CN109187738A - 一种基于超声波原理的六氟化硫气体检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及电气设备检测技术领域，具体而言，涉及一种基于超声波原理的六氟化硫气体检测装置，包括微控制器以及设置于腔室内的发射单元和接收单元，接收单元与微控制器连接，发射单元用于先后生成第一脉冲波信号和第二脉冲波信号，将第一脉冲波信号和第二脉冲波信号转换为第一超声波信号和第二超声波信号并在腔室内进行发射，接收单元用于接收第一超声波信号和第二超声波信号，计算获得第一超声波信号和第二超声波信号之间的相位差值，将相位差值转换为电压信号，电压信号流向微控制器，微控制器用于将电压信号转换为六氟化硫浓度信号，该六氟化硫气体检测装置所采用的器件少，连接关系简洁，检测准确性高，具有较高的性价比。
Description
技术领域
本发明实施例涉及电气设备检测技术领域，具体而言，涉及一种基于超声波原理的六氟化硫气体检测装置。
背景技术
六氟化硫气体SF6的绝缘和灭弧性能优良，化学性质稳定，被广泛应用于高压电气设备中，如：气体绝缘金属封闭开关设备(gas-insulated metal-enclosed switchgear，GIS)、高压变压器、断路器等。
由于电力设备的制造和安装差异、老化以及运行维护过程中存在不当操作，可能导致SF6发生泄漏。一方面，泄漏的SF6气体在放电或高温作用下会发生分解产生有毒气体，而且SF6密度比空气大，易造成低层空间缺氧从而使人窒息。另一方面，电力设备的SF6泄漏会导致其绝缘性能下降，可能引发故障。因此，为确保电力设备的可靠运行，保障现场工作人员的人身安全，准确检测出SF6的泄漏浓度具有重要意义。
但是现有的检测SF6浓度的方法大多性价比不高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于超声波原理的六氟化硫气体检测装置，具有较高的性价比。
本发明实施例提供了一种基于超声波原理的六氟化硫气体检测装置，包括微控制器、发射单元和接收单元；
所述发射单元设置于一腔室内，所述接收单元设置于所述腔室内远离所述发射单元的位置，所述接收单元与所述微控制器连接；
所述发射单元用于先后生成第一脉冲波信号和第二脉冲波信号，将所述第一脉冲波信号转换为第一超声波信号，将所述第二脉冲波信号转换为第二超声波信号，将所述第一超声波信号和所述第二超声波信号在所述腔室内进行发射；
所述接收单元用于接收所述腔室内的第一超声波信号和所述第二超声波信号，计算获得所述第一超声波信号和所述第二超声波信号之间的相位差值，将所述相位差值转换为电压信号，所述电压信号流向所述微控制器；
所述微控制器用于将所述电压信号转换为六氟化硫浓度信号。
可选地，所述发射单元包括发射电路、发射探头和第一超声波传感器，所述发射电路与所述发射探头连接，所述发射探头与所述第一超声波传感器连接，其中，所述第一超声波传感器设置于一腔室内；
所述发射电路用于先后生成所述第一脉冲波信号和所述第二脉冲波信号；
所述发射探头用于将所述第一脉冲波信号和所述第二脉冲波信号传输至所述第一超声波传感器；
所述第一超声波传感器用于将所述第一脉冲波信号转换为所述第一超声波信号，将所述第二脉冲波信号转换为所述第二超声波信号，将所述第一超声波信号和所述第二超声波信号在所述腔室内进行发射。
可选地，所述发射探头包括反相器和第一端口；
所述反相器分别与所述发射电路和所述第一端口连接，所述第一端口与所述第一超声波传感器连接；
所述反相器用于将所述第一脉冲波信号和所述第二脉冲波信号通过所述第一端口传输至所述第一超声波传感器。
可选地，所述发射电路为晶振电路。
可选地，所述反相器为74HC04。
可选地，所述接收单元包括接收电路和第二超声波传感器，所述第二超声波传感器设置于所述腔室内远离所述第一超声波传感器的位置，所述第二超声波传感器与所述接收电路连接，所述接收电路与所述微控制器连接；
所述第二超声波传感器用于接收所述第一超声波信号和所述第二超声波信号，所述第一超声波信号和所述第二超声波信号流向所述接收电路；
所述接收电路用于计算获得所述第一超声波信号和所述第二超声波信号之间的相位差值，将所述相位差值转换为电压信号，将所述电压信号进行降压处理，完成降压处理之后的电压信号流向所述微控制器。
可选地，所述接收电路包括第二端口、第一运算放大器、第二运算放大器和第三运算放大器；
所述第二端口分别与所述第二超声波传感器和所述第一运算放大器连接，所述第一运算放大器与所述第二运算放大器连接，所述第二运算放大器与所述第三运算放大器连接；
所述第一超声波信号和所述第二超声波信号通过所述第二端口流向所述第一运算放大器和所述第二运算放大器，所述第一运算放大器和所述第二运算放大器用于计算获得所述第一超声波信号和所述第二超声波信号之间的相位差值，将所述相位差值转换为电压信号，所述电压信号流向所述第三运算放大器；
所述第三运算放大器用于将所述电压信号进行降压处理，完成降压处理之后的电压信号流向所述微控制器。
可选地，所述第一运算放大器和所述第二运算放大器为SA5532，所述第三运算放大器为LM290。
可选地，所述六氟化硫气体检测装置还包括温度传感器，所述温度传感器与所述微控制器连接；
所述温度传感器用于采集所述腔室外部的温度信息，将所述温度信息传输至所述微控制器；
所述微控制器用于接收所述温度信息，根据所述温度信息修正所述六氟化硫浓度信号。
可选地，所述温度传感器的型号为SHT20。
有益效果
本发明实施例提供的一种基于超声波原理的六氟化硫气体检测装置，发射单元先后向腔室内发送的第一超声波信号和第二超声波信号经接收单元转换为能够反映第一超声波信号和第二超声波信号之间的相位差的电压信号，该电压信号经微控制器转化为六氟化硫浓度信号，以超声波信号的相位差作为浓度检测的一个变量，在保证六氟化硫浓度检测准确性的前提下仅需设置一套发射单元，减少了多余器件的设置，减少了成本，因此，该六氟化硫气体检测装置具有较高的性价比。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例所提供的一种基于超声波原理的六氟化硫气体检测装置100的结构框图。
图2为本发明实施例所提供的一种发射单元2的电路原理图。
图3为本发明实施例所提供的一种接收单元3的电路原理图。
图4为本发明实施例所提供的一种相位差的检测原理图。
图标：
100-基于超声波原理的六氟化硫气体检测装置；
1-微控制器；
2-发射单元；21-发射电路；22-发射探头；221-反相器；222-第一端口；23-第一超声波传感器；
3-接收单元；31-接收电路；311-第二端口；312-第一运算放大器；313-第二运算放大器；314-第三运算放大器；32-第二超声波传感器；
4-腔室；
5-温度传感器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
发明人经调查发现，目前常见的SF6气体浓度检测方法有红外吸收法、电化学传感器法、气相色谱法等，红外吸收法虽然检测精度很高，但其设备造价成本较高；电化学传感器法在使用过程中易受环境中某些物质影响而中毒失效，灵敏度亦会随年限而降低；气相色谱法价格高昂又受实验室条件的限制，无法运用于现场检测。
相对而言，超声法具有造价低廉、设计简单、不易受电磁干扰影响、易于安装等优势，适合运用于电力系统的现场在线监测，但是发明人经进一步调研发现，现有的利用超声波原理检测六氟化硫气体浓度的方法大多采用双腔式检测方法，具体地，采用两组超声波测量通道进行检测，分别检测背景气体和待测气体的相关超声波传播参数，经差分后间接测定气体的浓度。但是这种方法需要保证两个通道的超声波传感器特性、声程、温度等条件严格相同，难以实现。
因此，结合现有的检测六氟化硫气体浓度的方法来看，存在性价比较低的问题。
以上现有技术中的方案所存在的缺陷，均是发明人在经过实践并仔细研究后得出的结果，因此，上述问题的发现过程以及下文中本发明实施例针对上述问题所提出的解决方案，都应该是发明人在本发明过程中对本发明做出的贡献。
基于上述研究，本发明实施例提供了一种基于超声波原理的六氟化硫气体检测装置，具有较高的性价比。
本发明实施例采用单通道检测，通过检测改变两次发送脉冲波信号的频率而引起的相位差来计算出混合气体中的超声波传播速度，进而间接测量出混合气体中的六氟化硫浓度，使用的装置简易，能够灵活应用于多种条件下，且能够保证六氟化硫浓度检测的准确性，具有较高的性价比。
图1示出了本发明实施例所提供的一种基于超声波原理的六氟化硫气体检测装置100的结构框图，由图可见，该基于超声波原理的六氟化硫气体检测装置100包括微控制器1、发射单元2和接收单元3。其中，发射单元2设置于一腔室4内，接收单元3设置于腔室4内远离发射单元2的位置，接收单元3与微控制器1连接。
发射单元2用于先后生成第一脉冲波信号和第二脉冲波信号，将第一脉冲波信号转换成第一超声波信号，将第二脉冲波信号转换为第二超声波信号，将第一超声波信号和第二超声波信号在所述腔室内进行发射。
接收单元3用于接收腔室4内的第一超声波信号和所述第二超声波信号，计算获得第一超声波信号和第二超声波信号之间的相位差值，将相位差值转换为电压信号，电压信号流向微控制器1。微控制器1则用于将电压信号转换为六氟化硫浓度信号。可以理解，微控制器1、发射单元2和接收单元3为电路板或芯片，且存在一定连接关系。由于本实施例基于相位差值对六氟化硫浓度进行检测，因此能够极大地简化微控制器1、发射单元2和接收单元3之间的连接关系。
为便于更加清晰地对该六氟化硫气体检测装置进行说明，下面首先对基于相位差值检测六氟化硫浓度的原理进行说明：
超声波为一种弹性波，在不同浓度气体介质中的传播速度会发生变化。对于二元混合气体，常温常压下可视为理想气体，超声波在气体中以高频、小振幅振动传播，该过程被视为绝热过程。根据理想气体模型，其声速可由气体相对分子质量、温度等参数表示。对于单一成分气体，其声速为：
式中，γ为气体的定压比热与定容比热的比值，M为气体的相对分子质量，R为为摩尔气体常数，T为温度。
对于二元混合气体，其平均声速度为：
式中，为二元混合气体平均声速，为混合气体的定压定容比热比，为二元混合气体平均相对分子质量。
设α、β分别为待测气体和背景气体，Mα和Mβ分别为α和β气体的相对分子质量，则有：
式中，n为α气体的浓度，(1-n)为β气体的浓度，CVα和CVβ分别为α、β气体的定容比热容，CPα和CPβ分别为α、β气体的定压比热容。
进一步地，可以得到：
An2+Bn+D＝0，0≤n≤1
对上述方程仅有单根，可求得α气体的浓度：
为方便求解，进而求出A、B和D，引入参量因此，可以求得：
A＝(MαCVα+MβCVβ-MαCVβ-MβCVα)Y
B＝(MαCVβ+MβCVα-2MβCVβ)Y-CPαCPβ
C＝MβCVβY-CPβ
由上式推导可知，参量Y可由混合气体声速和温度T求得，当当确定背景气体及待测气体时，其他参数均为易于获取的常量，温度T亦可通过高精度温度传感器获得。因此，求得混合气体声速便可求得待测气体浓度n，在本实施例中，待测气体为SF6。
进一步地，超声波在混合气体中的波速为：
式中，L为声程，可以理解为图1中发射单元2和接收单元3之间的距离，Δθ为第一超声波信号和第二超声波信号之间的相位差值，Δf为第一超声波信号和第二超声波信号之间的频率差值。
因此，仅需求得Δθ和Δf，即可求出腔室4中SF6的浓度。
请参阅图2，发射单元2包括发射电路21、发射探头22和第一超声波传感器23，发射探头22包括反相器221和第一端口222。进一步地，发射电路21与反相器221连接，反相器221与第一端口222连接，第一端口与第一超声波传感器23连接。其中，第一超声波传感器23设置于图1中的腔室4内。
请参阅图3，接收单元3包括接收电路31和第二超声波传感器32，接收电路31包括第二端口311、第一运算放大器312、第二运算放大器313和第三运算放大器314。其中，第二端口311分别与第二超声波传感器32以及第一运算放大器312连接，第一运算放大器312与第二运算放大器313连接，第二运算放大器313与第三运算放大器314连接，第三运算放大器314与微控制器1连接，第二超声波传感器32设置于腔室4内远离第一超声波传感器23的位置。
请结合参阅图2、图3和图4，发射电路21用于先后生成第一脉冲波信号和第二脉冲波信号，其中，第一脉冲波信号的频率为f1，第二脉冲波信号的频率为f2。反相器221用于将第一脉冲波信号和第二脉冲波信号通过第一端口222传输至第一超声波传感器23，第一超声波传感器23用于将第一脉冲波信号和第二脉冲波信号转换为第一超声波信号和第二超声波信号，将第一超声波信号和第二超声波信号在腔室4内进行发射。
可以理解，第二超声波传感器32会先后接受到第一超声波信号和第二超声波信号，第一超声波信号和第二超声波信号通过第二端口311流向第一运算放大器312，其中，第一运算放大器312和第二运算放大器313能够计算出第一超声波信号和第二超声波信号之间的相位差值Δθ，如图4所示，然后将该相位差值Δθ转换成电压信号，如图3中的VO，VO经第三运算放大器314降压后变成VO_OUT，VO_OUT流向微控制器1，微控制器1将VO_OUT转换成六氟化硫浓度信号，并进行输出，工作人员能够通过微控制器1获得六氟化硫浓度信号。
例如，发射电路21首先以f1(41kHz)发出6～8个连续的第一脉冲波信号，该第一脉冲波信号经第一超声波传感器23转换成第一超声波信号并进行发射，当第二超声波传感器32接收到第一超声波信号时，发射电路21才会继续以f2(40kHz)发出6～8个连续的第一脉冲波信号。
可以理解，Δf＝f1-f2，当表征Δθ的VO_OUT流向微控制器1时，微控制器1获得了Δf和VO_OUT，能够转换出对应的六氟化硫浓度信号。
在本实施例中，微控制器1为ARM芯片，反相器221的型号为74HC04，第一运算放大器312和第二运算放大器313的型号为SA5532，第三运算放大器314的型号为LM290。
可选地，请继续参阅图1，该六氟化硫气体检测装置还包括温度传感器5，温度传感器5用于采集腔室4外部的温度信息，将温度信息传输至微控制器1，微控制器1用于接收温度信息，根据温度信息修正六氟化硫浓度信号，在本实施例中，温度传感器5的型号为SHT20。
可以理解，该六氟化硫气体检测装置所需要的相关检测设备少，连接关系简洁，且能够保证六氟化硫气体浓度检测的准确性，克服了现有的检测设备寿命短、体积庞大、稳定性差等特点，符合电力系统安全生产的趋势，能够广泛应用于各种电压等级的变电站。
综上，本发明实施例所提供的一种基于超声波原理的六氟化硫气体检测装置，具有较高的性价比。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于超声波原理的六氟化硫气体检测装置，其特征在于，包括微控制器、发射单元和接收单元；
所述发射单元设置于一腔室内，所述接收单元设置于所述腔室内远离所述发射单元的位置，所述接收单元与所述微控制器连接；
所述发射单元用于先后生成第一脉冲波信号和第二脉冲波信号，将所述第一脉冲波信号转换为第一超声波信号，将所述第二脉冲波信号转换为第二超声波信号，将所述第一超声波信号和所述第二超声波信号在所述腔室内进行发射；
所述接收单元用于接收所述腔室内的第一超声波信号和所述第二超声波信号，计算获得所述第一超声波信号和所述第二超声波信号之间的相位差值，将所述相位差值转换为电压信号，所述电压信号流向所述微控制器；
所述微控制器用于将所述电压信号转换为六氟化硫浓度信号。
2.根据权利要求1所述的六氟化硫气体检测装置，其特征在于，所述发射单元包括发射电路、发射探头和第一超声波传感器，所述发射电路与所述发射探头连接，所述发射探头与所述第一超声波传感器连接，其中，所述第一超声波传感器设置于一腔室内；
所述发射电路用于先后生成所述第一脉冲波信号和所述第二脉冲波信号；
所述发射探头用于将所述第一脉冲波信号和所述第二脉冲波信号传输至所述第一超声波传感器；
所述第一超声波传感器用于将所述第一脉冲波信号转换为所述第一超声波信号，将所述第二脉冲波信号转换为所述第二超声波信号，将所述第一超声波信号和所述第二超声波信号在所述腔室内进行发射。
3.根据权利要求2所述的六氟化硫气体检测装置，其特征在于，所述发射探头包括反相器和第一端口；
所述反相器分别与所述发射电路和所述第一端口连接，所述第一端口与所述第一超声波传感器连接；
所述反相器用于将所述第一脉冲波信号和所述第二脉冲波信号通过所述第一端口传输至所述第一超声波传感器。
4.根据权利要求2所述的六氟化硫气体检测装置，其特征在于，所述发射电路为晶振电路。
5.根据权利要求3所述的六氟化硫气体检测装置，其特征在于，所述反相器为74HC04。
6.根据权利要求2所述的六氟化硫气体检测装置，其特征在于，所述接收单元包括接收电路和第二超声波传感器，所述第二超声波传感器设置于所述腔室内远离所述第一超声波传感器的位置，所述第二超声波传感器与所述接收电路连接，所述接收电路与所述微控制器连接；
所述第二超声波传感器用于接收所述第一超声波信号和所述第二超声波信号，所述第一超声波信号和所述第二超声波信号流向所述接收电路；
所述接收电路用于计算获得所述第一超声波信号和所述第二超声波信号之间的相位差值，将所述相位差值转换为电压信号，将所述电压信号进行降压处理，完成降压处理之后的电压信号流向所述微控制器。
7.根据权利要求6所述的六氟化硫气体检测装置，其特征在于，所述接收电路包括第二端口、第一运算放大器、第二运算放大器和第三运算放大器；
所述第二端口分别与所述第二超声波传感器和所述第一运算放大器连接，所述第一运算放大器与所述第二运算放大器连接，所述第二运算放大器与所述第三运算放大器连接，所述第三运算放大器与所述微控制器连接；
所述第一超声波信号和所述第二超声波信号通过所述第二端口流向所述第一运算放大器和所述第二运算放大器，所述第一运算放大器和所述第二运算放大器用于计算获得所述第一超声波信号和所述第二超声波信号之间的相位差值，将所述相位差值转换为电压信号，所述电压信号流向所述第三运算放大器；
所述第三运算放大器用于将所述电压信号进行降压处理，完成降压处理之后的电压信号流向所述微控制器。
8.根据权利要求7所述的六氟化硫气体检测装置，其特征在于，所述第一运算放大器和所述第二运算放大器为SA5532，所述第三运算放大器为LM290。
9.根据权利要求1所述的六氟化硫气体检测装置，其特征在于，所述六氟化硫气体检测装置还包括温度传感器，所述温度传感器与所述微控制器连接；
所述温度传感器用于采集所述腔室外部的温度信息，将所述温度信息传输至所述微控制器；
所述微控制器用于接收所述温度信息，根据所述温度信息修正所述六氟化硫浓度信号。
10.根据权利要求9所述的六氟化硫气体检测装置，其特征在于，所述温度传感器的型号为SHT20。
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