CN102889968A - 低浓度六氟化硫气体检测的声学方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种检测低浓度微量六氟化硫浓度的声学方法及其装置，利用超声波在气体中传播时声速和气体摩尔质量之间的关系，采用应用于通信中的幅度调制和包络检波的方法，测量声波通过固定长度的检测通道的传播时间
，同时理论计算出当时环境条件下的未混有六氟化硫的空气中的传播时间
，利用
与
之差
表征六氟化硫浓度。本发明的检测效果好，且精度高；突破了现有低浓度六氟化硫声速法检测技术中传播时间检测精度不足和跨周期问题，实现了采用单通道方式对低浓度的六氟化硫浓度的精确检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种低浓度六氟化硫气体检测的声学方法及其装置，应用于电力系统的中压、高压和超高压断路器中，对六氟化硫气体绝缘和灭弧介质的泄漏进行在线检测。
背景技术
六氟化硫(SF6)是具有卓越的电绝缘性和灭弧特性的气体。所述的低浓度的六氟化硫指的是浓度在0~3000ppm范围内的六氟化硫。在电力工业中，SF6广泛应用于电导设备系列，如电源开关、封闭式电容器组、变压器等。运行中，SF6气体的泄漏不可避免，当有大电流开断时，由于强烈的电弧放电会在泄漏现场中产生一些含硫的低氟化物。这些物质反应能力较强，当有水和氧气时又会与电极材料、水分子进一步反应，从而分解产生有毒或剧毒气体。这些有毒气体主要损害人体的呼吸系统，中毒后会出现类似于感冒、皮肤过敏、恶心呕吐、疲劳等不良反应，吸入剂量大时，会出现更加严重的后果。另外由于SF6气体比重比空气大，泄漏易聚集，易造成低层空间缺氧，造成现场工作人员窒息。因此，准确检测空气中SF6气体浓度是设备安全可靠运行的保障，并且其安全性也受到全球性的关注。针对SF6设备现场环境对人类健康的威胁，国家已经制定了相关标准--《六氟化硫电气设备中气体管理和检测导则》（GB/T 8905-1996），其中7.3.3中讲到：在户内设备安装场所的地面层应安装带报警装置的氧量仪和六氟化硫浓度仪……六氟化硫浓度仪在空气中六氟化硫含量达到1000μL/L时发出报警……如发现不合格时应通风、换气。
从物理性质上看，SF6常态下是一种无色，无味，无毒的不易燃气体，比重约为空气的5倍。从化学性质上看，其化学成分稳定，具有极好的热稳定性。因此检测SF6气体浓度难以像检测O2或者CO2一样采用化学传感器。人们也曾研究运用另外一些测量气体浓度的方法，如：气相色谱法、导热系数法、电子漂移法、光谱法、负电晕放电法等。但这些方法都需要昂贵的仪器设备，并要求操作者具有相当高的操作水平，显然都不适宜。现行的用于高压变电现场的六氟化硫检测系统多基于三种原理，一种是基于高压电晕放电的原理，当空气中含有不同浓度的六氟化硫气体时，高压电晕放电的电流就有所改变，通过测量此放电电流的大小而确定空气中泄漏的六氟化硫的浓度的大小。此类设备体积小，便于构建网络，但其高压电晕放电传感器寿命较短，不能长期稳定的工作，而且难于达到较高的稳定性，其标定工作也比较困难。第二种方法是利用SF6气体对红外线具有强烈的吸收作用的特征，来定性或定量地检测SF6的泄漏情况，目前此类设备的检测精度高，但是成本很高。所以，市场非常需要一种简易经济、高实时性、稳定小巧、高寿命的测量设备进行高压现场六氟化硫浓度的检测。第三种方法就是声波检测技术来检测SF6的浓度，一般采用声速检测的方法或传播延时检测的方法，它利用了这样的原理：当构成二元混合气体的两种气体的分子量相差较大时，声音传播速度随两种气体组分的不同而变化。还有一种声学的方法是利于不同性质的气体对不同频率的声波的衰减程度不同而进行检测的声衰减方法。
但目前所使用的六氟化硫浓度的声学检测方法也存在一些问题。申请号为“200810025458.7”的专利申请公开了一种“集中循环式六氟化硫气体浓度的超声波检测系统及方法”，该方法在设计和实现上采用的是双通道时差测量方法，换言之，是通过相位差的测量来实现的，但是该测量方法存在周期模糊的问题，因此，该方法难以调和检测精度与检测范围之间的矛盾。另外，利用不同气体对超声波的吸收程度不同的原理而开发的检测六氟化硫浓度的声衰减法，对高浓度六氟化硫的检测效果较好，但是对低浓度的检测效果欠佳。
发明内容
本发明的目的是：提供一种检测效果好，且精度高的低浓度六氟化硫气体检测的声学方法及其装置，以解决现有声速法或传播延时法中存在难以调和检测精度与检测范围之间的矛盾，克服已有技术的不足。
为了达到上述目的，本发明的第一个技术方案是：一种低浓度六氟化硫气体检测的声学方法，其创新点在于：所述检测的步骤是：
步骤a、由微机单元发出脉冲调制波，并由计时器开始计时；
步骤b、所述脉冲调制波通过驱动单元的功率放大后，驱动声波发射换能器的发射端且发出声波，所述声波发射换能器装在长度为 
的检测通道一端；
步骤c、所述声波发射换能器发出的声波通过长度为
的检测通道后，由检测通道另一端装有的声波接收换能器接收，且所述声波接收换能器将接收到的声波转换为电信号；
步骤d、由声波接收换能器输出的电信号经过信号调理单元调理后，产生为表示声波到达时刻的跳变沿；
步骤e、由表示声波到达时刻的跳变沿触发计时器停止计时，结合步骤a中的计时起始点，由微机单元计算出检测通道中混有六氟化硫的空气的声波检测传播延时
；
步骤f、由温度传感器模块采集当前温度数据，以及检测通道的长度，由微机单元计算出在该温度下，压力是1个标准大气压下的空气中的声速，最后利用声波检测传播延时
与参考传播延时
之差
表征六氟化硫气体浓度。
在上述第一个技术方案中，所述微机单元发出的脉冲调制波包括载波和调制波，所述载波的载波频率与声波发射换能器以及声波接收换能器的中心频率相同，所述调制波的调制波频率控制在载波的载波频率的1/（10~40）的范围内；所述微机单元发出的脉冲调制波是单个脉冲调制波，或者是一组脉冲调制波。
在上述第一个技术方案中，所述声波接收换能器输出的电信号经过信号调理单元的滤波、放大、检波以及电压比较的调理后，产生为表示声波到达时刻的跳变沿。
在上述第一个技术方案中，所述计时器是内嵌在微机单元内的计时器，或者是与微机单元电连接的独立器件的计时器。
在上述第一个技术方案中，步骤f中在当前温度数据和检测通道8的长度
而计算出的参考传播延时
，是由如下公式算出：
为了达到上述目的，本发明的第二个技术方案是：一种检测低浓度六氟化硫气体的声学装置，包括内嵌计时器的微机单元、驱动单元、声波换能器、信号调理单元、温度传感器模块、通信接口单元和容置混有六氟化硫的检测气体的检测通道；所述声波换能器包括声波发射换能器和声波接收换能器，且声波发射换能器和声波接收换能器分别装在检测通道的两端；所述微机单元的输出端通过驱动单元与装在检测通道一端的声波发射换能器电连接，装在检测通道另一端的声波接收换能器通过信号调理单元与微机单元的输入端电连接；所述温度传感器模块和通信接口单元分别与微机单元通信连接。
在上述的第二个技术方案中，所述信号调理单元包括滤波电路、放大电路、峰值检测电路和电压比较电路；所述滤波电路、放大电路、峰值检测电路和电压比较电路依次电连接，且滤波电路与声波接收换能器电连接，电压比较电路与微机单元的输入端电连接。
在上述的第二个技术方案中，所述峰值检测电路包括依次电连接的检波电路和第一滤波电路，所述检波电路与放大电路电连接，第一滤波电路与电压比较电路电连接。
在上述的第二个技术方案中，所述通信接口单元是无线通信接口电路。
在上述的第二个技术方案中，所述通信接口单元是有线通信接口电路。
本发明所具有的积极效果是：本发明利用了超声波在气体中传播时声速和气体摩尔质量之间的关系，以及采用应用于通信中的幅度调制和包络检波的方法，进行测量声波在通过固定长度的检测通道的传播时间或声速，进而确定气体成分的方法解决了现有声速法气体浓度检测技术中传播时间检测精度不足和周期模糊问题，实现了采用单通道方式对气体浓度，尤其是针对低浓度的六氟化硫浓度的精确检测。本发明的单通道检测器相比于已有技术中的双通道检测器，结构上更加简洁，功耗更低，更易于小型化，本发明将来可以发展成为无线传感器节点。
附图说明
图1为本发明的检测低浓度六氟化硫气体的声学装置的结构原理示意图；
图2为图1中信号调理单元的电路结构示意图；
图3为图1的电路原理图；
图4为本发明的低浓度六氟化硫气体检测的声学方法的计算结构的算法流程图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
如图1、2、4所示，一种低浓度六氟化硫气体检测的声学方法，所述检测的步骤是：
步骤a、由微机单元1发出脉冲调制波，并由计时器开始计时；
步骤b、所述脉冲调制波通过驱动单元2的功率放大后，驱动声波发射换能器3的发射端且发出声波，所述声波发射换能器3装在长度为
的检测通道8一端；
步骤c、所述声波发射换能器3发出的声波通过长度为
的检测通道8后，由检测通道8另一端装有的声波接收换能器4接收，且所述声波接收换能器4将接收到的声波转换为电信号；
步骤d、由声波接收换能器4输出的电信号经过信号调理单元5调理后，产生为表示声波到达时刻的跳变沿；
步骤e、由表示声波到达时刻的跳变沿触发计时器停止计时，结合步骤a中的计时起始点，由微机单元1计算出检测通道8中混有六氟化硫的空气的声波检测传播延时
；
步骤f、由温度传感器模块6采集当前温度数据，以及检测通道8的长度，由微机单元1计算出在该温度下，压力是1个标准大气压下的空气中的声速，最后利用声波检测传播延时
与参考传播延时
之差
表征六氟化硫气体浓度。
在实际应用中，声波参考传播延时
的计算公式是：
因此，六氟化硫气体浓度表示为声波检测传播延时
与参考传播延时
之差：
一般来说，我们的参考气体为空气，由于六氟化硫的摩尔质量比空气高4倍，而其它参数都在同一数量级，因此，被测气体的声速随着六氟化硫浓度的增大而明显降低。
所述参考传播延时
的计算条件和检测传播延时
的温度、压力、检测通道长度均相同。
为了确保达到较好的驱动效果，所述微机单元1发出的脉冲调制波包括载波和调制波，所述载波的载波频率与声波发射换能器3以及声波接收换能器4的中心频率相同，所述调制波的调制波频率控制在载波的载波频率的1/（10~40）的范围内；所述微机单元1发出的脉冲调制波是单个脉冲调制波，或者是一组脉冲调制波。
如图2所示，为了保证能够准确地取到接收声波的到达时刻，所述声波接收换能器4输出的电信号经过信号调理单元5的滤波、放大、检波以及电压比较的调理后，产生为表示声波到达时刻的跳变沿。
本发明所述计时器是内嵌在微机单元1内的计时器，或者是与微机单元1电连接的独立器件的计时器。本发明优先选用内嵌在微机单元1内的计时器，那是因为可以减少接线、便于操作、减少误差，也可以降低生产成本。
实施例2
如图1、2、3所示，一种检测低浓度六氟化硫气体的声学装置，包括内嵌计时器的微机单元1、驱动单元2、声波换能器、信号调理单元5、温度传感器模块6、通信接口单元7和容置混有六氟化硫的检测气体的检测通道8；所述声波换能器包括声波发射换能器3和声波接收换能器4，且声波发射换能器3和声波接收换能器4分别装在检测通道8的两端；所述微机单元1的输出端通过驱动单元2与装在检测通道8一端的声波发射换能器3电连接，装在检测通道8另一端的声波接收换能器4通过信号调理单元5与微机单元1的输入端电连接；所述温度传感器模块6和通信接口单元7分别与微机单元1通信连接。
如图3所示，为了保证能够准确地取到接收声波的到达时刻，所述信号调理单元5包括滤波电路5-1、放大电路5-2、峰值检测电路5-3和电压比较电路5-4；所述滤波电路5-1、放大电路5-2、峰值检测电路5-3和电压比较电路5-4依次电连接，且滤波电路5-1与声波接收换能器4电连接，电压比较电路5-4与微机单元1的输入端电连接。
如图3所示，为了进一步提高信号完整性、减少干扰，进而提高测量精度，所述峰值检测电路5-3包括依次电连接的检波电路5-3-1和第一滤波电路5-3-2，所述检波电路5-3-1与放大电路5-2电连接，第一滤波电路5-3-2与电压比较电路5-4电连接。
为了使得本发明的测量数据与上位机通信的多样化，所述通信接口单元7是无线通信接口电路，或者是有线通信接口电路。所述通信接口单元7与上位机通信连接，然后将测量、计算得到的数据对外传送。由于所述微机单元1是直接对声波的驱动单元2进行定时控制，因此，本发明可以实现定时测量气体浓度等目的。
本发明的检测低浓度六氟化硫气体的声学装置使用时，是安装在有可能发生六氟化硫泄漏的设备的正下方，一旦SF6气体泄漏后，会通过检测通道8所设有的通孔，进入检测通道8内。
如图4所示，基于上述所描述的检测低浓度六氟化硫气体的声学装置的测量方法是：
（1）、由微机单元1产生并发出一组脉冲调制波经驱动单元2功率放大后，驱动声波发射换能器3发射声波穿过检测通道8，同时开启内嵌的计时器开始计时；
（2）、声波接收换能器4将接收到的声波转换为电信号，且经信号调理单元5进行变换，最后微机单元1在接收到变换后信号时即刻停止计时，由微机单元1计算出检测传播延时
；
（3）、根据温度传感器模块6采集当前的环境温度，然后由微机单元1计算参考传播延时
；
（4）、通过算出两个传播延时的差，表征六氟化硫浓度。
本发明的微机单元1优先选用型号为ATMEGA16_TQFP44，声波发射换能器3和声波接收换能器4优先选用由台湾光宝公司生产，且型号为TC40-16T/R的声波换能器。当然，本发明也可以选用其它型号的微机单元和声波换能器。
本发明各个单元的输入、输出端上标有标号，且各个单元需要连接的管脚标号一致。
本发明通过测量得到检测传播延时
（在长度为
的检测通道8混有六氟化硫气体的空气），通过计算得到参考传播延时
（在长度为的检测通道8有参考气体（空气）），用两者的差值可以表征六氟化硫的浓度。由于电信号的延时远远小于声波传播延时，因此，脉冲调制波从微机单元1至声波发射换能器3的传播时间，以及声波接收换能器4至微机单元1再次接收到反馈时间，可以忽略不计，不会影响本发明对六氟化硫气体的浓度检测。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
本发明低浓度六氟化硫气体检测的声学方法检测方法简单、效果好，且精度高，而其低浓度六氟化硫气体检测的声学装置，不仅结构简单，而且造价成本低。本发明解决了现有声速法或传播延时法中存在检测精度与检测范围相矛盾的问题。
Claims (10)
1.一种低浓度六氟化硫气体检测的声学方法，其特征在于：所述检测的步骤是：
步骤a、由微机单元（1）发出脉冲调制波，并由计时器开始计时；
步骤b、所述脉冲调制波通过驱动单元（2）的功率放大后，驱动声波发射换能器（3）的发射端且发出声波，所述声波发射换能器（3）装在长度为 
的检测通道（8）一端；
步骤c、所述声波发射换能器（3）发出的声波通过长度为的检测通道（8）后，由检测通道（8）另一端装有的声波接收换能器（4）接收，且所述声波接收换能器（4）将接收到的声波转换为电信号；
步骤d、由声波接收换能器（4）输出的电信号经过信号调理单元（5）调理后，产生为表示声波到达时刻的跳变沿；
步骤e、由表示声波到达时刻的跳变沿触发计时器停止计时，结合步骤a中的计时起始点，由微机单元（1）计算出检测通道（8）中混有六氟化硫的空气的声波检测传播延时
；
步骤f、由温度传感器模块（6）采集当前温度数据，以及检测通道（8）的长度，由微机单元（1）计算出在该温度下，压力是1个标准大气压下的空气中的声速，最后利用声波检测传播延时与参考传播延时
之差
表征六氟化硫气体浓度。
2.根据权利要求1所述的低浓度六氟化硫气体检测的声学方法，其特征在于：所述微机单元（1）发出的脉冲调制波包括载波和调制波，所述载波的载波频率与声波发射换能器（3）以及声波接收换能器（4）的中心频率相同，所述调制波的调制波频率控制在载波的载波频率的1/（10~40）的范围内；所述微机单元（1）发出的脉冲调制波是单个脉冲调制波，或者是一组脉冲调制波。
3.根据权利要求1所述的低浓度六氟化硫气体检测的声学方法，其特征在于：所述声波接收换能器（4）输出的电信号经过信号调理单元（5）的滤波、放大、检波以及电压比较的调理后，产生为表示声波到达时刻的跳变沿。
4.根据权利要求1所述的低浓度六氟化硫气体检测的声学方法，其特征在于：所述计时器是内嵌在微机单元（1）内的计时器，或者是与微机单元（1）电连接的独立器件的计时器。
5.根据权利要求1所述的低浓度六氟化硫气体检测的声学方法，其特征在于：步骤f中在当前温度数据和检测通道（8）的长度
而计算出的参考传播延时
，是由如下公式算出：
6.一种检测低浓度六氟化硫气体的声学装置，其特征在于：包括内嵌计时器的微机单元（1）、驱动单元（2）、声波换能器、信号调理单元（5）、温度传感器模块（6）、通信接口单元（7）和容置混有六氟化硫的检测气体的检测通道（8）；所述声波换能器包括声波发射换能器（3）和声波接收换能器（4），且声波发射换能器（3）和声波接收换能器（4）分别装在检测通道（8）的两端；所述微机单元（1）的输出端通过驱动单元（2）与装在检测通道（8）一端的声波发射换能器（3）电连接，装在检测通道（8）另一端的声波接收换能器（4）通过信号调理单元（5）与微机单元（1）的输入端电连接；所述温度传感器模块（6）和通信接口单元（7）分别与微机单元（1）通信连接。
7.根据权利要求6所述的检测低浓度六氟化硫气体的声学装置，其特征在于：所述信号调理单元（5）包括滤波电路（5-1）、放大电路（5-2）、峰值检测电路（5-3）和电压比较电路（5-4）；所述滤波电路（5-1）、放大电路（5-2）、峰值检测电路（5-3）和电压比较电路（5-4）依次电连接，且滤波电路（5-1）与声波接收换能器（4）电连接，电压比较电路（5-4）与微机单元（1）的输入端电连接。
8.根据权利要求7所述的检测低浓度六氟化硫气体的声学装置，其特征在于：所述峰值检测电路（5-3）包括依次电连接的检波电路（5-3-1）和第一滤波电路（5-3-2），所述检波电路（5-3-1）与放大电路（5-2）电连接，第一滤波电路（5-3-2）与电压比较电路（5-4）电连接。
9.根据权利要求7所述的检测低浓度六氟化硫气体的声学装置，其特征在于：所述通信接口单元（7）是无线通信接口电路。
10.根据权利要求7所述的检测低浓度六氟化硫气体的声学装置，其特征在于：所述通信接口单元（7）是有线通信接口电路。
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