SF6红外传感器加热除雾装置设计

熊 娓郑州大学，河南郑州 450000

SF6红外传感器加热除雾装置设计

熊 娓
郑州大学，河南郑州 450000

由于六氟化硫（SF6）气体具有很强的负电性、优异的绝缘和灭弧性，而被作为绝缘和灭弧介质而广泛应用于电力行业。然而，由于设备的制造、安装、质量差异以及设备老化等因素的影响，SF6气体设备难免会发生泄漏。一旦SF6气体泄漏之后，不仅影响了设备的正常运行，还会危及工作人员的生命财产安全。因此，本论文根据电力工业中SF6气体设备室的环境要求，针对现有的SF6气体检漏设备的不足，设计出了SF6红外传感器加热除雾装置。

SF6气体；串口通信；加热除雾；红外线传感器

1 概述

1）背景。电力系统中的六氟化硫（SF6）气体主要充当绝缘和灭弧介质，气体SF6是一种化学性质极其稳定的物质，具有不燃烧的特性以及优异的绝缘性能和灭弧性能，因此，被广泛应用于电力行业高压电器中。

在装有SF6气体的GIS室中，由于SF6气体密度的降低或者水分的增加，会降低SF6气体的作用。因此，准确检测SF6气体是否泄漏以及年泄漏量的多少，不但可以确保电气设备的正常运行，避免重大事故的发生，而且还可以为现场的工作人员提供人身健康保障。

2）科学方法。空气中微量的SF6气体检测是比较困难的，目前国内外广泛运用的是红外吸收光谱法。利用红外吸收光谱法，又称红外分光光度法，是利用物质对红外电磁辐射的选择性吸收的特性来对物质进行定性定量分析。因为光辐射在气体中传播时，气体分子会对光辐射进行吸收散射而衰减，因此，利用气体在某一特定波段的吸收特性可以实现对该气体的检测。不同的物质特征吸收光谱不同，其中SF6气体对波数为948cm-1的红外光具有很强的吸收作用。

3）装置。SF6气体红外检漏仪的核心部件是SF6气体红外传感器。SF6红外传感器就是在SF6气体吸收能力较强的这一波段内，根据SF6气体对红外光的吸收能力的检测，就能够实现对SF6气体定量检测。

由传感器的内部的发射端发射波长为大约为10.55μm的红外光，传感器末端有个镜面。当红外光照射到镜面上时，就会发生反射，被SF6气体吸收后，再利用接收端收集SF6气体。用电子测量系统来处理该波长的红外光强度变化与SF6气体的浓度关系，就可以得出SF6气体的浓度。

4）发现并提出问题。SF6气体红外传感器内置镀金反光杯，在湿度较大的环境下，反光杯会凝结呈雾状，在这种情况下，反光杯的反光性能大大降低，光能量损失很大，传感器无法正常工作，检测结果存在很大误差，这时对SF6气体红外检漏仪来说，就会造成误报或漏报。

解决此问题，具体研究内容主要包括以下几个方面：（1）选择合适的加热装置，这里需要考虑电源，加热功率，加热装置和传感器的连接结构等问题；（2）温度控制方式和实现问题；（3）加热装置对传感器性能有无影响，若有，如何消除这种影响。

总之，要实现的目标就是传感器反光杯不会出现凝结，特别是湿度较大的场合。这样一来，SF6气体红外检漏仪就可适应南方潮湿环境，从而在南方推广此类仪器的应用，其意义不言而喻。

2 红外线加热除雾装置基本原理以及相关技术

1）装置架构组成。本装置由收集与传输装置（传感器）、处理分析及控制装备（STM32）以及显示设备（计算机软件）3部分组成。传感器用于加热、产生数据传送与接收数据；STM32用于接收并分析数据，并控制传感器进行加热；计算机软件用于显示实时数据并及时产生错误提醒。三者之间都是通过USB接口，进行数据接受与传输。

2）传感器。（1）SF6红外传感器。红外SF6传感器（六氟化硫传感器）具有高可靠性，长寿命，高性价比。不受H2O，酒精，CO2等气体干扰。它广泛地用于电力设备的SF6气体泄漏监控报警系统（0～100ppm）中，SF6检漏仪（0～50ppm），SF6检漏仪纯度分析仪（0～100%）。

与单波长、单光束相比，双波长、双光束技术可避免因光源老化、采样池和检测器表面的污染而引起的漂移。与通道的被调制的特定波长的单色光不会对被测量气体产生吸收相比，它产生一个稳定的信号，此信号只受外部的影响而发生变化，不受被测量气体的影响。

电力行业使用的数字量SF6传感器通常的型号有SM-SF6，SMC-SF6，SMF-SF6，SMP-SF6等。目前，一些电力服务商依旧使用的是电化学原理的SF6传感器，这种传感器并不能满足电力行业的低量程的SF6测试，但利用红外原理的SF6传感器就可以定制这些量程。

（2）系统接口。传感器的数据要传送入STM32，就需要提供相应的接口，重要的是该接口应该具备高速传输信息的能力，而USB在传输速度及便捷灵活方面的性能要优于其它接口，因此这里的传输接口应选用USB接口作为传输接口。

3）STM32。（1）AD转换部分。比较常见的A/D转换电路有：积分型、逐次比较型、并行比较型/串并行比较型、Σ-Δ调制型。初期的A/D转换器大多采用积分型，目前逐次比较型已成为主流。

我们这里采用的是逐次比较型A/D转换电路。逐次比较型A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成的。

逐次比较型A/D转换电路的基本原理是从MSB开始，从高位到低位逐次进行试探比较，将每一位输入电压与内置DA转换器输出顺次进行比较，经n次比较后，输出数字值。逐次比较法A/D转换电路的操作是在一个控制电路的控制下进行的。

逐次比较型A/D转换电路在初始化时，将逐次比较式寄存器各位全部清零。转换开始后，将逐次比较式寄存器最高位置1，将其送入D/A转换器，随后将转换后生成的模拟量Vo送入比较器，与送入比较器中的待转换的模拟量Vi进行比较。当Vo＜Vi时，该位1被保留，否则就被清除。然后置逐次比较式寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送入D/A转换器。再按之前的方法比较Vo与Vi。重复此过程至逐次比较式寄存器最低位。转换结束后，将逐次比较式寄存器中的数字量送入缓冲寄存器并输出。

逐次比较型AD转换电路的电路规模属于中等。它具有速度快、功耗低，在低分辩率时价格便宜，但高精度时价格很高的特点，它的转换时间呈微秒级。

（2）串口通信部分。传输原理：数据按位顺序传输。优点：占用引脚资源少。缺点：速度相对较慢。

按照数据传送方向，分为单工、半双工、全双工。

单工只支持数据在一个方向上传输。半双工则允许数据在两个方向上传输。但在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输。如此看来，半双工实际上是一种切换方向的单工通信。而全双工允许数据在两个方向上同时传输。可见全双工通信是由两个单工通信方式结合而成，发送设备和接收设备拥有独立的接收发送的能力。

我们采用的是UART异步通信方式。UART异步通信方式采用全双工异步通信方式，由分数波特率发生器系统来提供精确的波特率（发送和接受共用可编程波特率，最高达到4.5Mbits/s）。它具有8位或9位数据字长度、支持1或者2位停止位、可配置的使用DMA多缓冲器通信、单独的发送器和接收器使能位。它有四个错误检测标志，采用校验控制。它还有多个带标志的中断源，采用触发中断。

串口通信在这过程中起到相当重要的作用。在与传感器之间的通信协议匹配之后，能把传感器发送过来的数据进行分析处理。

（3）I/O口控制继电器。继电器线圈是感性负载，最好加隔离，至少要有续流二极管，不然很容易烧。并且用三极管做开关来控制，因为单片机驱动电流有限，驱动能力不足，需要一个三极管做开关用。当传感器的温度达到一定值时，STM32就要控制传感器，使之进行加热；当传感器的温度达到一定值时，STM32就要控制传感器，使之停止加热。

4）计算机软件。运用串口通软件，讲STM32从传感器接收到的数据信息显示出来，包括温度和浓度，同时。如果数据在传输过程中发生了错误或者传输发生中断，在计算机串口通软件中还能及时显示出来，使得能够及时调整实验装置。

3 实验结论

SF6气体由于其卓越的绝缘和灭弧性能，作为绝缘和灭弧介质，被广泛应用于电力工业当中。本论文根据电力工业中对SF6气体设备室的环境要求，针对现有检测SF6气体设备的不足，研究和设计了一种实时监测SF6气体浓度的仪器，而且能够和外部STM32以及PC机进行通讯，实现了数据远程监控以及实时在线SF6气体浓度检测。主要是实现了传感器测得数据之后传入STM32，实现数码转换，再将温度、浓度显示出来，如果浓度达到一定值时，STM32控制使传感器工作，加热除雾，从而达到实验目的。

4 目前同类课程发展概况

随着电子技术、大规模集成电路、计算机的迅速发展，基于红外吸收原理的气体在线检漏仪也在迅速发展中。和以前的在线检漏仪相比，新型检漏仪不仅大大降低了成本，其体积也减小了很多，并且功能也更加完善。目前，基于红外吸收原理的气体在线检漏仪中用的传感器有两个发展方向：一是新型气体传感器的研究，利用新型材料，使用微加工技术，研发新型气体传感器；二是传感器微型化，利用半导体集成工艺将多种气体检测元件放在同一块芯片上，加工成集成电路，减小了仪表传感器的体积。

［1］卫琳.SF6气体H、T、P参数监测及远端查询［D］.上海：上海交通大学.

［2］国家技术监督局.JJG914-1996.六氟化硫检漏仪检定规程［S］.1996.

［3］张锋.单片机控制的二线制变送器的设计与实现［J］.茂名学院学报，2005（6）：61-63.

［4］王月姣，朱家驹.固态继电器在单片机测控系统中的应用［J］.中南民族大学学报：自然科学版，2005（1）：51-53.

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1674-6708（2016）168-0212-02

熊娓，郑州大学。