CN113933211A - 基于气体替代法的三元混合气体混气比测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
基于气体替代法的三元混合气体混气比测量方法及装置，本发明属于电力系统检测技术领域，解决如何采用气体替代法测量三元混合气体的混气比的问题；本发明的技术方案基于测量混合绝缘气体密度的原理，采用气体替代法进行混合绝缘气体混气比的测量，适用于目前所有的三元混合绝缘气体的混气比测定，也可实现全量程(0％～100％)、高精度、线性、常压与带压测量，同时也能满足其它非绝缘的三元混合气体的混气比检测，适用范围广，通过直接使用纯组分气体参与测试，组分的选取灵活，同时无需配制标准气体，测试成本低。
Description
技术领域
本发明属于电力系统检测技术领域，涉及基于气体替代法的三元混合气体混气比测量方法及装置。
背景技术
SF6气体是目前性能最优异的气体绝缘介质，在相同压力下绝缘性能约为空气的2.5倍，灭弧性能是空气的100倍，被广泛应用在各电压等级的电气设备中，有效地减少了电气设备的体积、降低了设备的占地面积、延长了设备的检修周期。
然而，SF6也存在明显的缺陷，SF6是一种强烈的温室效应气体，等效温室效应为CO2的23900倍，在大气中的寿命约为3200年，排放到大气中会对环境产生严重影响。此外SF6气体的液化温度较高，一旦气体发生液化，设备的绝缘性能将大幅下降，严重危及设备安全运行。SF6气体在0.7Mpa(一般断路器中SF6的压力)压力时的液化温度为-30℃左右，由此可知纯SF6气体不适宜在东北、新疆、内蒙以及青藏高原等地区的冬季户外进行使用。
为应对SF6的温室效应和易发生液化的问题，目前广泛采用SF6与另外一种气体如N2或CF4等混合，形成SF6/N2或SF6/CF4等混合绝缘气体来替代纯SF6进行使用。同时三元混合绝缘气体如SF6/CO2/CF3I和C4F7N/CO2/O2等也在研发阶段，将来也有可能推广应用。混合气体能够有效减少设备中SF6气体的用量，降低设备中SF6气体的液化温度。SF6混合绝缘气体的性能主要由各气体本身性质及气体的混气比决定，准确测定混气比是SF6混合气体现场使用的重要基础。
对于二元混合绝缘气体混气比的测定，目前主要方法有3种：1)气相色谱法。即采用气相色谱法对混合气体中的主要组分进行分离和定量测量，然后根据归一化法进行计算，从而得到混合气体的混气比。2)热导检测法。采用热导原理的传感器进行测量，然后根据外标法对测量结果计算，得到混合气体的混气比。3)红外光谱法。利用SF6气体在红外光波段有特征吸收，通过测量选定波段的吸收光强度与样品气中的SF6浓度建立关系，从而得到混合气体的混气比。其中色谱法准确性高，但色谱仪分析速度慢、操作复杂、对环境要求苛刻、需要电源和载气等缺点，不适用于现场测量，且色谱法一般无法实现全量程混气比检测。热导检测法只适用于二元混合绝缘气体的混气比检测，无法测定三元混合绝缘气体的混气比，且检测精度较低，传感器长时间使用后易发生漂移，需要定期进行校准。红外光谱法检测精度低，易受外界干扰，随着使用年限的增加，仪器性能下降，检测准确性下降，同时仪器无法适用于非SF6混合气体(如C4F7N和CO2的混合气体)的混气比检测。
文献《一种二元混合气体浓度超声测量仪的设计》(王明伟,姚展.一种二元混合气体浓度超声测量仪的设计[J].计算机测量与控制,2010,18(12):2908-2910.)公开了根据超声波在二元混合气体中传播时，声速与二元待测混合气体的浓度、温度存在一定的关系的理论，改进了超声检测二元混合气体的气体浓度的计算公式，提出了一种新的测温方法；但是该文献并未解决如何测定二元混合气体混气比。
对于三元混合绝缘气体，由于处于试验阶段，目前混气比检测方法还未完善，实验室主要通过色谱法进行检测。针对热导检测法和红外光谱检测法，可结合其它检测原理以及方法计算，实现三元混合气体的混气比测定，但这也将限定该仪器或流程的检测对象，对其它三元混合气体的普适性差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何采用气体替代法测量二元混合气体的混气比。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
基于气体替代法的三元混合气体混气比测量方法，应用于混气比测量装置，所述的混气比测量装置包括：U型振荡管(1)、磁铁(2)、电子激发振荡器(3)、频率计数器(4)、压力传感器(5)、第一温度传感器(6)、第二温度传感器(7)、第三温度传感器(8)、控温保温层(9)、三通阀(10)、出气阀(11)；所述的U型振荡管(1)底部固定有磁铁(2)，U型振荡管(1)的两个竖管的上部各安装有一个频率计数器(4)；U型振荡管(1)的左侧竖管的管口通过管路与三通阀(10)的第一端口密封连接，三通阀(10)的第二端口、第三端口分别通过管路与外界连接，所述的压力传感器(5)密封连接在U型振荡管(1)的左侧竖管的管口与三通阀(10)的第一端口之间的管路上；U型振荡管(1)的右侧竖管的管口通过管路与出气阀(11)的进气端密封连接，出气阀(11)的出气端与排气管路密封连接；第一温度传感器(6)安装在U型振荡管(1)的左侧竖管与右侧竖管之间；所述的电子激发振荡器(3)安装在固定有磁铁(2)的下方；所述的U型振荡管(1)、磁铁(2)、电子激发振荡器(3)、频率计数器(4)、压力传感器(5)、第一温度传感器(6)、出气阀(11)均安装在控温保温层(9)内，所述的第二温度传感器(7)安装在控温保温层(9)外壁上，所述的第三温度传感器(8)安装在控温保温层(9)内壁上。
所述的混气比测量方法包括：
S1、对混气比测量装置进行标定；
S2、向U型振荡管(1)中充入压力为P0的待测三元混合气体，记录此时U型振荡管(1)内为混合气体时观测的振荡周期T0，测得标准状态下该三元混合气体的密度为ρ0，建立密度ρ0与第一元气体、第二元气体以及第三元气体气体体积、标准状态下密度的关系；
S3、继续向U型振荡管(1)中充入待测三元混合气体至压力为P1，使得P1＝2P0，记录此时U型振荡管(1)内为混合气体时观测的振荡周期T1，测得标准状态下U型振荡管(1)中气体的密度为ρ1，建立密度ρ1与第一元气体、第二元气体以及第三元气体气体体积、标准状态下密度的关系；
S4、将U型振荡管(1)中的三元混合气体释放至压力为P0，然后向U型振荡管(1)中充入纯第一元气体至压力为P1进行替代，记录此时U型振荡管(1)内为混合气体时观测的振荡周期T2，测得标准状态下U型振荡管(1)中气体的密度为ρ2，建立密度ρ2与第一元气体、第二元气体以及第三元气体气体体积、标准状态下密度的关系；通过比较替代前后U型振荡管(1)中的气体密度的变化，结合第一元气体、第二元气体和第三元气体的标准状态下的密度，计算得到第二元气体体积；
S5、U型振荡管(1)中的气体排空后，向U型振荡管(1)中充入压力为P0的待测三元混合气体，重复步骤S2至S3，并在步骤S4时向U型振荡管(1)中充入纯第二元气体至压力为P1进行替代，记录此时U型振荡管(1)内为混合气体时观测的振荡周期T3，测得标准状态下U型振荡管(1)中气体的密度为ρ3，建立密度ρ3与第一元气体、第二元气体以及第三元气体气体体积、标准状态下密度的关系；通过比较替代前后U型振荡管(1)中的气体密度的变化，结合第一元气体、第二元气体和第三元气体的标准状态下的密度，计算得到第一元气体体积；
S6、最后根据步骤S4中得到的第二元气体的体积以及步骤S5中得到的第一元气体的体积计算出第三元气体的体积，从而得到三元混合气体的混气比。
本发明的技术方案基于测量混合绝缘气体密度的原理，采用气体替代法进行混合绝缘气体混气比的测量，适用于目前所有的三元及三元混合绝缘气体的混气比测定，也可实现全量程(0％～100％)、高精度、线性、常压与带压测量，同时也能满足其它非绝缘的二元混合气体的混气比检测，适用范围广，通过直接使用纯组分气体参与测试，组分的选取灵活，同时无需配制标准气体，测试成本低。
作为本发明技术方案的进一步改进，对混气比测量装置进行标定的方法为：首先将U型振荡管(1)进气管路与洁净空气连接，打开进气阀(10)和出气阀(11)，使空气保持稳定流速冲洗U型振荡管(1)及相应管路；然后关闭进气阀(10)和出气阀(11)，通过控温保温层(9)使测量装置温度恒定，控制出气阀(11)，使U型振荡管(1)中的气体压力与大气压力平衡，记录此时压力传感器(5)的读数P；启动测量装置，记录稳定的振荡周期TA以及U型振荡管(1)的温度tA；空气标定完毕后更换纯水进行标定，用纯水冲洗U型振荡管(1)，然后将纯水注满U型振荡管(1)，管内水中应无气泡存在，通过控温保温层(9)使测量装置及管内纯水的温度稳定，启动测量装置，记录稳定的振荡周期Tw以及U型振荡管(1)的温度tw；最后根据记录的数据计算出U型振荡管(1)的常数F。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的测量装置的常数F的计算公式为：
其中，F表示U型振荡管(1)的常数；ρw表示测试温度下水的密度，单位为g/cm3；ρA表示测试温度下空气的密度，单位为g/cm3；Tw表示U型振荡管(1)内为水时观测的振荡周期，单位为s；TA表示U型振荡管(1)内为空气时观测的振荡周期，单位为s。
作为本发明技术方案的进一步改进，密度ρ0、密度ρ1、密度ρ2计算公式为：
其中，ρw表示测试温度下水的密度，单位为g/cm3；Tw表示U型振荡管(1)内为水时观测的振荡周期，单位为s。
作为本发明技术方案的进一步改进，建立密度ρ0与第一元气体、第二元气体以及第三元气体气体体积、标准状态下密度的关系如下：
ρ0V0＝V1ρ11+V2ρ12+V3ρ13 (3)
其中，V1为第一元气体在混合气体中的分体积，以下简称体积，第二元气体和第三元气体同理；V2为第二元气体的体积，V3为第三元气体的体积，ρ11为标准状态下第一元气体的密度，ρ12为为标准状态下第三元气体的密度，ρ13为标准状态下第三元气体的密度。
作为本发明技术方案的进一步改进，建立密度ρ1与第一元气体、第二元气体以及第三元气体气体体积、标准状态下密度的关系如下：
ρ1V0＝2V1ρ11+2V2ρ12+2V3ρ13 (4)。
作为本发明技术方案的进一步改进，建立密度ρ2与第一元气体、第二元气体以及第三元气体气体体积、标准状态下密度的关系如下：
ρ2V0＝ρ11(V1+V2+V3)+ρ11V1+ρ12V2+ρ13V3 (5)
由公式(5)减去公式(4)得到第二元气体体积的公式如下：
作为本发明技术方案的进一步改进，建立密度ρ3与第一元气体、第二元气体以及第三元气体气体体积、标准状态下密度的关系如下：
ρ3V0＝ρ12(V1+V2+V3)+ρ11V1+ρ12V2+ρ13V3 (7)
由公式(7)减去公式(4)得到第一元气体体积的公式如下：
作为本发明技术方案的进一步改进，所述的三元混合气体为：SF6/CO2/CF3I或C4F7N/CO2/O2。
基于气体替代法的三元混合气体混气比测量方法的装置，包括：U型振荡管(1)、磁铁(2)、电子激发振荡器(3)、频率计数器(4)、压力传感器(5)、第一温度传感器(6)、第二温度传感器(7)、第三温度传感器(8)、控温保温层(9)、三通阀(10)、出气阀(11)；所述的U型振荡管(1)底部固定有磁铁(2)，U型振荡管(1)的两个竖管的上部各安装有一个频率计数器(4)；U型振荡管(1)的左侧竖管的管口通过管路与三通阀(10)的第一端口密封连接，三通阀(10)的第二端口、第三端口分别通过管路与外界连接，所述的压力传感器(5)密封连接在U型振荡管(1)的左侧竖管的管口与三通阀(10)的第一端口之间的管路上；U型振荡管(1)的右侧竖管的管口通过管路与出气阀(11)的进气端密封连接，出气阀(11)的出气端与排气管路密封连接；第一温度传感器(6)安装在U型振荡管(1)的左侧竖管与右侧竖管之间；所述的电子激发振荡器(3)安装在固定有磁铁(2)的下方；所述的U型振荡管(1)、磁铁(2)、电子激发振荡器(3)、频率计数器(4)、压力传感器(5)、第一温度传感器(6)、出气阀(11)均安装在控温保温层(9)内，所述的第二温度传感器(7)安装在控温保温层(9)外壁上，所述的第三温度传感器(8)安装在控温保温层(9)内壁上。
本发明的优点在于：
本发明的技术方案基于测量混合绝缘气体密度的原理，采用气体替代法进行混合绝缘气体混气比的测量，适用于目前所有的三元及三元混合绝缘气体的混气比测定，也可实现全量程(0％～100％)、高精度、线性、常压与带压测量，同时也能满足其它非绝缘的二元混合气体的混气比检测，适用范围广，通过直接使用纯组分气体参与测试，组分的选取灵活，同时无需配制标准气体，测试成本低。
附图说明
图1是基于气体替代法的三元混合气体混气比测量装置结构图；
图2是基于气体替代法的三元混合气体混气比测量方法流程图；
图3是气体替代法的三元混合气体混气比测量原理示意图。
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，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
1、装置的结构组成
如图1所示，一种气体替代法测量混合绝缘气体混气比的装置，包括：U型振荡管(1)、磁铁(2)、电子激发振荡器(3)、频率计数器(4)、压力传感器(5)、第一温度传感器(6)、第二温度传感器(7)、第三温度传感器(8)、控温保温层(9)、三通阀(10)、出气阀(11)。
所述的U型振荡管(1)为为硼化玻璃材质，容积为3mL(通过注水称重法进行标定)，U型振荡管(1)底部固定有磁铁(2)，U型振荡管(1)的两个竖管的上部各安装有一个频率计数器(4)；U型振荡管(1)的左侧竖管的管口通过管路与三通阀(10)的第一端口密封连接，三通阀(10)的第二端口、第三端口分别通过管路与外界连接，所述的压力传感器(5)密封连接在U型振荡管(1)的左侧竖管的管口与三通阀(10)的第一端口之间的管路上，三通阀(10)用于控制不同气体进入U型振荡管(1)；所述的压力传感器(5)用于监测U型振荡管(1)中气体的压力值，检测精度为±0.01kPa；U型振荡管(1)的右侧竖管的管口通过管路与出气阀(11)的进气端密封连接，出气阀(11)的出气端与排气管路密封连接；第一温度传感器(6)安装在U型振荡管(1)的左侧竖管与右侧竖管之间；所述的电子激发振荡器(3)安装在固定有磁铁(2)的下方，所述的U型振荡管(1)、磁铁(2)、电子激发振荡器(3)、频率计数器(4)、压力传感器(5)、第一温度传感器(6)、出气阀(11)均安装在控温保温层(9)内，所述的第二温度传感器(7)安装在控温保温层(9)外壁上，所述的控温保温层(9)用于对测试区域进行温度调节和控制，所述的第三温度传感器(8)安装在控温保温层(9)内壁上。
2、U型振荡管法测物质密度的原理
U型振荡管(1)法测物质的密度已被广泛应用多年，其具有快速、可靠、准确率高、测量精度高等优点。振荡管法检测物质密度的原理是利用基于电磁引发的玻璃U型管的振荡频率，即利用一块磁铁固定在U型玻璃测量管上，由电子激发振荡器使其产生振荡，玻璃管的振荡周期将被振荡传感器测量得到，每一个U型玻璃管都有其特征频率或按固有频率振荡。当玻璃管内充满物体后，其频率为管内填充物质质量的函数。当物质的质量增加时其频率会降低，即振荡周期T增加。测量时，选择某些物质作为标准物质，测量频率后通过被测物质与标准物质之间的振荡频率的差值计算出被测物质的密度值。
U型振荡管(1)在进行测试前需测定仪器常数F，一般采用至少两种标准物质进行测定，该两种标准物质的密度区间应涵盖试验样品的密度范围。对于SF6气体，其密度一般在20℃时为6.16kg/m3，因此可选用空气和纯水作为标准物质，通过U型振荡管(1)对标准物质的密度测量结果可计算出仪器的常数F：
其中，F表示U型振荡管(1)测试仪仪器常数；ρw表示测试温度下水的密度，单位为g/cm3(20℃时ρw＝0.9982g/cm3)；ρA表示测试温度下空气的密度，单位为g/cm3(20℃时ρA＝0.00120g/cm3)；Tw表示U型振荡管(1)内为水时观测的振荡周期，单位为s；TA表示U型振荡管(1)内为空气时观测的振荡周期，单位为s。
因此，利用U型振荡管(1)对三元混合气体进行检测，根据测得的混合气体的振荡周期T混可得到混合气体的密度ρ混：
其中：ρ混表示测试温度下混合的密度，g/cm3；ρw表示测试温度下水的密度，单位为g/cm3；Tw表示U型振荡管(1)内为水时观测的振荡周期，单位为s；T混表示U型振荡管(1)内为混合气体时观测的振荡周期，单位为s。
3、测量三元气体混气比
4.1、原理
目前研究的三元混合绝缘气体，如SF6/CO2/CF3I或C4F7N/CO2/O2等，在常温和常压下可当作理想气体进行处理。当三元混合绝缘气体的混合比例确定了，则在特定温度和压力下的混合气体的密度也就确定了。与三元混合绝缘气体的测方法相似，本发明提出采用气体替代法进行测量，即用高纯组分气体替代部分待测混合绝缘气体，然后比较替代前后气体的密度变化，据此计算出待测混合绝缘气体的混气比。
如图2所示，具体以SF6/CO2/CF3I混合气体为例，第一元气体为SF6、第二元气体为CO2、第三元气体为CF3I；
a、首先向U型振荡管(1)中充入压力为P0的SF6/CO2/CF3I待测混合绝缘气体，测得20℃下该气体的密度为ρ0；
b、继续向上述U型振荡管(1)中充入待测混合绝缘气体至压力为P1，使得P1＝2P0，测得20℃下该U型管中气体的密度为ρ1；
c、将U型振荡管(1)中的气体释放至压力将为P0(或重新向U型振荡管(1)中充入压力为P0的待测混合绝缘气体)，然后继续向U型振荡管(1)中充入高纯SF6气体至压力为P1，测得20℃下该U型振荡管(1)中气体的密度为ρ2；
d、在20℃及不太高的气体压力(几个大气压)情况下、理想气体进的压力之比等于体积之比。
如图3所示，上述操作相当于将压力为P1的待测样品中的一半的气体用等体积的高纯SF6气体替代，实际上相当于待测混合绝缘气体中一半的CF3I和一半的CO2用等体积的SF6替代了。通过比较替代前后气体密度的变化，结合各组分的密度，可以建立待测混合绝缘气体中CF3I体积与CO2体积之间的对应关系。
e、将U型振荡管(1)中的气体排空后，重新充入压力为P0的SF6/CO2/CF3I待测混合绝缘气体，然后继续向U型振荡管(1)中充入高纯CO2气体至压力为P1，测得20℃下该U型振荡管(1)中气体的密度为ρ3；
同理可得到待测混合绝缘气体中SF6体积与CF3I体积之间的对应关系，由此通过计算可得到待测混合绝缘气体中三种组分的体积分数。
3.2、装置的操作流程
1)装置标定
装置在首次使用时需进行标定。采用空气和水作为标准物质对U型振荡管(1)进行标定。首先通过三通阀(10)将洁净空气通入U型振荡管(1)中，记录压力传感器(5)的读数，即为P空，通过控温保温层(9)控制温度，通过读取第一温度传感器(6)、第二温度传感器(7)、第三温度传感器(8)三个温度传感器，待空气和U型振荡管(1)达到设定温度并稳定后，启动电子激发振荡器(3)进行测量，通过频率计数器(4)和第一温度传感器(6)记录振荡周期TA以及U型管的温度tA。空气测量完毕后，通过三通阀(10)将水注入U型振荡管(1)中，管内水中应无气泡存在，通过控温保温层(9)控制温度，待水和U型振荡管(1)温度达到设定温度并稳定后，通过频率计数器(4)和第一温度传感器(6)记录记录振荡周期Tw以及U型振荡管(1)的温度tw。根据公式(1)计算出装置的仪器常数F。
2)样品检测
将待测样品接入到三通阀(10)的待测混合绝缘气体接口，利用样品气体对U型振荡管(1)吹扫3～5min，停止进气，关闭三通阀(10)，调节出气阀(11)使U型振荡管(1)中的气体压力至压力传感器(5)读数为0.1MPa。打开控温保温层(9)使U型振荡管(1)的温度为20℃±0.01℃(通过第一温度传感器(6)进行测量)，打开电子激发振荡器(3)，开始测量，通过频率计数器(4)和第一温度传感器(6)记录振荡周期T测以及U型振荡管(1)的温度t测，根据公式(2)测得样品混合气体的密度为ρ0。
通过三通阀(10)继续向U型振荡管(1)中充入待测混合绝缘气体至压力传感器(5)的读数为P1，使P1＝2P0，按照上述步骤，测得20℃下该U型振荡管(1)中的气体密度为ρ1。
3)纯SF6气体替代
打开出气阀(11)将上述U型振荡管(1)气体压力为P1的待测混合绝缘气体压力释放至压力传感器(5)的读数为P0(也可以将U型振荡管(1)中的待测混合绝缘气体全部排空后，重新充入压力为P0的待测混合绝缘气体)，关闭出气阀(11)。通过三通阀(10)向U型振荡管(1)中的通入高纯SF6气体至压力传感器(5)读数为P1，关闭三通阀(10)，通过控温保温层(9)使U型振荡管(1)的温度为20℃±0.01℃(通过第一温度传感器(6)进行测量)，打开电子激发振荡器(3)，开始测量，通过频率计数器(4)和第一温度传感器(6)记录振荡周期T测以及U型振荡管(1)的温度t测，根据公式(2)测得此时的U型振荡管(1)中气体的密度为ρ2。
4)纯CO2气体替代
打开出气阀(11)将U型振荡管(1)中的待测混合绝缘气体全部排空后，打开三通阀(10)重新充入压力为P0的待测混合绝缘气体，关闭出气阀(11)。通过三通阀(10)向U型振荡管(1)中的通入高纯CO2气体至压力传感器(5)读数为P1，关闭三通阀(10)，通过控温保温层(9)使U型振荡管(1)的温度为20℃±0.01℃(通过第一温度传感器(6)进行测量)，打开电子激发振荡器(3)，开始测量，通过频率计数器(4)和第一温度传感器(6)记录振荡周期T测以及U型振荡管(1)的温度t测，根据公式(2)测得此时的U型振荡管(1)中气体的密度为ρ3。测试结束，打开出气阀(11)释放U型振荡管(1)中的压力，打开三通阀(10)用高纯SF6对U型振荡管(1)及相应管路进行充分冲洗，关闭仪器。
3.3、计算过程
向U型振荡管(1)中充入压力为P0的待测混合绝缘气体，假设此时U型振荡管(1)内待测混合绝缘气体中的SF6气体所占体积为VSF6，CF3I气体所占体积为VCF3I，CO2气体所占体积为VCO2，测得此时待测混合绝缘气体的密度为ρ0，则：
ρ0V0＝VSF6ρSF6+VCF3IρCF3I+VCO2ρCO2 (3)
继续向U型管中充入待测混合绝缘气体至压力为P1(P1＝2P0)，测得此时的气体密度为ρ1。
ρ1V0＝2VSF6ρSF6+2VCF3IρCF3I+2VCO2ρCO2 (4)
将U型振荡管(1)中的待测混合绝缘气体压力降至P0(或将振荡管内待测混合绝缘气体排尽后重新将待测混合绝缘气体充值压力为P0)，然后再充入纯SF6气体至P1，此时测得U型振荡管(1)中气体的密度为ρ2：
ρ2V0＝ρSF6(VSF6+VCF3I+VCO2)+ρSF6VSF6+VCF3IρCF3I+VCO2ρCO2 (5)
由公式(5)减去公式(4)得：
同理，将振荡管内待测混合绝缘气体排尽后重新将待测混合绝缘气体充值压力为P0，然后再充入纯CO2气体至P1，此时测得U型振荡管(1)中气体的密度为ρ3：
ρ3V0＝ρCO2(VSF6+VCF3I+VCO2)+ρSF6VSF6+VCF3IρCF3I+VCO2ρCO2 (7)
由公式(7)减去公式(4)得：
由公式(3)、公式(7)和公式(8)可得到各组分的体积VSF6、VCF3I和VCO2，从而得到三元混合气体混气比。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.基于气体替代法的三元混合气体混气比测量方法，其特征在于，应用于混气比测量装置，所述的混气比测量装置包括：U型振荡管(1)、磁铁(2)、电子激发振荡器(3)、频率计数器(4)、压力传感器(5)、第一温度传感器(6)、第二温度传感器(7)、第三温度传感器(8)、控温保温层(9)、三通阀(10)、出气阀(11)；所述的U型振荡管(1)底部固定有磁铁(2)，U型振荡管(1)的两个竖管的上部各安装有一个频率计数器(4)；U型振荡管(1)的左侧竖管的管口通过管路与三通阀(10)的第一端口密封连接，三通阀(10)的第二端口、第三端口分别通过管路与外界连接，所述的压力传感器(5)密封连接在U型振荡管(1)的左侧竖管的管口与三通阀(10)的第一端口之间的管路上；U型振荡管(1)的右侧竖管的管口通过管路与出气阀(11)的进气端密封连接，出气阀(11)的出气端与排气管路密封连接；第一温度传感器(6)安装在U型振荡管(1)的左侧竖管与右侧竖管之间；所述的电子激发振荡器(3)安装在固定有磁铁(2)的下方；所述的U型振荡管(1)、磁铁(2)、电子激发振荡器(3)、频率计数器(4)、压力传感器(5)、第一温度传感器(6)、出气阀(11)均安装在控温保温层(9)内，所述的第二温度传感器(7)安装在控温保温层(9)外壁上，所述的第三温度传感器(8)安装在控温保温层(9)内壁上；
所述的混气比测量方法包括：
S1、对混气比测量装置进行标定；
S2、向U型振荡管(1)中充入压力为P0的待测三元混合气体，记录此时U型振荡管(1)内为混合气体时观测的振荡周期T0，测得标准状态下该三元混合气体的密度为ρ0，建立密度ρ0与第一元气体、第二元气体以及第三元气体气体体积、标准状态下密度的关系；
S3、继续向U型振荡管(1)中充入待测三元混合气体至压力为P1，使得P1＝2P0，记录此时U型振荡管(1)内为混合气体时观测的振荡周期T1，测得标准状态下U型振荡管(1)中气体的密度为ρ1，建立密度ρ1与第一元气体、第二元气体以及第三元气体气体体积、标准状态下密度的关系；
S4、将U型振荡管(1)中的三元混合气体释放至压力为P0，然后向U型振荡管(1)中充入纯第一元气体至压力为P1进行替代，记录此时U型振荡管(1)内为混合气体时观测的振荡周期T2，测得标准状态下U型振荡管(1)中气体的密度为ρ2，建立密度ρ2与第一元气体、第二元气体以及第三元气体气体体积、标准状态下密度的关系；通过比较替代前后U型振荡管(1)中的气体密度的变化，结合第一元气体、第二元气体和第三元气体的标准状态下的密度，计算得到第二元气体体积；
S5、U型振荡管(1)中的气体排空后，向U型振荡管(1)中充入压力为P0的待测三元混合气体，重复步骤S2至S3，并在步骤S4时向U型振荡管(1)中充入纯第二元气体至压力为P1进行替代，记录此时U型振荡管(1)内为混合气体时观测的振荡周期T3，测得标准状态下U型振荡管(1)中气体的密度为ρ3，建立密度ρ3与第一元气体、第二元气体以及第三元气体气体体积、标准状态下密度的关系；通过比较替代前后U型振荡管(1)中的气体密度的变化，结合第一元气体、第二元气体和第三元气体的标准状态下的密度，计算得到第一元气体体积；
S6、最后根据步骤S4中得到的第二元气体的体积以及步骤S5中得到的第一元气体的体积计算出第三元气体的体积，从而得到三元混合气体的混气比。
2.根据权利要求1所述的基于气体替代法的三元混合气体混气比测量方法，其特征在于，对混气比测量装置进行标定的方法为：首先将U型振荡管(1)进气管路与洁净空气连接，打开进气阀(10)和出气阀(11)，使空气保持稳定流速冲洗U型振荡管(1)及相应管路；然后关闭进气阀(10)和出气阀(11)，通过控温保温层(9)使测量装置温度恒定，控制出气阀(11)，使U型振荡管(1)中的气体压力与大气压力平衡，记录此时压力传感器(5)的读数P；启动测量装置，记录稳定的振荡周期TA以及U型振荡管(1)的温度tA；空气标定完毕后更换纯水进行标定，用纯水冲洗U型振荡管(1)，然后将纯水注满U型振荡管(1)，管内水中应无气泡存在，通过控温保温层(9)使测量装置及管内纯水的温度稳定，启动测量装置，记录稳定的振荡周期Tw以及U型振荡管(1)的温度tw；最后根据记录的数据计算出U型振荡管(1)的常数F。
3.根据权利要求2所述的基于气体替代法的三元混合气体混气比测量方法，其特征在于，所述的测量装置的常数F的计算公式为：
其中，F表示U型振荡管(1)的常数；ρw表示测试温度下水的密度，单位为g/cm3；ρA表示测试温度下空气的密度，单位为g/cm3；Tw表示U型振荡管(1)内为水时观测的振荡周期，单位为s；TA表示U型振荡管(1)内为空气时观测的振荡周期，单位为s。
4.根据权利要求3所述的基于气体替代法的三元混合气体混气比测量方法，其特征在于，密度ρ0、密度ρ1、密度ρ2计算公式为：
其中，ρw表示测试温度下水的密度，单位为g/cm3；Tw表示U型振荡管(1)内为水时观测的振荡周期，单位为s。
5.根据权利要求4所述的基于气体替代法的三元混合气体混气比测量方法，其特征在于，建立密度ρ0与第一元气体、第二元气体以及第三元气体气体体积、标准状态下密度的关系如下：
ρ0V0＝V1ρ11+V2ρ12+V3ρ13 (3)
其中，V1为第一元气体的体积，V2为第二元气体的体积，V3为第三元气体的体积，ρ11为标准状态下第一元气体的密度，ρ12为为标准状态下第三元气体的密度，ρ13为标准状态下第三元气体的密度。
6.根据权利要求5所述的基于气体替代法的三元混合气体混气比测量方法，其特征在于，建立密度ρ1与第一元气体、第二元气体以及第三元气体气体体积、标准状态下密度的关系如下：
ρ1V0＝2V1ρ11+2V2ρ12+2V3ρ13 (4)。
7.根据权利要求6所述的基于气体替代法的三元混合气体混气比测量方法，其特征在于，建立密度ρ2与第一元气体、第二元气体以及第三元气体气体体积、标准状态下密度的关系如下：
ρ2V0＝ρ11(V1+V2+V3)+ρ11V1+ρ12V2+ρ13V3 (5)
由公式(5)减去公式(4)得到第二元气体体积的公式如下：
8.根据权利要求7所述的基于气体替代法的三元混合气体混气比测量方法，其特征在于，建立密度ρ3与第一元气体、第二元气体以及第三元气体气体体积、标准状态下密度的关系如下：
ρ3V0＝ρ12(V1+V2+V3)+ρ11V1+ρ12V2+ρ13V3 (7)
由公式(7)减去公式(4)得到第一元气体体积的公式如下：
9.根据权利要求1-8任一项所述的所述的基于气体替代法的三元混合气体混气比测量方法，其特征在于，所述的三元混合气体为：SF6/CO2/CF3I或C4F7N/CO2/O2。
10.基于气体替代法的三元混合气体混气比测量方法的装置，其特征在于，包括：U型振荡管(1)、磁铁(2)、电子激发振荡器(3)、频率计数器(4)、压力传感器(5)、第一温度传感器(6)、第二温度传感器(7)、第三温度传感器(8)、控温保温层(9)、三通阀(10)、出气阀(11)；所述的U型振荡管(1)底部固定有磁铁(2)，U型振荡管(1)的两个竖管的上部各安装有一个频率计数器(4)；U型振荡管(1)的左侧竖管的管口通过管路与三通阀(10)的第一端口密封连接，三通阀(10)的第二端口、第三端口分别通过管路与外界连接，所述的压力传感器(5)密封连接在U型振荡管(1)的左侧竖管的管口与三通阀(10)的第一端口之间的管路上；U型振荡管(1)的右侧竖管的管口通过管路与出气阀(11)的进气端密封连接，出气阀(11)的出气端与排气管路密封连接；第一温度传感器(6)安装在U型振荡管(1)的左侧竖管与右侧竖管之间；所述的电子激发振荡器(3)安装在固定有磁铁(2)的下方；所述的U型振荡管(1)、磁铁(2)、电子激发振荡器(3)、频率计数器(4)、压力传感器(5)、第一温度传感器(6)、出气阀(11)均安装在控温保温层(9)内，所述的第二温度传感器(7)安装在控温保温层(9)外壁上，所述的第三温度传感器(8)安装在控温保温层(9)内壁上。
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