SF6纯度与分解产物检测仪

杨道华，谭秋林，熊继军，陶 超

(1.中北大学，电子测试技术国家重点实验室，山西太原 030051；2.中北大学，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051；3.河南省日立信股份有限公司，河南郑州 450001)



SF6纯度与分解产物检测仪

杨道华1，2，谭秋林1，2，熊继军1，2，陶 超3

(1.中北大学，电子测试技术国家重点实验室，山西太原 030051；2.中北大学，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051；3.河南省日立信股份有限公司，河南郑州 450001)

针对电力行业对于SF6纯度和分解产物精确测量的需求，设计一种SF6纯度与分解产物检测仪。检测仪集成数字式红外SF6纯度传感器和H2S、SO2、CO电化学传感器，电化学传感器输出的模拟检测信号经A/D转换后同SF6纯度传感器输出的数字检测信号一起送至主控芯片STM32F103进行数据处理和控制。完整的软件架构使检测仪具有校准、存储、查询、通信等功能，温度补偿和传感器信号矩阵算法保证了其测量准确度。试验结果表明，该检测仪SF6纯度测量相对误差≤0.04%，分解产物测量相对误差≤2.0%。

SF6纯度；SF6分解产物；温度补偿；传感器矩阵

0 引言

近年来，空气绝缘开关(Gas Insulated Switchgear，GIS )由于安全性强、可靠性高、环境适应能力强等优点而被广泛用于高压配电设备中。SF6气体在GIS内部主要充当理想的绝缘和灭弧介质，它在正常工作状态下化学性质稳定。但在设备内部出现高温、局部放电或纯度不足时，SF6将发生分解，产生H2S、SO2、CO等有毒气体，使电气设备的绝缘性能下降。因此，在电力系统中，主要通过检测SF6气体纯度和分解产物H2S、SO2、CO含量来及时发现、处理设备内部缺陷和故障[1]。

目前所售的检测仪只能单一地测量纯度或者分解产物，并且部分仪器灵敏度低、稳定性差，不能满足实际现场的需要。针对电力部门精确测量的需求，设计一款能够同时检测SF6纯度及分解产物含量的仪器。

1 系统测量原理

1.1 SF6纯度测量原理

SF6化学性质稳定，属于惰性气体，测量该气体纯度的方法主要有气相色谱法、热传导法、红外光谱吸收法等。本系统选用非分光红外(Non-Dispersive Infra-Red，NDIR)SF6传感器。

非分光红外传感器[2-3]的基本原理：一定频率宽带调制光源发出红外光穿过传感器气室时，待测气体将吸收特定波长的红外光。出射光经过两个窄带滤光片照射到双通道探测器上，转化成检测和对比电信号。气体吸收导致光强衰减程度和气体浓度之间的关系遵循朗伯-比尔(Lambert-Beer)定理：

I=I0e-KcL

(1)

式中：I为红外光被气体吸收后的发光强度;I0为红外光被气体吸收前的发光强度;K为气体吸收常数;c为待测气体浓度；L为红外光通过气室的长度。

如图1所示，红外光源根据预设的调制频率发出波长为10.55 μm(SF6的吸收峰值波长)的红外光。被SF6气体吸收过的红外光通过两种不同的窄带滤波片，由双通道热释电探测器转化成交流电信号。交流电信号通过放在光学部件后的前置放大电路放大处理后，再经过二次放大整流电路得到与气体浓度对应的信号，最后进入采样系统校正、补偿输出气体纯度。

图1 红外SF6分解产物测量原理

1.2 SF6分解产物测量原理

目前，SF6分解产物检测方法有多种：检测管法、气相色谱法、红外光谱法、电化学传感器法等。电化学传感器主要由浸没在电解液的3个电极组成：工作电极、对电极、参比电极，如图2所示。其工作的机理是：扩散进入传感器的气体在工作电极表面发生氧化或者还原反应，在对电极发生与之相对的逆反应，在外部电路上形成电流。根据电流和浓度的线性关系推出被测气体的浓度。

图2 电化学传感器内部组成图

2 系统设计

2.1 气路结构设计

两类测量的原理不同，因此选用不同的测量气室。可以通过调节仪器上的SF6分解产物档和SF6纯度档来实现SF6分解产物和SF6纯度的测量。检测仪的气路结构图如图3所示。

图3 检测仪气路结构示意图

2.2 硬件设计

硬件电路主要包括：主控MCU、传感器及信号调理电路、A/D转换部分、扩展存储、触摸显示屏等，整体结构图如图4所示。其中主控MCU选用基于Cortex-M3内核的32位增强型闪存微控制器STM32F103VE[4]，A/D转换采用24位AD7718模数转化器。

图4 SF6纯度及分解产物检测仪整体框图

工作时，传感器检测输出的电信号，通过信号调理、A/D转换后，得到一个与待测气体浓度相对应的数字信号，主控MCU对数据处理后送至上位机以及触摸屏上显示。同时系统采用流量传感器和温度传感器实时检测气路流量和系统温度。

2.2.1 传感器选型及信号调理电路

SF6纯度传感器采用德国进口红外气体传感器，其输出的数字信号通过Modbus ASCII协议上传到微处理器中。SO2、H2S和CO传感器，都采用英国进口传感器，它们线性范围宽，量程分别为0～100 ppm、0～100 ppm、0～500 ppm。

下面以H2S的电化学传感器信号处理电路设计为例介绍。H2S处理电路如图5所示。

图5 H2S信号处理电路

在图5中，场效应管Q1短接了参比电极和工作电极；U1与对电极、工作电极形成电化学通路；U3是一个跨阻运算放大器，将微弱的电流转化成电压信号；U2是二级放大，将信号调理到A/D转换器能够采集的范围。

2.2.2 显示、外部存储及通信电路

采用分辨率为320×240的TFE3224b液晶屏，支持256色。该屏具有触摸功能，需要与触摸屏控制芯片ADS7846配合使用。检测仪支持用户数据保存，片内存储有时候不能满足要求，需要外扩存储。采用4片AT24C512作为数据储存器，芯片直接挂在串口通讯上，根据芯片的地址选择引脚的高低电平确定地址范围。使用串口芯片将微处理器的TTL电平转化为RS232电平，通讯采用Modbus协议，串口芯片选用AX3223。

2.3 软件设计

软件选择C语言编程，采用模块化编程思想，按照功能可划分为触屏输入、显示、校准、通信、数据处理、存储等模块。主程序流程图如图6所示。

图6 主程序流程图

检测仪上电后，首先进行系统初始化，接着显示主界面，启动模数转换器处理并显示测量浓度，同时检测是否有触屏信号，处理并调用菜单程序。在进入功能菜单前需要输入密码，然后根据各子菜单功能进行相关功能操作。其菜单架构如图7所示。该检测仪提供中英文双语菜单界面供用户选择，方便用户操作。

图7 功能菜单架构

3 数据处理

SF6分解产物检测方法采用电化学传感器测量精度高，检测速度快，可靠性强，但存在温度影响显著和交叉干扰的缺点，通过温度补偿减弱温度影响和传感器矩阵算法减小交叉干扰。

3.1 温度补偿

电化学传感器信号的输出与温度有着密切的关系，根据传感器的数据手册得到温度与传感器输出信号的关系，如图8所示(以20 ℃的输出为标准)。

图8 温度特性曲线图

采用二次曲线拟合的方法确定CO、H2S、SO2的温度特性如下：

Y=0.896 99+0.005 950 1X- 0.000 045 42X2

Y=0.940 16+0.003 022 7X-0.000 007 468X2

Y=0.920 70+0.004 341 1X-0.000 036 25X2

式中：X表示温度值，℃；Y代表当前温度下传感器输出信号与20 ℃下输出信号的比值。

3.2 交叉干扰处理

电化学传感器的工作原理决定了可能对多种化学性质相似的气体同时有感应的情况，这种现象称作交叉干扰。为了减小干扰气体影响，英国Citytech公司的SO2传感器在进气口外安装一层H2S气体的过滤膜，但是这种方法只能消除某一气体的干扰。

系统采用软件算法对干扰信号进行补偿处理。采用传感器矩阵的思想，真实气体体积分数的信号量和传感器输出信号量的关系满足：

Y=AX

式中：A为传感器的交叉干扰系数矩阵A={αij}(1≤i≤3，1≤j≤3)；X为真实气体体积分数的矩阵X=[x1，x2，x3]T；Y为传感器输出信号矩阵Y=[y1，y2，y3]T。

矩阵A可以通过传感器手册的参考干扰系数和实验数据得到，通过矩阵求逆：

X=A-1Y

可得到真实气体体积分数[5]。

将检测仪测量旋转到SF6纯度档，放到恒温箱内，使用多组分动态配气系统配置背景气为N2的不同纯度的SF6气体，记录纯度试验结果，如表1所示。

表1 不同温度下纯度试验数据

同理检测仪旋转到SF6分解产物档，配制背景气为SF6的H2S、SO2、CO混合气体，分解产物体积分数的试验结果如表2所示。

表2 不同温度下分解产物试验数据

由表1可以看出在不同温度下纯度的相对误差≤0.04%。由表2知H2S和SO2相对误差≤2.0%，CO相对误差≤0.9%，说明该检测仪满足设计的要求。

4 结束语

研制成功的检测仪能实现对SF6纯度和分解产物的测量，并能通过与上位机通信，存储历史数据。实践证明，通过选用高精度的传感器、调理电路，经过温度补偿和抗交叉干扰处理，检测仪的精度十分优异。目前，该检测仪已实际用于电力部门的定期检修和故障排查现场，为电力部门工作人员了解GIS内部情况提供科学的依据。

[1] 屈军.电力系统SF6气体分解产物检测研究.南方电网技术，2012(6)： 61 -64.

[2] 熊友辉，蒋泰毅.电调制非分光红外(NDIR)气体传感器.仪表技术与传感器，2003(11)： 4 - 6.

[3] 陈世海，张申，牛光东，等.基于MSP430的红外瓦斯检测仪设计.煤矿机电，2006(4)： 12 -14.

[4] 喻金钱，喻斌.STM32F系列ARM Cortex-M3核微控制器开发与应用.北京：清华大学出版社，2011.

[5] 张华，杨莉.多参数气体检测设备数据处理研究.自动化与仪表，2008，23(10)： 20 -22.

Design of Detector for SF6Gas Purity and Decomposition

YANG Dao-hua1，2，TAN Qiu-lin1，2，XIONG Ji-jun1，2，TAO Chao3

(1.Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement，North University of China，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China;3.Henan Relations Ltd.，Zhengzhou 450001，China)

For the requirements of accurate measuring of SF6gas purity and decomposition in the electric industry, the design of a detector was put forward. The digital infrared SF6gas sensor and H2S, SO2and CO electrochemistry sensors were integrated. The analog signals of electrochemistry sensors were processed and converted into digital signals, which were put into STM32F103 with the digital signal of SF6sensor to be processed and controlled. Complete software architecture made the detector equipped with the functions of calibration, storage, inquiry, communication and so on. Through temperature compensation and sensor data matrix, the accuracy was guaranteed. The results show that the relative error of SF6purity is less than 0.04%, and the relative error of the decomposition is less than 2.0%.

SF6gas purity;SF6decomposition; temperature compensation; sensor data matrix

2014-01-27 收修改稿日期：2014-10-12

TH832

A

1002-1841(2015)02-0036-03

杨道华(1990—)，硕士研究生，主要研究方向为智能仪器仪表。E-mail：yangdaohua1990@163.com