陳云雷，韓　強(qiáng)

(東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上?！?01620)

0　引言

目前，變壓器油中氣體主要檢測H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2這7種氣體，其中對(duì)CO2氣體的檢測主要運(yùn)用的是色譜法和光學(xué)吸收法。色譜法檢測CO2氣體主要使用氫火焰離子檢測器，氫火焰離子檢測器需要使用H2作為載氣，考慮到需要檢測樣氣中H2含量，采用此種方法需要使用兩種載氣，氣路過于復(fù)雜。而光學(xué)吸收法檢測CO2氣體不影響樣氣成分，而且靈敏度高、精度高、響應(yīng)快、體積小、壽命長，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)分析。因此，光學(xué)吸收法正成為目前CO2氣體濃度測量領(lǐng)域發(fā)展的新方向。

課題采用紅外吸收型CO2傳感器，并通過分析CO2濃度紅外檢測技術(shù)原理和方法，給出了其硬件實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)方案。所述的紅外CO2濃度檢測器采用了新型脈沖調(diào)制紅外光源，選用了小型氣體傳感器，并通過精度為14位A/D轉(zhuǎn)換電路和放大電路對(duì)其產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行采集。以TMS320LF2407單片機(jī)為核心的處理系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后，在上位機(jī)軟件上實(shí)時(shí)地顯示出精確的CO2濃度值。

1　CO2檢測意義及原理

變壓器中的CO2主要來源是以纖維素為主要成分的絕緣材料的老化和分解。因此，通過檢測樣氣中CO2的濃度可以確定變壓器的故障是否由于纖維素過熱所導(dǎo)致。

紅外吸收型CO2氣體傳感器是基于氣體的吸收光譜隨物質(zhì)的不同而存在差異的原理制成的，通過檢測氣體對(duì)光的波長和強(qiáng)度的影響，便可以確定氣體的體積分?jǐn)?shù)。當(dāng)紅外光通過待測氣體時(shí)，氣體分子對(duì)特定波長的紅外光進(jìn)行吸收，其吸收關(guān)系服從Lamber-Beer 定律，由此定律可得出射光的強(qiáng)度為

I1=I0e-KcL

式中：K為吸收系數(shù)；c為氣體濃度；L為氣室長度；I0為入射光強(qiáng)度；I1為出射光強(qiáng)度。

通過上式可以得出I1和CO2氣體濃度呈指數(shù)關(guān)系，存在著一定的非線性因數(shù)，這就要求后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作中要采用相關(guān)的數(shù)據(jù)方法來保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2　CO2檢測器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CO2檢測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1所示。

圖1　CO2檢測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

檢測器選用了PYS3228TC G2/G20紅外氣體傳感器和IRL715紅外光源。PYS3228TC G2/G20紅外氣體傳感器上有2個(gè)濾光片，其中一個(gè)通道只允許CO2分子能夠吸收的波長為4.26 μm的紅外光通過，所以到達(dá)此通道的光強(qiáng)反映了CO2的濃度；通過另外一個(gè)4.00 μm濾光片通道的光強(qiáng)則反映了氣室內(nèi)除了CO2以外其他混合氣體的濃度變化情況[1]。IRL715紅外光源發(fā)出的波長范圍為從可見的光波長到4.4 μm，檢測器的氣室采用了一體化設(shè)計(jì)，氣室總長為100 mm，具有體積小、抗震性好、抗腐蝕等特點(diǎn)。氣室的圓柱型結(jié)構(gòu)和內(nèi)壁鍍膜技術(shù)最大程度上減小了光線在傳播過程中的損耗，增加了光強(qiáng)并延長了光程的長度，這就表示紅外光在測量過程中將經(jīng)過更多的氣體，得到更多的信息。

3　檢測電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

檢測器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　CO2檢測器電路原理框圖

紅外傳感器對(duì)光強(qiáng)的變化是敏感的，而對(duì)光的絕對(duì)強(qiáng)度不敏感，因此必須利用脈沖信號(hào)對(duì)其進(jìn)行調(diào)制，在設(shè)計(jì)中采用了1 s開、5 s關(guān)的間歇工作模式，這樣做一方面使光源調(diào)制深度加強(qiáng)，另一方面減小儀器功耗并延長光源的使用壽命，最重要的是在此工作模式下，傳感器、放大器和其他元件的寄生熱減少，可以極大提高系統(tǒng)的信噪比和穩(wěn)定性。電路連接如圖3所示。

圖3　信號(hào)放大電路連接圖

由于CO2檢測器采樣電路采集的信號(hào)微弱，為mV級(jí)，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定可靠放大電路將電信號(hào)放大，以便后續(xù)處理。如圖3所示，系統(tǒng)采用精密運(yùn)放OPA2235與LF351M構(gòu)成二級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)，具有低噪聲、零漂小的特點(diǎn)。輸出信號(hào)通過低通電路對(duì)采樣信號(hào)中的高頻成分進(jìn)行濾波處理，再通過下位機(jī)DSP程序和上位機(jī)程序的軟件濾波方法剔除低頻干擾，有效提高了A/D的采樣精度。

4　軟件程序設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)：下位機(jī)控制程序是以TMS320LF2407為硬件平臺(tái)編寫，與CO2檢測器有關(guān)的主要模塊有檢測模塊和通訊模塊；上位機(jī)界面控制軟件在VC++6．0環(huán)境中編寫，與CO2檢測器有關(guān)的主要模塊有通訊模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。

檢測模塊：主要是采集CO2檢測器輸出的電壓信號(hào)，并通過下位機(jī)上的A/D轉(zhuǎn)換芯片把輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。在下位機(jī)程序中，對(duì)采集來的數(shù)字信號(hào)做初步的數(shù)據(jù)處理后，把該數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)串口通信傳遞給上位機(jī)進(jìn)行處理。

通訊模塊：采用RS-232串口通信，主要完成上位機(jī)和下位機(jī)之間的信號(hào)傳輸。鑒于標(biāo)準(zhǔn)的Modbus口與RS-232串行接口兼容，且檢測系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)為中等規(guī)模，因此采用Modbus作為現(xiàn)場總線通信協(xié)議[2]，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞與獲取。同時(shí)考慮到實(shí)際工作需要，選用光纖延長通信距離。

數(shù)據(jù)處理模塊：上位機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分析處理，并把處理所得的數(shù)據(jù)保存到指定的數(shù)據(jù)庫中。

5　數(shù)據(jù)處理及分析

5．1數(shù)字濾波算法

數(shù)字濾波就是通過一定的計(jì)算程序，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行某種處理，從而消除或減弱干擾的影響，提高測量的可靠性和精度。數(shù)字濾波是由軟件算法來實(shí)現(xiàn)的，實(shí)驗(yàn)中信號(hào)在下位機(jī)和上位機(jī)程序中都進(jìn)行了數(shù)字濾波。

下位機(jī)數(shù)字濾波：采用去極值平均濾波法[3]。去極值濾波就是將連續(xù)測量的n個(gè)采樣值按照大小順序排序，然后去掉最大值和最小值，最后對(duì)剩下的n-2個(gè)采樣值求取平均值，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

當(dāng)n較小時(shí)，平滑度低，但靈敏度高。而且n越大，表明采樣值的個(gè)數(shù)越多，這樣進(jìn)行一次運(yùn)算獲得一個(gè)有效數(shù)據(jù)的時(shí)間就越長，所以應(yīng)視具體情況選取n.根據(jù)整個(gè)裝置的運(yùn)行流程和多次試驗(yàn)，確定取n=10進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)時(shí)計(jì)算時(shí)間占用少，效果比較好。

上位機(jī)濾波：采用的是移動(dòng)平均濾波法[3]。移動(dòng)平均濾波先在單片機(jī)的緩沖區(qū)中存入n個(gè)數(shù)據(jù)，然后每進(jìn)1個(gè)采樣值，就將最早測量的數(shù)據(jù)去掉，對(duì)剩下的n個(gè)數(shù)據(jù)再取算術(shù)平均值。這樣，每測量1個(gè)采樣值，就去掉1個(gè)數(shù)據(jù)，使得每次獲得的平均值都是新數(shù)據(jù)，從而提高了數(shù)據(jù)處理的速度，減少了對(duì)控制系統(tǒng)占用時(shí)間。

5．2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

檢測器的CO2標(biāo)定范圍是0～16 000 ppm(1 ppm=10-6)，采用24組不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行試驗(yàn)：CO2紅外檢測器采集CO2濃度信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大器、A/D轉(zhuǎn)換器并進(jìn)行數(shù)字濾波后，傳遞給上位機(jī)1個(gè)相應(yīng)的峰高值，并顯示在屏幕上。

標(biāo)定過程中，對(duì)采樣信號(hào)的數(shù)字濾波僅在下位機(jī)程序中進(jìn)行。標(biāo)氣多次試驗(yàn)，取峰高平均值并記錄該數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　氣體濃度與其對(duì)應(yīng)的峰高

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，繪制出CO2濃度多項(xiàng)式擬合曲線圖，如圖4中曲線1所示。

通過對(duì)表1數(shù)據(jù)和圖4線1的觀察，考慮到控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度和精度，需要對(duì)CO2濃度擬合曲線進(jìn)行簡化處理，簡化成0～800 ppm，800～3 000 ppm，3 000～6 000ppm、6 000～11 000ppm和11 000～16 000 ppm五段進(jìn)行一次線性擬合，如圖4中曲線2所示。

圖4　CO2濃度線性擬合曲線圖

擬合曲線程序編寫完成后，必須對(duì)擬合曲線的精度進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中，信號(hào)經(jīng)過了下位機(jī)程序和上位機(jī)程序2次濾波。用12組不同濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)該裝置進(jìn)行校準(zhǔn)：代入簡化的擬合曲線公式，經(jīng)計(jì)算得到此時(shí)的樣品中CO2的濃度。

獲得的數(shù)據(jù)記入表2。

表2　標(biāo)準(zhǔn)氣體中CO2濃度和對(duì)應(yīng)的裝置所測得濃度

由表2可知，檢測器測量所得誤差均在±0.5%之內(nèi)，精度較高，在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[4]允許的誤差范圍之內(nèi)。因此，所采用的分段一次線性擬合曲線是合適的，能滿足數(shù)據(jù)處理精度要求。

5．3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

氣體對(duì)溫度變化反應(yīng)非常靈敏，因此相同濃度的CO2氣體進(jìn)入CO2紅外檢測器時(shí)，由于標(biāo)樣工作狀態(tài)與實(shí)際監(jiān)測狀態(tài)間隔時(shí)間較長，且工作環(huán)境不一樣，雖然擬合曲線的線型不發(fā)生變化，但起始點(diǎn)(0 ppm)所對(duì)應(yīng)的峰高值會(huì)有所變化，擬合曲線

會(huì)發(fā)生整體移動(dòng)。為了消除這種誤差，必須對(duì)擬合曲線程序進(jìn)行自適應(yīng)設(shè)計(jì)：在儀器開始運(yùn)行時(shí)，檢測器充滿載氣(純度為99.99%的氮?dú)?的情況下，進(jìn)行起始點(diǎn)校準(zhǔn)，把此時(shí)采集到的峰高值作為起始點(diǎn)(0 ppm)的對(duì)應(yīng)值，并且在此時(shí)對(duì)擬合曲線進(jìn)行重繪，擬合曲線整體發(fā)生移動(dòng)，減小外部環(huán)境變化引起的誤差。

上位機(jī)采集用以計(jì)算的峰高數(shù)據(jù)時(shí)，必須控制好采樣時(shí)間：起始點(diǎn)的校準(zhǔn)必須在裝置充滿載氣的情況下進(jìn)行；對(duì)樣氣的采集也必須在樣氣充滿裝置的情況下進(jìn)行。同時(shí)對(duì)于采集來的數(shù)據(jù)并不能馬上用以計(jì)算，程序應(yīng)進(jìn)行數(shù)字濾波并且多次采樣取平均值減小誤差，以獲得更加精確的采樣結(jié)果。

6　結(jié)束語

依據(jù)Beer-Lambert定理和紅外吸收原理設(shè)計(jì)了CO2的檢測器及其檢測電路，并通過軟件對(duì)濃度在0～16 000 ppm之間的CO2氣體的大量測試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，確定擬合公式，并通過標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行試驗(yàn)校準(zhǔn)。通過采用硬件電路濾波和數(shù)字濾波相結(jié)合方法，極大地提高了A/D采樣的精度；利用脈沖信號(hào)調(diào)制光源，提高了光源的穩(wěn)定性和使用壽命。通信電路采用RS-232通信與光纖通信相結(jié)合的方法，提高了傳輸速率、傳輸距離以及傳輸?shù)目煽啃?，完全能滿足在線監(jiān)測變壓器油中CO2氣體含量的要求。

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