SF6紅外傳感器加熱除霧裝置設計

熊 娓鄭州大學，河南鄭州 450000

SF6紅外傳感器加熱除霧裝置設計

熊 娓
鄭州大學，河南鄭州 450000

由于六氟化硫（SF6）氣體具有很強的負電性、優異的絕緣和滅弧性，而被作為絕緣和滅弧介質而廣泛應用于電力行業。然而，由于設備的制造、安裝、質量差異以及設備老化等因素的影響，SF6氣體設備難免會發生泄漏。一旦SF6氣體泄漏之后，不僅影響了設備的正常運行，還會危及工作人員的生命財產安全。因此，本論文根據電力工業中SF6氣體設備室的環境要求，針對現有的SF6氣體檢漏設備的不足，設計出了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。電力系統中的六氟化硫（SF6）氣體主要充當絕緣和滅弧介質，氣體SF6是一種化學性質極其穩定的物質，具有不燃燒的特性以及優異的絕緣性能和滅弧性能，因此，被廣泛應用于電力行業高壓電器中。

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備的正常運行，避免重大事故的發生，而且還可以為現場的工作人員提供人身健康保障。

2）科學方法。空氣中微量的SF6氣體檢測是比較困難的，目前國內外廣泛運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，是利用物質對紅外電磁輻射的選擇性吸收的特性來對物質進行定性定量分析。因為光輻射在氣體中傳播時，氣體分子會對光輻射進行吸收散射而衰減，因此，利用氣體在某一特定波段的吸收特性可以實現對該氣體的檢測。不同的物質特征吸收光譜不同，其中SF6氣體對波數為948cm-1的紅外光具有很強的吸收作用。

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氣體吸收能力較強的這一波段內，根據SF6氣體對紅外光的吸收能力的檢測，就能夠實現對SF6氣體定量檢測。

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

4）發現并提出問題。SF6氣體紅外傳感器內置鍍金反光杯，在濕度較大的環境下，反光杯會凝結呈霧狀，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構等問題；（2）溫度控制方式和實現問題；（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，要實現的目標就是傳感器反光杯不會出現凝結，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南方潮濕環境，從而在南方推廣此類儀器的應用，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技術

1）裝置架構組成。本裝置由收集與傳輸裝置（傳感器）、處理分析及控制裝備（STM32）以及顯示設備（計算機軟件）3部分組成。傳感器用于加熱、產生數據傳送與接收數據；STM32用于接收并分析數據，并控制傳感器進行加熱；計算機軟件用于顯示實時數據并及時產生錯誤提醒。三者之間都是通過USB接口，進行數據接受與傳輸。

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備的SF6氣體泄漏監控報警系統（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。與通道的被調制的特定波長的單色光不會對被測量氣體產生吸收相比，它產生一個穩定的信號，此信號只受外部的影響而發生變化，不受被測量氣體的影響。

電力行業使用的數字量SF6傳感器通常的型號有SM-SF6，SMC-SF6，SMF-SF6，SMP-SF6等。目前，一些電力服務商依舊使用的是電化學原理的SF6傳感器，這種傳感器并不能滿足電力行業的低量程的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）系統接口。傳感器的數據要傳送入STM32，就需要提供相應的接口，重要的是該接口應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于其它接口，因此這里的傳輸接口應選用USB接口作為傳輸接口。

3）STM32。（1）AD轉換部分。比較常見的A/D轉換電路有：積分型、逐次比較型、并行比較型/串并行比較型、Σ-Δ調制型。初期的A/D轉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轉換電路。逐次比較型A/D轉換器是由一個比較器、D/A轉換器、緩沖寄存器及控制邏輯電路組成的。

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

逐次比較型A/D轉換電路在初始化時，將逐次比較式寄存器各位全部清零。轉換開始后，將逐次比較式寄存器最高位置1，將其送入D/A轉換器，隨后將轉換后生成的模擬量Vo送入比較器，與送入比較器中的待轉換的模擬量Vi進行比較。當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，將寄存器中新的數字量送入D/A轉換器。再按之前的方法比較Vo與Vi。重復此過程至逐次比較式寄存器最低位。轉換結束后，將逐次比較式寄存器中的數字量送入緩沖寄存器并輸出。

逐次比較型AD轉換電路的電路規模屬于中等。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，它的轉換時間呈微秒級。

（2）串口通信部分。傳輸原理：數據按位順序傳輸。優點：占用引腳資源少。缺點：速度相對較慢。

按照數據傳送方向，分為單工、半雙工、全雙工。

單工只支持數據在一個方向上傳輸。半雙工則允許數據在兩個方向上傳輸。但在某一時刻，只允許數據在一個方向上傳輸。如此看來，半雙工實際上是一種切換方向的單工通信。而全雙工允許數據在兩個方向上同時傳輸。可見全雙工通信是由兩個單工通信方式結合而成，發送設備和接收設備擁有獨立的接收發送的能力。

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，由分數波特率發生器系統來提供精確的波特率（發送和接受共用可編程波特率，最高達到4.5Mbits/s）。它具有8位或9位數據字長度、支持1或者2位停止位、可配置的使用DMA多緩沖器通信、單獨的發送器和接收器使能位。它有四個錯誤檢測標志，采用校驗控制。它還有多個帶標志的中斷源，采用觸發中斷。

串口通信在這過程中起到相當重要的作用。在與傳感器之間的通信協議匹配之后，能把傳感器發送過來的數據進行分析處理。

（3）I/O口控制繼電器。繼電器線圈是感性負載，最好加隔離，至少要有續流二極管，不然很容易燒。并且用三極管做開關來控制，因為單片機驅動電流有限，驅動能力不足，需要一個三極管做開關用。當傳感器的溫度達到一定值時，STM32就要控制傳感器，使之進行加熱；當傳感器的溫度達到一定值時，STM32就要控制傳感器，使之停止加熱。

4）計算機軟件。運用串口通軟件，講STM32從傳感器接收到的數據信息顯示出來，包括溫度和濃度，同時。如果數據在傳輸過程中發生了錯誤或者傳輸發生中斷，在計算機串口通軟件中還能及時顯示出來，使得能夠及時調整實驗裝置。

3 實驗結論

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，被廣泛應用于電力工業當中。本論文根據電力工業中對SF6氣體設備室的環境要求，針對現有檢測SF6氣體設備的不足，研究和設計了一種實時監測SF6氣體濃度的儀器，而且能夠和外部STM32以及PC機進行通訊，實現了數據遠程監控以及實時在線SF6氣體濃度檢測。主要是實現了傳感器測得數據之后傳入STM32，實現數碼轉換，再將溫度、濃度顯示出來，如果濃度達到一定值時，STM32控制使傳感器工作，加熱除霧，從而達到實驗目的。

4 目前同類課程發展概況

隨著電子技術、大規模集成電路、計算機的迅速發展，基于紅外吸收原理的氣體在線檢漏儀也在迅速發展中。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，研發新型氣體傳感器；二是傳感器微型化，利用半導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］衛琳.SF6氣體H、T、P參數監測及遠端查詢［D］.上海：上海交通大學.

［2］國家技術監督局.JJG914-1996.六氟化硫檢漏儀檢定規程［S］.1996.

［3］張鋒.單片機控制的二線制變送器的設計與實現［J］.茂名學院學報，2005（6）：61-63.

［4］王月姣，朱家駒.固態繼電器在單片機測控系統中的應用［J］.中南民族大學學報：自然科學版，2005（1）：51-53.

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1674-6708（2016）168-0212-02

熊娓，鄭州大學。