CN113933453A - 一种pvc电缆气体传感器在线校准系统及校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PVC电缆气体传感器在线校准系统及校准方法，该校准系统包括监测终端、气瓶、阀门、校准装置、后台服务器和客户端；所述气瓶和阀门通过软管相连接；所述阀门和校准装置通过气管相连接；所述监测终端和校准装置连接，并分别与后台服务器无线连接；所述后台服务器与客户端无线连接。本发明的校准方法方便、快捷、精度高，特点是在线校准，适合工程应用，可以为安装后的气体传感器进行灵敏度校准，无需进行对已安装的气体传感器进行拆卸，节约了工程成本，建立了在线维护系统是解决PVC电缆局部放电精准高效监测的有效手段。
Description
技术领域
本发明属于电气设备检测技术领域，特别涉及一种PVC电缆气体传感器在线校准系统及校准方法。
背景技术
PVC电缆料价格低廉，性能优良，在电线电缆绝缘保护材料中长期占有重要地位，但随着运行时间的增长，电缆内部绝缘介质老化后会有局部放电现象产生，在局部放电作用下，绝缘特性将逐级劣化导致电力事故，严重威胁着电力系统的安全运行，及供电质量和可靠性。
随着我国城镇化进程加快，电缆使用量越来越大。如何确保电缆的安全运行、提高电网供电可靠性成为电网运行和管理的突出问题。高压电缆运行维护中的一项重要工作就是绝缘检测，当前电缆绝缘检测技术主要有局部放电与红外检测。局部放电检测基于高频电流传感器、超高频传感器以及超声波传感器，技术较为成熟。电力电缆因为高温或主绝缘存在缺陷时，铰链聚乙烯主绝缘材料挥发产生特征气体。特征气体与其他气体不同，通过检测特征气体，可知电缆是否存在绝缘缺陷。
我国电网对于电气设备的状态检测技术中，为了克服离线检测方式的缺点，在不影响设备正常运行的情况下采用局部放电检测设备进行人工巡检以及有线通信方式进行在线监测，已经得到广泛的研究和应用。在线监测终端主要应用于高低压电缆局部放电在线检测，高低压电缆产生局部放电导致绝缘体产生特征气体，通过检测特征气体来判定电缆的绝缘功能遭到破坏，反向推断电缆故障。
在线监测终端使用前需要进行校准以达到最好的检测效果和准确性，降低误差，从而提高检测电缆绝缘状况的效率。目前国内的大多数校准手段都是给专业的人士进行校准，费时费力，存在着劳动强度大和工作效率低的问题。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种PVC电缆气体传感器在线校准系统及校准方法，可以对已经安装好的传感器进行在线校准，无需进行拆卸从而降低了工程维护成本。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种PVC电缆气体传感器在线校准系统，包括监测终端、气瓶、阀门、校准装置、后台服务器和客户端；所述气瓶和阀门通过软管相连接；所述阀门和校准装置通过气管相连接；所述监测终端和校准装置连接，并且监测终端、校准装置分别与后台服务器无线连接；所述后台服务器与客户端无线连接。
对本发明的进一步说明，所述监测终端包括保护外壳I和设于保护外壳I内的电路板I；还包括设于电路板I上的待校准气体传感器、数据采集单元、无线传输单元I；所述数据采集单元分别与待校准气体传感器和无线传输单元I连接。
对本发明的进一步说明，所述校准装置包括保护外壳II、电路板II、密闭腔体；所述电路板II和密闭腔体设于保护外壳II内；所述保护外壳II上设有气体输入口、待校准气体传感器接入口；所述校准装置还包括设于电路板II上的供电单元、数据处理单元、标准传感器单元、无线传输单元II、显示屏和开关；所述供电单元通过开关与数据处理单元连接；所述数据处理单元分别与标准气体传感器、无线传输单元II、显示屏连接。
所述的供电系统单元为可充电锂电池16.8V，经电源转换芯片转换为各个模块所需电压。
对本发明的进一步说明，所述密闭腔体包括密封头和腔体；所述密封头上设有进气口和采样口；所述进气口通过气管与气体输入口连接；所述气体输入口通过气管与阀门连接；所述采样口分别与标准气体传感器、待校准气体传感器连接；所述采样口通过待校准气体传感器接入口与待校准气体传感器连接。
对本发明的进一步说明，所述阀门为电动阀门。用于控制气体流量的输出大小。
对本发明的进一步说明，所述密封头采用橡胶或乳胶材料制成；所述腔体采用金属材料制成。
对本发明的进一步说明，所述数据处理单元采用STM32处理器；所述数据处理单元与标准气体传感器通过CAN总线实现数据通讯。用于处理标准气体传感器所采集的数据包括数据分析、校准算法、数据传输。
对本发明的进一步说明，所述数据采集单元采用STM32处理器；所述数据采集单元与待校准气体传感器通过CAN总线实现数据通讯。
对本发明的进一步说明，所述无线传输单元I为Lora模组；所述无线传输单元I与数据采集单元通过SPI进行数据传输，将数据传输给后台服务。
对本发明的进一步说明，所述无线传输单元II为Lora模组；所述无线传输单元II与数据处理单元通过SPI进行数据传输，将数据传输给后台服务。
对本发明的进一步说明，所述显示屏与数据处理单元通过排线相连接，用于显示标准气体传感器采集数据值。
一种PVC电缆气体传感器在线校准的方法，包括以下步骤:
步骤1，取无水乙醇和纯净水按照体积比为1:1000放入气瓶中混合均匀，得到测试溶液，然后将气瓶放入到25～30℃的保温箱中放置20～30个小时；
步骤2，将校准装置中的标准气体传感器进行校准；使用气相色谱仪和校准装置中标准气体传感器分别读取气瓶中气体浓度，将两者读取到气体浓度进行对比；
当两者读取的气体浓度相同时，此时标准气体传感器为标准化的传感器；当标准气体传感器与气相色谱仪读取的气体浓度不同时，调整标准气体传感器的数值，使其与气相色谱仪读取的气体浓度相同，将标准气体传感器标准化；
步骤3，通过阀门调节气瓶所产生的气体浓度，然后分别使用校准装置的标准气体传感器和待校准气体传感器读取气瓶中的气体浓度信号；
步骤4，标准气体传感器和待校准气体传感器分别通过LoRa模组将气瓶中的气体浓度信号传输至后台服务；
步骤5，客户端下发“校准”命令到后台服务器，后台服务器分别请求读取标准气体传感器和待校准气体传感器的数据n次，标准气体传感器和待校准气体传感器分别通过无线传输将数据传到后台服务器；假设后台读取到的标准气体传感器数据为（P1,P2,……Pn）、待校准气体传感器数据为(X1,X2,…,Xn)，其中：P代表校准阶段从标准气体传感器读取到的数值，X代表从待校准气体传感器读到的数值；n为读取的次数；
后台服务器使用最小二乘支持向量机对标准气体传感器数据（P1,P2,……Pn）和待校准气体传感器数据(X1,X2,…,Xn)进行多项式拟合计算，通过公式
Pn=a1*Xn+a2*X(n-1)+...+an*X+a(n+1)，求出关系系数a1到a(n+1)的值；拟合后得到的实际气体的数据值和待校准气体传感器的数值关系公式：Y=a1*Xn+a2*X(n-1)+...+an*X+a(n+1)，Y代表校准完成后通过校准公式计算得到的标准气体传感器的值，X代表从待校准气体传感器读到的数值，n为读取的次数；将对应的公式存入后台服务器，后台服务器对待校准气体传感器进行数据补偿，完成待校准气体传感器校准功能，校准完成以后每次待校准气体传感器数据将读到的数据通过无线传输发送后台服务器，后台服务器利用公式计算得到实际数据，然后将实际数据发送到客户端。
工作原理：取无水乙醇和纯净水按照一定体积比混合得到校准用的气体，气瓶中的校准气体稳定以后，通过使用气相色谱仪读取气瓶中气体浓度，然后打开阀门通过标准气体传感器读取气体浓度，通过和气象色谱仪的数据对比，将标准气体传感器标准化，使得标准气体传感器读到的数据准确；数据处理单元收到标准气体传感器的反馈数据，通过无线传输单元II传到后台服务中心并反馈到客户端；然后客户端下发校准命令，待校准气体传感器采集密闭腔体的气体浓度，并反馈到数据采集单元最后通过无线传输单元I传到后台服务器；然后服务器通过使用最小二乘支持向量机对待校准气体传感器和标准气体传感器的数据进行多项式拟合计算，根据待校准气体传感器与标准传感器数据之间的关系公式，后台服务对待校准气体传感器进行数据补偿，完成待校准气体传感器校准功能。待校准气体传感器校准完成以后开始正常工作，实时采集PVC电缆的特征气体，并把采集到的数据及时反馈到后台服务器，后台服务器通过校准的公式对对待校准气体传感器的值进行处理，将待校准气体传感器读到的值转化为标准气体传感器数据，然后通过Lora把标准气体传感器数据发送到后台服务器和客户端，当出现数据异常时可以及时采取行动，避免电力事故。
本发明利用无水乙醇和纯净水混合制备待测气体，原料来源广泛，成本低廉，产生的气体对环境无害，同时可以快速的产生气体，可以实现快速校准，检测方法简单快捷；使用已校准的传感器对不同浓度下气体作为对标标准，提高了校准传感器的校准精度，同时本发明的方法可以适用于市场上多种气体检测仪的校准。
本发明的有益效果：
1.本发明的利用常见原料无水乙醇和纯净水制备待测气体对电缆气体传感器进行校准，待测气体形成快，可以实现快速校准，同时检测方法简单，同时适用于许多其他常见的气体检测仪，具有很好的实用性。
2.本发明的使用的原料安全无害，形成的待测气体也不会对环境造成污染，校准后不用担心造成二次污染，绿色环保。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明监测终端的结构示意图；
图3为本发明校准装置的结构示意图；
图4本发明校准的流程图；
1-保护外壳I，2-电路板I，3-保护外壳II，4-电路板II，5-密闭腔体，6-气体输入口，7-待校准气体传感器接入口，8-开关，9-进气口，10-采样口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例
一种PVC电缆气体传感器在线校准系统，包括监测终端、气瓶、阀门、校准装置、后台服务器和客户端；所述气瓶和阀门通过软管相连接；所述阀门和校准装置通过气管相连接；所述监测终端和校准装置连接，并且监测终端、校准装置分别与后台服务器无线连接；所述后台服务器与客户端无线连接。
所述监测终端包括保护外壳I1和设于保护外壳内的电路板I2；还包括设于电路板I1上的待校准气体传感器、数据采集单元、无线传输单元I；所述数据采集单元分别与待校准气体传感器和无线传输单元I连接。
所述校准装置包括保护外壳II3、电路板II4、密闭腔体5；所述电路板II4和密闭腔体5设于保护外壳内II3；所述保护外壳II3上设有气体输入口6、待校准气体传感器接入口7；
所述校准装置还包括设于电路板II4上的供电单元、数据处理单元、标准传感器单元、无线传输单元II、显示屏和开关8；所述供电单元通过开关8与数据处理单元连接；所述数据处理单元分别与标准气体传感器、无线传输单元II、显示屏连接；所述供电单元还与数据采集单元连接。
所述密闭腔体（5）包括密封头和腔体；所述密封头上设有进气口9和采样口10；所述进气口9通过气管与气体输入口6连接；所述气体输入口6通过气管与阀门连接；所述采样口10分别与标准气体传感器、待校准气体传感器连接；所述采样口10通过待校准气体传感器接入口7与待校准气体传感器连接。
所述阀门为电动阀门。
所述密封头采用橡胶或乳胶材料制成；所述腔体采用金属材料制成。
所述数据处理单元采用STM32处理器；所述数据处理单元与标准气体传感器元通过CAN总线实现数据通讯。
所述数据采集单元采用STM32处理器；所述数据采集单元与待校准气体传感器通过CAN总线实现数据通讯。
所述无线传输单元I为Lora模组；所述无线传输单元I与数据采集单元通过SPI进行数据传输，将数据传输给后台服务。
所述无线传输单元II为Lora模组；所述无线传输单元II与数据处理单元通过SPI进行数据传输，将数据传输给后台服务。
所述显示屏与数据处理单元通过排线相连接，用于显示标准传感器采集数据值。
一种PVC电缆气体传感器在线校准方法，包括以下步骤:
步骤1，取无水乙醇和纯净水按照体积比为1:1000放入气瓶中混合均匀，得到测试溶液，然后将气瓶放入到25-30℃的保温箱中放置20-30个小时；
步骤2，将校准装置中的标准气体传感器进行校准；使用气相色谱仪和校准装置中标准气体传感器分别读取气瓶中气体浓度，将两者读取到气体浓度进行对比；
当两者读取的气体浓度相同时，此时标准气体传感器为标准化的传感器；当标准气体传感器与气相色谱仪读取的气体浓度不同时，调整标准气体传感器的数值，使其与气相色谱仪读取的气体浓度相同，将标准气体传感器标准化；
步骤3，通过阀门调节气瓶所产生的气体浓度，然后分别使用校准装置的标准气体传感器和待校准气体传感器读取气瓶中的气体浓度信号；
步骤4，标准气体传感器和待校准气体传感器分别通过LoRa模组将气瓶中的气体浓度信号传输至后台服务；
步骤5，客户端下发“校准”命令到后台服务器，后台服务器分别请求读取标准气体传感器和待校准气体传感器的数据n次，标准气体传感器和待校准气体传感器分别通过无线传输将数据传到后台服务器；假设后台读取到的标准气体传感器数据为（P1,P2,……Pn）、待校准气体传感器数据为(X1,X2,…,Xn)，其中：P代表校准阶段从标准气体传感器读取到的数值，X代表从待校准气体传感器读到的数值；n为读取的次数；
后台服务器使用最小二乘支持向量机对标准气体传感器数据（P1,P2,……Pn）和待校准气体传感器数据(X1,X2,…,Xn)进行多项式拟合计算，通过公式
Pn =a1*Xn+a2*X(n-1)+...+an*X+a(n+1)，，求出关系系数a1到a(n+1)的值；拟合后得到的实际气体的数据值和待校准气体传感器的数值关系公式：Y=a1*Xn+a2*X(n-1)+...+an*X+a(n+1)，Y代表校准完成后通过校准公式计算得到的标准气体传感器的值，X代表从待校准气体传感器读到的数值，n为读取的次数；将对应的公式存入后台服务器，后台服务器对待校准气体传感器进行数据补偿，完成待校准气体传感器校准功能，校准完成以后每次待校准气体传感器数据将读到的数据通过无线传输发送后台服务器，后台服务器利用公式计算得到实际数据，然后将实际数据发送到客户端。
取无水乙醇和纯净水按照一定体积比混合得到校准用的气体，气瓶中的校准气体稳定以后，通过使用气相色谱仪读取气瓶中气体浓度，然后打开阀门通过标准气体传感器读取气体浓度，通过和气象色谱仪的数据对比，将标准气体传感器标准化，使得标准气体传感器读到的数据准确；数据处理单元收到标准气体传感器的反馈数据，通过无线传输单元II传到后台服务中心并反馈到客户端；然后客户端下发校准命令，待校准气体传感器采集密闭腔体的气体浓度，并反馈到数据采集单元最后通过无线传输单元I传到后台服务器；然后服务器通过使用最小二乘支持向量机对待校准气体传感器和标准气体传感器的数据进行多项式拟合计算，根据待校准气体传感器与标准传感器数据之间的关系公式，后台服务对待校准气体传感器进行数据补偿，完成待校准气体传感器校准功能。待校准气体传感器校准完成以后开始正常工作，实时采集PVC电缆的特征气体，并把采集到的数据及时反馈到后台服务器，后台服务器通过校准的公式对对待校准气体传感器的值进行处理，将待校准气体传感器读到的值转化为标准气体传感器数据，然后通过Lora把标准气体传感器数据发送到后台服务器和客户端，当出现数据异常时可以及时采取行动，避免电力事故。
Claims (10)
1.一种PVC电缆气体传感器在线校准系统，其特征在于：包括监测终端、气瓶、阀门、校准装置、后台服务器和客户端；所述气瓶和阀门通过软管相连接；所述阀门和校准装置通过气管相连接；所述监测终端和校准装置连接，并且监测终端、校准装置还分别与后台服务器无线连接；所述后台服务器与客户端无线连接。
2.根据权利要求1所述的PVC电缆气体传感器在线校准系统，其特征在于：所述监测终端包括保护外壳I（1）和设于保护外壳内的电路板I（2）；还包括设于电路板I（1）上的待校准气体传感器、数据采集单元、无线传输单元I；所述数据采集单元分别与待校准气体传感器、无线传输单元I连接。
3.根据权利要求2所述的PVC电缆气体传感器在线校准系统，其特征在于：所述校准装置包括保护外壳II（3）、电路板II（4）、密闭腔体（5）；所述电路板II（4）和密闭腔体（5）设于保护外壳内II（3）；所述保护外壳II（3）上设有气体输入口（6）、待校准气体传感器接入口（7）；
所述校准装置还包括设于电路板II（4）上的供电单元、数据处理单元、标准气体传感器、无线传输单元II、显示屏和开关（8）；所述供电单元通过开关（8）与数据处理单元连接；所述数据处理单元分别与标准气体传感器、无线传输单元II、显示屏连接。
4.根据权利要求3所述的PVC电缆气体传感器在线校准系统，其特征在于：所述密闭腔体（5）包括密封头和腔体；所述密封头上设有进气口（9）和采样口（10）；所述进气口（9）通过气管与气体输入口（6）连接；所述气体输入口（6）通过气管与阀门连接；所述采样口（10）分别与标准气体传感器、待校准气体传感器连接；所述采样口（10）通过待校准气体传感器接入口（7）与待校准气体传感器连接。
5.根据权利要求4所述的PVC电缆气体传感器在线校准系统，其特征在于：所述阀门为电动阀门；所述密封头采用橡胶或乳胶材料制成；所述腔体采用金属材料制成。
6.根据权利要求3所述的PVC电缆气体传感器在线校准系统，其特征在于：所述数据处理单元采用STM32处理器；所述数据处理单元与标准气体传感器通过CAN总线实现数据通讯。
7.根据权利要求2所述的PVC电缆气体传感器在线校准系统，其特征在于：所述数据采集单元采用STM32处理器；所述数据采集单元与待校准气体传感器通过CAN总线实现数据通讯。
8.根据权利要求2或7所述的PVC电缆气体传感器在线校准系统，其特征在于：所述无线传输单元I为Lora模组；所述无线传输单元I与数据采集单元通过SPI进行数据传输，将数据传输给后台服务。
9.根据权利要求3或6所述的PVC电缆气体传感器在线校准系统，其特征在于：所述无线传输单元II为Lora模组；所述无线传输单元II与数据处理单元通过SPI进行数据传输，将数据传输给后台服务。
10.一种PVC电缆气体传感器在线校准方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，取无水乙醇和纯净水按照体积比为1:1000放入气瓶中混合均匀，得到测试溶液，然后将气瓶放入到25～30℃的保温箱中放置20～30个小时；
步骤2，将校准装置中的标准气体传感器进行校准；使用气相色谱仪和校准装置中标准气体传感器分别读取气瓶中气体浓度，将两者读取到气体浓度进行对比；
当两者读取的气体浓度相同时，此时标准气体传感器为标准化的传感器；当标准气体传感器与气相色谱仪读取的气体浓度不同时，调整标准气体传感器的数值，使其与气相色谱仪读取的气体浓度相同，将标准气体传感器标准化；
步骤3，通过阀门调节气瓶所产生的气体浓度，然后分别使用校准装置的标准气体传感器和待校准气体传感器读取气瓶中的气体浓度信号；
步骤4，标准气体传感器和待校准气体传感器分别通过LoRa模组将气瓶中的气体浓度信号传输至后台服务；
步骤5，客户端下发“校准”命令到后台服务器，后台服务器分别请求读取标准气体传感器和待校准气体传感器的数据n次，标准气体传感器和待校准气体传感器分别通过无线传输将数据传到后台服务器；假设后台读取到的标准气体传感器数据为（P1,P2,……Pn）、待校准气体传感器数据为(X1,X2,…,Xn)，其中：P代表校准阶段从标准气体传感器读取到的数值，X代表从待校准气体传感器读到的数值；n为读取的次数；
后台服务器使用最小二乘支持向量机对标准气体传感器数据（P1,P2,……Pn）和待校准气体传感器数据(X1,X2,…,Xn)进行多项式拟合计算，通过公式
Pn=a1*Xn+a2*X(n-1)+...+an*X+a(n+1)，求出关系系数a1到a(n+1)的值；拟合后得到的实际气体的数据值和待校准气体传感器的数值关系公式：Y=a1*Xn+a2*X(n-1)+...+an*X+a(n+1)，Y代表校准完成后通过校准公式计算得到的标准气体传感器的值，X代表从待校准气体传感器读到的数值，n为读取的次数；将对应的公式存入后台服务器，后台服务器对待校准气体传感器进行数据补偿，完成待校准气体传感器校准功能，校准完成以后每次待校准气体传感器数据将读到的数据通过无线传输发送后台服务器，后台服务器利用公式计算得到实际数据，然后将实际数据发送到客户端。
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