专利名称：一种吸入式sf6气体泄漏监测装置及方法
技术领域：
本发明属于SF6气体泄漏监测领域，具体涉及采用双波长红外监测原理、自带温度补偿、具有数字信号输出的高精度吸入式SF6气体泄漏监测方法及装置。
背景技术：
在电力系统中，SF6气体因其具有极好的绝缘性能和灭弧性能，获得广泛的应用。但是由于SF6比空气重，一旦泄漏，易沉积于电力开关室底部，人员进入时造成人体缺氧。且SF6在高温或电弧作用下，或遇到潮气时，会分解成多种有毒物质。故《国家电网公司电力安全工作规程》中明确要求对SF6设备及场所，需定期进行监测和检查，并规定浓度IOOOppm为安全警戒值，超过此浓度将对人的生命造成威胁。负电晕放电检测法是SF6气体泄漏检测较常用的方法之一，该方法通过使用高压击穿技术，利用SF6气体的电弧阻断特性，来检测其在空气中的含量。但是由于SF6气体是强绝缘气体，浓度超过一定值即会完全阻止放电，造成较大的测量误差。另外，若长时间使用容易造成探针老化，缩短传感器的使用寿命，并且会产生零点漂移，测量的可靠性难以保证。随着红外探测技术的发展，红外SF6泄漏监测技术在体积、功耗、性能、价格上所具有的以往技术无法比拟的优势，使其应用日益广泛。美国电力科学研究院首先将红外探测技术应用于变电站SF6气体泄漏监测，目前国内应用于SF6泄漏监测的技术和装置只是此技术的简单应用，具有以下不足I) 一般采用半带宽为250nm的干涉滤光片作为测量滤光片，由于半带宽较宽，使得相关SF6泄漏监测系统的监测精度较低；2)输出信号多为模拟信号，在实现数字输出、温度补偿、消除光源和环境因素影响等功能方面存在不足，使用范围受到很大局限。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种采用双波长红外监测原理，带有数字输出、温度补偿功能、简单可靠、灵敏度高的吸入式SF6气体泄漏监测方法及装置。此方法和装置能对SF6泄漏进行定量监测并对外输出高精度SF6泄漏浓度值，具有监测精度高、稳定可靠、结构紧凑、体积小巧等优点。本发明采用的技术方案为一种吸入式SF6气体泄漏监测装置，该装置包括出气口、进气口、红外光源、窗口片一、窗口片二、参比滤光片、测量滤光片、双通道红外探测器、温度探测器、信号调理模块、A/D转换模块、数据处理模块、光源驱动模块、装置本体、端盖一和端盖二；内部中空的装置本体形成一个气室，气室内壁镀金反射膜，其上设出气口和进气口，装置本体两端装有窗口片一及窗口片二，使气室密封而不阻碍红外光传输，气室之中设置有温度探测器，窗口片一的左侧设有红外光源，通过端盖一固定并与装置本体相连，窗口片二的右侧设有双通道红外探测器，双通道红外探测器的两个通道前面分别装有参比滤光片和测量滤光片，从而使得双通道红外探测器能输出一个参比信号和一个测量信号，通过端盖二固定双通道红外探测器并与装置本体连为一体，所述的针对SF6气体泄漏监测的参比滤光片和测量滤光片均为超窄带干涉滤光片，在端盖二外面设有电路板，电路板固定在
端盖二上。其中，电路板上包括信号调理模块，A/D转换模块，数据处理模块和光源驱动模块，信号调理模块对参比信号和测量信号进行放大和滤波，A/D转换模块将模拟电信号转换成数据处理模块能够接收的数字信号，数据处理模块根据接收到的数字信号计算出被测气体的浓度并将此浓度对外输出，光源驱动模块驱动红外光源发出稳定的红外光。其中，参比滤光片的中心波长为3.95ym±40nmm，半带宽为90nm±20nm，测量滤光片的中心波长为10. 55 μ m±80nm,半带宽为90nm±20nm。
根据红外光谱理论，非对称极性分子由于内部偶极矩转动、振动等，对穿过气体分子的红外光产生吸收。不同类型的气体分子偶极矩不同，使得一种气体分子对特定波长的红外光有明显的吸收作用。根据朗伯-比尔定律I = I0exp(-yCL);其中I为出射光强，Itl为入射光强，C为气体浓度，L为吸收长度，μ为气体的吸收系数，可改写为
C = _J^nfH = —从以上公式可知，当吸收长度L与气体的吸收系数μ已知时，
//人[JJ μ \T)
可以通过测量I和Itl的比值计算出被测气体的浓度，I和Itl的比值称为透射比F二f。实际
应用中，由于红外光很容易受多种因素(如温度，电源电压波动，光源老化等)影响，仅通过单一光束透射光强的衰减不能足以准确地监测气体的泄漏。双波长红外监测原理在单波长红外监测的基础上增加一个参比波长，即选择被测气体对红外光吸收最强的吸收峰处的波长为测量波长，而选择另一个所有气体对其都不具有吸收能力的波长为参比波长，使用双通道红外探测器、双滤光片及处理双波长信号对应的电子电路及算法实现对气体泄漏的监测。通过一个测量滤光片和一个参比滤光片选择透过的波长，透过两个滤光片后，相应波长的红外吸收能量的变化反映到双通道红外探测器上，通过相应的信号处理和计算后，确定被测气体的存在及浓度信息。当气室中不存在被测气体组分时，双通道红外探测器接收到的是未被吸收的红外光，测量信号和参比信号相等；当气室中存在被测气体组分时，测量光束的能量被吸收，检测到的测量信号要小于参比光束的信号。设未通入SF6气体时透过测量通道的光强为Itl，参比通道的光强为I, ^ ;通入一定浓度SF6气体后测量通道的光强为I，参比通道光强为r ;则透射比τ = γ 0i/i0r。对确定的气体监测装置，有确定的I。和Γ。的值，监测时只要测得I和Γ，通过电路系统的信号处理后，就可以得到被测SF6气体的浓度信息。这种参比处理能有效的消除光源不稳定、光电器件的零点漂移等对测量精度的影响，使得双波长红外监测具有较高的测量精度。根据以上分析，本发明另外提供一种吸入式SF6气体泄漏监测的方法，采用上述的吸入式SF6气体泄漏监测装置，通过真空泵连接出气口，促使被测泄漏气体由进气口不断流入气室，连接外部电源供电以后，光源驱动模块驱动红外光源发出红外光，经过进入气室内的气体吸收，又经过参比滤光片和测量滤光片到达双通道红外探测器，双通道红外探测器两个通道分别产生一个包含光源和环境信息的参比信号和一个包含被测气体浓度信息的测量信号，这两个信号通过信号调理模块的放大、滤波和A/D转换模块转换成数字信号之后，输入到数据处理模块，数据处理模块通过数据处理排除掉光源和环境的影响，根据事先写入的浓度计算模型得到被测泄漏SF6气体的浓度，与此同时，温度探测器也将探测到的被测泄漏SF6气体的温度输入到数据处理模块，数据处理模块再对被测泄漏SF6气体浓度进行温度修正，从而得到真实的被测泄漏SF6气体浓度，将此SF6浓度对外输出。其中，所述的数据处理模块中数据处理时针对泄漏SF6气体的特性，采用多点标定方法，建立泄漏SF6气体浓度计算模型，标定时，在泄漏SF6监测量程范围内选择多个浓度点，配制标准混合气，根据测量电压和参比电压得到一个只包含气体浓度信息的变量D以消除光源的影响，根据D值与标准浓度Xtl值之间的对应关系建立泄漏SF6气体浓度计算模型，将此模型及标定时的温度信息一并写入单片机存储器内，实际监测时，数据处理模块接收测量电压、参比电压和温度三个数值，先计算出泄漏SF6气体浓度信息变量D，以排除可能存在的光源波动和环境影响，再根据事先写入的泄漏SF6气体浓度计算模型计算出对应的浓度值，然后根据温度进行温度补偿，得到补偿后的泄漏SF6气体浓度，此浓度即为被测泄漏SF6气体的真实浓度值。本发明与现有技术相比的优点为本发明采用双波长红外监测原理，是一种高效、安全的SF6泄漏监测技术，具有监测精度高、稳定性好、可靠性高、寿命长等优点。气室内壁镀金反射膜、选用超窄带干涉滤光片作为测量滤光片，可以有效地提高装置的测量精度。将电路部分集成在较小的电路板上，并紧凑地装配在端盖上，以尽量减少本装置的体积，使得装置非常小巧。测试结果数字输出，自带温度补偿等，使得输出结果更加准确、便利。根据泄漏SF6气体特性建立的计算模型、标定及算法，保证了泄漏SF6气体监测的准确性。本发明的吸入式SF6气体泄漏监测方法及装置是电网SF6气体泄漏监测和报警必不可少的关键技术，其推广应用将有利于提高电网的安全运行和保障电力从业人员的安全。
图1为本发明的装置的结构示意图；图中1.出气口、2.进气口、3.红外光源、4.窗口片一、5.窗口片二、6.参比滤光片、7.测量滤光片、8.双通道红外探测器、9.温度探测器、10.信号调理模块、11. A/D转换模块、12.数据处理模块、13.光源驱动模块、14.装置本体、15.端盖一、16.端盖二；图2为七点标定方法流程图；图3为本发明的数据处理流程图。
具体实施例方式本实施例的具体结构见附图1，内部中空的装置本体14形成一个气室，气室内壁镀金反射膜，其上设出气口 I和进气口 2，装置本体14两端装有窗口片4和5，使气室密封而不阻碍红外光传输，气室之中设置有温度探测器9。窗口片4的左侧设有红外光源3，通过端盖15固定并与装置本体14相连。窗口片5的右侧设有双通道红外探测器8，双通道红外探测器8的两个通道前面分别装有参比滤光片6和测量滤光片7，从而使得双通道红外探测器8能输出一个参比信号和一个测量信号，通过端盖16固定双通道红外探测器8并与装置本体14连为一体。所述的针对SF6气体泄漏监测的参比滤光片6和测量滤光片7均为超窄带干涉滤光片，参比滤光片6的中心波长为3. 95 μ m±40nmm,半带宽为90nm±20nm,测量滤光片 的中心波长为10. 55ym±80nm，半带宽为90nm±20nm。在端盖16外面设有电路板，电路板固定在端盖16上，电路板上包括信号调理模块10，A/D转换模块11，数据处理模块12和光源驱动模块13，信号调理模块10对参比信号和测量信号进行放大和滤波，A/D转换模块11将模拟电信号转换成数据处理模块12能够接收的数字信号，数据处理模块12根据接收到的数字信号计算出被测气体的浓度并将此浓度对外输出，光源驱动模块13驱动红外光源3发出稳定的红外光。通过真空泵连接出气口 1，促使被测泄漏SF6气体由进气口 2不断流入气室。连接外部电源供电以后，光源驱动模块13驱动红外光源3发出红外光，经过进入气室内的气体吸收，又经过参比滤光片6和测量滤光片7到达双通道红外探测器8，双通道红外探测器8两个通道分别产生一个包含光源和环境信息的参比信号和一个包含被测气体浓度信息的测量信号，这两个信号通过信号调理模块10的放大、滤波和A/D转换模块11转换成数字信号之后，输入到数据处理模块12，数据处理模块12通过数据处理排除掉光源和环境的影 响，根据事先写入的浓度计算模型得到被测泄漏SF6气体的浓度。与此同时，温度探测器9也将探测到的被测泄漏SF6气体的温度输入到数据处理模块12，数据处理模块12再对被测泄漏SF6气体浓度进行温度修正，从而得到真实的被测泄漏SF6气体浓度，将此SF6浓度对外输出。数据处理程序针对SF6气体的特性，采用多点标定的方法，本实施例选择七个标定点，建立泄漏SF6气体浓度计算模型，七点标定方法的流程见附图2。标定时，在泄漏SF6监测量程范围内选择7个浓度点，配制标准混合气，送入标准混合气后，根据测量电压Vm和参比电压Vltef得到一个只包含气体浓度信息的变量D，根据D值与标准浓度Xtl值之间的对应关系建立SF6气体浓度计算模型，将此模型写入单片机存储器内。实际监测时，数据处理模块12接收测量电压Vm、参比电压VKef和温度Tm三个数值，先计算出气体浓度信息变量D，以排除可能存在的光源波动和环境影响，再根据事先写入的浓度计算模型采用查表法计算出对应的浓度值Xm。然后根据温度Tm计算出温度补偿系数K进行温度补偿，得到补偿后的气体浓度Χτ，此浓度即为被测SF6气体的真实浓度值，将此数值对外输出，其流程见附图3。
权利要求
1.一种吸入式SF6气体泄漏监测装置，其特征在于该装置包括出气口(I)、进气口(2)、红外光源(3)、窗口片一(4)、窗口片二(5)、参比滤光片(6)、测量滤光片(7)、双通道红外探测器(8)、温度探测器(9)、信号调理模块(10)、A/D转换模块(11)、数据处理模块(12)、光源驱动模块(13)、装置本体(14)、端盖一(15)和端盖二(16);内部中空的装置本体(14)形成一个气室，气室内壁镀金反射膜，其上设出气口( I)和进气口(2)，装置本体(14)两端装有窗口片一(4)及窗口片二(5),使气室密封而不阻碍红外光传输,气室之中设置有温度探测器(9)，窗口片一(4)的左侧设有红外光源(3)，通过端盖一(15)固定并与装置本体(14)相连，窗口片二(5)的右侧设有双通道红外探测器(8)，双通道红外探测器(8)的两个通道前面分别装有参比滤光片(6)和测量滤光片(7)，从而使得双通道红外探测器(8)能输出一个参比信号和一个测量信号，通过端盖二(16)固定双通道红外探测器(8)并与装置本体(14)连为一体，所述的针对SF6气体泄漏监测的参比滤光片(6)和测量滤光片(7)均为超窄带干涉滤光片，在端盖二(16)外面设有电路板，电路板固定在端盖二(16)上。
2.根据权利要求1所述的一种吸入式SF6气体泄漏监测装置，其特征在于电路板上包括信号调理模块(10)，A/D转换模块(11)，数据处理模块(12)和光源驱动模块(13)，信号调理模块(10)对参比信号和测量信号进行放大和滤波，A/D转换模块(11)将模拟电信号转换成数据处理模块(12)能够接收的数字信号，数据处理模块(12)根据接收到的数字信号计算出被测气体的浓度并将此浓度对外输出，光源驱动模块(13)驱动红外光源(3)发出稳定的红外光。
3.根据权利要求1所述的一种吸入式SF6气体泄漏监测装置，其特征在于参比滤光片(6)的中心波长为3. 95 μ m±40nmm,半带宽为90nm±20nm,测量滤光片(7)的中心波长为10.55 μ m±80nm,半带宽为 90nm±20nm。
4.一种吸入式SF6气体泄漏监测的方法，采用权利要求1或2或3所述的吸入式SF6气体泄漏监测装置，其特征在于通过真空泵连接出气口( I )，促使被测泄漏气体由进气口(2)不断流入气室，连接外部电源供电以后，光源驱动模块(13)驱动红外光源(3)发出红外光，经过进入气室内的气体吸收，又经过参比滤光片(6)和测量滤光片(7)到达双通道红外探测器(8)，双通道红外探测器(8)两个通道分别产生一个包含光源和环境信息的参比信号和一个包含被测气体浓度信息的测量信号，这两个信号通过信号调理模块(10)的放大、滤波和A/D转换模块(11)转换成数字信号之后，输入到数据处理模块(12)，数据处理模块(12)通过数据处理排除掉光源和环境的影响，根据事先写入的浓度计算模型得到被测泄漏SF6气体的浓度，与此同时，温度探测器(9)也将探测到的被测泄漏SF6气体的温度输入到数据处理模块(12)，数据处理模块(12)再对被测泄漏SF6气体浓度进行温度修正，从而得到真实的被测泄漏SF6气体浓度，将此SF6浓度对外输出。
5.根据权利要求4所述的一种吸入式SF6气体泄漏监测的方法，其特征在于所述的数据处理模块(12)中数据处理时针对泄漏SF6气体的特性，采用多点标定方法，建立泄漏SF6气体浓度计算模型，标定时，在泄漏SF6监测量程范围内选择多个浓度点，配制标准混合气，根据测量电压和参比电压得到一个只包含气体浓度信息的变量D以消除光源的影响，根据D值与标准浓度XO值之间的对应关系建立泄漏SF6气体浓度计算模型，将此模型及标定时的温度信息一并写入单片机存储器内，实际监测时，数据处理模块(12)接收测量电压、参比电压和温度三个数值，先计算出泄漏SF6气体浓度信息变量D，以排除可能存在的光源波动和环境影响，再根据事先写入的泄漏SF6气体浓度计算模型计算出对应的浓 度值，然后根据温度进行温度补偿，得到补偿后的泄漏SF6气体浓度，此浓度即为被测泄漏SF6气体的真实浓度值。
全文摘要
本发明提供一种吸入式SF6气体泄漏监测装置及方法，该装置包括出气口(1)、进气口(2)、红外光源(3)、窗口片一(4)、窗口片二(5)、参比滤光片(6)、测量滤光片(7)、双通道红外探测器(8)、温度探测器(9)、信号调理模块(10)、A/D转换模块(11)、数据处理模块(12)、光源驱动模块(13)、装置本体(14)、端盖一(15)和端盖二(16)。本发明带有数字输出、温度补偿功能、简单可靠、灵敏度高的吸入式SF6气体泄漏监测方法及装置。此方法和装置能对SF6泄漏进行定量监测并对外输出高精度SF6泄漏浓度值，具有监测精度高、稳定可靠、结构紧凑、体积小巧等优点。
文档编号G01N21/35GK103017991SQ20121048660
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月26日 优先权日2012年11月26日
发明者赵建华, 陈迎春 申请人:中国科学技术大学