熊 娓鄭州大學(xué)，河南鄭州 450000

SF6紅外傳感器加熱除霧裝置設(shè)計

熊 娓
鄭州大學(xué)，河南鄭州 450000

由于六氟化硫（SF6）氣體具有很強(qiáng)的負(fù)電性、優(yōu)異的絕緣和滅弧性，而被作為絕緣和滅弧介質(zhì)而廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)。然而，由于設(shè)備的制造、安裝、質(zhì)量差異以及設(shè)備老化等因素的影響，SF6氣體設(shè)備難免會發(fā)生泄漏。一旦SF6氣體泄漏之后，不僅影響了設(shè)備的正常運(yùn)行，還會危及工作人員的生命財產(chǎn)安全。因此，本論文根據(jù)電力工業(yè)中SF6氣體設(shè)備室的環(huán)境要求，針對現(xiàn)有的SF6氣體檢漏設(shè)備的不足，設(shè)計出了SF6紅外傳感器加熱除霧裝置。

SF6氣體；串口通信；加熱除霧；紅外線傳感器

1 概述

1）背景。電力系統(tǒng)中的六氟化硫（SF6）氣體主要充當(dāng)絕緣和滅弧介質(zhì)，氣體SF6是一種化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定的物質(zhì)，具有不燃燒的特性以及優(yōu)異的絕緣性能和滅弧性能，因此，被廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)高壓電器中。

在裝有SF6氣體的GIS室中，由于SF6氣體密度的降低或者水分的增加，會降低SF6氣體的作用。因此，準(zhǔn)確檢測SF6氣體是否泄漏以及年泄漏量的多少，不但可以確保電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，避免重大事故的發(fā)生，而且還可以為現(xiàn)場的工作人員提供人身健康保障。

2）科學(xué)方法?？諝庵形⒘康腟F6氣體檢測是比較困難的，目前國內(nèi)外廣泛運(yùn)用的是紅外吸收光譜法。利用紅外吸收光譜法，又稱紅外分光光度法，是利用物質(zhì)對紅外電磁輻射的選擇性吸收的特性來對物質(zhì)進(jìn)行定性定量分析。因?yàn)楣廨椛湓跉怏w中傳播時，氣體分子會對光輻射進(jìn)行吸收散射而衰減，因此，利用氣體在某一特定波段的吸收特性可以實(shí)現(xiàn)對該氣體的檢測。不同的物質(zhì)特征吸收光譜不同，其中SF6氣體對波數(shù)為948cm-1的紅外光具有很強(qiáng)的吸收作用。

3）裝置。SF6氣體紅外檢漏儀的核心部件是SF6氣體紅外傳感器。SF6紅外傳感器就是在SF6氣體吸收能力較強(qiáng)的這一波段內(nèi)，根據(jù)SF6氣體對紅外光的吸收能力的檢測，就能夠?qū)崿F(xiàn)對SF6氣體定量檢測。

由傳感器的內(nèi)部的發(fā)射端發(fā)射波長為大約為10.55μm的紅外光，傳感器末端有個鏡面。當(dāng)紅外光照射到鏡面上時，就會發(fā)生反射，被SF6氣體吸收后，再利用接收端收集SF6氣體。用電子測量系統(tǒng)來處理該波長的紅外光強(qiáng)度變化與SF6氣體的濃度關(guān)系，就可以得出SF6氣體的濃度。

4）發(fā)現(xiàn)并提出問題。SF6氣體紅外傳感器內(nèi)置鍍金反光杯，在濕度較大的環(huán)境下，反光杯會凝結(jié)呈霧狀，在這種情況下，反光杯的反光性能大大降低，光能量損失很大，傳感器無法正常工作，檢測結(jié)果存在很大誤差，這時對SF6氣體紅外檢漏儀來說，就會造成誤報或漏報。

解決此問題，具體研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面：（1）選擇合適的加熱裝置，這里需要考慮電源，加熱功率，加熱裝置和傳感器的連接結(jié)構(gòu)等問題；（2）溫度控制方式和實(shí)現(xiàn)問題；（3）加熱裝置對傳感器性能有無影響，若有，如何消除這種影響。

總之，要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)就是傳感器反光杯不會出現(xiàn)凝結(jié)，特別是濕度較大的場合。這樣一來，SF6氣體紅外檢漏儀就可適應(yīng)南方潮濕環(huán)境，從而在南方推廣此類儀器的應(yīng)用，其意義不言而喻。

2 紅外線加熱除霧裝置基本原理以及相關(guān)技術(shù)

1）裝置架構(gòu)組成。本裝置由收集與傳輸裝置（傳感器）、處理分析及控制裝備（STM32）以及顯示設(shè)備（計算機(jī)軟件）3部分組成。傳感器用于加熱、產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳送與接收數(shù)據(jù)；STM32用于接收并分析數(shù)據(jù)，并控制傳感器進(jìn)行加熱；計算機(jī)軟件用于顯示實(shí)時數(shù)據(jù)并及時產(chǎn)生錯誤提醒。三者之間都是通過USB接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)接受與傳輸。

2）傳感器。（1）SF6紅外傳感器。紅外SF6傳感器（六氟化硫傳感器）具有高可靠性，長壽命，高性價比。不受H2O，酒精，CO2等氣體干擾。它廣泛地用于電力設(shè)備的SF6氣體泄漏監(jiān)控報警系統(tǒng)（0～100ppm）中，SF6檢漏儀（0～50ppm），SF6檢漏儀純度分析儀（0～100%）。

與單波長、單光束相比，雙波長、雙光束技術(shù)可避免因光源老化、采樣池和檢測器表面的污染而引起的漂移。與通道的被調(diào)制的特定波長的單色光不會對被測量氣體產(chǎn)生吸收相比，它產(chǎn)生一個穩(wěn)定的信號，此信號只受外部的影響而發(fā)生變化，不受被測量氣體的影響。

電力行業(yè)使用的數(shù)字量SF6傳感器通常的型號有SM-SF6，SMC-SF6，SMF-SF6，SMP-SF6等。目前，一些電力服務(wù)商依舊使用的是電化學(xué)原理的SF6傳感器，這種傳感器并不能滿足電力行業(yè)的低量程的SF6測試，但利用紅外原理的SF6傳感器就可以定制這些量程。

（2）系統(tǒng)接口。傳感器的數(shù)據(jù)要傳送入STM32，就需要提供相應(yīng)的接口，重要的是該接口應(yīng)該具備高速傳輸信息的能力，而USB在傳輸速度及便捷靈活方面的性能要優(yōu)于其它接口，因此這里的傳輸接口應(yīng)選用USB接口作為傳輸接口。

3）STM32。（1）AD轉(zhuǎn)換部分。比較常見的A/D轉(zhuǎn)換電路有：積分型、逐次比較型、并行比較型/串并行比較型、Σ-Δ調(diào)制型。初期的A/D轉(zhuǎn)換器大多采用積分型，目前逐次比較型已成為主流。

我們這里采用的是逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換電路。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器是由一個比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、緩沖寄存器及控制邏輯電路組成的。

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換電路的基本原理是從MSB開始，從高位到低位逐次進(jìn)行試探比較，將每一位輸入電壓與內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器輸出順次進(jìn)行比較，經(jīng)n次比較后，輸出數(shù)字值。逐次比較法A/D轉(zhuǎn)換電路的操作是在一個控制電路的控制下進(jìn)行的。

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換電路在初始化時，將逐次比較式寄存器各位全部清零。轉(zhuǎn)換開始后，將逐次比較式寄存器最高位置1，將其送入D/A轉(zhuǎn)換器，隨后將轉(zhuǎn)換后生成的模擬量Vo送入比較器，與送入比較器中的待轉(zhuǎn)換的模擬量Vi進(jìn)行比較。當(dāng)Vo＜Vi時，該位1被保留，否則就被清除。然后置逐次比較式寄存器次高位為1，將寄存器中新的數(shù)字量送入D/A轉(zhuǎn)換器。再按之前的方法比較Vo與Vi。重復(fù)此過程至逐次比較式寄存器最低位。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將逐次比較式寄存器中的數(shù)字量送入緩沖寄存器并輸出。

逐次比較型AD轉(zhuǎn)換電路的電路規(guī)模屬于中等。它具有速度快、功耗低，在低分辯率時價格便宜，但高精度時價格很高的特點(diǎn)，它的轉(zhuǎn)換時間呈微秒級。

（2）串口通信部分。傳輸原理：數(shù)據(jù)按位順序傳輸。優(yōu)點(diǎn)：占用引腳資源少。缺點(diǎn)：速度相對較慢。

按照數(shù)據(jù)傳送方向，分為單工、半雙工、全雙工。

單工只支持?jǐn)?shù)據(jù)在一個方向上傳輸。半雙工則允許數(shù)據(jù)在兩個方向上傳輸。但在某一時刻，只允許數(shù)據(jù)在一個方向上傳輸。如此看來，半雙工實(shí)際上是一種切換方向的單工通信。而全雙工允許數(shù)據(jù)在兩個方向上同時傳輸?？梢娙p工通信是由兩個單工通信方式結(jié)合而成，發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備擁有獨(dú)立的接收發(fā)送的能力。

我們采用的是UART異步通信方式。UART異步通信方式采用全雙工異步通信方式，由分?jǐn)?shù)波特率發(fā)生器系統(tǒng)來提供精確的波特率（發(fā)送和接受共用可編程波特率，最高達(dá)到4.5Mbits/s）。它具有8位或9位數(shù)據(jù)字長度、支持1或者2位停止位、可配置的使用DMA多緩沖器通信、單獨(dú)的發(fā)送器和接收器使能位。它有四個錯誤檢測標(biāo)志，采用校驗(yàn)控制。它還有多個帶標(biāo)志的中斷源，采用觸發(fā)中斷。

串口通信在這過程中起到相當(dāng)重要的作用。在與傳感器之間的通信協(xié)議匹配之后，能把傳感器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

（3）I/O口控制繼電器。繼電器線圈是感性負(fù)載，最好加隔離，至少要有續(xù)流二極管，不然很容易燒。并且用三極管做開關(guān)來控制，因?yàn)閱纹瑱C(jī)驅(qū)動電流有限，驅(qū)動能力不足，需要一個三極管做開關(guān)用。當(dāng)傳感器的溫度達(dá)到一定值時，STM32就要控制傳感器，使之進(jìn)行加熱；當(dāng)傳感器的溫度達(dá)到一定值時，STM32就要控制傳感器，使之停止加熱。

4）計算機(jī)軟件。運(yùn)用串口通軟件，講STM32從傳感器接收到的數(shù)據(jù)信息顯示出來，包括溫度和濃度，同時。如果數(shù)據(jù)在傳輸過程中發(fā)生了錯誤或者傳輸發(fā)生中斷，在計算機(jī)串口通軟件中還能及時顯示出來，使得能夠及時調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

SF6氣體由于其卓越的絕緣和滅弧性能，作為絕緣和滅弧介質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于電力工業(yè)當(dāng)中。本論文根據(jù)電力工業(yè)中對SF6氣體設(shè)備室的環(huán)境要求，針對現(xiàn)有檢測SF6氣體設(shè)備的不足，研究和設(shè)計了一種實(shí)時監(jiān)測SF6氣體濃度的儀器，而且能夠和外部STM32以及PC機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控以及實(shí)時在線SF6氣體濃度檢測。主要是實(shí)現(xiàn)了傳感器測得數(shù)據(jù)之后傳入STM32，實(shí)現(xiàn)數(shù)碼轉(zhuǎn)換，再將溫度、濃度顯示出來，如果濃度達(dá)到一定值時，STM32控制使傳感器工作，加熱除霧，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

4 目前同類課程發(fā)展概況

隨著電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路、計算機(jī)的迅速發(fā)展，基于紅外吸收原理的氣體在線檢漏儀也在迅速發(fā)展中。和以前的在線檢漏儀相比，新型檢漏儀不僅大大降低了成本，其體積也減小了很多，并且功能也更加完善。目前，基于紅外吸收原理的氣體在線檢漏儀中用的傳感器有兩個發(fā)展方向：一是新型氣體傳感器的研究，利用新型材料，使用微加工技術(shù)，研發(fā)新型氣體傳感器；二是傳感器微型化，利用半導(dǎo)體集成工藝將多種氣體檢測元件放在同一塊芯片上，加工成集成電路，減小了儀表傳感器的體積。

［1］衛(wèi)琳.SF6氣體H、T、P參數(shù)監(jiān)測及遠(yuǎn)端查詢［D］.上海：上海交通大學(xué).

［2］國家技術(shù)監(jiān)督局.JJG914-1996.六氟化硫檢漏儀檢定規(guī)程［S］.1996.

［3］張鋒.單片機(jī)控制的二線制變送器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］.茂名學(xué)院學(xué)報，2005（6）：61-63.

［4］王月姣，朱家駒.固態(tài)繼電器在單片機(jī)測控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.中南民族大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005（1）：51-53.

TN21

A

1674-6708（2016）168-0212-02

熊娓，鄭州大學(xué)。