２０１１年 仪表技术与传感器 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ ２０１１ 第８期 Ｎｏ．８ ＳＦ６气体泄漏环境在线智能检测系统的设计 郭利民 ，赵红梅 ，吕运朋 ，田增国 ，薛 冰 （１．郑州大学物理工程学院，河南郑州４５０００１；２．日立信股份有限公司，河南郑州４５０００１） 摘要：为实现ｓＦ６气体实时在线准确检测，提出了采用红外光谱吸收技术在线检测ＳＦ 气体泄漏的设计方案，给出了 系统的硬件和软件的设计。通过对传感器信号进行温度补偿和压力补偿，有效提高了传感器的测量精度和灵敏度。利用 改进的ＲＳ一４８５通信和数据帧，实现了数据实时、快速、精确传输。现场测试表明，系统性能稳定、寿命长、测量精确、误报 率低。测量范围０—５ ０００ ｐｐｍ（１ ｐｐｍ＝１０ ），灵敏度１ ｐｐｍ．可广泛应用于测量ｓＦ 气体浓度的场合。 关键词：Ｓ 气体；红外光谱吸收；在线监测 中图分类号：ＴＭ８５３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—１８４１（２０１１）０８—００７６—０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｏｎｌｉｎｅ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ Ｌｅａｋａｇｅ ｏｆ ＳＦ６ ＧＵＯ Ｌｉ－ｒａｉｎ ，ＺＨＡＯ Ｈｏｎｇ—ｍｅｉ。ＬＯ Ｙｕｎ—ｐｅｎｇ ，ＴＩＡＮ Ｚｅｎｇ．ｇｕｏ ，ＸＵＥ Ｂｉｎｇ ，（１．Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ｏｎ—ｌｉｎｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ＳＦ６ ｇａｓ ｌｅａｋａｇｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ｄｅ— ｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ，ｏｎ—ｌｉｎｅ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ＳＦ６ ｇａｓ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｎ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ’Ｓ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｇｗａｒｅ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ｍａｋ・ ｉｎｇ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｉｎａｇｌ ｏｆ ｓｅｎｓｏｒ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ．Ｉｔ ａｄｏｐｔｅｄ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ＲＳ－４８５ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｓｐｅｃｉａｌ ｄｅｓｉｎ ｏｆ ｄａｔａ ｆｇｒａｍｅｓ，ｒｅａｌｉｚｅｄ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ，ｆａｓｔ ａｎｄ ａｃｃｕ— ｒａｔｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｄａｔａ．Ｔｈｅ ｓｉｔｅ ｔｅｓｔｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ａ ｓｔａｂｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ａ ｌｏｎｇ ｓｅｒｖｉｃｅ ｌｉｆｅ，ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅ ｍｅａｓ— ｕｒｅｍｅｎｔ，ａｎｄ ｌｏｗ ｒａｔｅ ｏｆ ｅｌＴｏｒｓ．Ｉｔｓ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｒａｎｇｅ ｉｓ ｆｒｏｍ ０ ｔｏ ５ ０００ ｐｐｍ（１ ｐｐｍ＝１０ ），ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｂｉｌｉｔｙ ｉｓ １ ｐｐｍ．Ｔｈｕｓ ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ＳＦ６． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＳＦ６ ｇａｓ；ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｕｍ；ｏｎｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ０引言 该系统采用红外光谱吸收原理，此种技术的传感器具有重复性 好、稳定性好、使用寿命长、测量精度高等特点。通过对数据的 分析处理，达到精确测量的目的，解决了误报的可能性，给现场 ｓＦ 以其优异的绝缘和灭弧性能，被广泛的应用于电力行 业的高压、超高压断路器和ＧＩＳ中，由于设备的制造、安装质量 差异和设备老化等因素，ｓＦ 气体设备发生泄漏是～种普遍现 象 。ｓ 气体一旦泄漏，不仅危及设备的正常运行，还会危 及到工作人员的生命安全。因此实时监控、及时报警和控制风 机并对ｓＦ 泄漏的发现、诊断、定位、维修具有十分重要的意 义。 提供了可靠的信息。便于在运行状态下设备的在线监测和控 制、保障工作人员的安全、提供快捷的维修信息。 红外吸收光谱法是由于化合物分子振动时吸收特定波长 的红外光而产生的。非对称双原子和多分子气体在红外波段 有一定的吸收带，吸收带的强弱及所在的波长范围有分子本身 的结构决定，只有当物质的分子本身具有特定的振动和转动频 《电力安全工作规程》中明确规定：工作区空气中ｓ 含量 不得高于１ ０００ ｐｐｍ（１ ｐｐｍ＝１０ ），Ｏ２浓度不小于１８％Ｉ ｓ］。 电力系统对ｓＦ６气体环境的实时监测提出了越来越高的要求， 而ＳＦ６的精确测量、实时准确报警等问题却是个瓶颈。文中采 率与红外光谱中某一波段的频率相一致时，分子才能吸收这一 波段的红外辐射能量，每一种化合物的分子只能有选择的吸收 某一个或某一组特定波段内的辐射，这个所谓的波段就是分子 用了红外光谱吸收原理设计了该系统，解决了传感器使用寿命 短的问题，具有精确测量、稳定性好、重复性好的优点。运用硬 的特性吸收带，特征吸收带对某一种分子是确定的、标准的，如 同“物质指纹”＿４］。利用物质对红外辐射的选择性吸收的特性 来对物质进行定性定量分析。 实验证明，ｓＦ 在红外波段（中心波长１０．５５ ｔｘｍ）具有非常 强的吸收，其吸收关系服从朗伯——比尔吸收定律，即吸收与 ｓ 气体浓度呈现自然指数关系。 根据Ｌａｎｂｅａ—ｂｅｅｒ定律，气体浓度和输出光强，与输入光 强，ｎ之间的关系为 件和软件的优化设计，解决了ｓＦ 气体测量系统中的瓶颈，另 外运用ＲＳ４８５通信协议，以方便与主机进行通信。使在线智能 监测系统具有了广阔的应用前景。 １ ＳＦ 气体在线监测的原理 现有检测ｓ 气体的技术有：超声波技术、负离子捕获技 术、负电晕技术、红外光谱吸收技术等，经过分析、选择和对比， 收稿日期：２０１０—１１—１０收修改稿Ｅｌ期：２０１１－０３—１１ ｃ：百百 了 １ ｌｇ争 第８期 郭利民等：ＳＦ６气体泄漏环境在线智能检测系统的设计 式中：ｃ为气体浓度； 为吸光系数；２为光程长度；Ｉｏ为人射光 强度；，为出射光强度 。 如果ｋ与ｚ已知，那么通过检测，和 就可以测得气体的 用，提高了传感器的测试精度。 传感器单元将采样信号传给微控制器ＭＳＰ４３０Ｆ１４９，由微 控制器内部的１２位ＡＤＣ进行模数转换。显示器采用数码显 浓度Ｃ，这就是光谱吸收法测量气体浓度的基本原理。 ２硬件设计 该系统设计的主要技术指标如表１所示。 表１系统主要技术指标 该系统硬件设计主要由３部分构成：现场变送器模块、主 机控制模块和ＲＳ一４８５通信抗干扰措施。 ＳＦ 气体在线监测系统需要采集环境温度、环境湿度、Ｏ： 浓度和ｓＦ６浓度，并对这些特征量信号进行预处理、传送、存 储、计算、判断和显示来完成整个在线监测过程。 现场变送器中单片机用的是带１２位Ａ／Ｄ的ＭＳＰ４３０Ｆ１４９ 芯片。采用ＲＳ一４８５通信方式与主控机进行通信，ｓ 在线智 能监测系统通信距离１．２ ｋｍ，一台主控机最多可以控制１２８台 现场变送器，实时显示工作环境的温度、湿度、Ｏ：浓度、ｓ 浓 度，并且可以随时查看超标的历史信息。 主控机采用主控方式，现场变送器采用中断方式，每个现 场变送器都有一个“本机”地址，以便主控机对其寻址 。系统 总体工作原理图如图１所示。 现场变送器ｌ＃Ｌ 现场变送器２＃Ｌ＋ ＲＳ通信 ——｜．一４８６ ． 控 主 机 现场变送器Ⅳ＃ 图１ 系统总体工作原理图 ２．１现场变送器模块 信号的处理是在现场变送器内完成，此模块选用１２位抗 干扰能力强的微控制器ＭＳＰ４３０Ｆ１４９单片机，具有ｌ２位的Ａ／Ｄ 转换接口，简化了外围电路单元的设计，主要对ＳＦ 浓度和Ｏ： 浓度进行处理和显示，并利用ＲＳ一４８５通信进行数据的传输。 其硬件原理框图如图２所示。 图２现场变送器模块原理图 ｓＦ 传感器的主要设计是温度补偿。以前的传感器直接在 传感器的前端考虑温度补偿，这样做效果不明显。设计使用温 度信号先进入微处理器处理后再补偿到传感器的前端，这样能 很好地反应温度补偿的准确性。同时也考虑到压力补偿的作 示，实时交替显示ｓＦ 浓度和Ｏ：浓度，可以通过按键操作对系 统进行校准和地址参数设置。 现场变送器安装在离地５ ｃｍ的位置，这样当空气中ｓ 和 Ｏ。的含量发生变化时，由于自然扩散作用，传感器就可以实时 监测到空气中ＳＦ６和Ｏ 含量变化。 ２．２主控机模块 此模块主要是对所有数据信息进行综合处理。其硬件原 理框图如图３所示。 图３主控机模块原理图 此模块的微控制器采用ＡＴＭＥＧＡ１２８微处理器，输入部分 有实时时钟、人体红外信号、按键和通过ＲＳ一４８５通信传过来 的ｓ 和Ｏ：浓度值，输出部分由数据的显示、声光报警器和风 机控制器。实时时钟提供实时的时间，当数据超标时可以记录 发生的时间，供以后工作人员分析数据时使用。人体红外传感 器是测试当有人进人工作区时，告知监控室主控机，有人进人 工作区，同时控制风机开启，与外界进行气体交换，以确保工作 人员的安全。数据的显示是用液晶显示屏，实时显示时钟、Ｏ： 浓度、ｓ 浓度、人体红外的状态、风机的控制状态。系统参数、 校准信息和超标的信息都在ＥＥＰＲＯＭ中存放。当ｓＦ６气体的 浓度大于１ ０００ ｐｐｍ或Ｏ 浓度小于１８％时，风机开启进行换 气，声光报警器报警，通知工作人员做出相应的处理。同时工 作人员可以通过查看超标信息判断ＳＦ６泄漏的位置，为维护工 作提供便利。 ２．３ ＲＳ一４８５通信抗干扰措施 变送器与主控机是通过两根ＲＳ一４８５通信线进行通信。 这种方式连线简单方便，易于操作，但是抗干扰问题是一个比 较大的问题，经过不断的改良，现在对４８５通信模块的前后端 分别加上光电隔离。由于通信电缆存在阻抗不连续，在安装时 电缆终端（最近端和最远端）加上１２０ ｎ的匹配电阻，防止信号 反射。现场使用双绞屏蔽电缆线，屏蔽层接地，以抵抗外部空 间工频干扰。采用“手拉手”的连接方式与主机进行实时通信。 ３软件设计 系统软件采用Ｃ语言设计，采用模块化思想，使程序易于 移植和维护。该ｓＦ 气体在线智能监测系统，严格按照国标设 计。与国标比较来判断监测结果是否超标，若超标，则进行报 警和排风处理。其主控机软件框图如图４所示。 开机后，系统进行系统初始化，初始化的时间是１０ ｍｓ，等 待各项进入稳定工作状态，保证监测的准确性，然后发送数据 ７８ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ａｕｇ．２０１１ 帧，数据帧格式如图５所示。使用此数据帧的传输，实现了数 据快速、精确的传递，监测并得到通道号后，接收相应的ｓＦ —和０ 浓度数据，并实时显示浓度值，如果超标，报警和风机开 启，并保存报警通道号、时间、报警值，然后在进行地址的轮 询。 ＿－４温度数据帧ｌ湿度数据帧Ｉ校验和Ｉ报尾ｌ 图５软件使用数据帧格式 ４结束语 经过现场的测试，系统可实时监测各个参数的变化，完全 达到主要性能指标，并且具有历史数据的保存和调出功能，以 备以后分析数据使用；人机界面好，操作简单方便，实时性好， 可靠性高。测量范围０—５ ０００ ｐｐｍ（１ ｐｐｍ＝１０ ），灵敏度为１ ｐｐｍ．可广泛应用于在线实时检测ＳＦ６气体浓度场合。 参考文献： ［１］ 卞杨，赵海，齐笑言，等．ｓ 气体泄漏环境在线监测技术综述．黑 龙江电力，２００９，３１（６）：４７７． ［２］黄春，段小强，汪献忠，等．ｓ 气体智能检漏仪的设计．仪表技术 与传感器，２００９（４）：１３８． ［３］杨斌，何小刚，牛呈光．基于数字信号处理的红外气体分析仪．科 技情报开发与经济，２００７，１７（６）：１９６． ［４］ＤＬ４０８—９１ 国家电网公司电力安全工作规程． ［５］常建华，董绮功．波谱原理及解析．科学出版社，２００５：１０７． ［６］李艳秋，江秀臣，曾奕．ｓ 气体微水含量在线监测方法及其软件 实现．华东电力，２００６，３４（３）：５８． 图４主控机软件框图 作者简介：郭利民（１９８３一），硕士研究生，主要从事嵌入式系统领域的 科研工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｕｏｌｉｍｉｎ３４５＠１６３．ｔｏｍ． （上接第３３页）表Ｉ中，ｔ。、ｔ 个数误差的计算是ｌ６点平均后最 大值与最小值的差值。由测量结果可以看出，最大误差为４．３８ 个计数。在探头距离变化时，时间测量的数据稳定。 表１试验数据分析 一步提高测量精度和稳定性；采用数据处理能力强的ＣＰＵ（如 ＤＳＰ，或ＭＳ４３０等单片机）以进一步提高测量速度。 参考文献： ［１］梁国伟，蔡武昌．流量测量技术及仪表．北京：机械工业出版社， ２００５． ［２］ 孙晓松，兰纯纯．基于双ＭＣＵ的超声波小管径流量测量系统．计 算机测量与控制，２００６，１４（１１）：１４５０—１４５１． ［３］ 张梦，张辉．高精度超声波流量计的设计．工业测量，２０１０，２０（３）： ３５—３７． ［４］ 盂华，闫菲，李明伟．新型时差法超声波流量计．仪表技术与传感 器，２００７（８）：ｌ８—２０． ［５］ 李英顺．现代检测技术．北京：中国水利水电出版社，２００９． ５结束语 ［６］ 杨嫒，高勇，李福德，等．基于ＣＰＬＤ的超声波流量计系统的研制． 仪器仪表学报，２００１，２２（６）：５８３—５８７． 流量计以双单片机作为控制核心，利用高精度计时芯片构 成高速计数模块，并通过阈值检测，过零检测准确确定发送、接 收时刻，环鸣法的测量方式，提高了系统的稳定性和可靠性，进 而实现了时差法精确测量液体流量的目的。通过系统设计及 实验测试，得出以下结论： ［７］ 李国洪，盛立，刘丽娜．基于ＭＳＰ４３０Ｆ４４７的超声波流量计的设计 及实现．声学技术，２０１０，２９（３）：２８８—２９１． ［８］刘存，黄建军．时差法超声波流量计的几点改进．沈阳工业大学学 报，２００２，２４（２）：８７—８８． （１）该设计实现了低成本高精度的设计要求，适用于中小 管径测量。 ［９］ 吴元良，姚骏，李斌．ＴＤＣ－ＧＰ２高精度时间测量芯片在时差法超声 波流量计中的应用．仪表技术，２００９，（１）：５９—６１． ［１Ｏ］ 李广峰，刘防，高勇．时差法超声波流量计的研究．电测与仪表， ２０００，３７（４７１）：１３—１９． （２）系统电路设计简单，安装方便，抗干扰能力好，测量精 度较高，适用范围广，可适用于不同液体的流量测量。 系统改进措施如下： 作者简介：许会（１９６３一），工学博士，教授，博士生导师，主要研究领域 为无损检测，过程检测及控制技术。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｈｉｍａｇｅ＠１６３．ｔｏｍ 对系统硬件电路采取适当的屏蔽措施，降低外界干扰，进