一种便携式六氟化硫检测仪

梁燕庄 / 上海市计量测试技术研究院

一种便携式六氟化硫检测仪

梁燕庄 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

六氟化硫（SF6）为无色、无味、不燃烧、无电抗性、相对无毒、仅有窒息性的液化气体。它具有极好的热稳定性，纯态下即使在500℃以上也不分解。SF6具有优良的电绝缘性和灭弧特性，相同条件下，其绝缘能力为空气、氮气的2.5倍以上，灭弧能力为空气的100倍。SF6代替传统的绝缘油作为主要绝缘介质，已广泛应用于高压断路器、变压器、互感器、电容器、避雷器、接触器、熔断器等设备，它具有绝缘强度高、不燃和防爆等优点。随着SF6广泛应用于电气设备，对电气设备的日常检查工作日益重要，SF6气体泄漏不仅会引起环境污染，对现场工作人员的健康安全造成危害，而且危及设备的绝缘水平，引发设备故障。因此，必须有相应的检测设备，以监测安装场地设备的安全运行，六氟化硫便携式检测仪应运而生。

1 检测方法

多年来，国内外对检测SF6气体泄漏进行了许多研究。目前使用的SF6气体泄漏检测技术和原理主要有以下几类。

1.1 电化学技术

原理是被检测气体接触到 200℃左右高温的催化剂表面，与之发生相应的化学反应，从而产生电信号的改变，以此来发现被检测气体。其缺点是除对SF6气体有反应外，对其他氟化物同样有反应，并且抽取气流量的大小会直接影响催化剂的温度，影响测量准确度。因此该方法仅适用于只有单一SF6气体存在的场合，且需对气流量进行控制。

1.2 高压电击穿技术

工作原理是根据SF6气体绝缘的特性，从置于被检测空气中的高压电极间击穿电流的变化来判断空气中是否含有SF6气体。但由于气体温度、探头的制作精度、含有其他各类气体等也会对检测带来很大的影响，因此该方法误差较大，只能做定性检测。

1.3 示踪法

工作原理是利用SF6气体的吸附特性，在SF6气体中加入某种物质，这种物质能够被SF6分子吸附，相当于做了一个标记，再通过检测这种物质，间接测量SF6气体浓度。这种方法准确度非常高，缺点是需要辅助气体，造价成本高。

1.4 非色散红外光谱吸收技术

原理是利用SF6作为温室气体，对特定波段的红外光有很强烈的吸收特性来检测SF6。其灵敏度高，不受环境的影响和干扰，不受其他气体干扰，环境温度和湿度的变化所带来的检测误差很小。

非色散红外光谱吸收技术根据红外光源又可分为两类，一类采用加热发射电极产生红外光，这种红外光是一种宽范围的连续波长的红外光，因此检测端必须有对应检测气体吸收波长的红外滤片。另一种采用半导体红外激光器作为光源（特定波长），由于激光的单色性及稳定性，采用这种光源的设备，检测准确度更高，相应成本也更高。

常用气体的红外吸收特征波长见表1。

表1 常用气体的红外吸收特征波长

2 红外六氟化硫便携式检测仪

2.1 检测原理

采用加热发射电极产生红外光技术，双波长非色散红外光谱中，第一波长为SF6的特征波长，另一为参考波长，用于实时扣除背景，以提高仪器抗干扰能力，提高测量准确度。

2.2 系统组成

主要由传感器、气体控制单元、计算机处理系统组成（见图1）。

图1 红外六氟化硫便携式检测仪系统组成

采用微型管道式六氟化硫传感器，由计算机控制的气泵控制进气流量。计算机读取传感器的测量数据后，显示在TFT 液晶显示屏上。由于显示屏、传感器、气泵耗电都比较大，为了延长电池的使用时间，所有部件的电源均设有计算机控制开关，不用时可以自动关闭，以减少用电。检测及保存的数据可通过网络接口传送到上位机。

2.3 硬件组成

2.3.1 传感器

传感器采用德国进口的管道式六氟化硫红外传感器。

该传感器采用单光束双波长红外光测量，传感器带数据处理，内部已预置标定数据及温度补偿，使用UART 接口，Modbus ASCII协议通信与外部通信，直接发送测量结果。由于传感器采用一线制的通信接口，与计算机的标准的两线制通信接口无法直接连接，所以必须通过接口转换电路才能与控制计算机连接，转换电路如图2。

一线制通信线，通过一只680 Ω电阻隔离，直接连到通信片的输入及输出端，计算机发出的通信数据会通过 680 Ω电阻回到自己的接受端，所以计算机必须使用异步通信，来屏蔽无用的接受数据。一线制的通信方式也只能进行异步串行通信。

2.3.2 气泵

气泵采用微型 6 V 直流气泵，为了保证进气的稳定性及减少电源消耗，采用 PMW 调速控制，计算机发出PMW 控制信号，加到气泵驱动电路，控制气泵以合适的抽气率工作。

2.3.3 显示器

显示部分DND32249T035型320×240带触摸功能的TFT 显示屏，内部集成标准字库、可扩展的用户字库接口、显示屏自带中央处理器、支持图形界面操作及触摸操作，通过串行口接受命令并显示。

2.3.4 中央处理器

中央处理器采用 Silicon Labs 公司混合信号单片机 C8051F120，该单片机采用 100脚的TQFP封装，功能包括：

1）模拟外设

12 位SAR ADC: ±1 LSB INL，可编程转换速率最大100 ksps，多达8个外部输入，可编程为单端输入或差分输入， 可编程放大器增益；

两个模拟比较器；

电压基准；

VDD 监视器和欠压检测器。

2）CPU核心

高速 8051 微控制器内核。

3）存储器

8 448 字节内部数据RAM（8 kB + 256）；

128 KB 分区FLASH，可以在系统编程，扇区大小为1 024 字节；

图2 转换电路

外部64 kB 数据存储器接口（可编程为复用方式或非复用方式）。

4）数字外设

8个8 位宽端口I/O（100TQFP），耐5 V；

可同时使用的硬件SMBus(I2C 兼容)、SPI 及两个UART 串行端口；

可编程的16 位计数器/定时器阵列，有6个捕捉/比较模块；

5个通用16 位计数器/定时器；

专用的看门狗定时器；

双向复位引脚。

5）时钟源

内部精确振荡器：24.5 MHz；

可灵活配置的PLL；

外部振荡器：晶体、RC、C、或外部时钟。

6）供电电压

电源范围：2.7 ～ 3.6 V（50×0.9 MHz），3.0 ～ 3.6 V（100×0.9 MHz）。

7）片内JTAG 调试和边界扫描

片内调试电路提供全速、非侵入式的在片/在系统调试，支持断点、单步、观察点、堆栈监视器，可以观察/修改存储器和寄存器。

由于C8051F120 单片机基本已包含测量控制的全部功能，所以外围仅需少量电路就能完成一套控制电路。

用 PCF8653 为实时时钟，记录测量数据的时间，通过 I2C总线与CPU链接。所有部件独立供电，使用带控制端的稳压模块SPX3819-5，由计算机控制电源开关。 气泵控制同样使用稳压模块SPX3819-5，控制端使用计算机输出的PMW信号，进行调速控制。同时对电池进行温度测量，所有电压进行监控，发现问题及时报警。锂电池充电则使用外部锂电池充电器控制充电。

2.3.5 网络通信

网络通信采用CP2201， 是集成了 IEEE 802.3以太网媒体访问控制器MAC、10Base-T 物理层和8kB 非易失性FLASH存储器的单芯片以太网控制器，采用28脚QFN或 48脚TQFP封装。CP2201 可以与具有 11个以上I/O引脚的任何微控制器或主处理器连接，以增加系统的以太网通信功能，8位并行总线接口支持 Intel和Motorola总线方式，可以使用复用或非复用方式寻址。在非复用模式下，数据传输速率超过 30 Mbps。完全兼容100 Mbps网络，工作模式全/半双工，自适应，可以方便地接入已有的网络系统。与单片机连接线路采用标准线路。

网络通信软件，可采用厂家提供的标准程序，并根据系统要求，进行适当修改。

2.4 软件设计

系统软件采用模块化设计方法，C语言编程。主要模块包括主控、显示与触控、数据采集、电源控制、网络通信、测量数据保存及查询。对本检测仪的所有操作通过触摸屏进行。检测仪上电复位后，初始化各模块，等待开始测量，启动测量后，打开各模块工作电源，采集传感器数据，显示、保存或通过网络传输数据。

对于传感器采集部分，由于传感器采用的串行通信格式为 7位数据位，带一位奇偶校验位，而单片机本身并不支持这种通信格式，仅支持8位数据的通信，所以软件必须对数据进行格式转换才能完成与传感器的数据通信。

对于网络部分，TCP通信协议支持一个简单的Webserver，可以通过浏览器直接查看到SF6的测量结果。UDP通信协议应用在数据传输，可以将保存的测量数据发送到上位机，也可实时将测量数据发送到指定的远程计算机上（上位机程序根据应用另行编制）。

2.5 技术指标

见表2。

表2 检测仪的技术指标

3 结语

该六氟化硫检测仪能高准确度、宽量程检测SF6，仪器体积小，电池容量大，可方便地应用于电站现场的设备检测，并且由于自带网络接口，也可作为远程实时监测设备之用。

[1] 吴亚珍. SF6气体泄漏检测方法及报警技术[J]. 电工技术，2007，04：19-20.

[2] 王东方，魏庆农，刘世胜，等. 高压变电站室内 SF6浓度的红外激光吸收检测方法研究[J]. 大气与环境光学学报，2008，3：139-141.

[3] 全国环境化学计量技术委员会. JJF 1263-2010[S]. 北京：中国计量出版社，2010.