CN105675660A - 绝缘气体特征传感器的桥式补偿电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种绝缘气体特征传感器的桥式补偿电路，在四个桥臂分别设置传感器a、补偿传感器b、传感器a及补偿传感器b电阻值的等效电阻，由桥式补偿电路输出与传感器a的敏感膜的电阻值对应的电压信号，以便计算得出传感器a测得的气体特性参数值。其中，所述传感器a是一种气敏传感器，对从GIS设备抽取的六氟化硫混合气体进行检测；补偿传感器b是与传感器a同类且受到相同干扰的另一个气敏传感器，但该补偿传感器b的敏感膜被气体隔绝。桥式补偿电路的至少一个桥臂，通过连接控制装置的粗调和细调的数字电位器进行调零。本发明能够排除传感器本身零点漂移和现场干扰信号的影响，提高GIS设备故障诊断的准确性。

Description

绝缘气体特征传感器的桥式补偿电路

技术领域

本发明涉及GIS设备的绝缘气体状态检测领域，特别涉及一种传感器的桥式补偿电路。

背景技术

气体绝缘金属封闭电器(GIS)是电力系统的一种主要电气设备，其带电导体和绝缘件全部被封闭在金属壳内，不受外界环境的影响，适合用于环境条件恶劣和污染严重的地区。GIS设备的应用，使紧凑型、高电压、大容量新式变电站的发展得以实现，成为城网变电站改造的重要途径，对提高电力生产的安全经济运行起到了很好的作用。

但是，GIS设备的一个最大的缺陷是造价昂贵，而且安装和检修时必须要有一个比较清洁的环境。由于在设计、材质、工艺和维护等方面存在些差异性，使GIS设备内部存在局部的绝缘气体状态，而现有普通的电气试验方法不能直接反映其内部的缺陷。因此，将这些隐患藏之于电网，在热和电的作用下，故障区域的六氟化硫气体和固体绝缘材料不断分解，绝缘性能不断下降，直至事故发生。例如，六氟化硫气体中含有较多的水分或六氟化硫气体纯度不高或六氟化硫气体在电弧作用下产生有毒分解物或GIS内夹杂有直径大于30微米的微粒，都会对绝缘强度造成比较大的影响。此外，GIS一旦发生故障，造成的后果也远比常规的变电站严重，而且检修和恢复供电的时间也要长得多。据国内外近年的统计资料得知，电网运行事故中绝缘事故占60％以上，严重地影响了电力行业的安全经济运行。

现有的六氟化硫气体检测方法所使用的气体特征传感器，由于采用手动调节电位器或数字电位器方法实现传感器的手动调零，面临着检测灵敏度低、误差大、温度漂移大、环境温度补偿困难且存在交叉敏感现象等诸多缺陷，无法实现六氟化硫气体特性的精确检测。

发明内容

本发明提供一种绝缘气体特征传感器的桥式补偿电路，基于桥路补偿法实现对绝缘气体特征传感器进行校准调零，并将之应用于六氟化硫气体特性的检测设备中，提高GIS设备故障诊断的准确性，确保电力系统的安全、可靠运行。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种绝缘气体特征传感器的桥式补偿电路，其中：

对气体特征检测的传感器a接入桥式补偿电路的第一桥臂，第二桥臂设置有一个补偿传感器b在电路上与传感器a串联，构成一个分压分支；第三桥臂和第四桥臂的等效电阻串联，构成另一个分压分支；第三桥臂的等效电阻等于传感器a的电阻值，第四桥臂的等效电阻等于补偿传感器b的电阻值；

在第一桥臂与第二桥臂之间的第一节点，和第三桥臂与第四桥臂之间的第三节点之间，施加输入电压；在第一桥臂与第四桥臂之间的第四节点，和第二桥臂与第三桥臂之间的第二节点之间，采集输出电压，从而根据惠斯通电桥原理计算得到传感器a的敏感膜的电阻值，由该桥式补偿电路输出与阻值信号对应的电压信号；

其中，所述传感器a是一种气敏传感器，对从GIS设备抽取的六氟化硫混合气体进行检测；所述补偿传感器b是与传感器a同一类的另一个气敏传感器，能够受到与传感器a相同的干扰，但同时该补偿传感器b的敏感膜被气体隔绝，使该补偿传感器b受干扰影响导致其敏感膜的电阻值的变化值为零。

优选地，所述传感器a设置于样气室内，对从GIS设备抽取并送入到该样气室的六氟化硫混合气体的微水含量、或纯度、或分解产物含量进行检测。

优选地，所述桥式补偿电路输出的电压信号，输入到与之连接的信号分析处理模块进行模数转换、信号放大，并计算得出传感器a测得的气体特性参数值。

优选地，所述第四桥臂的等效电阻的数值，为补偿传感器b的敏感膜的电阻值；

所述第三桥臂的等效电阻的数值，是对传感器a的敏感膜的电阻值Rx，传感器a正常工作时被测气体浓度导致敏感膜的电阻值的变化值-ΔRxg，以及传感器a受干扰影响导致电阻值的变化值-ΔRb的综合计算结果。

优选地，所述桥式补偿电路的至少一个桥臂，设置有一个粗调数字电位器和一个细调数字电位器，其各自具有多个档位；

桥式补偿电路的输入电压为零时，通过控制装置连接并调节所述粗调数字电位器的档位直至桥式补偿电路的输出电压最接近于阈值；再通过控制装置连接并调节所述细调数字电位器的档位直至桥式补偿电路的输出电压小于等于阈值。

优选地，所述粗调数字电位器、细调数字电位器各自具有N个档位；

初始条件下粗调数字电位器、细调数字电位器的档位，位于其各自的中间位置，即N/2的位置处。

优选地，所述细调数字电位器的满量程输出，大于等于粗调数字电位器的一档输出。

综上所述，本发明提供的桥式补偿电路，能够对绝缘气体特征检测的气敏传感器进行补偿，排除传感器本身零点漂移和现场干扰信号的影响，有效提高现场GIS设备故障诊断的准确性，确保电力系统的安全、可靠运行。

附图说明

图1是本发明中GIS设备的六氟化硫气体特性检测系统的示意图；

图2是本发明中传感器桥式补偿电路的示意图；

图3是现有传感器信号采样电路的示意图。

具体实施方式

图1示出了六氟化硫气体特性检测系统的具体实现过程，从GIS设备抽取六氟化硫混合气体(即被测气体)送入样气室，由样气室中的传感器检测相应的气体特征后转变为对应的阻值信号变化输出；通过运用桥式补偿电路，对传感器进行补偿，以排除传感器本身零点漂移和现场干扰信号的影响，将阻值信号转变为对应的电压信号；通过信号分析处理模块中的AD转换器、信号放大模块、高性能处理器等，对传感器获得的数据进行模数转换、信号放大和计算处理，从而检测得到六氟化硫气体各种特性参数值，予以显示或记录。

样气室中的不同传感器，分别检测六氟化硫气体的微水含量、纯度、分解产物含量，为判断GIS设备潜在的绝缘故障缺陷提供依据。所述传感器使用气敏传感器，外界因素(如温度或压力等)的变化对传感器设置的气体敏感膜会产生较大的干扰反应，影响其电阻值。

如图2所示是本发明中传感器桥式补偿电路的示意图。所述传感器中的任意一个，称之为传感器a，接入到所述桥式补偿电路的第一桥臂等待补偿。Rx为传感器a的敏感膜的电阻值；-ΔRxg是传感器a正常工作时被测气体浓度导致敏感膜的电阻值的变化值，-ΔRb是传感器a受干扰影响导致的电阻值的变化值。

第二桥臂设置有一个补偿传感器b，在电路上与传感器a串联，构成一个分压分支；补偿传感器b(例如采用另一个同类的气敏传感器)受干扰时的影响与传感器a基本一致；对该补偿传感器b的敏感膜进行气体隔绝，使其电阻值Rc不会随被测气体变化而变化，但同时确保补偿传感器b会受到与传感器a相同的干扰变化。

第三桥臂与第四桥臂的等效电阻串联构成另一个分压分支；第三桥臂的电阻值设为传感器a的电阻值(其数值是对传感器a的敏感膜的电阻值Rx及在其基础上相应的变化值-ΔRxg和-ΔRb的综合计算结果)。第四桥臂的电阻值设为补偿传感器b的电阻值(鉴于补偿传感器b受干扰影响导致的电阻值的变化值-ΔRb’为零，则第四桥臂的电阻值基本上等于补偿传感器b的敏感膜的电阻值)。

在一对角端(在第一桥臂与第二桥臂之间的第一节点，和第三桥臂与第四桥臂之间的第三节点之间)，施加输入电压Vi；另一对角端(在第一桥臂与第四桥臂之间的第四节点，和第二桥臂与第三桥臂之间的第二节点之间)，采集输出电压Vo，从而根据惠斯通电桥原理能够计算得到传感器a的敏感膜的电阻值。

第四节点的电压为

${\mathrm{Vo}}^{+}=\frac{Vi(Rc-\mathrm{\Δ}Rb)}{(Rc-\mathrm{\Δ}Rb)+(Rx-\mathrm{\Δ}Rg-\mathrm{\Δ}Rb)}---\left(1\right)$

第二节点的电压为

${\mathrm{Vo}}^{-}=\frac{Vi(Rx-\mathrm{\Δ}Rxg-\mathrm{\Δ}Rb)}{(Rc-\mathrm{\Δ}Rb)+(Rx-\mathrm{\Δ}Rxg-\mathrm{\Δ}Rb)}---\left(2\right)$

两者的电压差即为输出电压。取Rc＝Rx，得到输出信号Vo为

$Vo={\mathrm{Vo}}^{+}-{\mathrm{Vo}}^{-}=\frac{{\mathrm{\ΔR}}_{xg}{V}_i}{R_c+R_x-{\mathrm{\ΔR}}_{xg}-2{\mathrm{\ΔR}}_b}---\left(3\right)$

采用基于桥路法的补偿电路后，输出误差为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}Vo=Vo-{\mathrm{Vo}}^{\′}\\ =Vi\[\frac{\mathrm{\Δ}Rxg}{Rc+Rx-\mathrm{\Δ}Rxg-2\mathrm{\Δ}Rb}-\frac{\mathrm{\Δ}Rxg}{Rc+Rx-\mathrm{\Δ}Rxg}\]\\ =\frac{2\mathrm{\Δ}RbVi}{(Rc+Rx-\mathrm{\Δ}Rxg-2\mathrm{\Δ}Rb)(Rc+Rx-\mathrm{\Δ}Rxg)}\end{array}---\left(4\right)$

式中，Vo'为理想情况下传感器a无干扰影响时的输出电压值；Vo是输出电压的实测值。

若使用如图3所示现有传感器信号采样电路，且Rc处为一普通电阻(受到的干扰基本可忽略)时，输出电压为

$Vo=Vi\·\frac{Rc}{Rc+(Rx-\mathrm{\Δ}Rxg-\mathrm{\Δ}Rb)}---\left(5\right)$

则，传感器a引入干扰信号带来的输出误差为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}Vo=Vo-{\mathrm{Vo}}^{\′}\\ =Vi\[\frac{Rc}{Rc+(Rx-\mathrm{\Δ}Rxg-\mathrm{\Δ}Rb)}-\frac{Rc}{Rc+(Rx-\mathrm{\Δ}Rxg)}\]\end{array}---\left(6\right)$

简化得到：

$\mathrm{\Δ}Vo=\frac{Rc\mathrm{\Δ}RbVi}{(Rc+Rx-\mathrm{\Δ}Rxg-\mathrm{\Δ}Rb)(Rc+Rx-\mathrm{\Δ}Rxg)}---\left(7\right)$

而使用图3中所示现有传感器信号采样电路，且Rc处为使用补偿传感器b代替普通电阻时，传感器a引入干扰信号带来的输出误差为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}Vo=Vo-{\mathrm{Vo}}^{\′}\\ =Vi\[\frac{Rc-\mathrm{\Δ}Rb}{Rc-\mathrm{\Δ}Rb+(Rx-\mathrm{\Δ}Rxg-\mathrm{\Δ}Rb)}-\frac{Rc}{Rc+(Rx-\mathrm{\Δ}Rxg)}\]\end{array}---\left(8\right)$

简化得到：

$\mathrm{\Δ}Vo=\frac{(Rc-Rx+\mathrm{\Δ}Rxg)\·\mathrm{\Δ}Rb\·Vi}{(Rc+Rx-\mathrm{\Δ}Rxg-2\mathrm{\Δ}Rb)(Rc+Rx-\mathrm{\Δ}Rxg)}---\left(9\right)$

当传感器a测试的是低浓度的气体时，ΔRxg＜＜Rx,取Rc＝Rx，比较式(7)和式(9)，可知(Rc-Rx+ΔRxg)＜＜Rc，所以式(9)结果小于(7)，即用补偿传感器b代替普通电阻提高了测量的精度，提高了抗干扰信号的能力。进一步将式(4)与式(7)、式(9)比较，可知用本发明基于桥路法的补偿电路进行测量，极大地减少了干扰信号对传感器的影响。

此外，本发明的桥式补偿电路中，至少在其中任意一个桥臂设置有两个数字电位器，分别进行粗调和细调；每个数字电位器分为N个调节档位，这样就有N*N种组合方式，可以扩大调节范围。其中，细调的满量程输出大于等于粗调的一档输出，这样可以保证调节精度。初始条件下，应使粗调、细调的档位各自位于中间位置，即N/2的位置处，这样可以快速的找到最终的调零位置。

对于图2的桥式补偿电路，预先给定输入电压为零时输出电压的一个阈值，当实际测量的输出电压小于等于这个阈值时，即认为已经调零平衡；否则，改变粗调和/或细调数字电位器的阻值后，重新测量输出电压并与阈值比较；重复该过程，直到归零。

优选地，可以先调节粗调数字电位器的档位至实际测量的输出电压最接近阈值后，记下粗调的位置；再调节细调数字电位器的档位，直至调零平衡。上述方法不需要设计复杂的调零电路，就可以实现桥路平衡调节。使用单片机或其他控制装置连接数字电位器进行调零，在其中实现诸如阈值设定、档位自动调节、阈值与测量值比较等功能模块，降低了硬件设计的成本和难度。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种绝缘气体特征传感器的桥式补偿电路，其特征在于，

对气体特征检测的传感器a接入桥式补偿电路的第一桥臂，第二桥臂设置有一个补偿传感器b在电路上与传感器a串联，构成一个分压分支；第三桥臂和第四桥臂的等效电阻串联，构成另一个分压分支；第三桥臂的等效电阻等于传感器a的电阻值，第四桥臂的等效电阻等于补偿传感器b的电阻值；

在第一桥臂与第二桥臂之间的第一节点，和第三桥臂与第四桥臂之间的第三节点之间，施加输入电压；在第一桥臂与第四桥臂之间的第四节点，和第二桥臂与第三桥臂之间的第二节点之间，采集输出电压，从而根据惠斯通电桥原理计算得到传感器a的敏感膜的电阻值，由该桥式补偿电路输出与阻值信号对应的电压信号；

其中，所述传感器a是一种气敏传感器，对从GIS设备抽取的六氟化硫混合气体进行检测；所述补偿传感器b是与传感器a同一类的另一个气敏传感器，能够受到与传感器a相同的干扰，但同时该补偿传感器b的敏感膜被气体隔绝，使该补偿传感器b受干扰影响导致其敏感膜的电阻值的变化值为零。

2.如权利要求1所述的桥式补偿电路，其特征在于，

所述传感器a设置于样气室内，对从GIS设备抽取并送入到该样气室的六氟化硫混合气体的微水含量、或纯度、或分解产物含量进行检测。

3.如权利要求1所述的桥式补偿电路，其特征在于，

所述桥式补偿电路输出的电压信号，输入到与之连接的信号分析处理模块进行模数转换、信号放大，并计算得出传感器a测得的气体特性参数值。

4.如权利要求1所述的桥式补偿电路，其特征在于，

所述第四桥臂的等效电阻的数值，为补偿传感器b的敏感膜的电阻值；

所述第三桥臂的等效电阻的数值，是对传感器a的敏感膜的电阻值Rx，传感器a正常工作时被测气体浓度导致敏感膜的电阻值的变化值-△Rxg，以及传感器a受干扰影响导致电阻值的变化值-△Rb的综合计算结果。

5.如权利要求1~4中任意一项所述的桥式补偿电路，其特征在于，

所述桥式补偿电路的至少一个桥臂上，设置有一个粗调数字电位器和一个细调数字电位器，其各自具有多个档位；

桥式补偿电路的输入电压为零时，通过控制装置连接并调节所述粗调数字电位器的档位直至桥式补偿电路的输出电压最接近于阈值；再通过控制装置连接并调节所述细调数字电位器的档位直至桥式补偿电路的输出电压小于等于阈值。

6.如权利要求5所述的桥式补偿电路，其特征在于，

所述粗调数字电位器、细调数字电位器各自具有N个档位；

初始条件下粗调数字电位器、细调数字电位器的档位，位于其各自的中间位置，即N/2的位置处。

7.如权利要求5所述的桥式补偿电路，其特征在于，

所述细调数字电位器的满量程输出，大于等于粗调数字电位器的一档输出。