CN105806371B - 传感器的温压动态补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种传感器的温压动态补偿方法，对从GIS设备抽取到样气室的六氟化硫混合气体，由样气室中的传感器a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，排除传感器a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进行模数转换、信号放大，并连接温度传感器及压力变送器获取其各自的检测结果，用来对传感器a测得的气体特性参数值进行温度和/或压力补偿。本发明有效提高了GIS设备故障诊断时气体检测的准确性。

Description

传感器的温压动态补偿方法
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温压动态补偿方法。
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
本发明提供一种传感器的温压动态补偿方法，为了精确测量六氟化硫气体特性值，对所测特性参数值进行修正，实现温度和/或压力补偿。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种传感器的温压动态补偿方法，其中
在样气室内设置有气体特征检测的传感器a，对从GIS设备抽取并送入到该样气室的六氟化硫混合气体进行检测；
根据下列的压力及温度补偿公式，对传感器a的检测结果进行温度和压力修正：
其中，通过温度传感器检测得到样气室内的温度值T，Ts为温度传感器量程，根据T＝t×Ts得到系数t；
通过压力变送器检测得到样气室内的压力值P，Ps为压力变送器量程，根据P＝p×Ps得到系数p；
Tb为参考温度；Pb为参考压力；
根据Fi＝fi×Fs得到系数fi，Fs为气体特征检测的传感器a的量程，Fi为传感器a测得的当前环境条件下的气体特性参数值；系数t，p，fi的取值以百分比来表示。
优选地，以下列的温度补偿公式来替换上述的压力及温度补偿公式，只对传感器a的检测结果进行温度修正：
温度补偿公式：
其中，
优选地，以下列的压力补偿公式来替换上述的压力及温度补偿公式，只对传感器a的检测结果进行压力修正：
压力补偿公式：
其中，
优选地，气体特征检测的传感器a，是检测六氟化硫气体的微水含量、或六氟化硫气体的纯度、或六氟化硫气体的分解产物含量的传感器。
优选地，将气体特征检测的传感器a接入到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并联，构成一个分压分支；第三桥臂和第四桥臂的等效电阻并联，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；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；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，将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，所述信号分析处理模块还与温度传感器及压力变送器连接以接收其各自的检测结果，实现对传感器a测得的气体特性参数值的温度和/或压力补偿。
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。
综上所述，本发明通过进行温度和/或压力自动补偿，消除了气体特征传感器及其相关设备存在检测灵敏度低、误差大、温度偏移大、环境温度补偿困难等问题，克服容易产生交叉敏感、缺乏有效的传感器调零手段等诸多缺陷，提高了GIS设备故障诊断时气体检测的准确性。
附图说明
图1是GIS设备的六氟化硫气体特性检测系统的示意图；
图2是传感器桥式补偿电路的示意图。
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。使用所述的桥式补偿电路，能够一定程度上减少干扰信号对传感器的影响。
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。传感器a的敏感膜的电阻值为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为-ΔRxg，传感器a受干扰影响导致电阻值的变化值为-ΔRb。
第二桥臂设置有一个补偿传感器b在电路上与传感器a并联，构成一个分压分支。所述补偿传感器b可以是与传感器a同一类的另一个气敏传感器，会受到与传感器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Rc的变化值-ΔRb’为零。
第三桥臂和第四桥臂的等效电阻并联，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能够计算得到传感器a的敏感膜的电阻值，并利用该桥式补偿电路输出与阻值信号对应的电压信号。
在六氟化硫气体特性测试中，通过信号分析处理模块进行温度和压力修正的公式为：
式中，Fi为传感器测得的当前环境条件下的气体特性参数值，F0为经温压补偿后的修正值；P为压力变送器测得的样气室内的压力值，T为温度传感器测得的样气室内的温度值；Pb为参考压力，Tb为参考温度。
令F0＝f0×Fs，Fi＝fi×Fs，P＝p×Ps，T＝t×Ts (2)
式中，Fs为气体特性传感器量程，Ps为压力变送器量程，Ts为温度传感器量程；系数f0、fi、p、t的取值范围为0～100％。
将式(2)代入式(1)导出：
A、温度补偿数学模型
当只进行温度修正时，即p＝PbPs，代入式(3)，则有：
这里，
从而建立温度补偿数学模型如下：
B、压力补偿数学模型
当只进行压力修正时，即t＝Tb/Ts，代入式(3)，则有：
这里，
从而建立压力补偿数学模型如下：
C、压力及温度补偿数学模型
当温度和压力都进行修正时，即：
令代入式(8)，则可得到如下式所示的压力与温度补偿数学模型：
综上所述，根据式(5)(7)(9)的计算结果，分别得到温度补偿、压力补偿、压力及温度补偿的三种情况下的补偿值。根据式(5)(7)(9)可以得到相应的比值fo/fi，并根据传感器测得的当前环境条件下的气体特性参数值Fi与该比值的乘积，得到相应情况下经补偿后的修正值Fo。
对于样气室中，分别检测六氟化硫气体的微水含量、纯度、分解产物含量的三种传感器，可以根据实际需要对其中任意一种传感器进行温度补偿、或压力补偿、或压力及温度补偿、或不做补偿。
在一个具体的示例中，对于六氟化硫气体微水含量的传感器无需补偿；六氟化硫气体纯度检测的传感器，和检测六氟化硫气体分解产物含量的传感器，分别进行温度补偿。
本发明通过进行温度和/或压力自动补偿，消除了气体特征传感器及其相关设备存在检测灵敏度低、误差大、温度偏移大、环境温度补偿困难等问题，克服容易产生交叉敏感、缺乏有效的传感器调零手段等诸多缺陷，提高了GIS设备故障诊断时气体检测的准确性。
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)

1.一种传感器的温压动态补偿方法，其特征在于，
在样气室内设置有气体特征检测的传感器a，对从GIS设备抽取并送入到该样气室的六氟化硫混合气体进行检测；
根据下列的压力及温度补偿公式，对传感器a的检测结果进行温度和压力修正：
<mrow> <mi>T</mi> <mi>P</mi> <mi>C</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>,</mo> <msub> <mi>E</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>E</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>E</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msub> <mi>E</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mrow> <mi>p</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>E</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>E</mi> <mn>3</mn> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow> </msqrt> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow>
其中，通过温度传感器检测得到样气室内的温度值T，Ts为温度传感器量程，根据T＝t×Ts得到系数t；
通过压力变送器检测得到样气室内的压力值P，Ps为压力变送器量程，根据P＝p×Ps得到系数p；
<mrow> <msub> <mi>E</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>+</mo> <mn>273.15</mn> <mo>)</mo> <mo>/</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>b</mi> </msub> <mo>+</mo> <mn>1.0332</mn> <mo>)</mo> <mo>/</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> <msub> <mi>E</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1.0332</mn> <msub> <mi>P</mi> <mi>s</mi> </msub> </mfrac> <mo>,</mo> <msub> <mi>E</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>273.15</mn> <msub> <mi>T</mi> <mi>s</mi> </msub> </mfrac> </mrow>
Tb为参考温度；Pb为参考压力；
根据Fi＝fi×Fs得到系数fi，Fs为气体特征检测的传感器a的量程，Fi为传感器a测得的当前环境条件下的气体特性参数值；系数t，p，fi的取值以百分比来表示。
2.如权利要求1所述的传感器的温压动态补偿方法，其特征在于，
以下列的温度补偿公式来替换权利要求1中的压力及温度补偿公式，只对传感器a的检测结果进行温度修正：
温度补偿公式：
<mrow> <mi>T</mi> <mi>C</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>,</mo> <msub> <mi>C</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>C</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msqrt> <mfrac> <msub> <mi>C</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>C</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </mfrac> </msqrt> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow>
其中，
3.如权利要求1所述的传感器的温压动态补偿方法，其特征在于，
以下列的压力补偿公式来替换权利要求1中的压力及温度补偿公式，只对传感器a的检测结果进行压力修正：
压力补偿公式：
<mrow> <mi>P</mi> <mi>C</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <msub> <mi>D</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>D</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msub> <mi>D</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>p</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>D</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msqrt> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow>
其中，
4.如权利要求1～3中任意一项所述的传感器的温压动态补偿方法，其特征在于，
气体特征检测的传感器a，是检测六氟化硫气体的微水含量、或六氟化硫气体的纯度、或六氟化硫气体的分解产物含量的传感器。
5.如权利要求4所述的传感器的温压动态补偿方法，其特征在于，
将气体特征检测的传感器a接入到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，所述补偿传感器b在电路上与传感器a并联，构成一个分压分支；第三桥臂和第四桥臂的等效电阻并联，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；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；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。
6.如权利要求5所述的传感器的温压动态补偿方法，其特征在于，
将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，所述信号分析处理模块还与温度传感器及压力变送器连接以接收其各自的检测结果，实现对传感器a测得的气体特性参数值的温度和/或压力补偿。
7.如权利要求5所述的传感器的温压动态补偿方法，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-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。
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