CN117347571A - 一种混合气体测量装置的多参数自校准方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
一种混合气体测量装置的多参数自校准方法、装置及系统，属于绝缘灭弧介质技术领域，解决对SF6/N2混合气体测量装置进行校准时，常规的校准方法需要从安装位置拆除，影响电气设备安全运行的问题；本发明通过测量晶振的阻抗，采用线性校正得到频率校准系数，校准混合气体测量装置实时读出的频率值，采用频率与密度之间的标定关系计算得到被测介质的密度，保证测量的混合气体的密度精确；采用多项式拟合方法对混合气体的温度以及压力进行校准，保证测量的混合气体的温度和压力精确；对密度、温度、压力三个参数进行校准，从而保证了混合比测量的准确性；本发明无需拆装检测装置，不影响电气设备安全运行，具有可靠性高、成本低的优势。
Description
技术领域
本发明属于绝缘灭弧介质技术领域，涉及一种SF6/N2混合气体测量装置的多参数自校准方法、装置及系统。
背景技术
本发明的校准方法是针对申请公布日为2019年1月15日、申请公布号为CN109213214A的中国发明专利的进一步改进，本发明所述的SF6/N2混合气体测量装置采用的是该专利文献中图3所示的装置。
上述中国发明专利文献还公开了一种SF6/N2组成的二元混合气体的多参数测量方法，采用如图3所示的多参数测量装置，该装置使用了四个音叉晶振传感器51、压力传感器55和温度传感器56分别测量混合气体的密度、压力和温度，通过理想气体方程和道尔顿气体分压定律，可求出混合气体的混合比例，具体求解过程参见该文献的说明书的第0056段至0067段。
SF6是目前已知最为优良的绝缘灭弧介质，也是温室效应最强的工业气体，国际已明确禁排和限用。为了减小SF6气体带来的温室效应，自2018年起，国家电网公司开始逐步推广SF6/N2混合气体GIS母线技术路线，其中SF6气体含量降为30%，环保效应显著。
密度是衡量SF6及SF6混合气体绝缘性能的重要理化参数，常被作为电气设备泄漏的重要技术指标，密度下降会使气体绝缘性能降低，进而危害设备的安全运行，因此气体的密度监测尤为重要。不同于纯SF6气体，SF6/N2混合气体的密度由混合气体比例和压力共同决定，必须同时监测才能真正实现对混合气体泄漏监测。
上述发明的SF6混合气体测量装置在实际应用中，由于音叉晶振晶振传感器需要长期暴露在混合气体中，气体中水分、杂质等物质会污染石英传感器，导致测量精度降低，因此需要对上述专利文献公开的混合气体密度控制器进行校准工作。常规的校准方法是将混合气体密度控制器从安装位置拆除，然后在标准的混合比气体中完成校准工作，这给校准工作带来极大的不便，同时也影响电气设备的正常运行。
发明内容
本发明的技术方案用于解决对SF6/N2混合气体测量装置进行校准时，常规的校准方法需要从安装位置拆除，影响电气设备安全运行的问题。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种SF6/N2混合气体测量装置的多参数自校准方法，包括以下内容：
一、通过阻抗线性系数对SF6/N2混合气体的密度进行校准；
（1）通过测量晶振的阻抗，采用线性校正得到频率校准系数Z0/Z1，用于校准SF6/N2混合气体混合比测量装置实时读出的频率值f1，从而得到校准后的频率值f2；即f2=（Z0/Z1）*f1，其中，Z0为晶振出厂时阻抗，Z1为晶振校准时测得的阻抗；通过测量晶振的阻抗，采用线性校正得到频率校准系数，校准SF6/N2混合气体混合比测量装置实时读出的频率值；
（2）采用频率与密度之间的标定关系计算得到被测介质的密度；频率与密度之间的标定关系通过以下公式来估计：
（1）
其中，ρg是待测的SF6/N2混合气体的密度，ρq是包括金属电极在内的有效石英棱角密度，t和w是棱角的厚度和宽度，c1和c2是与晶振的几何形状有关的常数，f0是晶振在真空中的振荡频率，δ是漩涡表面层的厚度，由以下公式给出：，其中，η是气体的动态黏度，为常数；
将δ的带入公式（1），得：
（2）
由公式（2）计算得到校准后的被测介质密度ρg；
采用频率与密度之间的标定关系计算得到被测介质的密度，从而保证测量的SF6/N2混合气体的密度更加精确，进一步保证了混合比测量的准确性；
二、采用多项式拟合方法对SF6/N2混合气体的温度进行校准；
所述的多项式拟合方法对温度和压强进行校准的公式如下：
（3）
其中，Tg为校准后的温度，A1,B1,...,C1为拟合系数,D1为常数量；Ti为第i次温度传感器的测量数据；
三、采用多项式拟合方法对SF6/N2混合气体的压强进行校准；
所述的多项式拟合方法对温度和压强进行校准的公式如下：
（4）
其中，Pg为校准后的压强，A2,B2,...,C2为拟合系数,D2为常数量；Pi为第i次压力传感器的测量数据；
四、将校准后的被测介质密度ρg、温度Tg、压强Pg代入到SF6/N2混合气体的混合比的计算公式中进行多参数自校准计算。
进一步地，所述的SF6/N2混合气体的混合比的计算公式的推导过程如下：
已知理想气体状态方程为：PV=nRT；
设为平均摩尔质量，于是有：/>；
因此有：
（5）
由于平均摩尔质量=混合物中各组成部分的摩尔质量×该组成部分的物质的量分数，若SF6气体含量为x，分子量为MSF6，则N2含量为1-x，分子量为MN2，则有：
（6）
其中，P为气体压强，单位Pa；V为气体体积，单位m3；n为气体物质的量，单位为mol；T为温度，单位K；R为理想气体常数，单位是J/（mol·K），且已知V=m/ρ g，m为质量；MSF6为SF6的分子量，MN2为N2分子量。
进一步地，所述的测量晶振的阻抗的方法采用π型网络测试阻抗的方法。
一种SF6/N2混合气体测量装置的多参数自校准装置，包括以下内容：密度校准模块、温度校准模块、压强校准模块、计算模块；
所述的密度校准模块通过阻抗线性系数对SF6/N2混合气体的密度进行校准，方法如下：
（1）通过测量晶振的阻抗，采用线性校正得到频率校准系数Z0/Z1，用于校准SF6/N2混合气体混合比测量装置实时读出的频率值f1，从而得到校准后的频率值f2；即f2=（Z0/Z1）*f1，其中，Z0为晶振出厂时阻抗，Z1为晶振校准时测得的阻抗；
（2）（2）采用频率与密度之间的标定关系计算得到被测介质的密度；频率与密度之间的标定关系通过以下公式来估计：
（1）
其中，ρg是待测的SF6/N2混合气体的密度，ρq是包括金属电极在内的有效石英棱角密度，t和w是棱角的厚度和宽度，c1和c2是与晶振的几何形状有关的常数，f0是晶振在真空中的振荡频率，δ是漩涡表面层的厚度，由以下公式给出：，其中，η是气体的动态黏度，为常数；
将δ的带入公式（1），得：
（2）
由公式（2）计算得到校准后的被测介质密度ρg；
所述的温度校准模块用于采用多项式拟合方法对SF6/N2混合气体的温度进行校准；
所述的多项式拟合方法对温度和压强进行校准的公式如下：
（3）
其中，Tg为校准后的温度，A1,B1,...,C1为拟合系数,D1为常数量；Ti为第i次温度传感器的测量数据；
所述的压强校准模块用于采用多项式拟合方法对SF6/N2混合气体的压强进行校准；
所述的多项式拟合方法对温度和压强进行校准的公式如下：
（4）
其中，Pg为校准后的压强，A2,B2,...,C2为拟合系数,D2为常数量；Pi为第i次压力传感器的测量数据；
所述的计算模块用于将校准后的被测介质密度ρg、温度Tg、压强Pg代入到SF6/N2混合气体的混合比的计算公式中进行多参数自校准计算。
进一步地，所述的SF6/N2混合气体的混合比的计算过程如下：
已知理想气体状态方程为：PV=nRT；
设为平均摩尔质量，于是有：/>；
因此有：
（5）
由于平均摩尔质量=混合物中各组成部分的摩尔质量×该组成部分的物质的量分数，若SF6气体含量为x，分子量为MSF6，则N2含量为1-x，分子量为MN2，则有：
（6）
其中，P为气体压强，单位Pa；V为气体体积，单位m3；n为气体物质的量，单位为mol；T为温度，单位K；R为理想气体常数，单位是J/（mol·K），且已知V=m/ρ g，m为质量；MSF6为SF6的分子量，MN2为N2分子量。
进一步地，所述的测量晶振的阻抗的方法采用π型网络测试阻抗的方法。
一种SF6/N2混合气体测量装置的多参数自校准系统，包括：音叉晶振传感器、温度传感器、压力传感器、ADC采样模块、校准插件、FPGA模块、MCU模块、触摸屏；所述的音叉晶振传感器与FPGA模块连接，用于将晶振在真空中的振荡频率f0以及实时测量的频率数据送入到FPGA模块中进行处理；所述的温度传感器、压力传感器均通过ADC采样模块与FPGA模块连接，用于将测量的温度和压力数据送入到FPGA模块中进行处理；所述的校准插件分别与FPGA模块以及音叉晶振传感器连接，用于生成阻抗线性系数对SF6/N2混合气体的密度进行校准；所述的FPGA模块以及触摸屏均与MCU模块连接，FPGA模块将实时计算结果传递给与MCU模块，并在触摸屏上实时显示；所述的FPGA模块中存储有执行SF6/N2混合气体测量装置的多参数自校准方法的计算机程序。
进一步地，所述的校准插件包括直接数字频率合成器、幅度相位检测器、低通滤波器；所述的直接数字频率合成器通过低通滤波器与音叉晶振传感器连接，幅度相位检测器的一端与FPGA模块连接，另一端与音叉晶振传感器连接。
进一步地，所述的直接数字频率合成器使用的芯片为AD9850。
进一步地，所述的幅度相位检测器使用的芯片为AD8302。
一种存储介质，存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行上述的SF6/N2混合气体测量装置的多参数自校准方法的步骤。
本发明的优点在于：
本发明一方面通过测量晶振的阻抗，采用线性校正得到频率校准系数，校准SF6/N2混合气体混合比测量装置实时读出的频率值，采用频率与密度之间的标定关系计算得到被测介质的密度，从而保证测量的SF6/N2混合气体的密度更加精确；另一方面通过采用多项式拟合方法对SF6/N2混合气体的温度以及压力进行校准，从而保证测量的SF6/N2混合气体的温度和压力更加精确；对密度、温度、压力三个参数进行校准，从而保证了混合比测量的准确性；本发明的方法无需拆装检测装置，不影响电气设备安全运行，相较于传统的方法，具有可靠性高、成本低廉的优势。
附图说明
图1是SF6/N2混合气体测量装置的多参数自校准方法的流程图；
图2是SF6/N2混合气体测量装置的多参数自校准系统的结构图；
图3是SF6/N2混合气体混合比测量装置的结构图；
图4是音叉晶振传感器的实物图；
图5是π型网络阻抗测量电路的原理图。
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：
实施例一
石英晶振的共振振动频率取决于晶体所处的环境。在真空中，晶体具有特定频率，而在流体中，其振动将由于周围气体分子的阻尼而衰减。通过产品出厂时和运行时阻抗对比，可以消除因晶体老化或污染而产生的偏差，精度高，用于测量装置的校准，采用该方法可实现测量装置的自校准，无需拆卸测量装置，保障电气设备的稳定运行。
如图4所示为音叉晶振传感器的实物图，音叉晶振石英传感器的晶振的共振振动频率取决于晶振所处的环境，在真空中，晶振具有特定频率，而在流体中，其振动随着周围气体分子的阻尼而衰减；另外，由于气体分子粘附在晶振表面改变了音叉的质量，其共振频率也将随之改变。
如图1所示，本实施例的一种SF6/N2混合气体测量装置的多参数自校准方法包括如下步骤：
1、通过阻抗线性系数对SF6/N2混合气体的密度进行校准
由于石英晶振的共振振动频率取决于晶体所处的环境。在真空中，晶体具有特定频率，而在流体中，其振动将由于周围气体分子的阻尼而衰减；另外，由于气体分子粘附在晶体表面改变了音叉晶振传感器的质量，其共振频率也将随之改变。
通过测量晶振的阻抗，采用线性校正得到频率校准系数，校准SF6/N2混合气体混合测量装置实时读出的频率值，采用频率与密度之间的标定关系计算得到被测介质的密度，从而保证测量的SF6/N2混合气体的密度更加精确，进一步保证了混合比测量的准确性；
（1）通过测量晶振的阻抗，采用线性校正得到频率校准系数Z0/Z1，用于校准SF6/N2混合气体混合比测量装置实时读出的频率值f1，从而得到校准后的频率值f2；即f2=（Z0/Z1）*f1，其中，Z0为晶振出厂时阻抗，Z1为晶振校准时测得的阻抗。
校准时采用π型网络测试阻抗的方法测得晶振的阻抗，测量电路如下图5所示。虚线框内为被测音叉晶振的等效电路。当音叉晶振处于谐振状态时，π网络为一个纯电阻网络，π网络两端的压降最小。利用增益相位检测器对A、B两点的信号相位和幅度进行比较，两路输出信号分别和A、B两点信号的相位差和幅度的比值呈一定的函数关系。
（2）采用频率与密度之间的标定关系计算得到被测介质的密度；
音叉晶振传感器的晶振由两个石英晶振插脚组成，如图4所示，利用石英的压电性，通过向两根棱柱上的电极施加交流电压，可以使两根棱柱产生异相振动。晶振的基本谐振频率在真空中通常为32.768Hz。在空气中，谐振频率下降了大约10Hz。这种下降是由于添加到振动楞上的额外质量和气体分子的粘性造成的。
频率与密度之间的标定关系通过以下公式来估计：
（1）
其中，ρg是待测的SF6/N2混合气体的密度，ρq是包括金属电极在内的有效石英棱角密度，t和w是棱角的厚度和宽度，c1和c2是与晶振的几何形状有关的常数，f0是晶振在真空中的振荡频率，δ是漩涡表面层的厚度，由以下公式给出：，其中，η是气体的动态黏度，为常数；
将δ的带入公式（1），得：
（2）
由公式（2）计算得到被测介质密度ρg；
2、采用多项式拟合方法对SF6/N2混合气体的温度进行校准
所述的多项式拟合方法对温度和压强进行校准的公式如下：
（3）
其中，Tg为校准后的温度，A1,B1,...,C1为拟合系数,D1为常数量；Ti为第i次温度传感器的测量数据；
3、采用多项式拟合方法对SF6/N2混合气体的压强进行校准
所述的多项式拟合方法对温度和压强进行校准的公式如下：
（4）
其中，Pg为校准后的压强，A2,B2,...,C2为拟合系数,D2为常数量；Pi为第i次压力传感器的测量数据。
4、将校准后的被测介质密度ρg、温度Tg、压强Pg代入到SF6/N2混合气体的混合比的计算公式中进行多参数自校准计算
所述的SF6/N2混合气体的混合比的计算公式的推导过程如下：
已知理想气体状态方程为：PV=nRT；
设为平均摩尔质量，于是有：/>；因此有：
（5）
如果已知气体密度ρ，再结合公式（1）即可求得平均摩尔质量。
其中，P为气体压强，单位Pa；V为气体体积，单位m3；n为气体物质的量，单位为mol；T为温度，单位K；R为理想气体常数，单位是J/（mol·K），且已知V=m/ρ，m为质量；
由于平均摩尔质量=混合物中各组成部分的摩尔质量×该组成部分的物质的量分数（若是气体组成可以是体积分数），以SF6、N2两种混合气体为例，若SF6气体含量为x，分子量为MSF6，则N2含量为1-x，分子量为MN2，
则有：
（6）
即可得到SF6、N2混合气体的混合比。
实施例二
一种SF6/N2混合气体测量装置的多参数自校准装置，包括以下内容：密度校准模块、温度校准模块、压强校准模块、计算模块；
所述的密度校准模块通过阻抗线性系数对SF6/N2混合气体的密度进行校准，方法如下：
（1）通过测量晶振的阻抗，采用线性校正得到频率校准系数Z0/Z1，用于校准SF6/N2混合气体混合比测量装置实时读出的频率值f1，从而得到校准后的频率值f2；即f2=（Z0/Z1）*f1，其中，Z0为晶振出厂时阻抗，Z1为晶振校准时测得的阻抗；所述的测量晶振的阻抗的方法采用π型网络测试阻抗的方法。
（2）采用频率与密度之间的标定关系计算得到被测介质的密度；频率与密度之间的标定关系通过以下公式来估计：
（1）
其中，ρg是待测的SF6/N2混合气体的密度，ρq是包括金属电极在内的有效石英棱角密度，t和w是棱角的厚度和宽度，c1和c2是与晶振的几何形状有关的常数，f0是晶振在真空中的振荡频率，δ是漩涡表面层的厚度，由以下公式给出：，其中，η是气体的动态黏度，为常数；
将δ的带入公式（1），得：
（2）
由公式（2）计算得到校准后的被测介质密度ρg；
所述的温度校准模块用于采用多项式拟合方法对SF6/N2混合气体的温度进行校准；
所述的多项式拟合方法对温度和压强进行校准的公式如下：
（3）
其中，Tg为校准后的温度，A1,B1,...,C1为拟合系数,D1为常数量；Ti为第i次温度传感器的测量数据；
所述的压强校准模块用于采用多项式拟合方法对SF6/N2混合气体的压强进行校准；
所述的多项式拟合方法对温度和压强进行校准的公式如下：
（4）
其中，Pg为校准后的压强，A2,B2,...,C2为拟合系数,D2为常数量；Pi为第i次压力传感器的测量数据；
所述的计算模块用于将校准后的被测介质密度ρg、温度Tg、压强Pg代入到SF6/N2混合气体的混合比的计算公式中进行多参数自校准计算。
所述的SF6/N2混合气体的混合比的计算过程如下：
已知理想气体状态方程为：PV=nRT；
设为平均摩尔质量，于是有：/>；
因此有：
（5）
由于平均摩尔质量=混合物中各组成部分的摩尔质量×该组成部分的物质的量分数，若SF6气体含量为x，分子量为MSF6，则N2含量为1-x，分子量为MN2，则有：
（6）
其中，P为气体压强，单位Pa；V为气体体积，单位m3；n为气体物质的量，单位为mol；T为温度，单位K；R为理想气体常数，单位是J/（mol·K），且已知V=m/ρ g，m为质量；MSF6为SF6的分子量，MN2为N2分子量。
实施例三
如图2所示，本实施例的一种SF6/N2混合气体测量装置的多参数自校准系统包括：音叉晶振传感器、温度传感器、压力传感器、ADC采样模块、校准插件、FPGA模块、MCU模块、触摸屏。
所述的音叉晶振传感器与FPGA模块连接，用于将晶振在真空中的振荡频率f0以及实时测量的频率数据送入到FPGA模块中进行处理；所述的温度传感器、压力传感器均通过ADC采样模块与FPGA模块连接，用于将测量的温度和压力数据送入到FPGA模块中进行处理；所述的校准插件分别与FPGA模块以及音叉晶振传感器连接，用于生成阻抗线性系数对SF6/N2混合气体的密度进行校准；所述的FPGA模块中存储有执行实施例一中的SF6/N2混合气体测量装置的多参数自校准方法的计算机程序；所述的FPGA模块以及触摸屏均与MCU模块连接，FPGA模块将实时计算结果传递给与MCU模块，并在触摸屏上实时显示。
所述的校准插件包括直接数字频率合成器、幅度相位检测器、低通滤波器；所述的直接数字频率合成器通过低通滤波器与音叉晶振传感器连接，幅度相位检测器的一端与FPGA模块连接，另一端与音叉晶振传感器连接；所述的直接数字频率合成器使用的芯片为AD9850，所述的幅度相位检测器使用的芯片为AD8302。
所述的音叉晶振传感器中的石英晶振作为测试对象接入π型网络阻抗测量电路，直接数字频率合成器作为信号源产生激励信号激励π型网络阻抗测量电路，由于直接数字频率合成器具有的高频率分辨率和快速扫频能力，可以保证信号源的频率准确地保持在石英晶振的谐振频率，实现恒压驱动。
实施例四
一种存储介质，存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行实施例一所述的SF6/N2混合气体测量装置的多参数自校准方法的步骤。
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 (17)
1.一种混合气体测量装置的多参数自校准方法，其特征在于，包括以下内容：
通过阻抗线性系数对SF6/N2混合气体的密度进行校准，方法如下：
通过测量晶振的阻抗，采用线性校正得到频率校准系数Z0/Z1，用于校准SF6/N2混合气体混合比测量装置实时读出的频率值f1，从而得到校准后的频率值f2；即f2=（Z0/Z1）*f1，其中，Z0为晶振出厂时阻抗，Z1为晶振校准时测得的阻抗；
采用频率与密度之间的标定关系计算得到被测介质的密度；
采用多项式拟合方法对SF6/N2混合气体的温度进行校准；
采用多项式拟合方法对SF6/N2混合气体的压强进行校准；
将校准后的被测介质密度ρg、温度Tg、压强Pg代入到SF6/N2混合气体的混合比的计算公式中进行多参数自校准计算。
2.根据权利要求1所述的混合气体测量装置的多参数自校准方法，其特征在于，所述的频率与密度之间的标定关系通过以下公式来估计：
（1）
其中，ρg是待测的SF6/N2混合气体的密度，ρq是包括金属电极在内的有效石英棱角密度，t和w是棱角的厚度和宽度，c1和c2是与晶振的几何形状有关的常数，f0是晶振在真空中的振荡频率，δ是漩涡表面层的厚度，由以下公式给出：，其中，η是气体的动态黏度，为常数；
将δ的带入公式（1），得：
（2）
由公式（2）计算得到校准后的被测介质密度ρg。
3.根据权利要求1所述的混合气体测量装置的多参数自校准方法，其特征在于，所述的采用多项式拟合方法对SF6/N2混合气体的温度进行校准的公式如下：
（3）
其中，Tg为校准后的温度，A1,B1,...,C1为拟合系数,D1为常数量；Ti为第i次温度传感器的测量数据。
4.根据权利要求1所述的混合气体测量装置的多参数自校准方法，其特征在于，所述的采用多项式拟合方法对SF6/N2混合气体的压强进行校准的公式如下：
（4）
其中，Pg为校准后的压强，A2,B2,...,C2为拟合系数,D2为常数量；Pi为第i次压力传感器的测量数据。
5.根据权利要求1所述的混合气体测量装置的多参数自校准方法，其特征在于，所述的SF6/N2混合气体的混合比的计算过程如下：
已知理想气体状态方程为：PV=nRT；
设为平均摩尔质量，于是有：/>；
因此有：
（5）
由于平均摩尔质量=混合物中各组成部分的摩尔质量×该组成部分的物质的量分数，若SF6气体含量为x，分子量为MSF6，则N2含量为1-x，分子量为MN2，则有：
（6）
其中，P为气体压强，单位Pa；V为气体体积，单位m3；n为气体物质的量，单位为mol；T为温度，单位K；R为理想气体常数，单位是J/（mol·K），且已知V=m/ρ g，m为质量；MSF6为SF6的分子量，MN2为N2分子量。
6.根据权利要求1所述的混合气体测量装置的多参数自校准方法，其特征在于，所述的测量晶振的阻抗的方法采用π型网络测试阻抗的方法。
7.一种混合气体测量装置的多参数自校准装置，其特征在于，包括以下内容：密度校准模块、温度校准模块、压强校准模块、计算模块；
所述的密度校准模块通过阻抗线性系数对SF6/N2混合气体的密度进行校准，方法如下：
通过测量晶振的阻抗，采用线性校正得到频率校准系数Z0/Z1，用于校准SF6/N2混合气体混合比测量装置实时读出的频率值f1，从而得到校准后的频率值f2；即f2=（Z0/Z1）*f1，其中，Z0为晶振出厂时阻抗，Z1为晶振校准时测得的阻抗；
采用频率与密度之间的标定关系计算得到被测介质的密度；
所述的温度校准模块用于采用多项式拟合方法对SF6/N2混合气体的温度进行校准；
所述的压强校准模块用于采用多项式拟合方法对SF6/N2混合气体的压强进行校准；
所述的计算模块用于将校准后的被测介质密度ρg、温度Tg、压强Pg代入到SF6/N2混合气体的混合比的计算公式中进行多参数自校准计算。
8.根据权利要求7所述的混合气体测量装置的多参数自校准装置，其特征在于，所述的频率与密度之间的标定关系通过以下公式来估计：
（1）
其中，ρg是待测的SF6/N2混合气体的密度，ρq是包括金属电极在内的有效石英棱角密度，t和w是棱角的厚度和宽度，c1和c2是与晶振的几何形状有关的常数，f0是晶振在真空中的振荡频率，δ是漩涡表面层的厚度，由以下公式给出：，其中，η是气体的动态黏度，为常数；
将δ的带入公式（1），得：
（2）
由公式（2）计算得到校准后的被测介质密度ρg。
9.根据权利要求7所述的混合气体测量装置的多参数自校准装置，其特征在于，所述的采用多项式拟合方法对SF6/N2混合气体的温度进行校准的公式如下：
（3）
其中，Tg为校准后的温度，A1,B1,...,C1为拟合系数,D1为常数量；Ti为第i次温度传感器的测量数据。
10.根据权利要求7所述的混合气体测量装置的多参数自校准装置，其特征在于，所述的采用多项式拟合方法对SF6/N2混合气体的压强进行校准的公式如下：
（4）
其中，Pg为校准后的压强，A2,B2,...,C2为拟合系数,D2为常数量；Pi为第i次压力传感器的测量数据。
11.根据权利要求7所述的混合气体测量装置的多参数自校准装置，其特征在于，所述的SF6/N2混合气体的混合比的计算过程如下：
已知理想气体状态方程为：PV=nRT；
设为平均摩尔质量，于是有：/>；
因此有：
（5）
由于平均摩尔质量=混合物中各组成部分的摩尔质量×该组成部分的物质的量分数，若SF6气体含量为x，分子量为MSF6，则N2含量为1-x，分子量为MN2，则有：
（6）
其中，P为气体压强，单位Pa；V为气体体积，单位m3；n为气体物质的量，单位为mol；T为温度，单位K；R为理想气体常数，单位是J/（mol·K），且已知V=m/ρ g，m为质量；MSF6为SF6的分子量，MN2为N2分子量。
12.根据权利要求7所述的混合气体测量装置的多参数自校准装置，其特征在于，所述的测量晶振的阻抗的方法采用π型网络测试阻抗的方法。
13.一种混合气体测量装置的多参数自校准系统，包括：音叉晶振传感器、温度传感器、压力传感器、ADC采样模块、校准插件、FPGA模块、MCU模块、触摸屏；所述的音叉晶振传感器与FPGA模块连接，用于将晶振在真空中的振荡频率f0以及实时测量的频率数据送入到FPGA模块中进行处理；所述的温度传感器、压力传感器均通过ADC采样模块与FPGA模块连接，用于将测量的温度和压力数据送入到FPGA模块中进行处理；所述的校准插件分别与FPGA模块以及音叉晶振传感器连接，用于生成阻抗线性系数对SF6/N2混合气体的密度进行校准；所述的FPGA模块以及触摸屏均与MCU模块连接，FPGA模块将实时计算结果传递给与MCU模块，并在触摸屏上实时显示；其特征在于，所述的FPGA模块中存储有执行权利要求1至6任一项所述的混合气体测量装置的多参数自校准方法的计算机程序。
14.根据权利要求13所述的混合气体测量装置的多参数自校准系统，其特征在于，所述的校准插件包括直接数字频率合成器、幅度相位检测器、低通滤波器；所述的直接数字频率合成器通过低通滤波器与音叉晶振传感器连接，幅度相位检测器的一端与FPGA模块连接，另一端与音叉晶振传感器连接。
15.根据权利要求14所述的混合气体测量装置的多参数自校准系统，其特征在于，所述的直接数字频率合成器使用的芯片为AD9850。
16.根据权利要求14所述的混合气体测量装置的多参数自校准系统，其特征在于，所述的幅度相位检测器使用的芯片为AD8302。
17.一种存储介质，存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器运行时执行权利要求1-6任一项所述的混合气体测量装置的多参数自校准方法的步骤。
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Citations (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000258324A (ja) * | 1999-03-04 | 2000-09-22 | Hokuto Denko Kk | Ｑｃｍセンサデバイス |
| US20040095154A1 (en) * | 2002-08-21 | 2004-05-20 | Lundstrom John W. | Electrically measuring soil density and soil moisture content |
| US20040107055A1 (en) * | 2002-10-18 | 2004-06-03 | Symyx Technologies, Inc. | Application specific integrated circuitry for controlling analysis of a fluid |
| JP2006078181A (ja) * | 2004-08-31 | 2006-03-23 | Mitsuo Nakazawa | Ｑｃｍセンサおよびｑｃｍセンサによる測定方法 |
| CN101535844A (zh) * | 2005-08-30 | 2009-09-16 | 特克斯勒电子实验室公司 | 用于确定建筑材料的性质的方法、系统及计算机程序产品 |
| CN105987859A (zh) * | 2016-04-22 | 2016-10-05 | 纳智源科技（唐山）有限责任公司 | 流体密度的测量装置及方法 |
| CN107849916A (zh) * | 2015-08-07 | 2018-03-27 | 沙特阿拉伯石油公司 | 用于使用机电谐振器测量流体性质的方法和设备 |
| CN108918774A (zh) * | 2018-06-21 | 2018-11-30 | 南方电网科学研究院有限责任公司 | 一种sf6气体密度检测方法和系统 |
| CN111337751A (zh) * | 2020-03-31 | 2020-06-26 | 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 | 一种换流站交流侧阻抗在线测试方法 |
| CN111693481A (zh) * | 2020-06-23 | 2020-09-22 | 贵州电网有限责任公司 | 测定sf6气体中co含量非分散红外吸收光谱标定方法 |
| CN112161647A (zh) * | 2020-09-11 | 2021-01-01 | 向友刚 | 计量器具及其量传/溯源方法、计量器具管理系统与方法 |
| CN112188937A (zh) * | 2018-06-20 | 2021-01-05 | 沙特阿拉伯石油公司 | 用于流体性质测量的音叉的电容消除方法 |
| CN113933213A (zh) * | 2021-10-14 | 2022-01-14 | 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 | 基于气体替代法的二元混合气体混气比测量方法及装置 |
| CN114594021A (zh) * | 2022-03-07 | 2022-06-07 | 西安交通大学 | 一种黏密度传感器、润滑油寿命在线监测系统与方法 |
| CN115683938A (zh) * | 2022-11-02 | 2023-02-03 | 内蒙古电力(集团)有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司 | 一种sf6/cf4密度继电器低温补偿量的测试方法 |
| CN116215843A (zh) * | 2023-04-20 | 2023-06-06 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于声波调制微纳气膜的边界层流动控制方法及装置 |
| CN116247251A (zh) * | 2023-01-29 | 2023-06-09 | 上海捷氢科技股份有限公司 | 一种燃料电池系统的控制方法、装置、控制器和存储介质 |
-
2023
- 2023-12-04 CN CN202311647141.8A patent/CN117347571B/zh active Active
Patent Citations (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000258324A (ja) * | 1999-03-04 | 2000-09-22 | Hokuto Denko Kk | Ｑｃｍセンサデバイス |
| US20040095154A1 (en) * | 2002-08-21 | 2004-05-20 | Lundstrom John W. | Electrically measuring soil density and soil moisture content |
| US20040107055A1 (en) * | 2002-10-18 | 2004-06-03 | Symyx Technologies, Inc. | Application specific integrated circuitry for controlling analysis of a fluid |
| JP2006078181A (ja) * | 2004-08-31 | 2006-03-23 | Mitsuo Nakazawa | Ｑｃｍセンサおよびｑｃｍセンサによる測定方法 |
| CN101535844A (zh) * | 2005-08-30 | 2009-09-16 | 特克斯勒电子实验室公司 | 用于确定建筑材料的性质的方法、系统及计算机程序产品 |
| CN107849916A (zh) * | 2015-08-07 | 2018-03-27 | 沙特阿拉伯石油公司 | 用于使用机电谐振器测量流体性质的方法和设备 |
| CN105987859A (zh) * | 2016-04-22 | 2016-10-05 | 纳智源科技（唐山）有限责任公司 | 流体密度的测量装置及方法 |
| CN112188937A (zh) * | 2018-06-20 | 2021-01-05 | 沙特阿拉伯石油公司 | 用于流体性质测量的音叉的电容消除方法 |
| CN108918774A (zh) * | 2018-06-21 | 2018-11-30 | 南方电网科学研究院有限责任公司 | 一种sf6气体密度检测方法和系统 |
| CN111337751A (zh) * | 2020-03-31 | 2020-06-26 | 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 | 一种换流站交流侧阻抗在线测试方法 |
| CN111693481A (zh) * | 2020-06-23 | 2020-09-22 | 贵州电网有限责任公司 | 测定sf6气体中co含量非分散红外吸收光谱标定方法 |
| CN112161647A (zh) * | 2020-09-11 | 2021-01-01 | 向友刚 | 计量器具及其量传/溯源方法、计量器具管理系统与方法 |
| CN113933213A (zh) * | 2021-10-14 | 2022-01-14 | 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 | 基于气体替代法的二元混合气体混气比测量方法及装置 |
| CN114594021A (zh) * | 2022-03-07 | 2022-06-07 | 西安交通大学 | 一种黏密度传感器、润滑油寿命在线监测系统与方法 |
| CN115683938A (zh) * | 2022-11-02 | 2023-02-03 | 内蒙古电力(集团)有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司 | 一种sf6/cf4密度继电器低温补偿量的测试方法 |
| CN116247251A (zh) * | 2023-01-29 | 2023-06-09 | 上海捷氢科技股份有限公司 | 一种燃料电池系统的控制方法、装置、控制器和存储介质 |
| CN116215843A (zh) * | 2023-04-20 | 2023-06-06 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于声波调制微纳气膜的边界层流动控制方法及装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 徐伟;李耀华;孙广生;何晋伟;杜玉梅;谈龙成;任晋旗;王珂;韩俊飞;金能强;: "交通用大功率直线异步电动机牵引特性", 电工技术学报, no. 07, pages 18 - 24 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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