(西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610039)

SF6具有優(yōu)異的絕緣和滅弧性能,在電力、工業(yè)生產(chǎn)等場(chǎng)合得以廣泛應(yīng)用。在實(shí)際操作中，由于設(shè)備的制造、安裝質(zhì)量差異和設(shè)備老化等因素，不可避免地會(huì)出現(xiàn)SF6的泄漏[1]。泄漏的SF6被電擊后將產(chǎn)生有毒氣體，這不僅會(huì)危及電力安全，對(duì)大氣環(huán)境造成極大危害，而且會(huì)造成低層空間缺氧，使人窒息[2]；因此，準(zhǔn)確檢測(cè)空氣中SF6濃度，對(duì)確保設(shè)備可靠運(yùn)行、保證現(xiàn)場(chǎng)工作人員的人生安全和保護(hù)大氣環(huán)境都具有重要意義[3]。

目前對(duì)SF6濃度進(jìn)行檢測(cè)的方法有很多，如紅外吸收法、化學(xué)分析法、電暈放電法、超聲檢測(cè)法等。紅外吸收法使用的儀器體積龐大、復(fù)雜且造價(jià)高，所以紅外吸收法難以被推廣；化學(xué)分析法不宜在線檢測(cè)；電暈放電法使用的傳感器壽命較短，不能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作[4]。超聲法檢測(cè)由于具有精度高、穩(wěn)定性好且不存在二次污染等優(yōu)點(diǎn)，而得以廣泛應(yīng)用。超聲波檢測(cè)氣體濃度的方法很多，但從原理上來(lái)看，僅有2類：時(shí)差法和時(shí)間差分法(又稱為相位差法)。時(shí)差法易于實(shí)現(xiàn)，但不能達(dá)到電力系統(tǒng)對(duì)SF6氣體濃度的檢測(cè)精度要求。時(shí)間差分法雖然檢測(cè)精度高，但在實(shí)際應(yīng)用中條件苛刻，不易于實(shí)現(xiàn)，且濃度的測(cè)量范圍也比較受限。

本文結(jié)合時(shí)差法和時(shí)間差分法各自的優(yōu)點(diǎn)，基于超聲技術(shù)提出一種成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高的微量氣體濃度檢測(cè)方法——相對(duì)時(shí)差法，并使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)器件實(shí)現(xiàn)SF6濃度的相對(duì)時(shí)差法檢測(cè)。仿真結(jié)果表明，該方法的測(cè)量精度可達(dá)到10-5，相對(duì)誤差不大于1%。

1 相對(duì)時(shí)差法檢測(cè)SF6濃度的原理

時(shí)差法檢測(cè)SF6濃度的原理是固定超聲波收發(fā)距離，測(cè)出超聲波在混合氣體中傳播的時(shí)間，再根據(jù)溫度、氣體參數(shù)等條件，計(jì)算出被測(cè)氣體濃度[2,4]。因?yàn)槌暡▊鞲衅魇?、發(fā)頭的固有特性，在接收端不能檢測(cè)出前面幾個(gè)超聲波脈沖，所以時(shí)間測(cè)量誤差過大，不能達(dá)到電力系統(tǒng)對(duì)SF6氣體濃度的檢測(cè)精度要求。

時(shí)間差分法檢測(cè)SF6濃度的原理是采用2組聲程相同的超聲波傳感器，一組測(cè)超聲波在背景氣體，如空氣中的傳播時(shí)間，另一組測(cè)超聲波在被測(cè)氣體，如混合氣體中的傳播時(shí)間，利用兩者時(shí)間的差值計(jì)算出被測(cè)氣體的濃度[5]。這類方法最高精度可達(dá)10-6[5-6]，完全能滿足SF6濃度檢測(cè)要求，但這是在2組超聲波傳感器特性、聲程、背景氣體和被測(cè)氣體的溫度完全相同的情況下獲得的，在實(shí)際應(yīng)用中，這種條件是不可能滿足的。另外，檢測(cè)還要滿足2個(gè)傳播時(shí)間之差不能超過1個(gè)脈沖周期，這大大限制了它的測(cè)量范圍。

在利用相對(duì)時(shí)差法檢測(cè)微量SF6濃度時(shí)，只需要1組超聲波傳感器。圖1為相對(duì)時(shí)差法超聲檢測(cè)原理示意圖。在發(fā)送端，發(fā)射一串超聲波脈沖串。在相同溫度、聲程的條件下，超聲波脈沖串分別經(jīng)過空氣和被測(cè)混合氣體到達(dá)接收端。從圖可以看出，由于超聲波收發(fā)頭起振和超聲波在氣體中傳播能量衰減特性，導(dǎo)致前幾個(gè)脈沖檢測(cè)不出來(lái)，使得所測(cè)收發(fā)脈沖時(shí)差會(huì)比真實(shí)值大Tx。Tx是未知量，它與聲程、溫度等有關(guān)。先在檢測(cè)SF6濃度前，測(cè)出介質(zhì)為空氣時(shí)的收發(fā)脈沖時(shí)差T0,k，再測(cè)混合氣體收發(fā)脈沖時(shí)差T1,k。由于在2次檢測(cè)收發(fā)脈沖的時(shí)差時(shí)，聲程、溫度都一樣，且檢測(cè)的是微量氣體，故2次測(cè)試的Tx值不變。相對(duì)時(shí)差

ΔT=T1,k-T0,k

(1)

從式(1)可以看出，ΔT與Tx無(wú)關(guān)，從而削除了超聲波收發(fā)頭特性帶來(lái)的誤差。當(dāng)被測(cè)氣體濃度很小時(shí)，其濃度公式[6]可近似表示為

(2)

式中：L為聲程；cR為超聲波在空氣中的聲速；MO為SF6的摩爾質(zhì)量；MR為空氣的摩爾質(zhì)量；x為SF6的濃度。將式(1)代入式(2)，整理可得

(3)

圖1 相對(duì)時(shí)差法超聲氣體檢測(cè)原理示意圖

相對(duì)時(shí)差法檢測(cè)SF6濃度的誤差主要來(lái)源于電路所采用的時(shí)鐘。這種誤差同樣也存在于其他超聲波檢測(cè)氣體濃度方法中，只是很多文獻(xiàn)沒有提到。在接收端，收到的超聲波信號(hào)與電路時(shí)鐘并不同步，必定會(huì)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)。如果檢測(cè)電路采用FPGA實(shí)現(xiàn)，這一狀態(tài)將持續(xù)約3 ns[7]；因此，電路時(shí)鐘周期必須大于3 ns 。經(jīng)D觸發(fā)器采樣、同步后，得到穩(wěn)定信號(hào)，這樣產(chǎn)生ΔT的最大誤差為1個(gè)時(shí)鐘周期Tclk。由此，被測(cè)氣體誤差Δx的公式為

(4)

設(shè)定L=10 cm，MR為28.96 g /mol，MO為146.06 g/mol，不同溫度下超聲波在空氣中的速度cR為

(5)

式(5)中的T為熱力學(xué)溫度。將式(5)代入式(4)得到Tclk與Δx的關(guān)系式。

Tclk與Δx的關(guān)系由圖2給出。從圖可以看出：SF6氣體濃度誤差隨時(shí)鐘周期增加而線性增大；當(dāng)溫度越高，這一誤差隨時(shí)鐘周期增加而更快的增加。當(dāng)環(huán)境熱力學(xué)溫度為350 K、時(shí)鐘周期為100 ns時(shí)，誤差最大，為0.185 4×10-3。需要指出的是，無(wú)論時(shí)差法還是時(shí)間差分法，都有這種誤差存在，只是相關(guān)文獻(xiàn)未討論。表1給出了相對(duì)時(shí)差法與另外2種檢測(cè)方法的誤差比較結(jié)果。比較時(shí)考慮了3種方法的實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)，工作環(huán)境溫度為310 K。為公平比較，3種方法的誤差計(jì)算都采用文獻(xiàn)[7]的公式。時(shí)差法不需要2路超聲波，故沒有2種氣體溫度與2路超聲波脈寬差引起的誤差；而時(shí)間差分法測(cè)的是2路超聲波相對(duì)時(shí)間差，不需要在收端測(cè)超聲波脈沖串的起始位置，因此沒有未檢測(cè)出超聲波脈沖引起的誤差。由表1可以看出：由任一因素引起的3種檢測(cè)方法的誤差中，相對(duì)時(shí)差法都是最小的，最后統(tǒng)計(jì)的誤差總和自然也是它最??；時(shí)間差分法采用2組超聲波收發(fā)器，檢測(cè)設(shè)備復(fù)雜，總誤差卻比相對(duì)時(shí)差法大1個(gè)數(shù)量級(jí)；時(shí)差法檢測(cè)誤差過大，不宜用于微量氣體濃度檢測(cè)。

圖2 Tclk與Δx的關(guān)系

表1 3種檢測(cè)方法的誤差比較

2 相對(duì)時(shí)差法的FPGA實(shí)現(xiàn)

相對(duì)時(shí)差法檢測(cè)SF6濃度的主要功能是由Altera公司的Cyclone II EP2C8Q208C8完成。該器件具有成本低、速度快、邏輯單元密度高等優(yōu)點(diǎn)[8]。FPGA實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的功能模塊劃分如圖3所示。器件工作分為2種模式：T0,k檢測(cè)模式和SF6濃度檢測(cè)模式。這2種模式可以通過按鍵來(lái)選擇。器件首先工作在T0,k檢測(cè)模式下。設(shè)備放置在空氣環(huán)境中，溫度由253 K升到333 K(即由-20 ℃升至60 ℃)，T0,k/T1,k檢測(cè)模塊在溫度每上升0.5 K就測(cè)1個(gè)T0,k值。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將ds1820溫度傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)處理并轉(zhuǎn)換為并行地址。這樣，F(xiàn)PGA就可以將溫度與測(cè)得的T0,k值對(duì)應(yīng)起來(lái)，存入T0,k存儲(chǔ)模塊中。為避免掉電引起T0,k數(shù)據(jù)丟失，該設(shè)備采用不間斷電源。T0,k檢測(cè)模式結(jié)束后，器件就可以正常工作在SF6濃度檢測(cè)模式下。在這工作模式下，F(xiàn)PGA首先根據(jù)測(cè)得的溫度值，在T0,k存儲(chǔ)模塊中找出對(duì)應(yīng)的T0,k，然后由T0,k/T1,k檢測(cè)模塊利用收發(fā)超聲波脈沖串測(cè)得T1,k，再由SF6濃度計(jì)算模塊根據(jù)T0,k、T1,k和溫度值(用于計(jì)算空氣中的超聲波速度)按式(3)計(jì)算出SF6的濃度，最后將濃度數(shù)據(jù)由顯示模塊轉(zhuǎn)換送給數(shù)碼管顯示。

圖3 FPGA實(shí)現(xiàn)SF6濃度檢測(cè)功能模塊圖

在FPGA設(shè)計(jì)中，最重要的是SF6濃度計(jì)算模塊。溫度變化范圍為253 K到333 K，如果每0.5 K取1個(gè)值，共有161個(gè)值。如果用0到160分別表示253 K到333 K，只需8位數(shù)據(jù)總線表示即可。由式(3)可得，在微量濃度下，T1,k-T0,k與x成正比，每個(gè)溫度值對(duì)應(yīng)1個(gè)(2cR/L)/[(MO/MR)-1]；因此，可以事先將這161個(gè)值存于ROM中， 運(yùn)算時(shí)FPGA先根據(jù)由環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換而成的ROM地址，從ROM中找出Z=(2cR/L)/[(MO/MR)-1]的值，再由FPGA獲取的T1,k、T0,k的值計(jì)算出T1,k-T0,k，最后按式(3)計(jì)算出結(jié)果x。這一實(shí)現(xiàn)方案充分考慮到FPGA有豐富的片內(nèi)RAM，可以非常容易地配置為ROM，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵的運(yùn)算功能，無(wú)需耗費(fèi)大量的邏輯單元，大大提高了速度。經(jīng)Quartus II軟件綜合后，電路占用器件邏輯資源小于1%，占用存儲(chǔ)單元僅為2%，器件工作速度可以達(dá)到154 MHz以上。

FPGA計(jì)算SF6濃度的仿真結(jié)果，如圖4所示。仿真溫度設(shè)為300 K，換為ROM存儲(chǔ)地址后T為94，對(duì)應(yīng)的參數(shù)Z的值為1 796.9，經(jīng)過T0,k/T1,k檢測(cè)模塊得出T0,k、T1,k的值在虛線a處分別為2.881 0×

10-4s和2.881 5×10-4s，在虛線b處FPGA計(jì)算出對(duì)應(yīng)的x值為8.584 5×10-5。與實(shí)際SF6濃度8.665 1×10-5的相對(duì)誤差為0.930 2%，不超過1%，這和用公式(3)的結(jié)果完全一致。

圖4 相對(duì)時(shí)差法測(cè)SF6氣體濃度的仿真結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以混合氣體中SF6濃度測(cè)量為研究背景，結(jié)合時(shí)差法和時(shí)間差法的優(yōu)點(diǎn)，利用相對(duì)時(shí)間差法進(jìn)行分析，得出二元混合氣體中濃度、聲速和相對(duì)時(shí)間差存在的函數(shù)關(guān)系。仿真結(jié)果表明，利用超聲技術(shù)的相對(duì)時(shí)差法測(cè)量SF6氣體濃度具有電路簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，其測(cè)量精度能達(dá)到10-5，相對(duì)誤差不大于1%。相對(duì)時(shí)差法不僅適用于空氣中FS6濃度的測(cè)量，而且在修改公式中的參數(shù)后能用于檢測(cè)其他二元混合氣體濃度；因此，它在微量氣體濃度測(cè)量領(lǐng)域中，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]郭利民，趙紅梅，呂運(yùn)朋，等．SF6氣體泄漏環(huán)境在線智能檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]． 儀表技術(shù)與傳感器，2011 (8) : 76-78．

[2]蔡藝劇，黃勇，尹遴，等.一種新的微量氣體濃度檢測(cè)方法[J].化工自動(dòng)化及儀表，2012,39(4)：477-479.

[3]朱昌平，單鳴雷，劉永富，等． 基于 CPLD 的SF6微量氣體濃度檢測(cè)儀[J]． 儀器儀表學(xué)報(bào)，2005，26(s1) : 448-449．

[4]王明偉，姚展．一種二元混合氣體濃度超聲測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)[J]．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18(12) : 2908-2910．

[5]張曉花，朱昌平，單鳴雷，等． 超聲寬量程微量氣體濃度檢測(cè)的仿真研究[J]． 聲學(xué)技術(shù)，2008，27(1):40-43．

[6]單鳴雷，王月慶，朱昌平，等．微量濃度二元混合氣體的超聲檢測(cè)研究[J]．壓電與聲光，2009，31(1):129-131．

[7]陽(yáng)小明．高速異步FIFO的實(shí)現(xiàn)[J]．西華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，24(4):77-79.

[8]宋澤琳，鄭恩讓，馬令坤． 基于 FPGA 的電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)算法研究及實(shí)現(xiàn)[J]． 化工自動(dòng)化及儀表，2011，38(6) : 713- 717．