李莎

(陜西工商職業(yè)學(xué)院工程管理系，陜西西安 710119)

0 引言

SF6氣體是無(wú)色、無(wú)嗅、不燃、無(wú)毒的惰性氣體，具有優(yōu)良的絕緣性能，且不會(huì)老化變質(zhì)。它的密度約為空氣的5倍。SF6氣體作為電氣設(shè)備絕緣或滅弧的理想材料。并且由于具有運(yùn)行安全可靠、維護(hù)工作量少、占地面積小的優(yōu)點(diǎn)得到了極其廣泛的應(yīng)用［1-2］。但是SF6氣體由于具有無(wú)色、無(wú)嗅以及基本無(wú)毒的特點(diǎn)，因此無(wú)法用感覺(jué)器官去查看它，當(dāng)SF6氣體混入空氣時(shí)，會(huì)使絕緣強(qiáng)度下降，對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行及人身安全影響較大，因此對(duì)設(shè)備中SF6氣體的檢測(cè)就顯得尤其重要。

當(dāng)前，傳統(tǒng)的檢測(cè)儀器檢測(cè)效率偏低，且涉及檢測(cè)人員人身安全。并且伴隨著SF6大量的使用，由于SF6檢測(cè)的局限性和時(shí)效性，傳統(tǒng)的檢測(cè)儀器已不能精確、實(shí)時(shí)、高效地定位 SF6氣體泄露位置等缺點(diǎn)，已不滿足應(yīng)用要求［3］。為了設(shè)備的正常運(yùn)行、減少設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用、保護(hù)維護(hù)人員的身體健康，開(kāi)發(fā)一種高效率、高精度、便攜式的檢測(cè)SF6氣體泄露的成像儀器就顯得尤為重要。

基于上述原因本文設(shè)計(jì)了一種采用紅外線檢測(cè)技術(shù)的SF6泄漏檢測(cè)儀。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 總體設(shè)計(jì)

本文采用激光發(fā)射器，紅外成像儀和可見(jiàn)光攝像機(jī)為檢測(cè)模塊，設(shè)計(jì)了一種高精度，高效率，便攜式的SF6泄漏檢測(cè)儀。系統(tǒng)地整體框架如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)圖

由系統(tǒng)的整體框架可以將整個(gè)系統(tǒng)分為以下四個(gè)子模塊:信號(hào)采集模塊 ，信號(hào)處理與控制模塊，電源模塊，輔助模塊。

1.2 設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 SF6氣體激光成像儀工作原理圖

激光器單元發(fā)射的激光到達(dá)被檢測(cè)區(qū)域，返回的數(shù)據(jù)信息經(jīng)信息處理后，通過(guò)液晶顯示器顯示被測(cè)區(qū)域的紅外成像。由于SF6氣體對(duì)紅外光線(波長(zhǎng)為10.55 μm)具有強(qiáng)烈的吸收作用，當(dāng)檢測(cè)區(qū)域存在SF6氣體時(shí)，在背景物體上反射而返回的激光經(jīng)紅外探測(cè)儀單元檢測(cè)并發(fā)送到ARM，ARM對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，傳輸?shù)揭壕э@示器成像［4］，此時(shí)反射到檢測(cè)設(shè)備的紅外光線能量會(huì)急劇地減弱，從而使通?？床坏降腟F6氣體在液晶顯示器上變得清晰可見(jiàn)，并成黑色煙狀飄散，并且隨著氣體濃度不同，黑度也不同［5］，激光探頭可以精確地定位激光檢測(cè)區(qū)域，從而達(dá)到提高精確度與檢測(cè)功效，快速定位氣體位置的目的。

1.3 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集子模塊負(fù)責(zé)對(duì)泄漏區(qū)域SF6紅外圖像與普通可見(jiàn)光圖像兩路源信號(hào)的采集［5］，以便向后將信息傳入控制模塊及信息處理模塊對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理和顯示。

信號(hào)采集模塊主要由激光器、紅外攝像儀以及可見(jiàn)光攝像機(jī)組成。這里激光器選取大通公司Lasy5型激光器。

1.4 信號(hào)處理與控制模塊

該模塊主要由ARM9，F(xiàn)PGA芯片、觸摸顯示屏組成。負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)檢測(cè)儀內(nèi)部各個(gè)部分進(jìn)行控制以及對(duì)輸入的兩路圖形信號(hào)進(jìn)行處理。

信號(hào)處理流程如圖3所示。

圖3 信號(hào)處理流程圖

ARM中移植了Linux操作系統(tǒng)，利用Linux系統(tǒng)編寫(xiě)控制軟件對(duì)整個(gè)軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行控制。此軟件可完全由觸摸屏操作，包括激光器開(kāi)關(guān)控制，激光器功率控制，激光器功率指示條，雙路圖像畫(huà)中畫(huà)控制，灰度值超過(guò)警戒值降低激光器功率，支持實(shí)時(shí)時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)按時(shí)間信息命名視頻AVI格式存儲(chǔ)、JPG格式存儲(chǔ)，可選擇實(shí)時(shí)監(jiān)視和回放模式，支持SD卡存儲(chǔ)，在回放模式下支持六宮格顯示圖像，探測(cè)器相關(guān)功能控制，以一個(gè)功能切換鍵選擇是探測(cè)器控制還是后續(xù)圖像控制。FPAG接受紅外相機(jī)傳來(lái)的紅外視頻信息，將像信息進(jìn)行壓縮，編解碼以及圖像增強(qiáng)的處理［6］，將處理后的信息輸出到顯示屏上以便用戶(hù)做出判斷。

針對(duì)以往紅外圖像顯示為黑白效果，可辨別性差的缺點(diǎn)，在FPGA圖像處理算法中加入偽彩算法，顯示效果更加良好。

1.5 電源模塊

主要是提供整個(gè)系統(tǒng)中各部分運(yùn)行所需電源，采用鋰離子充電電池作為檢測(cè)儀的電源。

1.6 輔助模塊

輔助模塊包括:激光探頭、濾光片。本文采用激光器發(fā)出的光線為不可見(jiàn)光，加入可以產(chǎn)生可見(jiàn)光的激光探頭，激光探頭會(huì)再被測(cè)區(qū)域背景上顯示十字標(biāo)線。在實(shí)際檢測(cè)中可以通過(guò)此標(biāo)線精確的定位被測(cè)區(qū)域，能夠提高檢測(cè)效率。

考慮到實(shí)際檢測(cè)中可能有其他光線的干擾，因此在散射鏡頭組前增加濾光片，提高了設(shè)備的抗干擾能力。

2 實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)人員將SF6氣瓶通過(guò)閥門(mén)接到直徑為2 mm的細(xì)管上，將細(xì)管出口段固定在墻上，通過(guò)閥門(mén)將出氣量調(diào)至SF6定量分析儀能檢測(cè)到的最低值，在距離墻壁15 m的距離運(yùn)用本激光SF6檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)錄像［7］能夠清晰的看到氣體泄漏位置及溢出的氣體形狀。測(cè)試錄像截圖如圖4。

圖4 測(cè)試圖像截圖

此結(jié)果說(shuō)明該激光SF6檢測(cè)儀具有高性能，遠(yuǎn)距離，檢測(cè)精度高的特點(diǎn)，給設(shè)備的檢修提供了重要的依據(jù)，同時(shí)也確保了檢測(cè)人員的人身安全。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的激光SF6檢測(cè)儀，利用高分辨率攝像機(jī)和紅外成像儀，運(yùn)用激光紅外技術(shù)對(duì)SF6氣體進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果以紅外圖像和普通圖像雙路顯示，結(jié)果直觀看見(jiàn)，檢測(cè)精度有明顯的提高。同時(shí)運(yùn)用灰度報(bào)警能夠明顯提高設(shè)備的使用壽命。

實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該監(jiān)測(cè)儀具有高性能、遠(yuǎn)距離、高精度、便攜式的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高壓設(shè)備安全精確的檢測(cè)且運(yùn)行可靠，工作穩(wěn)定，有效提高了測(cè)量精度。

［1］高凱，李國(guó)鈺，張瑞梅，等.SF_6氣體在中高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備中的安全使用［J］.電氣應(yīng)用，2009，(02):15-18.

［2］周輝，邱毓昌，仝永剛，等.N_2/SF_6混合氣體的絕緣特性［J］.高壓電器，2003，(05):13-15.

［3］邱毓昌，馮允平.SF_6/N_2混合氣體絕緣強(qiáng)度的計(jì)算［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1993，(S1):59-64.

［4］張秋林，夏靖波，邱婧，等.基于ARM和FPGA的雙路遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.液晶與顯示，2011，(06):780-784.

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［6］周曉燕，王建明，王鋒.基于ZigBee技術(shù)的紅外線轉(zhuǎn)速檢測(cè)方案的設(shè)計(jì)［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2009，(03):121-124.

［7］劉崧，戚小平，鐘雙英.CCD攝像機(jī)原理及應(yīng)用［J］.中國(guó)有線電視，2005，(14):1417-1419.