)，内部池温(K或oC)，池压(Torr或mbar)，以电压方式(如果从菜单激活的话)输入的三个外部模拟值，日期，时间等以逗号界定的ASCII字符送往串口(2400，4800或19,200波特；8点；无奇偶性，1停止位)，时间间隔为每2秒，10秒，1分，5分或1小时，取决于从微处理器上选定的平均时间。时间假设为24-小时(军用的)格式，日期为欧式(dd/mm/yy)。
一条典型的数据行
67.4,35.3,980.615/10/09,18:31:27
在这里：
臭氧＝67.4ppm
池温＝35.3oC(可显示K，如从选定菜单)
池压＝980.6mbar(可显示Torr，如从选定菜单)
日期＝October15,2009
时间＝6:31:27pm
与高压开关柜无线测温技术相比，本发明具有以下优点：
1.相较于市面上众多电化学法监测臭氧的仪器，本仪器使用先进的光谱法，寿命长，且没有电化学原理反应后的垃圾产物，更加环保；
2.光谱法只需通过特氟龙管采集电化学，没有任何带有电属性的前端传感器，相比于传统的局放检测仪器，有更广泛的应用；
3.臭氧具有不稳定性，一般只存在于放点发生点周围，这样的性质对于局放点的定位非常有效。
4.设备本身对检测的环境条件有严格的控制，对温度湿度和压力更是有自动补偿的功能，故仪器设备不需要经常校准也可以长时间精确稳定的工作。
附图说明
图1是发明一种抗干扰关键技术的开关柜臭氧含量识别系统结构示意图。
图中，采气滤气器模块1、紫外光谱检测模块2、模拟信号处理电路3、温湿度补偿传感器4、A/D转换电路模块5、模数转换电路5-1、A/D参考模块5-2、微机处理器单元6、单片机ARM7 6-1、液晶显示屏6-2、声光提示模块6-3、旋钮输入设备6-4、通讯模块6-5、监测主机7。
图2是发明采气滤气器模块结构示意图。
图中，导气管1-1、抽气泵1-2、臭氧净化器1-3、电磁阀1-4。
图3是发明紫外光谱检测模块结构示意图。
图中，汞灯2-1、臭氧吸收池2-2、光电二极管2-3
图4是模拟信号处理电路结构示意图。
图中，光电转换电路3-1、放大滤波电路3-2
图5是温湿度补偿器示意图。
图中，温度补偿器4-1、湿度补偿器4-2
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作详细说明。
一种抗干扰关键技术的开关柜臭氧含量识别系统结构如图1所示，该系统由采气滤气器模块1、紫外光谱检测模块2、模拟信号处理电路3、温湿度补偿传感器4、A/D转换电路模块5、微机处理器单元6和监测主机7组成。
1.各部件结构：
1)所述采气滤气器模块1结构如图2所示：由特氟龙制做的导气管1-1、抽气泵1-2、臭氧净化器1-3、电磁阀1-4组成，导气管1-1与电磁阀1-4连接，电磁阀1-4与抽气泵1-2进口连接，抽气泵1-2出口与臭氧净化器1-3进口连接；电磁阀1-4控制抽气泵1-2将气体样品通过导气管吸收到臭氧净化器1-3内部。
2)所述紫外光谱检测模块2结构如图3所示：由汞灯2-1、臭氧吸收池2-2、光电二极管2-3构成，汞灯2-1连接于臭氧吸收池2-2上方，臭氧吸收池2-2与光电二极管2-3进口连接；由汞灯2-1发射功率一定的平行紫外光束，通过臭氧吸收池2-2吸收后，将气体样品送入光电二极管2-3接受并分析能量损失，由模拟信号处理电路3将光能转化为电压信号，温湿度是影响监测精度的因素，为了确保臭氧检测的精确度，需要根据温湿度补偿传感器4对实时的温湿度修正朗伯比尔定律的参数。
3)所述模拟信号处理电路3结构如图4所示：内含光电转换电路3-1和放大滤波电路3-2。光电转换电路3-1的出口端与放大滤波电路3-2的进口端连接。
4)所述温湿度补偿传感器4结构如图5所示：是由温度补偿传感器4-1和湿度补偿传感器4-2构成，温度补偿传感器4-1和湿度补偿传感器4-2并联。
5)所述A/D转换电路模块5由模数转换电路5-1和A/D参考模块5-2构成，模数转换电路5-1设有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ接口，模数转换电路5-1的Ⅲ接口与A/D参考模块5-2连接；模数转换电路5-1将模拟电压信号采样了为数字信号；通过A/D参考模块5-2修改A/D芯片的偏移量和工作区间，使釆样芯片始终工作于线性度最佳的区间。
6)所述微机处理器单元6由单片机ARM7 6-1、液晶显示屏6-2、声光提示模块6-3、旋钮输入设备6-4、通讯模块6-5构成。以单片机ARM76-1为核心，单片机ARM7设有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ接口，Ⅰ接口与液晶显示屏6-2连接，Ⅱ接口与声光提示模块6-3连接，Ⅲ接口与旋钮输入设备6-4连接，Ⅳ接口与通讯模块6-5连接。单片机ARM76-1的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ接口协调仪器各部分的工作；液晶显示屏6-2显示监测数据和操作菜单；声光提示模块6-3提示臭氧池的工作状态和参数，对池压、温湿度等异常等情况进行提示；旋钮输入设备6-4是仪器面板的唯一输入设备，操作简单；通讯模块6-5包含标准USB和RS232通讯协议和物理接口，同时提供0-2.5V、4-20mA模拟输出接口。
7)所述监测主机7由一台装有windows xp操作系统和终端仿真程序的pc机构成，监测主机7在监控室起到查看现场监测数据和上传数据的作用。
2.各部件的连接关系如图1所示：
所述采气滤气器模块1的臭氧净化器1-3出口与紫外光谱检测模块2的臭氧吸收池2-2进口连接；紫外光谱检测模块2的光电二极管2-3出口与模拟信号处理电路3的光电转换电路3-1的进口端连接；模拟信号处理电路3的放大滤波电路3-2出口端与A/D转换电路模块5的模数转换电路5-1的Ⅰ接口连接；和温湿度补偿传感器4的温度补偿传感器4-1和湿度补偿传感器4-2并联后与A/D转换电路模块5的模数转换电路5-1的Ⅱ接口连接；A/D转换电路模块5的模数转换电路5-1的Ⅳ接口与微机处理器单元6的单片机ARM7 6-1连接；微机处理器单元6的通讯模块6-5与监测主机7连接。
系统的工作流程为利用采气滤气模块1和紫外光谱检测模块2，通过模拟信号处理电路3将待测混合气体中的臭氧浓度从非电信号转化为模拟电压信号，然后经放大滤波电路3-2将该模拟信号进行预处理并由模数转换电路5-1和A/D参考模块5-2进行A/D转换，将转换后的数字信号送至微处理器单元6的单片机ARM7 6-1，对检测后的数据进行计算处理，并通过液晶显示屏6-2显示检测结果，以及通过通讯模块6-5的RS-232接口电路将采集数据送到监测主机7进行数据处理。此外，还可以通过显示面板的旋钮6-4来动态设定浓度上限值，若测得的浓度超过上限值则通过声光提示模块6-3进行提示，实现臭氧的实时监控。
监测主机7终端仿真程序简单易用，可修改数据采样间隔，通讯的波特率，数据记录间隔。此外，数据可以保存为文本文件，然后以微软Excel(或其它展开表格)方式打开，这样，通过定义分隔符(例如逗号和回车)可以转换成柱状形式的格式数据，进行数据处理和图形化。臭氧混合率(ppbv)，内部池温(K或oC)，池压(Torr或mbar)，以电压方式(如果从菜单激活的话)输入的三个外部模拟值，日期，时间等以逗号界定的ASCII字符送往串口(2400，4800或19,200波特；8点；无奇偶性，1停止位)，时间间隔为每2秒，10秒，1分，5分或1小时，取决于从微处理器上选定的平均时间。时间假设为24-小时(军用的)格式，日期为欧式(dd/mm/yy)。
一条典型的数据行
67.4,35.3,980.615/10/09,18:31:27
在这里：
臭氧＝67.4ppm
池温＝35.3oC(可显示K，如从选定菜单)
池压＝980.6mbar(可显示Torr，如从选定菜单)
日期＝October15,2009
时间＝6:31:27pm
可见，本发明采用采用成熟的254nm紫外吸收法技术，可在一个从十亿分之一体积比(ppb)的下限到万分之一(ppm)的上限的动态量程里，精确测量大气中的臭氧。基于臭氧紫外吸收光谱的高压开关柜局部放电监测系统通过接收柜体内部放电产生的臭氧浓度，实现局放的检测和模式的识别。它只需将采气管固定在开关柜高压设备附近，并对设备状况进行实时动态监测和远程监控，具有极强的抗干扰能力和较高的灵敏度。此外相较于市面上众多电化学法监测臭氧的仪器，本仪器使用先进的光谱法，寿命长，且没有电化学原理反应后的垃圾产物，更加环保；光谱法只需通过特氟龙管采集电化学，没有任何带有电属性的前端传感器，相比于传统的局放检测仪器，有更广泛的应用。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例子而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种抗干扰关键技术的开关柜臭氧含量识别系统，其特征在于：由采气滤气器模块(1)、紫外光谱检测模块(2)、模拟信号处理电路(3)、温湿度补偿传感器(4)、A/D转换电路模块(5)、微机处理器单元(6)和监测主机(7)组成，
1)各部件结构：
1.1)所述采气滤气器模块(1)由特氟龙制做的导气管(1-1)、抽气泵(1-2)、臭氧净化器(1-3)、电磁阀(1-4)组成，导气管(1-1)与电磁阀(1-4)连接，电磁阀(1-4)与抽气泵(1-2)进口连接，抽气泵(1-2)出口与臭氧净化器(1-3)进口连接；电磁阀(1-4)控制抽气泵(1-2)将气体样品通过导气管吸收到臭氧净化器(1-3)内部；
1.2)所述紫外光谱检测模块(2)由汞灯(2-1)、臭氧吸收池(2-2)、光电二极管(2-3)构成，汞灯(2-1)连接于臭氧吸收池(2-2)上方，臭氧吸收池(2-2)与光电二极管(2-3)进口连接；由汞灯(2-1)发射功率一定的平行紫外光束，通过臭氧吸收池(2-2)吸收后，将气体样品送入光电二极管(2-3)接受并分析能量损失，由模拟信号处理电路(3)将光能转化为电压信号，温湿度是影响监测精度的因素，为了确保臭氧检测的精确度，需要根据温湿度补偿传感器(4)对实时的温湿度修正朗伯比尔定律的参数；
1.3)所述模拟信号处理电路(3)内含光电转换电路(3-1)和放大滤波电路(3-2)，光电转换电路(3-1)的出口端与放大滤波电路(3-2)的进口端连接；
1.4)所述温湿度补偿传感器(4)由温度补偿传感器(4-1)和湿度补偿传感器(4-2)构成，温度补偿传感器(4-1)和湿度补偿传感器(4-2)并联；
1.5)所述A/D转换电路模块(5)由模数转换电路(5-1)和A/D参考模块(5-2)构成，模数转换电路(5-1)设有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ接口，模数转换电路(5-1)的Ⅲ接口与A/D参考模块(5-2)连接；模数转换电路(5-1)将模拟电压信号采样为数字信号；通过A/D参考模块(5-2)修改A/D芯片的偏移量和工作区间，使釆样芯片始终工作于线性度最佳的区间；
1.6)所述微机处理器单元(6)由单片机ARM7(6-1)、液晶显示屏(6-2)、声光提示模块(6-3)、旋钮输入设备(6-4)、通讯模块(6-5)构成；以单片机ARM7(6-1)为核心，单片机ARM7设有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ接口，Ⅰ接口与液晶显示屏(6-2)连接，Ⅱ接口与声光提示模块(6-3)连接，Ⅲ接口与旋钮输入设备(6-4)连接，Ⅳ接口与通讯模块(6-5)连接；单片机ARM7(6-1)的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ接口协调仪器各部分的工作；液晶显示屏(6-2)显示监测数据和操作菜单；声光提示模块(6-3)提示臭氧池的工作状态和参数，对池压、温湿度等异常等情况进行提示；旋钮输入设备(6-4)是仪器面板的唯一输入设备，操作简单；通讯模块(6-5)包含标准USB和RS232通讯协议和物理接口，同时提供0-2.5V、4-20mA模拟输出接口；
1.7)所述监测主机(7)由一台装有windows xp操作系统和终端仿真程序的pc机构成，监测主机(7)在监控室起到查看现场监测数据和上传数据的作用；
2)各部件的连接关系：
所述采气滤气器模块(1)的臭氧净化器(1-3)出口与紫外光谱检测模块(2)的臭氧吸收池(2-2)进口连接；紫外光谱检测模块(2)的光电二极管(2-3)出口与模拟信号处理电路(3)的光电转换电路(3-1)的进口端连接；模拟信号处理电路(3)的放大滤波电路(3-2)出口端与A/D转换电路模块5的模数转换电路(5-1)的Ⅰ接口连接；和温湿度补偿传感器(4)的温度补偿传感器(4-1)和湿度补偿传感器(4-2)并联后与A/D转换电路模块5的模数转换电路(5-1)的Ⅱ接口连接；A/D转换电路模块(5)的模数转换电路(5-1)的Ⅳ接口与微机处理器单元(6)的单片机ARM7(6-1)连接；微机处理器单元(6)的通讯模块(6-5)与监测主机(7)连接；
系统的工作流程为利用采气滤气模块(1)和紫外光谱检测模块(2)，通过模拟信号处理电路(3)中的光电转换电路(3-1)将待测混合气体中的臭氧浓度从非电信号转化为模拟电压信号，然后经放大滤波电路(3-2)将该模拟信号进行预处理并由模数转换电路(5-1)和A/D参考模块(5-2)进行A/D转换，将转换后的数字信号送至微处理器单元(6)的单片机ARM7(6-1)，对检测后的数据进行计算处理，并通过液晶显示屏(6-2)显示检测结果，以及通过通讯模块(6-5)的RS-232接口电路将采集数据送到监测主机(7)进行数据处理。此外，还可以通过显示面板的旋钮输入设备(6-4)来动态设定浓度上限值，若测得的浓度超过上限值则通过声光提示模块(6-3)进行提示，实现臭氧的实时监控。
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