CN107421904A - 基于差分吸收激光小车的六氟化硫气体泄漏在线监测系统 - Google Patents

基于差分吸收激光小车的六氟化硫气体泄漏在线监测系统 Download PDF

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Abstract

基于差分吸收激光小车的六氟化硫气体泄漏在线监测系统，包括差分吸收激光小车、GPS卫星、无线基站、处理平台和智能手机；处理平台发出指令指挥小车检测SF6气体的泄漏浓度值以及泄漏点位置，小车将检测的数据传送给处理平台，处理平台计算出SF6气体泄漏浓度值、泄漏点位置以及小车位置信息，并在电子显示屏上显示出来，当泄漏浓度超过一定值时，指示灯闪烁，蜂鸣器鸣响，达到报警目的。同时，处理平台将计算的SF6气体泄漏浓度值、泄漏点位置以及小车位置信息以短信形式发送至手机。本发明具有SF6气体泄漏检测、高精度定位、无线通信等功能。

Description

基于差分吸收激光小车的六氟化硫气体泄漏在线监测系统
技术领域
本发明涉及SF6气体泄漏检测领域，更具体地说是涉及一种基于基于差分吸收激光小车的六氟化硫气体泄漏在线监测系统。
背景技术
随着人们生活水平不断提高，电能已经成为日常生活中必不可少的一部分，人们对电能的要求也越来越高，不断电也是衡量电能质量重要因素之一。以SF6气体作为绝缘介质的封闭式组合电器(GIS)设备在电厂中应用非常广泛，SF6气体泄漏影响电力设备正常运行，产生严重的温室效应，并且SF6气体比较昂贵，大量泄漏会造成重大经济损失。因此基于差分吸收激光小车的SF6气体泄漏在线监测系统具有很大实用价值。
申请号为201420410325.2，公开号CN 204142629 U《一种SF6气体分解物检测装置》发明了一种通过检测SF6气体分解物来诊断GIS设备故障的装置。SF6气体在不同条件下分解产物会有差异，该装置检测准确性较差。申请号为201510550545.4，公开号CN105181599 A《一种基于光电转换技术的红外SF6气体检测装置》提出了一种利用气体分子光谱吸收特性检测SF6气体泄漏的方法并设计出检测装置，该检测装置结构复杂、成本昂贵，不适合大量应用于实践中。
上述两种装置，前者检测准确性差，后者结构复杂、成本昂贵，不适宜应用于实践中，均具有一定局限性。
发明内容
本发明所要解决的问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种检测准确性高，结构简单的基于差分吸收激光小车的六氟化硫气体泄漏在线监测系统。
本发明解决其技术问题采取的技术方案是：
基于差分吸收激光小车的六氟化硫气体泄漏在线监测系统，包括差分吸收激光小车简称小车、GPS卫星、无线基站、处理平台和智能手机；
所述GPS卫星与小车单向通信；小车与无线基站双向通信。
在无GPS信号情况下采用无线基站单独定位；在接收GPS卫星数小于4的情况下采用无线基站和GPS组合定位；在接收GPS卫星数大于4的情况下采用GPS单独定位。在以上几种组合方式中无线基站与小车内置的GPS芯片根据实际情况通过不同组合方式实现对小车位置的定位。
所述小车与处理平台双向连接；小车接收经GIS设备反射回来的激光脉冲束，以及通过GPS芯片和无线基站对小车定位获得的数据，按照EnOcean无线标准ISO/IEC14543-3-10传送给处理平台，处理平台计算出SF6气体泄漏浓度值、泄漏点位置以及小车位置信息；处理平台通过发出控制指令实现对小车运行状态及激光器扫描角度的控制。
所述处理平台与智能手机双向通信；处理平台以短信形式将计算的SF6气体泄漏浓度值、泄漏点位置以及小车位置信息发送给智能手机，智能手机通过对处理平台简单控制，间接实现对小车运行状态以及激光器扫描角度的控制。
所述小车包括电源模块、发射接收模块、驱动模块、MCU模块和定位及通信模块；
所述电源模块采用锂电池，用于给发射接收模块、驱动模块、MCU模块和定位及通信模块供电；
所述发射接收模块与MCU模块双向连接，MCU模块对发射接收模块进行唤醒操作并配置相关参数，发射接收模块中的激光器向GIS设备每秒依次循环发射N(N≥1，N宜取20)次激光脉冲束，并接收经GIS设备反射的激光脉冲束，再传送给MCU模块；
所述驱动模块与MCU模块单向连接，驱动模块用于提供小车的行进动力以及发射接收模块中激光器的扫描动力；
所述定位及通信模块与MCU模块双向连接，MCU模块对定位及通信模块进行唤醒操作并配置相关参数，定位及通信模块中包含GPS芯片和无线通信芯片。GPS芯片结合无线基站对小车进行定位，并将定位得到的数据传送给无线通信芯片，无线通信芯片将定位得到的数据及MCU模块接收的由GIS设备反射回来的激光脉冲束数据传送给处理平台。
进一步，所述小车中发射接收模块包括控制模块、发射机、光学发射系统、接收天线、光电转换器和前置放大器；
所述控制模块与发射机单向连接，控制模块对发射机进行唤醒操作并配置相关参数，通过控制模块决定是否向GIS设备发射激光脉冲束；
所述发射机与光学发射系统单向连接，发射机用于调制产生对应波长为λon和λoff的激光脉冲束，根据SF6气体吸收特性谱线图，选取SF6气体吸收谱线中最大峰值的对应波长值λon和SF6气体吸收谱线中紧临最大峰值的吸收低谷对应的波长值λoff，最终选取λon为10.551μm，λoff为10.696μm；光学发射系统用于依次循环发射激光脉冲束；(即波长值λon＝10.551μm的高斯激光脉冲束和波长值λoff＝10.696μm的高斯激光脉冲束)。
所述接收天线与光电转换器单向连接；光电转换器与前置放大器单向连接；接收天线接收由GIS传输回来的反射激光脉冲；光电转换器将反射激光脉冲转换成数字电信号；前置放大器放大微弱电信号，便于信号后续处理。
不失一般性地，发射接收模块的控制模块采用STC89C51单片机来实现。发射机和光学发射系统共同组成激光器，激光器为差分吸收激光器，具体可采用TEA CO2激光器，用于发射高斯光束。接收天线采用M190型号。光电转换器采用型号为ATC-105。前置放大器型号为SR560。
进一步，所述小车中驱动模块包括直流电机和步进电机。
所述直流电机为小车行进提供动力，用于改变小车运动状态。步进电机为激光器提供扫描动力，用于改变激光器扫描角度。ZYT110直流电机为永磁直流电机，电压为220V。步进电机型号为57BYG250B，步距角为1.8°。
进一步，所述小车中定位及通信模块包括GPS芯片和无线通信芯片，GPS芯片与无线通信芯片单向连接。
所述GPS芯片与无线基站配合，准确定位小车位置；GPS芯片将定位得到的数据传送给无线通信芯片；无线通信芯片将定位得到的数据及MCU模块接收的由GIS设备反射回来的激光脉冲束数据传送给处理平台进行计算和显示。
GPS芯片和无线基站通过不同的组合方式实现对小车的定位，定位所获得的数据通过无线通信芯片传送给处理平台进行处理，处理平台通过传送的数据对车辆情况进行分析要完成车辆的定位。利用现有GPS定位技术，GPS卫星要不间断地发送自身的星历参数和时间信息，小车中GPS芯片接收到这些信息后传送给处理平台，处理平台经过计算求出车辆的3维位置、运动方向及运动速度参数信息。在定位过程中，是将卫星作为动态空间的己知点，利用距离后方交会的原理确定车辆的3维位置。车辆的位置可通过四颗卫星来确定。
处理平台计算出SF6气体泄漏浓度值、泄漏点位置的方法如下：通过处理平台，得到与λon和λoff分别对应的接收信号功率Pr(λon)和Pr(λoff)；由SF6气体在λon和λoff处的吸收系数以及浓度光程积的计算公式，计算GIS中SF6气体浓度光程积的值CL，再由浓度光程积的值CL以及激光器到GIS的距离R即可计算出SF6气体浓度值。通过不断向不同角度发射激光，得出不同角度下SF6气体的浓度值，浓度值越大，越靠近泄漏点，据此判断泄漏点位置。
通过处理平台，得到与相应波长值对应的接收信号功率Pr，具体计算方法如下：
接收信号功率
其中，Pt表示激光器发射功率，Ta表示大气透过率，ρ表示GIS设备的反射率，Dr表示激光器的接收孔径(直径)，ηt表示激光器发射部分的透过率，ηr表示激光器接收部分的透过率，R表示从激光器到GIS的距离。
不同的波长值对应不同的Pt、Ta、ηt、ηr。
GIS中SF6气体浓度光程积的值CL的计算方法为：
浓度光程积
其中，αon表示SF6气体强吸收波长的吸收系数，αoff表示SF6气体弱吸收波长的吸收系数，Pr(λoff)表示λoff的接收信号功率，Pr(λon)表示λon的接收信号功率。
GIS中SF6气体浓度值C的计算方法为：
浓度值
其中，CL表示SF6气体浓度光程积的值，R表示从激光器到GIS的距离。
本发明之基于差分吸收激光小车的六氟化硫气体泄漏在线监测系统优点如下：
(1)因为该系统集成了GPS模块和无线基站，对小车位置可实现实时准确定位。
(2)因为该系统基于差分吸收激光技术，该技术精度高，检测距离远，因此该装置可实现高精度、远程检测。
(3)因为小车集成了驱动模块，小车可实现任意位置测量GIS中SF6气体的泄漏。
本发明可运用于变电站、电厂中封闭式组合电器SF6气体泄漏监测；该检测装置实时性好、成本低、检测精度高并可实现远程检测。
附图说明
图1为本发明之基于差分吸收激光小车的SF6泄漏在线监测系统结构框图；
图2为图1所示小车结构框图；
图3为图2所示小车发射接收模块结构框图；
图4为图2所示小车驱动模块结构框图；
图5为图2所示小车定位及通信模块结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参照图1，本发明之基于差分吸收激光小车的六氟化硫气体泄漏在线监测系统U，包括GPS卫星U1、小车U2、无线基站U3、处理平台U4和智能手机U5。
所述GPS卫星U1与小车U2单向通信；小车U2与无线基站U3双向通信；无线基站U3通过小车U2内置的定位及通信模块U25中的GPS芯片U250对小车U2位置进行定位。
所述小车U2与处理平台U4双向连接；小车U2将从GIS设备反射回来的激光脉冲束数据，以及通过GPS芯片U250和无线基站U3对小车定位获得的小车数据，按照EnOcean无线标准ISO/IEC14543-3-10传送到处理平台U4进行处理，计算出SF6气体泄漏浓度值、泄漏点位置以及小车位置信息；处理平台U4通过控制指令控制小车运行状态及激光器扫描角度。
所述处理平台U4与智能手机U5双向通信；处理平台U4将计算的SF6气体泄漏浓度值、泄漏点位置以及小车位置信息以短信形式发送给智能手机U5，实现智能手机U5对SF6气体泄漏浓度值、泄漏点位置以及小车位置信息的实时监测，智能手机U5通过对处理平台U4简单控制，通过处理平台控制驱动模块，间接实现对小车运动状态及激光器扫描角度的控制。
参照图2，本发明小车U2包括电源模块U21、发射接收模块U22、驱动模块U23、MCU模块U24、定位及通信模块U25。
电源模块U21采用锂电池，用于给发射接收模块U22、驱动模块U23、MCU模块U24、定位及通信模块U25供电。
发射接收模块U22与MCU模块U24双向连接，MCU模块U24对发射接收模块U22进行唤醒操作并配置相关参数，发射接收模块U22向GIS设备每秒依次循环发射20次激光脉冲束，再接收从GIS设备反射回的激光脉冲束，并将其传送给MCU模块U24。
驱动模块U23与MCU模块U24单向连接，驱动模块U23用于提供小车的行进动力以及发射接收模块中激光器的扫描动力；
定位及通信模块U25与MCU模块U24双向连接，MCU模块U24对定位及通信模块U25进行唤醒操作并配置相关参数，定位及通信模块U25由GPS芯片U250和无线通信芯片U251组成。根据GPS卫星U1发送的信息，GPS芯片U250结合无线基站U3选择合适定位方式准确定位小车位置，GPS芯片U250将定位得到的数据传送给无线通信芯片U251，无线通信芯片U251将定位得到的数据及MCU模块U24接收的由GIS设备反射回来的激光脉冲束数据传送给处理平台U4。
参照图3，小车U2中发射接收模块U22包括控制模块U220、发射机U221、光学发射系统U222、接收天线U223、光电转换器U224和前置放大器U225。
控制模块U220与发射机U221单向连接，控制模块对发射机进行唤醒操作并配置相关参数，通过控制模块决定是否向GIS设备发射激光脉冲束；
发射机U221与光学发射系统U222单向连接，发射机用于调制产生对应波长为λon和λoff的激光脉冲束，根据SF6气体吸收特性谱线图，选取SF6气体吸收谱线中最大峰值对应波长值λon＝10.551μm和SF6气体吸收谱线中紧临最大峰值的吸收低谷对应波长值λoff＝10.696μm的高斯激光脉冲束，光学发射系统U222用于依次循环发射激光脉冲束(即波长值λon＝10.551μm的高斯激光脉冲束和波长值λoff＝10.696μm的高斯激光脉冲束；
接收天线U223与光电转换器U224单向连接；光电转换器U224与前置放大器U225单向连接；接收天线U223接收由GIS传输回来的反射激光脉冲；光电转换器U224将反射的激光脉冲转换成电信号；前置放大器U225放大微弱电信号，便于信号后续处理。
不失一般性地，发射接收模块的控制模块U220采用STC89C51单片机。激光器由发射机U221和光学发射系统U222组成，激光器采用TEA CO2激光器，发射高斯光束；接收天线U223采用M190型号；光电转换器U224采用型号为ATC-105；前置放大器U225型号为SR560。
参照图4，小车U2中驱动模块U23包括直流电机U230和步进电机U231；直流电机为ZYT110永磁直流电机，电压为220V，为小车行进提供动力。步进电机57BYG250B步距角为1.8°，为激光器提供扫描动力。
参照图5，小车U2中定位及通信模块U25包括GPS芯片U250和无线通信芯片U251，GPS芯片U250与无线通信芯片U251单向连接。
所述GPS芯片U250与无线基站U3配合，准确定位小车U2位置；GPS芯片U250将定位得到的数据传送给无线通信芯片U251，无线通信芯片U251将定位得到的数据及MCU模块U24接收的由GIS设备反射回来的激光脉冲束数据传送给处理平台U4进行计算和显示。
GPS芯片和无线基站通过不同的组合方式实现对小车的定位，定位所获得的数据通过无线通信芯片传送给处理平台进行处理，处理平台通过传送的数据对车辆情况进行分析要完成车辆的定位。利用现有GPS定位技术，GPS卫星要不间断地发送自身的星历参数和时间信息，小车中GPS芯片接收到这些信息后传送给处理平台，处理平台经过计算求出车辆的3维位置、运动方向及运动速度参数信息。在定位过程中，是将卫星作为动态空间的己知点，利用距离后方交会的原理确定车辆的3位置。车辆的位置可通过四颗卫星来确定。
处理平台计算出SF6气体泄漏浓度值、泄漏点位置的方法如下：通过处理平台，得到与λon和λoff分别对应的接收信号功率Pr(λon)和Pr(λoff)；由SF6气体在λon和λoff处的吸收系数以及浓度光程积的计算公式，计算GIS中SF6气体浓度光程积的值CL，再由浓度光程积的值CL以及激光器到GIS的距离R即可计算出SF6气体浓度值。通过不断向不同角度发射激光，得出不同角度下SF6气体的浓度值，浓度值越大，越靠近泄漏点，据此判断泄漏点位置。
通过处理平台，得到与相应波长值对应的接收信号功率Pr，具体计算方法如下：
接收信号功率
其中，Pt表示激光器发射功率，Ta表示大气透过率，ρ表示GIS设备的反射率，Dr表示激光器的接收孔径(直径)，ηt表示激光器发射部分的透过率，ηr表示激光器接收部分的透过率，R表示从激光器到GIS的距离。
不同的波长值对应不同的Pt、Ta、ηt、ηr。
GIS中SF6气体浓度光程积的值CL的计算方法为：
浓度光程积
其中，αon表示SF6气体强吸收波长的吸收系数，αoff表示SF6气体弱吸收波长的吸收系数，Pr(λoff)表示λoff的接收信号功率，Pr(λon)表示λon的接收信号功率。
GIS中SF6气体浓度值C的计算方法为：
浓度值
其中，CL表示SF6气体浓度光程积的值，R表示从激光器到GIS的距离。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.基于差分吸收激光小车的六氟化硫气体泄漏在线监测系统，其特征在于，包括差分吸收激光小车、GPS卫星、无线基站、处理平台和智能手机，差分吸收激光小车简称小车；
所述GPS卫星与小车单向通信；小车与无线基站双向通信；
所述小车与处理平台双向连接；小车接收经GIS设备反射回来的激光脉冲束，以及通过无线基站和小车的定位及通信模块的GPS芯片对小车定位获得的数据，并传送到处理平台，处理平台计算出SF6气体泄漏浓度值、泄漏点位置以及小车位置信息，并发出控制指令实现对小车运行状态及激光器扫描角度的控制；
所述处理平台与智能手机双向通信；处理平台将计算的SF6气体泄漏浓度值、泄漏点位置以及小车位置信息通过短信形式发送给智能手机，智能手机通过控制指令简单控制处理平台，间接实现对小车运动状态及激光器扫描角度的控制。
2.根据权利要求1所述基于差分吸收激光小车的六氟化硫气体泄漏在线监测系统，其特征在于，包括电源模块、发射接收模块、驱动模块、MCU模块、定位及通信模块；
所述电源模块用于给发射接收模块、驱动模块、MCU模块和定位及通信模块供电；
所述发射接收模块与MCU模块双向连接，MCU模块对发射接收模块进行唤醒操作并配置相关参数，发射接收模块向GIS设备重复发射激光脉冲束，再接收经GIS设备反射的激光脉冲束，并将其传送给MCU模块；
所述驱动模块与MCU模块单向连接，驱动模块用于提供小车的行进动力及发射接收模块中激光器的扫描动力；
所述定位及通信模块与MCU模块双向连接，MCU模块对定位及通信模块进行唤醒操作并配置相关参数，定位及通信模块中包含GPS芯片和无线通信芯片；GPS芯片结合无线基站对小车进行定位，定位得到的数据及MCU模块接收的由GIS设备反射回来的激光脉冲束数据通过定位及通信模块传送给处理平台。
3.根据权利要求2所述基于差分吸收激光小车的六氟化硫气体泄漏在线监测系统，其特征在于，发射接收模块包括控制模块、发射机、光学发射系统、接收天线、光电转换器和前置放大器；
所述控制模块与发射机单向连接，控制模块对发射机进行唤醒操作并配置相关参数，通过控制模块用于控制是否向GIS设备发射激光脉冲束；
所述发射机与光学发射系统单向连接，发射机用于调制产生对应波长为λon和λoff的激光脉冲束，根据SF6气体吸收特性谱线图，选取SF6气体吸收谱线中最大峰值的对应波长值λon和SF6气体吸收谱线中紧临最大峰值的吸收低谷对应的波长值λoff，最终选取λon为10.551μm，λoff为10.696μm；光学发射系统用于依次循环发射激光脉冲束，即发射波长值λon＝10.551μm的高斯激光脉冲束和波长值λoff＝10.696μm的高斯激光脉冲束；
发射机和光学发射系统共同组成激光器；激光器选用差分吸收激光器；
所述接收天线与光电转换器单向连接；光电转换器与前置放大器单向连接；接收天线接收由GIS传输回来的反射激光脉冲；光电转换器将反射激光脉冲转换成数字电信号；前置放大器放大微弱电信号，便于信号后续处理。
4.根据权利要求2所述基于差分吸收激光小车的六氟化硫气体泄漏在线监测系统，其特征在于，驱动模块包括直流电机和步进电机；直流电机为小车行进提供动力，用于改变小车运动状态；步进电机为激光器提供扫描动力，用于改变激光器扫描角度。
5.根据权利要求2所述基于差分吸收激光小车的六氟化硫气体泄漏在线监测系统，其特征在于，定位及通信模块包括GPS芯片和无线通信芯片；
所述GPS芯片与无线通信芯片单向连接；GPS芯片与无线基站配合，准确定位小车位置；GPS芯片将定位得到的数据传送给无线通信芯片；无线通信芯片将定位得到的数据及MCU模块接收的由GIS设备反射回来的激光脉冲束数据传送给处理平台进行计算和显示。
6.根据权利要求1或2所述基于差分吸收激光小车的六氟化硫气体泄漏在线监测系统，其特征在于，无线基站与小车内置的GPS芯片在功能上相结合，在无GPS信号情况下采用无线基站单独定位；在接收GPS卫星数小于4的情况下采用无线基站和GPS组合定位；在接收GPS卫星数大于4的情况下采用GPS单独定位，定位完成后将定位得到的数据传送至处理平台，处理平台经处理后计算出小车位置。
7.根据权利要求1或2所述基于差分吸收激光小车的六氟化硫气体泄漏在线监测系统，其特征在于，处理平台计算出SF6气体泄漏浓度值、泄漏点位置的方法如下：通过处理平台，得到与λon和λoff分别对应的接收信号功率Pr(λon)和Pr(λoff)；由SF6气体在λon和λoff处的吸收系数以及浓度光程积的计算公式，计算GIS中SF6气体浓度光程积的值CL，再由浓度光程积的值CL以及激光器到GIS的距离R即可计算出SF6气体浓度值；通过不断向不同角度发射激光，得出不同角度下SF6气体的浓度值，浓度值越大，越靠近泄漏点，据此判断泄漏点位置；
通过处理平台，得到与相应波长值对应的接收信号功率Pr，具体计算方法如下：
其中，Pt表示激光器发射功率，Ta表示大气透过率，ρ表示GIS设备的反射率，Dr表示激光器的接收孔径(直径)，ηt表示激光器发射部分的透过率，ηr表示激光器接收部分的透过率，R表示从激光器到GIS的距离；
不同的波长值对应不同的Pt、Ta、ηt、ηr；
GIS中SF6气体浓度光程积的值CL的计算方法为：
其中，αon表示SF6气体强吸收波长的吸收系数，αoff表示SF6气体弱吸收波长的吸收系数，Pr(λoff)表示λoff的接收信号功率，Pr(λon)表示λon的接收信号功率；
GIS中SF6气体浓度值C的计算方法为：
其中，CL表示SF6气体浓度光程积的值，R表示从激光器到GIS的距离。
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