集中式红外SF6 气体检测装置及其测量模型

龚益民,吴正明,周建江

(1.常州轻工职业技术学院,江苏常州,213164；2.南京航空航天大学,江苏南京,210016)

0 引言

SF6是一种无色、无毒的惰性气体，因其具有良好的绝缘和灭弧性能而被广泛应用于电力设备中，如断路器、变压器、GIS 气体绝缘全封闭组合电器等。SF6泄漏检测对于环境保护、电气设备及人身安全具有重要意义。传统的检测方式有：高压电晕技术、电击穿技术、导热系数法、超声波检测法等，上述方法在SF6泄漏检测中曾到了较广泛的应用，但存在成本过高、稳定性差、检测精度低、寿命短等缺陷。目前，越来越多的厂家开始采用基于红外吸收原理(NDIR)的方法进行SF6气体浓度测量，但却面临着红外探测器、红外光源、窄带滤光片等关键器件需要进口，成本很高；再加上目前红外双光路传感器大多数结构复杂，对加工、装配工艺要求较高，很难产品化，从而形成了虽然红外SF6气体传感器具有检测精度高、稳定性好、寿命长等优点，却未能得到广泛应用的局面。本文所讨论的集中式红外SF6气体检测装置，采用定时循环轮流选通的方式实现2 路以上的变电站现场监测点SF6气体采样检测，即只需一组红外SF6气体检测探头就可以检测多个现场检测点的SF6气体浓度，并采用结构简单的单光源单气室的双光路探测结构，从而较大地节省了设备的制造、安装、运行与维护成本。通过求取每路红外探测信号在光源周期性开关两种状态下的差值和求取这两个差值的比值的方法，有效消除了温度信号、背景光信号、光源波动等因素的干扰，然后在朗伯-比尔定律的基础上，用求取的比值推导求得了SF6传感器的线性测量模型，最后采用最小二乘法对测量模型进行了标定，并在标准试验条件下对该装置进行了测量试验，试验结果表明：该装置能够在0～40℃的温度范围内、各种环境光下正常工作。在0～1000PPM 的测量范围内，该装置的测量值与实际值的误差不超过±1%FS。

1 集中式红外SF6 气体检测装置结构的设计

图1 为集中式红外SF6气体检测装置的结构示图。如图1 所示，该装置提供了2 路以上变电站现场监测点气体采样进气口1；并可选其中的1 路作为扩展进气口。在进行SF6气体检测时，两种类型的进气口均有综合控制处理模块采用定时循环的方式通过电磁阀2 选通其中一路气体的开通，其它气路均处于关闭状态。与开通气路的进气口相接的变电站现场检测点的气体由气体采集泵3 抽取进入SF6红外传感检测气室，SF6气室的红外传感信号由综合控制处理模块经信号滤波、差分放大、AD 转换后送入单片机内部进行数学计算得出本次测量的SF6气体浓度，并保存在单片机内部的数据存储器中，在收到上位机的上传命令时，通过RS485 通信接口将所有检测点的测量数据一并上传到上位机中。在完成某路气体的采样与检测后，所有进气口均被关闭，出气口的电磁阀4 打开，由排气泵5 将已测气体从SF6检测气室排出。在进、排气过程中采用数字式压力传感器6 检测进、排气工作气压，实现采样进气时气室压力在1 个标准大气压值，在排气时气室压力接近真空压力。

2 红外SF6 气体传感器结构设计

图2 为红外SF6气体传感器的结构图。如图2 所示，红外SF6气体传感器的光学探头采用直射式空间双光路结构，气室材料采用铝锌合金，外形为长方体。气室空腔为圆柱形状，表面抛光镀银，确保光洁明亮。气室空腔长度为5.0cm，空腔内圆直径为0.85cm，在该传感器中的装有红外光源和红外热释电探头的气室两端采用了对称的带有抛物面镜面的锥形气室，窄带滤光片直接安装在红外热释电探头上，红外光源和红外热释电探头的装配中心和光轴中心保持同一直线。以上设计降低了光信号的损耗，并提高了红外探测信号的信噪比。另外在确保传感器检测的准确性和稳定性的前提下，使传感器的体积尽可能做地更小。由于扩散方式比抽气方式的响应时间要长，本装置又采用集中式检测，因此本装置的SF6气体传感器采用抽气方式。在传感器气室同一侧面壁上开有间距为3.2cm，孔径为1.0mm 的进出气孔，传感器采用气体流量为500ml/min 的微型采样气泵进行抽排气，气室每次抽排气时间T 为：

图1 集中式检测装置的结构图

SF6气体传感器的测量时间不超过3 秒，16 路监测点气体轮测一遍的时间不超过1 分钟。

3 传感器测量模型的建立

红外吸收光谱法，又称作红外分光光度法，当一束红外光穿过样品气体时，由于气体分子振动时吸收特定波长的红外光，光强将被削弱，红外探测器件是光敏元件，出射光信号被转变成相应的电信号输出。依据朗伯比尔(Lamber-Beer)定律，再考虑气室的洁净度变化、光源的光强波动、探测器件的灵敏度衰减等因素对光路的影响，在测试环境不变的前提下，红外探测器件的电信号输出可采用式（2）来表达：

其中：U（λ）为探测器的两端信号电压值；I0（λ）为出射光的光强；A（λ）为光电转换系数；C（λ）为滤光片的透光率；K（λ）为红外光通过气室时的光损系数；α（λ）为气体的吸收系数；以上参数均和光路有关，是波长λ 的函数。C 为SF6气体浓度,L为气室的长度。

本传感器采用了双光路检测技术，将两探测器输出信号相除，可消除气室光路上的干扰因素的影响。但要消除背景光信号和温度信号等环境因素的影响，则需分别测出测量探测器和参考探测器在红外光源被以1Hz 的频率周期性调制的过程中，在光源开、关两种情况下的测量电压，并求出测量电压的差值，才能消除环境因素对测量SF6气体浓度的影响，进一步提高SF6气体传感器的测量精度。

根据以上分析，可按如下步骤推导求得传感器的测量模型：

(1) 求取每路红外探测信号在红外光源关的状态下的测量电压

(2)求取每路红外探测信号在红外光源开的状态下的测量电压

此时测量探测器两端的测量电压为：

因SF6 气体对参考光路影响很小，可忽略不计，因此参考探测器两端的测量电压为：

(3)将式(6)与式(4)，式(7)与式(5)分别相减，求得剔除干扰因素后的信号电压为：

(4) 为消除红外光路上的元器件所产生的影响，将式(7)与式(8)相除并求对数，通过推导可求出如下的SF6气体浓度C 的计算公式为：

式(9) 中，ln[(Aref·Cref·Kref·I0ref)/(Agas ·Cgas·Kgas·I0gas)]与-αgas·L 是不变量，在传感器标定过程中可确定它们与SF6气体浓度C 的关系。为进一步化简式（9），设：

很显然，变量y 与变量x 之间成线性关系。

4 传感器测量模型的标定

采用一元线性回归的方法来对上述线性关系进行拟合，标定式（14）中的两个待定系数k 和n。具体过程如下：

图2 SF6 气体传感器结构图

(1) 在常温常压下将集中式SF6气体检测装置放入气体测试室内，开机预热5 分钟。

(2) 在 浓 度 值 分 别 为0.0ppm、300.0ppm、600.0ppm、800.0ppm、1000.0ppm 的测定点上进行测量试验。每次测量需在气体测试室内SF6气体浓度稳定在测定点的浓度值后进行，确保测量数据正确有效。本装置每次可测量多达16 个测量数据，选取其中8 个数据记录在表1 中，并取它们的平均值作为该浓度点x的测量值。

(3) 在表1 数据记录完全后，利用最小二乘法计算出测量模型中的待定系数k 和n。本SF6气体检测装置最终得出的测量模型为：

5 实验验证

实验验证的过程与标定实验相似，另取标准浓度为100.0ppm、400.0ppm、500.0ppm、700.0ppm、900.0ppm 的SF6气体分别送入气体测试室内，在测试室内SF6 气体浓度稳定在验证点的浓度值后进行验证测量，从集中式SF6气体检测装置测量的数据中选取8 个测量数据记录在表2 中，并取它们的平均值作为该浓度点y 的测量值，实验验证的数据如表2 所示。通过表2可以看出：

(1) 测量值与实际值的误差不超过±10ppm，说明该测量模型的测量精度达到±1%FS。

(2) 平均值与实际值的误差更小，不超过±5ppm。

6 结论

本文提出的集中式红外SF6气体检测装置在0～1000ppm 的测量范围内，精度为±1%FS，可连续无故障工作30000H 以上，说明该检测装置的设计是准确、可靠的。

表1 变量x 的测量值

该集中式红外SF6气体检测装置采用定时循环轮流选通的方式，仅用1 个红外SF6传感器探头实现16 路以上的SF6气体监测点的气体测量，从而较大地节省了设备的制造、安装、运行与维护成本。并且采用气泵抽气方式而非扩散方式，使传感器的响应时间小于3 秒，能满足实际应用需要。另外采用了单光源双光束对称直射式红外传感器气室结构，使红外SF6气体传感器结构简单、制造方便、体积更小、易产品化，为推动红外SF6气体检测装置的广泛应用创造了良好的条件。

表2 变量y 的测量值

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