集中式紅外SF6 氣體檢測裝置及其測量模型

龔益民,吳正明,周建江

(1.常州輕工職業技術學院,江蘇常州,213164；2.南京航空航天大學,江蘇南京,210016)

0 引言

SF6是一種無色、無毒的惰性氣體，因其具有良好的絕緣和滅弧性能而被廣泛應用于電力設備中，如斷路器、變壓器、GIS 氣體絕緣全封閉組合電器等。SF6泄漏檢測對于環境保護、電氣設備及人身安全具有重要意義。傳統的檢測方式有：高壓電暈技術、電擊穿技術、導熱系數法、超聲波檢測法等，上述方法在SF6泄漏檢測中曾到了較廣泛的應用，但存在成本過高、穩定性差、檢測精度低、壽命短等缺陷。目前，越來越多的廠家開始采用基于紅外吸收原理(NDIR)的方法進行SF6氣體濃度測量，但卻面臨著紅外探測器、紅外光源、窄帶濾光片等關鍵器件需要進口，成本很高；再加上目前紅外雙光路傳感器大多數結構復雜，對加工、裝配工藝要求較高，很難產品化，從而形成了雖然紅外SF6氣體傳感器具有檢測精度高、穩定性好、壽命長等優點，卻未能得到廣泛應用的局面。本文所討論的集中式紅外SF6氣體檢測裝置，采用定時循環輪流選通的方式實現2 路以上的變電站現場監測點SF6氣體采樣檢測，即只需一組紅外SF6氣體檢測探頭就可以檢測多個現場檢測點的SF6氣體濃度，并采用結構簡單的單光源單氣室的雙光路探測結構，從而較大地節省了設備的制造、安裝、運行與維護成本。通過求取每路紅外探測信號在光源周期性開關兩種狀態下的差值和求取這兩個差值的比值的方法，有效消除了溫度信號、背景光信號、光源波動等因素的干擾，然后在朗伯-比爾定律的基礎上，用求取的比值推導求得了SF6傳感器的線性測量模型，最后采用最小二乘法對測量模型進行了標定，并在標準試驗條件下對該裝置進行了測量試驗，試驗結果表明：該裝置能夠在0～40℃的溫度范圍內、各種環境光下正常工作。在0～1000PPM 的測量范圍內，該裝置的測量值與實際值的誤差不超過±1%FS。

1 集中式紅外SF6 氣體檢測裝置結構的設計

圖1 為集中式紅外SF6氣體檢測裝置的結構示圖。如圖1 所示，該裝置提供了2 路以上變電站現場監測點氣體采樣進氣口1；并可選其中的1 路作為擴展進氣口。在進行SF6氣體檢測時，兩種類型的進氣口均有綜合控制處理模塊采用定時循環的方式通過電磁閥2 選通其中一路氣體的開通，其它氣路均處于關閉狀態。與開通氣路的進氣口相接的變電站現場檢測點的氣體由氣體采集泵3 抽取進入SF6紅外傳感檢測氣室，SF6氣室的紅外傳感信號由綜合控制處理模塊經信號濾波、差分放大、AD 轉換后送入單片機內部進行數學計算得出本次測量的SF6氣體濃度，并保存在單片機內部的數據存儲器中，在收到上位機的上傳命令時，通過RS485 通信接口將所有檢測點的測量數據一并上傳到上位機中。在完成某路氣體的采樣與檢測后，所有進氣口均被關閉，出氣口的電磁閥4 打開，由排氣泵5 將已測氣體從SF6檢測氣室排出。在進、排氣過程中采用數字式壓力傳感器6 檢測進、排氣工作氣壓，實現采樣進氣時氣室壓力在1 個標準大氣壓值，在排氣時氣室壓力接近真空壓力。

2 紅外SF6 氣體傳感器結構設計

圖2 為紅外SF6氣體傳感器的結構圖。如圖2 所示，紅外SF6氣體傳感器的光學探頭采用直射式空間雙光路結構，氣室材料采用鋁鋅合金，外形為長方體。氣室空腔為圓柱形狀，表面拋光鍍銀，確保光潔明亮。氣室空腔長度為5.0cm，空腔內圓直徑為0.85cm，在該傳感器中的裝有紅外光源和紅外熱釋電探頭的氣室兩端采用了對稱的帶有拋物面鏡面的錐形氣室，窄帶濾光片直接安裝在紅外熱釋電探頭上，紅外光源和紅外熱釋電探頭的裝配中心和光軸中心保持同一直線。以上設計降低了光信號的損耗，并提高了紅外探測信號的信噪比。另外在確保傳感器檢測的準確性和穩定性的前提下，使傳感器的體積盡可能做地更小。由于擴散方式比抽氣方式的響應時間要長，本裝置又采用集中式檢測，因此本裝置的SF6氣體傳感器采用抽氣方式。在傳感器氣室同一側面壁上開有間距為3.2cm，孔徑為1.0mm 的進出氣孔，傳感器采用氣體流量為500ml/min 的微型采樣氣泵進行抽排氣，氣室每次抽排氣時間T 為：

圖1 集中式檢測裝置的結構圖

SF6氣體傳感器的測量時間不超過3 秒，16 路監測點氣體輪測一遍的時間不超過1 分鐘。

3 傳感器測量模型的建立

紅外吸收光譜法，又稱作紅外分光光度法，當一束紅外光穿過樣品氣體時，由于氣體分子振動時吸收特定波長的紅外光，光強將被削弱，紅外探測器件是光敏元件，出射光信號被轉變成相應的電信號輸出。依據朗伯比爾(Lamber-Beer)定律，再考慮氣室的潔凈度變化、光源的光強波動、探測器件的靈敏度衰減等因素對光路的影響，在測試環境不變的前提下，紅外探測器件的電信號輸出可采用式（2）來表達：

其中：U（λ）為探測器的兩端信號電壓值；I0（λ）為出射光的光強；A（λ）為光電轉換系數；C（λ）為濾光片的透光率；K（λ）為紅外光通過氣室時的光損系數；α（λ）為氣體的吸收系數；以上參數均和光路有關，是波長λ 的函數。C 為SF6氣體濃度,L為氣室的長度。

本傳感器采用了雙光路檢測技術，將兩探測器輸出信號相除，可消除氣室光路上的干擾因素的影響。但要消除背景光信號和溫度信號等環境因素的影響，則需分別測出測量探測器和參考探測器在紅外光源被以1Hz 的頻率周期性調制的過程中，在光源開、關兩種情況下的測量電壓，并求出測量電壓的差值，才能消除環境因素對測量SF6氣體濃度的影響，進一步提高SF6氣體傳感器的測量精度。

根據以上分析，可按如下步驟推導求得傳感器的測量模型：

(1) 求取每路紅外探測信號在紅外光源關的狀態下的測量電壓

(2)求取每路紅外探測信號在紅外光源開的狀態下的測量電壓

此時測量探測器兩端的測量電壓為：

因SF6 氣體對參考光路影響很小，可忽略不計，因此參考探測器兩端的測量電壓為：

(3)將式(6)與式(4)，式(7)與式(5)分別相減，求得剔除干擾因素后的信號電壓為：

(4) 為消除紅外光路上的元器件所產生的影響，將式(7)與式(8)相除并求對數，通過推導可求出如下的SF6氣體濃度C 的計算公式為：

式(9) 中，ln[(Aref·Cref·Kref·I0ref)/(Agas ·Cgas·Kgas·I0gas)]與-αgas·L 是不變量，在傳感器標定過程中可確定它們與SF6氣體濃度C 的關系。為進一步化簡式（9），設：

很顯然，變量y 與變量x 之間成線性關系。

4 傳感器測量模型的標定

采用一元線性回歸的方法來對上述線性關系進行擬合，標定式（14）中的兩個待定系數k 和n。具體過程如下：

圖2 SF6 氣體傳感器結構圖

(1) 在常溫常壓下將集中式SF6氣體檢測裝置放入氣體測試室內，開機預熱5 分鐘。

(2) 在 濃 度 值 分 別 為0.0ppm、300.0ppm、600.0ppm、800.0ppm、1000.0ppm 的測定點上進行測量試驗。每次測量需在氣體測試室內SF6氣體濃度穩定在測定點的濃度值后進行，確保測量數據正確有效。本裝置每次可測量多達16 個測量數據，選取其中8 個數據記錄在表1 中，并取它們的平均值作為該濃度點x的測量值。

(3) 在表1 數據記錄完全后，利用最小二乘法計算出測量模型中的待定系數k 和n。本SF6氣體檢測裝置最終得出的測量模型為：

5 實驗驗證

實驗驗證的過程與標定實驗相似，另取標準濃度為100.0ppm、400.0ppm、500.0ppm、700.0ppm、900.0ppm 的SF6氣體分別送入氣體測試室內，在測試室內SF6 氣體濃度穩定在驗證點的濃度值后進行驗證測量，從集中式SF6氣體檢測裝置測量的數據中選取8 個測量數據記錄在表2 中，并取它們的平均值作為該濃度點y 的測量值，實驗驗證的數據如表2 所示。通過表2可以看出：

(1) 測量值與實際值的誤差不超過±10ppm，說明該測量模型的測量精度達到±1%FS。

(2) 平均值與實際值的誤差更小，不超過±5ppm。

6 結論

本文提出的集中式紅外SF6氣體檢測裝置在0～1000ppm 的測量范圍內，精度為±1%FS，可連續無故障工作30000H 以上，說明該檢測裝置的設計是準確、可靠的。

表1 變量x 的測量值

該集中式紅外SF6氣體檢測裝置采用定時循環輪流選通的方式，僅用1 個紅外SF6傳感器探頭實現16 路以上的SF6氣體監測點的氣體測量，從而較大地節省了設備的制造、安裝、運行與維護成本。并且采用氣泵抽氣方式而非擴散方式，使傳感器的響應時間小于3 秒，能滿足實際應用需要。另外采用了單光源雙光束對稱直射式紅外傳感器氣室結構，使紅外SF6氣體傳感器結構簡單、制造方便、體積更小、易產品化，為推動紅外SF6氣體檢測裝置的廣泛應用創造了良好的條件。

表2 變量y 的測量值

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