CN207301823U - 一种混合气体密度控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种混合气体密度控制器，设置外壳和位于外壳内部的参比气室、石英传感器、压力传感器、温度传感器、传动连杆、驱动机构、微动开关、机芯、第一刻度盘、第一指针、振荡电路模块、控制模块、继电器、电传动机构、第二刻度盘、第二指针、电源模块，石英传感器为音叉型石英传感器，可以在较低成本的基础上，在紧凑的体积内实现混合气体比例的电子化监测。所采用的参比气室的温度补偿效果比现有技术中的热双金属片温度补偿效果更好，在全温区范围内的控制精度更高，第一波纹管、第二波纹管和微动开关使其输出控制信号具有更高的抗振抗冲击性能；且本实用新型提供的技术方案结构小巧紧凑，能够满足实用需求，响应速度快，且灵敏度高。

Description

一种混合气体密度控制器

技术领域

本实用新型涉及电气设备检测技术领域，具体涉及一种混合气体密度控制器。

背景技术

六氟化硫(SF₆)已有百年历史，它是法国化学家Moissan和Lebeau于1900年合成的人造惰性气体，1940年前后，美国军方将其用于曼哈顿计划(核军事)，1947年提供商用。由于SF₆具有良好的电气绝缘性能和优异的灭弧性能，被广泛应用于断路器、封闭式组合电器、封闭式管道母线、互感器、避雷器等中高压电力设备。

从环境保护的角度考虑，SF₆是一种非常强效的温室气体，必须严格控制SF₆的使用，目前控制SF₆使用所采取是采用SF₆与N₂的混合气体，或SF₆与CF₄的混合气体作为绝缘介质或采用新型的环保性绝缘气体替代SF₆，从而减少SF₆的使用量甚至不使用SF₆。此外，使用含有SF₆的混合气体能有效防止带压的SF₆在低温环境中液化从而影响到高压电力设备的绝缘性能和开断容量的问题。

工程应用中，SF₆或含有SF₆的混合气体等绝缘气体按一定密度被充填于高压电力设备的密闭气室中。绝缘气体的密度决定了高压电力设备的绝缘性能和开关的开断容量，运行中必须持续监视绝缘气体的密度，一旦出现泄漏导致绝缘密度低于限定值，则发出报警信号，甚至发出设备闭锁等保护信号。

对于密闭气室，其内部气体密度值一定时，气体的压力与温度之间的关系式为其中p表示气压，T表温度，ρ表示体的密度，R表示气体常数，M表示摩尔质量。从上述公式可发现，气压与温度变化成正比关系，即温度升高则气压上升，温度降低则气压下降。

因此，常规的压力仪表和压力开关不能正确检测密闭的气室中是否出现了气体泄漏，因为在温度降低时，气压可能低于限值而发出误报警。为避免这一误报警，基于压力测量原理的监控仪表必须具有温度补偿的能力，即对环境温度变化所引起的指示和控制偏差进行修正。目前电力行业内普遍采用如图1所示的从传统波登管式压力表改造而来的密度继电器，用于监测SF₆的密度，图1中，1-波登管，2-热双金属片，3-机芯，4-指针，5-刻度盘。该密度继电器使用波登管1作为压力感测元件，被测气体密度变化引起的压力变化使波登管1的末端产生形变位移，该位移被热双金属片在不同温度下的变形所补偿，即温度补偿，经机芯(其为传动机构)的放大后，驱动指针4偏转，在刻度盘5上指示气体密度(折算至20℃的压力)。指针4上配有拨杆可带动磁助式电接点，当气体密度变化超过限定值时，指针4驱动电接点闭合或断开，从而发出报警信号。

从上述压力表式气体密度继电器的工作过程可以看出，其实现保护功能的电接点由实现指示功能的指针带动，并且直接反映密度变化的波登管与电接点之间还存在着复杂的机械传动连接，这导致上述压力表式密度继电器控制精度受限，且非常容易受到外界振动和冲击的影响，难以提高保护的可靠性等级。其次，热双金属片按常态温度20℃选定，因此在20℃时才有最佳精度，在其它温度下偏差增大，在工作温度区间内的精度不一致。磁助式电接点的使用导致切换误差较大，因此只能使用常开接点，且由于电接点闭合力小，容易受外界振动影响导致触点跳动产生误报警，并容易出现触点烧蚀的问题。

此外，上述压力表式气体密度继电器需参照高压电力设备正常运行所需的SF₆等容线进行校准。如将其用于监测包含SF₆的混合气体(即绝缘气体)的密度，则应参照混合气体的等容线校准。并且上述压力表式气体密度继电器的监控原理基于压力，仅适用于纯SF₆或单一组分气体，对于两组分及以上的混合气体则不能完全适用，因为混合气体的密度变化有两种情况：一是泄漏或过充引起的密度降低或升高，此时混合气体各组分的比例不变；二是混合气体中气体比例发生变化，也即混合气体的密度改变，但总压力可能维持不变。对于第二种情况，混合气体中气体比例的改变会影响到高压电力设备的运行性能，而上述压力表式密度继电器不能及时有效的进行报警。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种混合气体密度控制器，通过温度传感器、压力传感器和密度传感器分别采集混合气体的温度、压力和密度，并通过控制模块控制电传动机构，使得在机芯电传动机构驱动第二指针在第二刻度盘上指示混合气体的比例。本实用新型提供的技术方案不仅具备检测混合气体中气体比例，还可以在气体比例超出限定值时发出报警的能力。

为了实现上述目的，本实用新型采取如下方案：

本实用新型提供一种混合气体密度控制器，包括外壳和位于外壳内部的参比气室、密度传感器、压力传感器、温度传感器、传动连杆、驱动机构、微动开关、机芯、第一刻度盘、第一指针、振荡电路模块、控制模块、继电器、电传动机构、第二刻度盘、第二指针、电源模块；

所述微动开关设置在参比气室的固定端，所述驱动机构设置在传动连杆的中间位置；所述传动连杆的一端与机芯连接，其另一端与参比气室的活动端固定连接；所述机芯与第一指针连接，用于驱动第一指针在第一刻度盘上指示混合气体的密度；

所述密度传感器通过振荡电路模块与控制模块连接，用于将采集的混合气体的密度传输给控制模块；所述温度传感器和压力传感器直接与控制模块连接，用于将采集的混合气体的温度和压力传输给控制模块；所述控制模块与继电器连接，用于控制继电器发出报警信号；所述控制模块与电传动机构连接，所述电传动机构驱动第二指针在第二刻度盘上指示混合气体的比例；

所述电源模块为密度传感器、压力传感器、温度传感器、振荡电路模块、控制模块和继电器供电。

所述参比气室包括同轴设置的第一波纹管和第二波纹管，所述第一波纹管的外径大于第二波纹管的外径，所述第一波纹管与第二波纹管之间构成的密闭空间中填充有参比气体。

所述第一波纹管和第二波纹管均采用金属波纹管。

所述金属波纹管的材料为青铜、黄铜、不锈钢、蒙乃尔合金或因康镍尔合金。

所述第一波纹管的波数小于第二波纹管的波数，所述第一波纹管的波高大于第二波纹管的波高，所述第一波纹管的波距大于第二波纹管的波距。

所述密度传感器包括第一密度传感器和第二密度传感器；

所述第一密度传感器和温度传感器均位于参比气室内部，所述第二密度传感器和压力传感器均位于参比气室外部；

所述参比气室中的参比气体和被测气室中的混合气体的组分和压力均相同；

所述混合气体包括六氟化硫。

所述振荡电路模块包括第一振荡电路和第二振荡电路；

所述第一密度传感器通过第一振荡电路与控制模块连接，所述第二密度传感器通过第二振荡电路与控制模块连接。

所述第一密度传感器和第二密度传感器均为音叉型石英传感器。

所述继电器包括第一继电器和第二继电器；

所述第一继电器用于发出上限报警信号，所述第二继电器用于发出下限报警信号。

所述微动开关设有电接点，所述驱动机构在传动连杆的作用下向参比气室的活动端运动，其一端设有的凸起与电接点接触，触发电接点动作，所述微动开关发出报警信号。

与最接近的现有技术相比，本实用新型提供的技术方案具有以下有益效果：

本实用新型提供的技术方案中的密度传感器通过振荡电路模块与控制模块连接，其将采集的混合气体的密度传输给控制模块；温度传感器和压力传感器直接与控制模块连接，两者分别将采集的混合气体的温度和压力传输给控制模块；控制模块与继电器连接，控制继电器发出报警信号；控制模块与电传动机构连接，电传动机构驱动第二指针在第二刻度盘上指示混合气体的比例，实现混合气体的比例的电子化监测；

本实用新型提供的技术方案中的微动开关设置在参比气室的固定端，驱动机构设置在传动连杆的中间位置，传动连杆的一端与机芯连接，其另一端与参比气室的活动端固定连接；机芯与第一指针连接，驱动第一指针在第一刻度盘上指示混合气体的密度，实现混合气体的密度的机械化指示；

本实用新型提供的技术方案所采用的参比气室的温度补偿效果比现有技术中的热双金属片温度补偿效果更好，在全温区范围内的控制精度更高，第一波纹管、第二波纹管和微动开关使其输出控制信号具有更高的抗振抗冲击性能；

本实用新型提供的技术方案利用音叉型石英传感器、压力传感器、温度传感器和控制模块，可以在较低成本的基础上，实现紧凑的体积内混合气体比例的监测；

本实用新型提供的混合气体密度控制器结构小巧紧凑，能够满足实用需求，响应速度快，且灵敏度高。

附图说明

图1是现有技术中压力表式气体密度继电器结构图；

图2是本实用新型实施例中混合气体密度控制器结构图；

图1中，1-波登管，2-热双金属片，3-机芯，4-指针，5-刻度盘；

图2中，6-外壳，7-压力接口，8-第一波纹管，9-第二波纹管，10-传动连杆，11-驱动机构，12-微动开关，13-机芯，14-第一刻度盘，15-第一指针，16-第二刻度盘，17-第二指针，31-第一振荡电路，32-第二振荡电路，33-第三振荡电路，34-第四振荡电路，35-控制模块，36-第一继电器，37-第二继电器，38-电传动机构，39-电源模块，51-第一密度传感器，52-第四密度传感器，53-第三密度传感器，54-第二密度传感器，55-压力传感器，56-温度传感器，100-参比气室，101-被测气室。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

本实用新型实施例提供的混合气体密度控制器结构图如图2所示，本实用新型实施例提供的混合气体密度控制器通过压力接口7与被测气室101实现气路上的连通，其主要包括外壳6和位于外壳6内部的参比气室100、密度传感器、压力传感器55、温度传感器56、传动连杆10、驱动机构11、微动开关12、机芯13、第一刻度盘14、第一指针15、振荡电路模块、控制模块35、继电器、电传动机构38、第二刻度盘16、第二指针17、电源模块39；

该混合气体密度控制器可以竖直放置，即图2所示的方式放置，也可以水平放置，图2 中的参比气室100上端为固定端，其下端为活动端，上述的微动开关12设置在参比气室100 的固定端，由于驱动机构11要在传动连杆10的作用下向参比气室100的活动端运动(即向下运动)，所以驱动机构11设置在传动连杆10的中间靠上位置，即其水平高度要高于微动开关12的水平高度，驱动机构11和微动开关12之间保留一定距离。驱动机构11向下运动的过程中，其一端设有的凸起与微动开关12设有的电接点接触，触发电接点动作，于是微动开关12即可发出报警信号。

上述传动连杆10的一端(即上端)与机芯13连接，其另一端(即下端)与参比气室100 的活动端固定连接；机芯13与第一指针15连接，驱动第一指针15在第一刻度盘14上指示混合气体的密度，实现混合气体的密度的机械化指示。

当因错误的充补混合气体操作导致被测气室101中混合气体的比例发生变化时，上述第一指针15不一定能正确反映这一变化，原因是被测气体的压力可能维持不变，利用“压差”原理的波纹管可能不会发生变形，无法驱动微动开关12发出报警。对于这种情况，将密度传感器通过振荡电路模块与控制模块35连接，密度传感器将采集的混合气体的密度传输给控制模块35；温度传感器56和压力传感器55直接与控制模块35连接，温度传感器56和压力传感器55分别将采集的混合气体的温度和压力传输给控制模块35；控制模块35继而与继电器连接，控制继电器发出报警信号；控制模块35还同时与电传动机构38连接，实现电传动机构28驱动第二指针17在第二刻度盘16上指示混合气体的比例，实现混合气体的比例的电子化监测。

上述的参比气室100包括同轴设置的第一波纹管8和第二波纹管9，第一波纹管8的外径大于第二波纹管9的外径，即第二波纹管9在参比气室100内侧，第一波纹管8在参比气室100外侧。第一波纹管8与第二波纹管9之间构成的密闭空间中填充有参比气体。

第一波纹管8和第二波纹管9均采用金属波纹管，该金属波纹管的材料为青铜、黄铜、不锈钢、蒙乃尔合金或因康镍尔合金。

第一波纹管8的波数小于第二波纹管9的波数，第一波纹管8的波高大于第二波纹管9 的波高，第一波纹管8的波距大于第二波纹管9的波距，所以可以将第一波纹管8叫做大波纹管，将第二波纹管9叫做小波纹管。

上述的密度传感器包括第一密度传感器51和第二密度传感器54，且第一密度传感器51 和第二密度传感器54均为音叉型石英传感器。由于音叉型石英传感器的原理可知，音叉型石英传感器在不同密度的气体中其振荡频率不同。所以为了消除温度对气体黏度的影响，将第一密度传感器51作为基准参考，第一密度传感器51可以放置在同样温度的真空腔体里，也可以放在参比气室100里，即与参比气室100内的参比气体接触。且参比气室100中的参比气体和被测气室101中的混合气体的组分和压力均相同。第二密度传感器54放置在参比气室 100的外部，与被测的混合气体接触，利用第一密度传感器51和第二密度传感器54两者的频率差值代表混合气体的密度。为了消除个体差异带来的测量误差，同时为了提高测量精度，消除温度引起的“漂移”，本实用新型实施例还设有第三密度传感器53和第四密度传感器52，两者也同样采用音叉型石英传感器。第三密度传感器53和第四密度传感器52像第二密度传感器54一样放置在参比气室100的外部，与被测的混合气体接触，通过冗余的第三密度传感器53和第四密度传感器52可以提高检测的可靠性。同样，压力传感器55均位于参比气室 100外部，用于采集混合气体的压力。由于参比气室100内部的温度和外部温度相同，为了适应参比气室100和控制器整体的尺寸，所以将温度传感器56也放置在参比气室100内部。

上述的振荡电路模块包括第一振荡电路31和第二振荡电路32，还包括第三振荡电路33 和第四振荡电路34，其中第一密度传感器51通过第一振荡电路31与控制模块35连接，第二密度传感器54通过第二振荡电路32与控制模块35连接，且第三密度传感器53通过第三振荡电路33与控制模块35连接，第四密度传感器52通过第四振荡电路34与控制模块35连接。

上述的继电器包括第一继电器36和第二继电器37，第一继电器36用于发出上限报警信号，第二继电器37用于发出下限报警信号。也可以采用同一继电器发出上限报警信号和下限报警信号。

上述的电源模块39可以为第一密度传感器51、压力传感器55、温度传感器56、振荡电路模块中的各个振荡电路(即第一振荡电路31、第二振荡电路32、第三振荡电路33、第四振荡电路34)、控制模块35和继电器(即第一继电器36和第二继电器37)供电。

本实用新型实施例中混合气体密度控制器的工作原理如下：

对于混合气体的比例不变的密度变化，利用参比气室100进行密度监测和控制，在第一波纹管8和第二波纹管9构成的参比气室100内预先充入与被测的混合气体相同组成和压力的参比气体作为参考和比较的基准，参比气室100外部为被测气体，通过参比气室100内外的气体压力差，即可实现温度补偿并准备反映被测混合气体的密度改变。

对于混合气体的比例发生改变的密度变化，利用四个音叉型密度传感器、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，对于SF₆和N₂组成的二元混合气体，通过理想气体方程和道尔顿气体分压定律，可求出混合气体的比例。经过合理的校准设定和补偿算法，能够实现很好的混合气体比例的检测精度。

另外上述的传动连杆10采用碳含量为0.075％、硅含量为0.94％、锰含量为0.97％、磷含量为0.035％、硫含量为0.025％、铬含量为14.0％、余量为铁的合金制备，其中的百分数为重量百分数，传动连杆10具有高强度、韧性好、耐久度的优点，且传动连杆10耐腐蚀性强，适用温度范围广。

驱动机构11和外壳6均采用镁含量为2.5％、锰含量为0.2％、铜含量为0.1％、铁含量为 0.2％、硅含量为0.4％、钛含量为0.1％，其余为铝的合金制备，其中的百分数为质量百分数，驱动机构11和外壳6具有轻巧、硬度高的优点，便于机械加工。

采用本实用新型实施例提供的混合气体密度控制器检测混合气体的比例具体过程如下：

若混合气体为SF₆与N₂的混合气体，其气体状态方程由温度、压力、密度和混合比4个参量决定，如已知其中三个参量，则可通过气体状态方程求得第四个参量。已知理想气体状态方程为：

PV＝nRT

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 为体系温度，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，V 为体积，ρ为密度。

设为平均摩尔质量，于是有：

因此有：

以SF₆/N₂混合气体为例，若混合气体中六氟化硫气体含量为x，则N2含量为1-x，

则有：

即可得到混合气体中六氟化硫的比例，即混合气体的混合比。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混合气体密度控制器，其特征在于，包括外壳和位于外壳内部的参比气室、密度传感器、压力传感器、温度传感器、传动连杆、驱动机构、微动开关、机芯、第一刻度盘、第一指针、振荡电路模块、控制模块、继电器、电传动机构、第二刻度盘、第二指针、电源模块；

所述微动开关设置在参比气室的固定端，所述驱动机构设置在传动连杆的中间位置；所述传动连杆的一端与机芯连接，其另一端与参比气室的活动端固定连接；所述机芯与第一指针连接，用于驱动第一指针在第一刻度盘上指示混合气体的密度；

所述密度传感器通过振荡电路模块与控制模块连接，用于将采集的混合气体的密度传输给控制模块；所述温度传感器和压力传感器直接与控制模块连接，用于将采集的混合气体的温度和压力传输给控制模块；所述控制模块与继电器连接，用于控制继电器发出报警信号；所述控制模块与电传动机构连接，所述电传动机构驱动第二指针在第二刻度盘上指示混合气体的比例；

所述电源模块为密度传感器、压力传感器、温度传感器、振荡电路模块、控制模块和继电器供电。

2.根据权利要求1所述的混合气体密度控制器，其特征在于，所述参比气室包括同轴设置的第一波纹管和第二波纹管，所述第一波纹管的外径大于第二波纹管的外径，所述第一波纹管与第二波纹管之间构成的密闭空间中填充有参比气体。

3.根据权利要求2所述的混合气体密度控制器，其特征在于，所述第一波纹管和第二波纹管均采用金属波纹管。

4.根据权利要求3所述的混合气体密度控制器，其特征在于，所述金属波纹管的材料为青铜、黄铜、不锈钢、蒙乃尔合金或因康镍尔合金。

5.根据权利要求2或3所述的混合气体密度控制器，其特征在于，所述第一波纹管的波数小于第二波纹管的波数，所述第一波纹管的波高大于第二波纹管的波高，所述第一波纹管的波距大于第二波纹管的波距。

6.根据权利要求1所述的混合气体密度控制器，其特征在于，所述密度传感器包括第一密度传感器和第二密度传感器；

所述第一密度传感器和温度传感器均位于参比气室内部，所述第二密度传感器和压力传感器均位于参比气室外部；

所述参比气室中的参比气体和被测气室中的混合气体的组分和压力均相同；

所述混合气体包括六氟化硫。

7.根据权利要求6所述的混合气体密度控制器，其特征在于，所述振荡电路模块包括第一振荡电路和第二振荡电路；

所述第一密度传感器通过第一振荡电路与控制模块连接，所述第二密度传感器通过第二振荡电路与控制模块连接。

8.根据权利要求6或7所述的混合气体密度控制器，其特征在于，所述第一密度传感器和第二密度传感器均为音叉型石英传感器。

9.根据权利要求1所述的混合气体密度控制器，其特征在于，所述继电器包括第一继电器和第二继电器；

所述第一继电器用于发出上限报警信号，所述第二继电器用于发出下限报警信号。

10.根据权利要求1所述的混合气体密度控制器，其特征在于，所述微动开关设有电接点，所述驱动机构在传动连杆的作用下向参比气室的活动端运动，其一端设有的凸起与电接点接触，触发电接点动作，所述微动开关发出报警信号。