CN215115868U - 一种基于红外光谱的微量sf6泄漏监测电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于红外光谱的微量SF₆泄漏监测电路，包括供电模块、单片机最小系统、红外光源及与红外光源相配合的红外探测器；红外探测器具有检测电压输出端及参考电压输出端，放大模块具有第一检测电压放大单元、第二检测电压放大单元及参考电压放大单元，检测电压输出端与第一检测电压放大单元的输入端连接，第一检测电压放大单元的输出端与第二检测电压放大单元的输入端连接，参考电压输出端与参考电压放大单元连接；检测电压输出端输出的检测值通过第一检测电压放大单元、第二检测电压放大单元两次比例放大后转换成数字量，使其能够识别微小的气体浓度变化，具有更高的检测精度，可实现0.1ppm的分辨率，可以及早发现SF₆气体泄漏。

Description

一种基于红外光谱的微量SF6泄漏监测电路

技术领域

本实用新型属于气体泄漏检测技术领域，具体涉及一种基于红外光谱的微量SF6泄漏监测电路。

背景技术

SF6绝缘和灭弧性能优良，化学性质稳定，被广泛应用于高压电气设备，如：高压断路器、高压变压器、气体绝缘金属封闭开关等。由于电力设备的制造和安装差异、老化以及运维过程中存在的不当操作，可能导致SF6发生泄漏，引发设备故障，且SF6密度比空气大，易造成低层空间缺氧。

非分散性红外线技术（NDIR，Non-Dispersive InfraRed）是一种基于气体吸收理论的方法，即物质对一定波长光的吸收关系服从朗伯—比尔(Lambert2Beer)吸收定律。红外光源发出的红外光束穿过采样腔，样本中的各气体组分吸收特定频率的红外线。通过测量相应频率的红外线吸收量，便可确定该气体组分的浓度。之所以说这种技术是非分散的，是因为穿过采样腔的波长未经预先滤波；相反地，光滤波器位于检波器之前，以便滤除选定气体分子能够吸收的波长之外的所有光线，因此气体浓度成正比的光谱强度会发生变化，求出光谱光强的变化量就可以反演出待测气体的浓度。

在现有技术中，虽然存在采用非分散性红外线技术检测SF6气体泄漏的，但是其检测精度不高，不能及早发现SF6气体泄漏。因此，需要设计一种检测精度高能够及早发现SF6气体泄漏的基于红外光谱的微量SF6泄漏监测电路来解决目前所面临的技术问题。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本实用新型提供了一种检测精度高能够及早发现SF6气体泄漏的基于红外光谱的微量SF6泄漏监测电路。

本实用新型的技术方案为：基于红外光谱的微量SF6泄漏监测电路，包括供电模块、单片机最小系统、红外光源及与所述红外光源相配合的红外探测器；所述红外探测器连接有放大模块，所述放大模块连接有模数转换模块，所述模数转换模块与所述单片机最小系统连接；所述单片机最小系统连接有通讯模块及存储模块；所述供电模块用于向所述红外光谱气体传感器电路供电；所述红外探测器具有检测电压输出端及参考电压输出端，所述放大模块具有第一检测电压放大单元、第二检测电压放大单元及参考电压放大单元，所述检测电压输出端与所述第一检测电压放大单元的输入端连接，所述第一检测电压放大单元的输出端与所述第二检测电压放大单元的输入端连接，所述参考电压输出端与所述参考电压放大单元连接。

所述第一检测电压放大单元、第二检测电压放大单元、参考电压放大单元中分别具有第一放大器、第二放大器、第三放大器；所述第一放大器的同相输入端连接基准电源，所述第一放大器的反向输入端连接所述检测电压输出端；所述第二放大器的同相输入端连接所述第一放大器的输出端，所述第二放大器的反向输入端连接所述参考电压输出端；所述第三放大器的同相输入端连接所述参考电压输出端，所述第三放大器的反向输入端与所述第三放大器的输出端之间串联有比例电阻。

所述第一放大器、第二放大器、第三放大器均采用ADA4505放大器。

所述供电模块具有第一降压模块及第二降压模块；所述第一降压模块用于向所述红外光源供电，所述第二降压模块用于向所述红外探测器、放大模块、模数转换模块、单片机最小系统、存储模块及通讯模块供电。

所述第一降压模块具有TPS5430开关电源芯片，所述第二降压模块具有AMS1117稳压器。

所述模数转换模块具有ADS1115模数转换器。

所述单片机最小系统为STM32单片机最小系统。

所述通讯模块具有MAX3485通讯芯片。

所述存储模块具有FM24C08存储芯片。

所述红外光源为EMIRS200红外光源，所述红外探测器为PYD-DLB红外探测器。

本实用新型的有益效果：

（1）本实用新型中检测电压输出端输出的检测值通过第一检测电压放大单元、第二检测电压放大单元两次比例放大后转换成数字量，使其能够识别微小的气体浓度变化，具有更高的检测精度，可实现0.1ppm的分辨率，可以及早发现SF6气体泄漏；

（2）红外受温度影响较小并且可在较短时间内即可达到稳定，实现快速稳定的泄漏监测；

（3）红外光谱检测便于现场安装调试、适合现场监测使用。

附图说明

图1为本实用新型中基于红外光谱的微量SF6泄漏监测电路的原理框图。

图2为本实用新型中第一降压模块的电路图。

图3为本实用新型中第二降压模块的电路图。

图4为本实用新型中红外探测器的电路图。

图5为本实用新型中参考电压放大单元的电路图。

图6为本实用新型中第一检测电压放大单元、第二检测电压放大单元的电路图。

图7为本实用新型中模数转换模块的电路图。

图8为本实用新型中单片机最小系统的电路图。

图9为本实用新型中通讯模块的电路图。

图10为本实用新型中存储模块的电路图。

图11为本实用新型中红外光源的电路图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型的具体实施方式做进一步的描述。

如图1、4、5和6所示，基于红外光谱的微量SF6泄漏监测电路，包括供电模块、单片机最小系统1、红外光源5及与所述红外光源5相配合的红外探测器4，红外光源5发出红外光束，通过待测气体，红外探测器4从另一侧接收被待测气体吸收后的红外光束，输出检测电压及参考电压；所述红外探测器4连接有放大模块3，通过放大模块3将红外探测器4输出的检测电压及参考电压放大，所述放大模块3连接有模数转换模块2，数模转换模块2将放大后的检测电压及参考电压模拟量转换成数字量，所述模数转换模块2与所述单片机最小系统1连接；所述单片机最小系统1连接有通讯模块7及存储模块6，存储模块6内部保存有气体零点、温补系数、通讯地址等参数设定等信息，通讯模块7用于与外部设备通讯；所述供电模块用于向所述红外光谱气体传感器电路供电；所述红外探测器4具有检测电压输出端VIN_REF及参考电压输出端VIN_AD，所述放大模块3具有第一检测电压放大单元、第二检测电压放大单元及参考电压放大单元，所述检测电压输出端VIN_REF与所述第一检测电压放大单元的输入端连接，所述第一检测电压放大单元的输出端与所述第二检测电压放大单元的输入端连接，所述参考电压输出端VIN_AD与所述参考电压放大单元连接；在本实施例中，当产生泄漏气体时，红外探测器4接收到的光谱强度会产生变化，由其检测电压输出端VIN_REF输出的检测值，检测电压输出端VIN_REF输出的检测值通过第一检测电压放大单元、第二检测电压放大单元两次比例放大后转换成数字量，使其能够识别微小的气体浓度变化，具有更高的检测精度，可实现0.1ppm的分辨率，可以及早发现SF6气体泄漏；红外受温度影响较小并且可在较短时间内即可达到稳定，实现快速稳定的泄漏监测；红外光谱检测便于现场安装调试、适合现场监测使用。

如图4、5和6所示，具体的，所述第一检测电压放大单元、第二检测电压放大单元、参考电压放大单元中分别具有第一放大器、第二放大器、第三放大器；所述第一放大器的同相输入端连接基准电源VREF，基准电源VREF与第一放大器的同相输入端之间串联电阻R4，电阻R4与第一放大器的同相输入端之间通过电容C15接地，所述第一放大器的反向输入端连接所述检测电压输出端VIN_REF，第一放大器的反向输入端与检测电压输出端VIN_REF之间串联有电阻R9，第一放大器的反向输入端余第一放大器的输出端之间串联有电阻R15及电阻R19，电阻R15与R19上并联有电容C21；所述第二放大器的同相输入端连接所述第一放大器的输出端，第二放大器的同相输入端与第一放大器的输出端之间串联有电阻R6及电阻R7，电阻R6与电阻R7之间通过电容C14接地，第二放大器的同相输入端通过电阻R3接地，所述第二放大器的反向输入端连接所述参考电压输出端VIN_AD，第二放大器的反向输入端与参考电压输出端VIN_AD之间串联有电阻R10，第二放大器的反向输入端与第二放大器的输出端串联有电容C16，第二放大器的输出端连接电阻R11后与数模转换模块2连接；所述第三放大器的同相输入端连接所述参考电压输出端VIN_AD，第三放大器的同相输入端与参考电压输出端VIN_AD之间串联有电阻R12，所述第三放大器的反向输入端与所述第三放大器的输出端之间串联有比例电阻R18，第三放大器的输出端串联电阻R21后与数模转换模块2连接；更为具体的，第一放大器、第二放大器、第三放大器均采用ADA4505放大器。

作为供电模块具体的一种实施方式，所述供电模块具有第一降压模块8及第二降压模块9；所述第一降压模块8用于向所述红外光源供电5，所述第二降压模块9用于向所述红外探测器4、放大模块3、模数转换模块2、单片机最小系统1、存储模块6及通讯模块7供电，第一降压模块8用于将24V直流电转为5V左右直流电，5V左右直流电用于红外光源5供电，第二降压模块9用于将第一降压模块8输出的直流电进一步的转换为3.3V的直流电，3.3V的直流电用于向红外探测器4、放大模块3、模数转换模块2、单片机最小系统1、存储模块6及通讯模块7供电；更为具体的，如图1所述，所述第一降压模块具有TPS5430开关电源芯片，TPS5430开关电源芯片的VIN端与24V直流电连接，GND端接地，BOOT端依次串联有电容C1、电感线圈L1，电容C1与电感线圈L1之间通过二极管D2接地，电感线圈L1上与电容C1相背离的一端并联有电容C3及电容C5，电容C3及电容C5的另一端接地，VSNS端连接有电阻R1及电阻R2，电阻R1与电感线圈L1的一端连接输出5V直流电，电阻R2接地；如图3所示，所述第二降压模块具有AMS1117稳压器，AMS1117稳压器的Vin端连接5V直流电，Vin端与GND端之间并联有二极管D3、电容C8及电容C10，GND端接地，Vout端与GND端并联有电容C7、电容C12、电容C11。

如图7所示，所述模数转换模块具有ADS1115模数转换器，ADS1115模数转换器的Ain0端与参考电压放大单元连接，Ain1端接地，Ain2端与检测电压放大单元连接，Ain3端接地，addr端、A/R端、Scl端、Sda端均与单片机最小系统连接。

如图8所示，所述单片机最小系统1为STM32单片机最小系统1，其具有晶振及复位电路等。

如图9所示，所述通讯模7块具有MAX3485通讯芯片，MAX3485通讯芯片的RO端、RE端、DE端、DI端均与单片机最小系统1连接进行数据传输，使得本电路可通过RS485接口进行ModBus通讯。

如图10所示，所述存储模块6具有FM24C08存储芯片，FM24C08存储芯片的A0端、A1端、A2端、WP端及GND端接地，SCL端、SDA端与单片机最小系统1连接。

如图11所示，所述红外光源为EMIRS200红外光源，如图4所示，所述红外探测器为PYD-DLB红外探测器，PYD-SF6- DLB-5218。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的部分实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于红外光谱的微量SF6泄漏监测电路，其特征在于，包括供电模块、单片机最小系统、红外光源及与所述红外光源相配合的红外探测器；所述红外探测器连接有放大模块，所述放大模块连接有模数转换模块，所述模数转换模块与所述单片机最小系统连接；所述单片机最小系统连接有通讯模块及存储模块；所述供电模块用于向所述红外光谱气体传感器电路供电；所述红外探测器具有检测电压输出端及参考电压输出端，所述放大模块具有第一检测电压放大单元、第二检测电压放大单元及参考电压放大单元，所述检测电压输出端与所述第一检测电压放大单元的输入端连接，所述第一检测电压放大单元的输出端与所述第二检测电压放大单元的输入端连接，所述参考电压输出端与所述参考电压放大单元连接。

2.根据权利要求1所述的基于红外光谱的微量SF6泄漏监测电路，其特征在于：所述第一检测电压放大单元、第二检测电压放大单元、参考电压放大单元中分别具有第一放大器、第二放大器、第三放大器；所述第一放大器的同相输入端连接基准电源，所述第一放大器的反向输入端连接所述检测电压输出端；所述第二放大器的同相输入端连接所述第一放大器的输出端，所述第二放大器的反向输入端连接所述参考电压输出端；所述第三放大器的同相输入端连接所述参考电压输出端，所述第三放大器的反向输入端与所述第三放大器的输出端之间串联有比例电阻。

3.根据权利要求2所述的基于红外光谱的微量SF6泄漏监测电路，其特征在于：所述第一放大器、第二放大器、第三放大器均采用ADA4505放大器。

4.根据权利要求1所述的基于红外光谱的微量SF6泄漏监测电路，其特征在于：所述供电模块具有第一降压模块及第二降压模块；所述第一降压模块用于向所述红外光源供电，所述第二降压模块用于向所述红外探测器、放大模块、模数转换模块、单片机最小系统、存储模块及通讯模块供电。

5.根据权利要求4所述的基于红外光谱的微量SF6泄漏监测电路，其特征在于：所述第一降压模块具有TPS5430开关电源芯片，所述第二降压模块具有AMS1117稳压器。

6.根据权利要求1所述的基于红外光谱的微量SF6泄漏监测电路，其特征在于：所述模数转换模块具有ADS1115模数转换器。

7.根据权利要求1所述的基于红外光谱的微量SF6泄漏监测电路，其特征在于：所述单片机最小系统为STM32单片机最小系统。

8.根据权利要求1所述的基于红外光谱的微量SF6泄漏监测电路，其特征在于：所述通讯模块具有MAX3485通讯芯片。

9.根据权利要求1所述的基于红外光谱的微量SF6泄漏监测电路，其特征在于：所述存储模块具有FM24C08存储芯片。

10.根据权利要求1所述的基于红外光谱的微量SF6泄漏监测电路，其特征在于：所述红外光源为EMIRS200红外光源，所述红外探测器为PYD-DLB红外探测器。

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