CN109253901A - 一种六氟化硫取样系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六氟化硫取样系统，它包括：电子质量流量控制器、压力传感器和电压监测模块均通过A/D转换模块与处理器CPU连接；处理器CPU还通过D/A转换模块与电子质量流量控制器连接；处理器CPU还和显示屏连接，用于显示六氟化硫的流量数据；键盘与处理器CPU连接，用于输入对六氟化硫流量的控制信号；处理器CPU通过驱动电路控制电磁阀和真空泵；电源电路与处理器CPU连接，用于给整个系统供电。本取样装置采用便携式发明，自备电池，也可外接电源，气路接头采用快插管联接方式，现场可迅速开展工作。装置利用片上系统集成电路实现智能自动化操作，所有开关、流量控制均可编程定时控制，并具备状态提示与报警功能。

Description

一种六氟化硫取样系统

技术领域

本发明涉及六氟化硫技术领域，特别是一种六氟化硫取样系统。

背景技术

随着电力工业的发展，SF6电气设备安装投运的数量不断增多，对SF6气体的监督日益重要，所取样品必须能够代表设备本体内大部分气体的特征，而且要保证不被外界气体污染，目前市场上尚未有成熟的SF6气体取样设备，往往是靠人工取样，取样过程繁琐，且很难保证取样容器的清洗干净和对外界的完全隔离。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的就是提供一种六氟化硫取样系统，能够满足实验室六氟化硫气体分析的采样要求，保证样品在现场采样不受外界空气中水份和氧气的影响。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，一种六氟化硫取样系统，它包括有：

电子质量流量控制器、压力传感器、电压监测模块、处理器CPU、显示屏、键盘、电磁阀、真空泵和电源电路；

所述电子质量流量控制器、压力传感器和电压监测模块均通过A/D转换模块与处理器CPU连接；

所述处理器CPU还通过D/A转换模块与所述电子质量流量控制器连接；

所述处理器CPU还和显示屏连接，用于显示六氟化硫的流量数据；

所述键盘与所述处理器CPU连接，用于输入对六氟化硫流量的控制信号；

所述处理器CPU通过驱动电路控制电磁阀和真空泵；

所述电源电路与所述处理器CPU连接，用于给整个系统供电。

进一步，所述处理器为C8051F单片机。

进一步，所述键盘采用2×4阵列的键盘，共八个按键。

进一步，所述电源电路具体包括有：

外部充电接口与内部12V直流电池组连接，用于提供12V的直流电压；

所述12V直流电池组还与第一稳压模块连接，用于输出稳定的5V直流电压；

所述第一稳压块还与所述第二稳压模块连接，用于输出稳定的3.3V直流电压；

所述12V直流电池组还与DC-DC升压模块连接，用于输出稳定的±15V直流电压。

进一步，所述电源电路还包括有对电池电压的监测，监测电路连接如下：

第一二极管D3与第一电容C11连接，且第一二极管D3的阳极接地；

第一电容C11还与第一电阻R14和第二电阻R26连接；

第三电阻R25还与上述电路进行连接；第三电阻R25还与+12V直流电压连接。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

(1)满足实验室六氟化硫气体分析的采样要求，保证样品在现场采样不受外界空气中水份和氧气的影响，系统通过采用微型无油真空泵对采样系统抽真空，在管路连接完毕启动仪器后自动对管路抽真空，然后用样品冲洗管路和取样容器，冲洗次数可以根据实际需要经行设定，保证所取样品不受环境影响。

(2)满足现场检测管采样要求，该系统能够设定时间和流量，控制在规定的时间内六氟化硫气体仪按设定的流量流经检测管。设定时间到后系统自动关闭阀门结束采样。由于控制了流过检测管的六氟化硫气体的量，保证了检测管检测的重复性。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为六氟化硫取样系统的连接示意图。

图2为六氟化硫取样系统的气路流程图。

图3为电源电路对电源电压监测的连接示意图。

图4为电源电路监测的电路连接图。

图5为驱动电路的电路连接图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例，如图1至图5所示；一种六氟化硫取样系统，它包括有：

电子质量流量控制器、压力传感器、电压监测模块、处理器CPU、显示屏、键盘、电磁阀、真空泵和电源电路；

电子质量流量控制器、压力传感器和电压监测模块均通过A/D转换模块与处理器CPU连接；

处理器CPU还通过D/A转换模块与电子质量流量控制器连接；

处理器CPU还和显示屏连接，用于显示六氟化硫的流量数据；

键盘与处理器CPU连接，用于输入对六氟化硫流量的控制信号；

处理器CPU通过驱动电路控制电磁阀和真空泵；

电源电路与处理器CPU连接，用于给整个系统供电。

处理器为C8051F单片机。

键盘采用2×4阵列的键盘，共八个按键。

电源电路具体包括有：

外部充电接口与内部12V直流电池组连接，用于提供12V的直流电压；

12V直流电池组还与第一稳压模块连接，用于输出稳定的5V直流电压；

第一稳压块还与第二稳压模块连接，用于输出稳定的3.3V直流电压；

12V直流电池组还与DC-DC升压模块连接，用于输出稳定的±15V直流电压。

电源电路还包括有对电池电压的监测，监测电路连接如下：

第一二极管D3与第一电容C11连接，且第一二极管D3的阳极接地；

第一电容C11还与第一电阻R14和第二电阻R26连接；

第三电阻R25还与上述电路进行连接；第三电阻R25还与+12V直流电压连接。

如图1所示，本发明中电磁阀选用耐压较高的产品，需要较大的驱动电流，所以我们发明了专门的驱动电路来驱动，采用了分立的大功率达林顿晶体管作为驱动器，满足了产品的需求。真空泵由于运转时电流较大，采用了独立的继电器来驱动。由键盘和液晶显示屏组成了产品的控制和显示功能。电子质量流量控制器输出的流量电压信号，经过12位A/D模数转换芯片输入了CPU进行计算和存储换算成流量信号实时的显示到液晶显示屏上。单片机发出的流量控制信号，通过D/A转换，转换为模拟信号控制电子质量流量控制器的工作。

图2中阀1为二位三通电磁阀，通过对该三通电池阀的切换可以控制从进气口进去的气体流向取样装置还是流向检测管检测装置。阀2为二位二通电磁阀用来控制进入取样袋或取样钢瓶的气体开关，阀3为二位二通电磁阀，是真空泵前端的开关阀，保证在抽真空结束后关闭此开关阀可以保证系统的真空度，防止真空泵停机后的泄露。阀4为二位二通电磁阀，是用来排出系统中的气体，用于在冲洗取样时，或系统抽真空前，排空系统中的气体，保护真空泵不在带压的情况下进行工作。

阀5为二位三通电磁阀，用来切换检测管前端的气体是通过检测管还是排空。一般是在系统流量稳定前直接排空，等系统流量稳定后，把检测管切换到气路当中进行测量。达到设定体积后，自动切换到排空。从而保证了测量体积的准确性。

本发明中的元件构成：

1、电子流量质量控制器

电子流量质量控制器由流量传感器和流量控制阀组成闭环反馈系统，从电子流量计传过来的流量信号经过放大运算和设定的流量值进行运算，如果流量传感器的反馈达不到设定值，则相应自动调整控制阀，从而保证流量稳定在设定值。DSN系列气体质量流量控制器，即称Mass Flow Controller(缩写为MFC),不但具有质量流量计的功能，更重要的是，它能自动控制气体流量，可根据需要进行流量设定，MFC自动地将流量恒定在设定值上，即使系统压力有波动或环境温度有变化，也不会使其偏离设定值。简单地说,质量流量控制器就是一个稳流装置,是一个可以手动设定或与计算机联接自动控制的气体稳流装置。本机使用的电子质量流量计是专为使用SF6气体而优化发明。

标准量程(SF6)：1000mL/min

准精度：±1％F.S

重复精度：±0.2％F.S响应时间：电特性＜10sec气特性＜1～4sec

线性：±(0.5～1)％F.S

工作压差范围：0.05～0.3MPa耐压：3MPa

工作环境温度：5～45℃

输入输出信号电压：0～+5.00V

电源：+15V500mA、-15V500mA(输入阻抗大于100K，输出电流不大于3mA)

2、真空泵

采用微型无油真空泵，大流量，10L/Min，供电电压12V，可连续运行，体积小，重量轻，可以任意方向安装，适合便携式仪器。工作参数如表1所示：

表1真空泵的工作参数

3、压力传感器

26PC系列压力传感器是带温度补偿和校正的小型封装压力传感器，该系列压力传感器可以测量负压和正压，量程选用100psi。压力传感器的技术指标如表2所示：

表2压力传感器技术指标

4、电磁阀

阀门的自动控制采用自压密封式电磁开关阀，压力越高，密封性越好，确保安全性，不漏气。

电磁阀性能指标如下：

材质：铝；

耐压：1Mp；

工作电压：DC12V；

工作电流：<500mA。

本发明的电路连接：

1.处理器CPU采用C8051F单片机，C8051F单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SoC)，具有与8051兼容的高速CIP-51内核，与MCS-51指令集完全兼容，片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件；内置FLASH程序存储器、内部RAM，大部分器件内部还有位于外部数据存储器空间的RAM，即XRAM。C8051F单片机具有片内调试电路，通过4脚的JTAG接口可以进行非侵入式、全速的在系统调试。

2.模拟电路

模拟信号输入电路以及A/D转换电路之前的部分统称为模拟部分，本仪器的许多测量技术指标都是由模拟部分来决定的。一些输入电路的主要作用是提高输入阻抗。输入阻抗愈高，由电路引入的误差就愈小，同时仪器对传感器电路的影响也就愈小。

输入电路主要由多路模拟输入选择开关、放大器、有源滤波、精密基准电源等组成。本仪器共有两路传感器输入，包括压力传感器信号和流量计信号。另外一路外部精密电压基准输入端，用于检验内部精密电压基准源，一路内部精密电压基准(+2.5V)。内部基准电压和地与软件配合能起到内部电路自校准作用，以提高测量准确度。

在精密测量系统中，不可避免地会有高频干扰信号混杂在有用的信号当中。为了得到被测对象的正确信息，就需要使用低通滤波器将干扰信号衰减和滤除。由于无源RC或LRC滤波器的频率特性较差，对干扰信号的衰减也小，因而常采用有源低通滤波。本发明采用二阶低通有源滤波器，经模拟处理电路处理后的信号可以直接连接到MCU中的AD转换器。

3.键盘和显示电路

一个完整的仪器需要有人机对话功能，即人与机器交换信息的功能。这个功能有两方面的意义，一是人对取样装置进行状态干预和数据输入；二是检查取样装置的运行情况和状态。并给出运行结果。在本机发明中实现人机对话的部件有键盘、液晶显示器、蜂鸣器等。

为了减少接口数量，键盘采用矩阵式键盘结构。矩阵式键盘一般把检测线分成两组，一组为行线，另一组为列线。按键放在行线和列线的交叉点上。键盘可以完成参数设定、功能选择等功能。本仪器使用2×4阵列的键盘。共八个按键，互相配合来完成所有的操作功能。

为了便于安装，本仪器键盘采用了最新型的薄膜按键结构发明，与传统式按钮式按键相比，具有更小的安装体积，良好的手感，更长的使用寿命，安装方便等特点。

液晶显示器，采用了160×128点阵的图形式单色带背光的液晶显示器。液晶显示器使用的控制器是T6963C。易于开发移植通用的程序。考虑到能耗，对背光经行了限流和防接反保护。

4.电源电路

本发明主要发明为在变电站现场作业，属于便携式仪器，采用电池供电。本发明采用了全密封式免维护式铅酸蓄电池。便于日常的携带和使用。由于采用了电池供电，电源的发明显的尤为重要。电池通常能提供一个干净的电源，但是使用电池的系统必须是低功耗的。因此必须使用效率较高的电源器件，同时能在系统消耗最大电流时提供正确的电压。

本取样装置包括的电路部分有单片机部分，电磁阀和真空泵驱动部分，电子质量流量计供电部分，显示屏背光部分。需要的电源种类较多下表3列出了本系统电源的使用情况。

表3本取样系统电源电路的使用情况

器件	工作电压	电流消耗
			单片机	3.3V	<50mA
电磁阀	12V	<400mA
			真空泵	12V	<1.5A
电子质量流量计	±15V	<500mA
			压力传感器	12V	<10mA
数字电路	5V	<100mA
			显示屏背光	5V	<100mA

为了产生上述这些电源，检测系统使用了若干电源稳压器件，和通用开关型集成稳压器件。电源部分的详细框图如图3所示。

对于使用电池供电的系统，由于经过一段时间的放电后，电池电压总会有一定程度的下降。为了给需要稳定供电的电子质量流量控制器提供一个稳定的工作电压，我们采用了专业的DC-DC升压模块，该模块可以在9V～18V的输入范围内稳定的输出±15V，并且供电电流可达到666mA，且具有1500V电压隔离、短路保护、过流保护，等功能。转换效率达到了87％以上。

对应单片机主芯片等数字电路我们选用了新型低压差稳压器，压差为1.2V，输出电流800mA，供电精度在±1％以内，并且具有电流限制和热保护功能，为单片机的稳定工作提供了有力的保障。

5.A/D转换

取样装置中的压力信号和电子质量流量控制器输出的流量信号均属于模拟信号，如果需要用单片机加以处理并实时显示，就需要对模拟信号进行A/D转换，我们选用的C8051系列MCU有一个片内12位ADC，该ADC工作在100ksps的最大采样速率时可以提供12位精度，还有一个9通道输入多路选择开关和可编程增益放大器。该片内ADC完全由CIP-51通过特殊功能寄存器控制。有一个输入通道被连接到内部温度传感器，其他八个通道接外部输入。8个外部输入通道的每一对都可以被配置为两个单端输入或一个差分输入。

压力传感器信号在进入AD前，由于信号较微弱，所以中间加装了放大电路，采用AD627集成单电源仪表放大器，做为信号放大芯片。AD627可以采用单电源，提供满电源幅度的输出，并运行使用单个增益设置电阻进行增益编程，使用比较灵活。AD627取代了分立的仪表放大器发明，且在最小的空间内提供了很好的线性度、温度稳定性和可靠性。

为了能实时监测蓄电池电量情况，所以特意发明了一个蓄电池电压监测电路，通过分压发明，控制分压达到AD转换芯片运行的工作电压范围之内，将电压信号输入单片机，通过编制程序，实时监测电池电压，当电池电压低于预定值时，系统将会报警提示。电路示意图如图4所示。

6.D/A转换

C8051F系列MCU内置12位DAC，我们发明使用电子质量流量控制器时需要设定其输出流量，这一功能是靠DAC来实现的。我们设定一个流量值后，系统通过换算成一个对应的电压值后，通过DAC生成这个电压。由于电子质量流量计采用0～5V的控制信号，C8051F中的DAC只能输出0～2.5V所以中间加了一级放大，这个放大器由仪表放大芯片AD623来完成。

7.电磁阀及真空泵驱动

电磁阀选用耐压较高的1Mpa同时电源电压较低只有DC12V，所以电磁阀工作电流较高，大约有500mA，这样一般的集成驱动芯片就有有些无能为力了，所以我们选用独立的大功率达林顿管作为驱动。保证了电磁阀的长时间工作时候的稳定性。

真空泵工作电流大约1.5A，这样的工作电流用单管驱动已无法满足，所以我们加装了继电器来单独控制真空泵的工作。驱动电路原理如图5所示。

本取样装置满足实验室六氟化硫气体分析的采样要求，保证样品在现场采样不受外界空气中水份和氧气的影响，系统通过采用微型无油真空泵对采样系统抽真空，在管路连接完毕启动仪器后自动对管路抽真空，然后用样品冲洗管路和取样容器，冲洗次数可以根据实际需要经行设定，保证所取样品不受环境影响。还满足现场检测管采样要求，该系统能够设定时间和流量，控制在规定的时间内六氟化硫气体仪按设定的流量流经检测管。设定时间到后系统自动关闭阀门结束采样。由于控制了流过检测管的六氟化硫气体的量，保证了检测管检测的重复性。

本取样装置的优点如下：

(1)轻巧便携，微机控制全自动化操作。

(2)首创的冲洗法取样，简单方便。

(3)经典的抽真空法取样，迅速快捷。

(4)长寿命无油真空泵，经过优化发明，振动少，噪声低。

(5)可以和不锈钢取样瓶、取样袋、检测管等方便快速连接

(6)带有电池现场无需供电。

(7)备有各种开关的取气接头，适应性强；

(8)电子质量流量控制，保证现场检测管的测量的精确性。

(9)本取样装置采用便携式发明，自备电池，也可外接电源，气路接头采用快插管联接方式，现场可迅速开展工作。装置利用片上系统集成电路实现智能自动化操作，所有开关、流量控制均可编程定时控制，并具备状态提示与报警功能。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种六氟化硫取样系统，其特征在于，所述系统包括有电子质量流量控制器、压力传感器、电压监测模块、处理器CPU、显示屏、键盘、电磁阀、真空泵和电源电路；

所述电子质量流量控制器、压力传感器和电压监测模块均通过A/D转换模块与处理器CPU连接；

所述处理器CPU还通过D/A转换模块与所述电子质量流量控制器连接；

所述处理器CPU还和显示屏连接，用于显示六氟化硫的流量数据；

所述键盘与所述处理器CPU连接，用于输入对六氟化硫流量的控制信号；

所述处理器CPU通过驱动电路控制电磁阀和真空泵；

所述电源电路与所述处理器CPU连接，用于给整个系统供电。

2.如权利要求1所述的六氟化硫取样系统，其特征在于，所述处理器为C8051F单片机。

3.如权利要求1所述的六氟化硫取样系统，其特征在于，所述键盘采用2×4阵列的键盘，共八个按键。

4.如权利要求1所述的六氟化硫取样系统，其特征在于，所述电源电路具体包括有：

外部充电接口与内部12V直流电池组连接，用于提供12V的直流电压；

所述12V直流电池组还与第一稳压模块连接，用于输出稳定的5V直流电压；

所述第一稳压块还与所述第二稳压模块连接，用于输出稳定的3.3V直流电压；

所述12V直流电池组还与DC-DC升压模块连接，用于输出稳定的±15V直流电压。

5.如权利要求1所述的六氟化硫取样系统，其特征在于，所述电源电路还包括有对电池电压的监测，监测电路连接如下：

第一二极管D3与第一电容C11连接，且第一二极管D3的阳极接地；

第一电容C11还与第一电阻R14和第二电阻R26连接；

第三电阻R25还与上述电路进行连接；第三电阻R25还与+12V直流电压连接。