变压器油中CO2气体的检测及相关数据处理

陈云雷，韩　强

(东华大学机械工程学院，上海　201620)

0　引言

目前，变压器油中气体主要检测H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2这7种气体，其中对CO2气体的检测主要运用的是色谱法和光学吸收法。色谱法检测CO2气体主要使用氢火焰离子检测器，氢火焰离子检测器需要使用H2作为载气，考虑到需要检测样气中H2含量，采用此种方法需要使用两种载气，气路过于复杂。而光学吸收法检测CO2气体不影响样气成分，而且灵敏度高、精度高、响应快、体积小、寿命长，可以实现连续分析。因此，光学吸收法正成为目前CO2气体浓度测量领域发展的新方向。

课题采用红外吸收型CO2传感器，并通过分析CO2浓度红外检测技术原理和方法，给出了其硬件实现的系统方案。所述的红外CO2浓度检测器采用了新型脉冲调制红外光源，选用了小型气体传感器，并通过精度为14位A/D转换电路和放大电路对其产生的信号进行采集。以TMS320LF2407单片机为核心的处理系统对信号进行处理后，在上位机软件上实时地显示出精确的CO2浓度值。

1　CO2检测意义及原理

变压器中的CO2主要来源是以纤维素为主要成分的绝缘材料的老化和分解。因此，通过检测样气中CO2的浓度可以确定变压器的故障是否由于纤维素过热所导致。

红外吸收型CO2气体传感器是基于气体的吸收光谱随物质的不同而存在差异的原理制成的，通过检测气体对光的波长和强度的影响，便可以确定气体的体积分数。当红外光通过待测气体时，气体分子对特定波长的红外光进行吸收，其吸收关系服从Lamber-Beer 定律，由此定律可得出射光的强度为

I1=I0e-KcL

式中：K为吸收系数；c为气体浓度；L为气室长度；I0为入射光强度；I1为出射光强度。

通过上式可以得出I1和CO2气体浓度呈指数关系，存在着一定的非线性因数，这就要求后续的数据处理工作中要采用相关的数据方法来保证检测结果的准确性。

2　CO2检测器结构设计

CO2检测器内部结构图1所示。

图1　CO2检测器内部结构

检测器选用了PYS3228TC G2/G20红外气体传感器和IRL715红外光源。PYS3228TC G2/G20红外气体传感器上有2个滤光片，其中一个通道只允许CO2分子能够吸收的波长为4.26 μm的红外光通过，所以到达此通道的光强反映了CO2的浓度；通过另外一个4.00 μm滤光片通道的光强则反映了气室内除了CO2以外其他混合气体的浓度变化情况[1]。IRL715红外光源发出的波长范围为从可见的光波长到4.4 μm，检测器的气室采用了一体化设计，气室总长为100 mm，具有体积小、抗震性好、抗腐蚀等特点。气室的圆柱型结构和内壁镀膜技术最大程度上减小了光线在传播过程中的损耗，增加了光强并延长了光程的长度，这就表示红外光在测量过程中将经过更多的气体，得到更多的信息。

3　检测电路结构设计

检测器系统结构如图2所示。

图2　CO2检测器电路原理框图

红外传感器对光强的变化是敏感的，而对光的绝对强度不敏感，因此必须利用脉冲信号对其进行调制，在设计中采用了1 s开、5 s关的间歇工作模式，这样做一方面使光源调制深度加强，另一方面减小仪器功耗并延长光源的使用寿命，最重要的是在此工作模式下，传感器、放大器和其他元件的寄生热减少，可以极大提高系统的信噪比和稳定性。电路连接如图3所示。

图3　信号放大电路连接图

由于CO2检测器采样电路采集的信号微弱，为mV级，因此需要设计一个稳定可靠放大电路将电信号放大，以便后续处理。如图3所示，系统采用精密运放OPA2235与LF351M构成二级放大电路的设计，具有低噪声、零漂小的特点。输出信号通过低通电路对采样信号中的高频成分进行滤波处理，再通过下位机DSP程序和上位机程序的软件滤波方法剔除低频干扰，有效提高了A/D的采样精度。

4　软件程序设计

整个控制系统采用模块化设计：下位机控制程序是以TMS320LF2407为硬件平台编写，与CO2检测器有关的主要模块有检测模块和通讯模块；上位机界面控制软件在VC++6．0环境中编写，与CO2检测器有关的主要模块有通讯模块和数据处理模块。

检测模块：主要是采集CO2检测器输出的电压信号，并通过下位机上的A/D转换芯片把输入的电压信号转换成数字信号。在下位机程序中，对采集来的数字信号做初步的数据处理后，把该数据信号经串口通信传递给上位机进行处理。

通讯模块：采用RS-232串口通信，主要完成上位机和下位机之间的信号传输。鉴于标准的Modbus口与RS-232串行接口兼容，且检测系统的传输数据为中等规模，因此采用Modbus作为现场总线通信协议[2]，实现数据的实时传递与获取。同时考虑到实际工作需要，选用光纤延长通信距离。

数据处理模块：上位机对接收到的数据信号进行分析处理，并把处理所得的数据保存到指定的数据库中。

5　数据处理及分析

5．1数字滤波算法

数字滤波就是通过一定的计算程序，对采集的数据进行某种处理，从而消除或减弱干扰的影响，提高测量的可靠性和精度。数字滤波是由软件算法来实现的，实验中信号在下位机和上位机程序中都进行了数字滤波。

下位机数字滤波：采用去极值平均滤波法[3]。去极值滤波就是将连续测量的n个采样值按照大小顺序排序，然后去掉最大值和最小值，最后对剩下的n-2个采样值求取平均值，其数学表达式为

当n较小时，平滑度低，但灵敏度高。而且n越大，表明采样值的个数越多，这样进行一次运算获得一个有效数据的时间就越长，所以应视具体情况选取n.根据整个装置的运行流程和多次试验，确定取n=10进行标定试验时计算时间占用少，效果比较好。

上位机滤波：采用的是移动平均滤波法[3]。移动平均滤波先在单片机的缓冲区中存入n个数据，然后每进1个采样值，就将最早测量的数据去掉，对剩下的n个数据再取算术平均值。这样，每测量1个采样值，就去掉1个数据，使得每次获得的平均值都是新数据，从而提高了数据处理的速度，减少了对控制系统占用时间。

5．2实验数据整理

检测器的CO2标定范围是0～16 000 ppm(1 ppm=10-6)，采用24组不同浓度的标准气体进行试验：CO2红外检测器采集CO2浓度信号，该信号经信号放大器、A/D转换器并进行数字滤波后，传递给上位机1个相应的峰高值，并显示在屏幕上。

标定过程中，对采样信号的数字滤波仅在下位机程序中进行。标气多次试验，取峰高平均值并记录该数据如表1所示。

表1　气体浓度与其对应的峰高

根据表1数据，绘制出CO2浓度多项式拟合曲线图，如图4中曲线1所示。

通过对表1数据和图4线1的观察，考虑到控制系统的运行速度和精度，需要对CO2浓度拟合曲线进行简化处理，简化成0～800 ppm，800～3 000 ppm，3 000～6 000ppm、6 000～11 000ppm和11 000～16 000 ppm五段进行一次线性拟合，如图4中曲线2所示。

图4　CO2浓度线性拟合曲线图

拟合曲线程序编写完成后，必须对拟合曲线的精度进行校准。校准实验中，信号经过了下位机程序和上位机程序2次滤波。用12组不同浓度标准气体对该装置进行校准：代入简化的拟合曲线公式，经计算得到此时的样品中CO2的浓度。

获得的数据记入表2。

表2　标准气体中CO2浓度和对应的装置所测得浓度

由表2可知，检测器测量所得误差均在±0.5%之内，精度较高，在行业标准[4]允许的误差范围之内。因此，所采用的分段一次线性拟合曲线是合适的，能满足数据处理精度要求。

5．3实验数据分析

气体对温度变化反应非常灵敏，因此相同浓度的CO2气体进入CO2红外检测器时，由于标样工作状态与实际监测状态间隔时间较长，且工作环境不一样，虽然拟合曲线的线型不发生变化，但起始点(0 ppm)所对应的峰高值会有所变化，拟合曲线

会发生整体移动。为了消除这种误差，必须对拟合曲线程序进行自适应设计：在仪器开始运行时，检测器充满载气(纯度为99.99%的氮气)的情况下，进行起始点校准，把此时采集到的峰高值作为起始点(0 ppm)的对应值，并且在此时对拟合曲线进行重绘，拟合曲线整体发生移动，减小外部环境变化引起的误差。

上位机采集用以计算的峰高数据时，必须控制好采样时间：起始点的校准必须在装置充满载气的情况下进行；对样气的采集也必须在样气充满装置的情况下进行。同时对于采集来的数据并不能马上用以计算，程序应进行数字滤波并且多次采样取平均值减小误差，以获得更加精确的采样结果。

6　结束语

依据Beer-Lambert定理和红外吸收原理设计了CO2的检测器及其检测电路，并通过软件对浓度在0～16 000 ppm之间的CO2气体的大量测试数据进行拟合分析，确定拟合公式，并通过标准气体进行试验校准。通过采用硬件电路滤波和数字滤波相结合方法，极大地提高了A/D采样的精度；利用脉冲信号调制光源，提高了光源的稳定性和使用寿命。通信电路采用RS-232通信与光纤通信相结合的方法，提高了传输速率、传输距离以及传输的可靠性，完全能满足在线监测变压器油中CO2气体含量的要求。

参考文献：

[1]琚雪梅．红外吸收型CO2气体传感器的设计．传感器技术，2005，24(8)：62-64．

[2]李建坡，便携式气相色谱检测系统的研制：[学位论文]．长春：吉林大学，2005：6-19．

[3]任克强，刘晖．微机控制系统的数字滤波算法．现代电子技术，2003(3)：15-18．

[4]GB/T 17623—1998绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法．

[5]翁诗甫．傅里叶变换红外光谱分析.2版．北京：化学工业出版社，2010．

[6]张利刚．变压器油中溶解气体的成分和含量与充油电力设备绝缘故障诊断的关系．变压器，2000，37(3)：39-42．