非分光紅外的新型SF6傳感器設(shè)計*

徐　曦， 常建華,2,3， 薛　宇

(1.南京信息工程大學 江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學 江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044；3.南京信息工程大學 濱江學院 電子工程系，江蘇 南京 210044)

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非分光紅外的新型SF6傳感器設(shè)計*

徐曦1， 常建華1,2,3， 薛宇1

(1.南京信息工程大學 江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學 江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044；3.南京信息工程大學 濱江學院 電子工程系，江蘇 南京 210044)

系統(tǒng)采用單光束雙波長的光路結(jié)構(gòu)，結(jié)合測量通道和參比通道兩路輸出，有效增強了傳感器的抗干擾能力和檢測精度。利用新型電調(diào)制紅外光源和高精度濾光片一體化的熱釋電紅外探測器，輔以合理的氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計，大大提高了系統(tǒng)的緊湊性與穩(wěn)定性。在信號處理方面，利用超低功耗的單片機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)實時處理與顯示。實驗結(jié)果表明：該傳感器能夠準確檢測0～2 500×10-6范圍內(nèi)的SF6氣體濃度，分辨率為1×10-6，檢測精度為2 %FS。

SF6氣體； 非分光紅外； 傳感器

0　引　言

SF6氣體因具有良好的絕緣性能和滅弧性能，在電力系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，如高壓開關(guān)、斷路器、高壓變壓器等。由于SF6氣體的密度是空氣的5倍，一旦發(fā)生泄漏，極易沉積在電力設(shè)備室的底部空間，人員進入易造成缺氧。同時當設(shè)備發(fā)生故障時，放電產(chǎn)生的高溫電弧使SF6氣體發(fā)生分解反應(yīng)，生成HF和SO2等化合物，進而腐蝕設(shè)備內(nèi)材料，最終導致設(shè)備發(fā)生突發(fā)性故障。因此，對電力設(shè)備SF6氣體的檢測至關(guān)重要[1]。

目前，高壓放電電離技術(shù)傳感器壽命較短，不能長期穩(wěn)定工作。電化學技術(shù)傳感器本身參與反應(yīng)，傳感器易老化。隨著紅外探測技術(shù)的發(fā)展，基于非分光紅外(NDIR)吸收法SF6檢測技術(shù)在價格、功耗、壽命、精度等方面有著明顯的優(yōu)勢，尤其紅外吸收法以其極高的氣體選擇性而具有難以替代的作用。本文基于紅外光譜吸收法，設(shè)計了一種小型化非分光SF6傳感器。該系統(tǒng)利用單光束雙波長的光學結(jié)構(gòu)，通過采用新型電調(diào)制紅外光源和紅外探測器，以及超低功耗單片機系統(tǒng)，有效提高了傳感器的測量量程、精度、穩(wěn)定性以及使用壽命，可實現(xiàn)對SF6氣體的連續(xù)檢測分析[2,3]。

1　紅外光譜吸收原理

根據(jù)紅外光譜理論，非對稱多原子分子氣體有吸收紅外輻射能量的性質(zhì)。當紅外光照射氣體分子時，氣體分子中某種基團的振動頻率與紅外光中某頻率相同時，該頻率的光能量被氣體分子吸收。不同的分子基團，對應(yīng)不同的吸收光譜[4]。基于紅外吸收原理的SF6傳感器，正是利用SF6氣體對紅外光具有選擇性吸收這一特性，實現(xiàn)了對SF6氣體的檢測。常溫下SF6氣體紅外吸收光譜圖，如圖1所示，SF6氣體在以波數(shù)948 cm-1(波長10.55 μm)為中心的紅外波段有極強的吸收作用。

圖1　SF6氣體吸收譜線

基于紅外光譜吸收原理的SF6氣體傳感器系統(tǒng)中，光源發(fā)出紅外光，透過含有SF6氣體的氣室時，處于中心波長為10.55 μm波段的紅外光被吸收，其吸收關(guān)系符合朗伯—比爾定律。朗伯—比爾定律公式表示為

I=I0e-KCL

(1)

式中I為被氣體吸收后的透射光強度，I0為入射光強度，C為氣體的濃度，L為紅外光通過氣室的有效光程，K為氣體的吸收系數(shù)[5，6]。

2　傳感器系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計采用基于非分光紅外技術(shù)實現(xiàn)SF6氣體濃度檢測。非分光紅外技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)的分光系統(tǒng)，采用體積小且能集成在傳感器上的濾光片實現(xiàn)。系統(tǒng)采用單光束雙波長的測量方法，以10.55 μm波長為測量波長，3.95 μm波長為參比波長，這種選用參比波長的方法能夠避免光源老化發(fā)射光減弱造成的誤差，同時也能避免壓力、溫度以及其它氣體等外界的干擾因素的影響[7]。SF6氣體濃度傳感器主要包括：電調(diào)制紅外光源、采樣氣室、雙元熱釋電紅外探測器、信號調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、光源驅(qū)動模塊和顯示報警模塊。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1光路系統(tǒng)設(shè)計

采樣氣室的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，采樣氣室內(nèi)腔為圓柱形，內(nèi)壁鍍反射膜。氣室上部設(shè)有進氣口和出氣口，左側(cè)為紅外光源，右側(cè)為雙元熱釋電紅外探測器，紅外光源、探測器與采樣氣室位于同一光學中心軸上。系統(tǒng)采用脈沖電壓驅(qū)動的電調(diào)制紅外光源EMIR200，其發(fā)射2～16 μm的寬光譜。其與傳統(tǒng)的機械斬波式調(diào)制光源相比，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和緊湊性[8]。系統(tǒng)采用雙元熱釋電紅外探測器，其有參比和測量兩個探測通道，檢測SF6氣體通道上的測量濾光片中心波長為10.6 μm±60 nm、半帶寬為(240±50)nm，參比通道上的參比濾光片中心波長為3.95 μm±40 nm、半帶寬為(90±20)nm。參比波長選擇以3.95 μm為中心波長，是因為該波長的紅外光不被任何氣體吸收。

圖3　采樣氣室結(jié)構(gòu)示意圖

2.2電路系統(tǒng)設(shè)計

傳感器的電路系統(tǒng)主要實現(xiàn)信號處理、濃度計算、光源驅(qū)動等功能。信號調(diào)理模塊包括放大、整流和積分濾波電路，探測器直接輸出的信號相當微弱，極易受外界干擾，系統(tǒng)采用低噪聲的運放LTC1150組成兩級放大電路。整流電路是將交流信號變?yōu)橹绷餍盘枺e分濾波電路是為了去除熱釋電探測器在光源調(diào)制換向時產(chǎn)生的尖峰噪聲。數(shù)據(jù)處理模塊是以超低功耗的MSP430單片機作為控制核心，處理數(shù)據(jù)及計算所測濃度，控制顯示報警模塊，并利用單片機的一個端口以1 Hz頻率輸出高低電平，通過光源驅(qū)動模塊對光源進行低頻調(diào)制[9]。A/D轉(zhuǎn)換模塊使用MSP430單片機內(nèi)部自帶的ADC12模塊，分辨率為12位。

3　實驗結(jié)果與討論

3.1系統(tǒng)標定

利用朗伯—比爾吸收定律的公式計算濃度值雖然簡單，但公式的成立有很多的前提條件，所以，本系統(tǒng)采用標準氣體標定的方法，建立輸出電信號與氣體濃度的關(guān)系。標定測量實驗在標準大氣壓和室溫(24 ℃)下進行，取多組不同濃度的SF6標準氣體，通入傳感器的采樣氣室，然后對雙通道電壓值同時測量并計算比值。測量雙通道電壓值數(shù)據(jù)如表1所示，測量數(shù)據(jù)為大于穩(wěn)定時間的10次測量數(shù)據(jù)的平均值。

利用Matlab軟件將表1所測得數(shù)據(jù)進行擬合，由于系統(tǒng)使用單片機硬件平臺對數(shù)據(jù)進行處理，而單片機處理能力與運算速率有限，為避免運行緩慢、效率低下，所以不宜采用過高階次的函數(shù)擬合。本實驗擬合了三種低階次的曲線，如圖4所示。

圖4　實驗擬合曲線圖

圖4中黑點是所測離散數(shù)據(jù)點，圖(a)中的直線為一次擬合函數(shù)曲線，擬合殘差是7.4；另一曲線是二次擬合曲線，其殘差是0.875；圖(b)中是三次擬合曲線，其擬合殘差是0.871。由此可以分析出，一次擬合曲線殘差過大，本系統(tǒng)不適宜選其為擬合方式。二次擬合相比于三次擬合方式所增大的殘差很小，基本可以忽略，且在單片機處理系統(tǒng)中，二次擬合方式比三次擬合減少了很大的運算量。所以,本系統(tǒng)選取二次擬合函數(shù)作為擬合方式，二次擬合函數(shù)為y=700.3x2-1075.2x+412.7。

3.2傳感器性能測試

為檢測傳感器系統(tǒng)的性能指標是否達到預(yù)期要求，本實驗對系統(tǒng)進行多種濃度的實驗測量，實驗在標準大氣壓、室溫(24 ℃)環(huán)境下進行，取不同濃度的SF6氣體進行測試。實驗過程中，等待系統(tǒng)預(yù)熱后穩(wěn)定一段時間記錄數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

由表2測量結(jié)果分析可知:在量程(0～2 500)×10-6范圍之內(nèi)，SF6氣體濃度傳感器系統(tǒng)的精度在2 %FS以內(nèi)，分辨率為1×10-6，且從實驗過程中也可以觀察出系統(tǒng)響應(yīng)時間小于2 s，本實驗的系統(tǒng)性能測試指標滿足設(shè)計要求，達到預(yù)期效果。

系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是傳感器長期使用的一項重要指標，穩(wěn)定性實驗同樣在標準大氣壓、室溫(24 ℃)環(huán)境下進行，取一定濃度的SF6氣體通入傳感器的采樣氣室，連續(xù)運行3 h，每隔0.5 h記錄一次實時數(shù)據(jù)。如此進行兩種不同濃度的測試，系統(tǒng)穩(wěn)定性實驗測量數(shù)據(jù)如表3所示。

表2　實際測量數(shù)據(jù)/10-6

表3　穩(wěn)定性實驗數(shù)據(jù)

實驗數(shù)據(jù)表明:系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性，穩(wěn)定度小于2.5 %，穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求，達到預(yù)期效果。

4　結(jié)　論

本設(shè)計采用單光束雙波長的檢測技術(shù)，有效地抑制了零點漂移。在光路上采用新型電調(diào)制紅外光源和紅外探測器，合理地設(shè)計氣室內(nèi)部和光路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，有效地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在電路上采用超低功耗的單片機系統(tǒng)，通過合理地函數(shù)擬合建立濃度與信號的關(guān)系。實驗結(jié)果表明：本文設(shè)計的SF6濃度傳感器能夠檢測(0～2 500)×10-6范圍內(nèi)的SF6氣體濃度，分辨率為1×10-6，檢測精度為2 %FS，具有量程寬、精度高、穩(wěn)定性好、壽命長和小型化等特點，可廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中各種SF6氣體濃度檢測場合。

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徐曦 (1990-)，男，江蘇徐州人，碩士，主要從事光電傳感技術(shù)研究。

Design of novel SF6sensor based on NDIR*

XU Xi1, CHANG Jian-hua1,2,3, XUE Yu1

(1.Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China;2.Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China;3.Department of Electronic Engineering,Binjiang College,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China)

The system adopts single-beam and dual-wavelength optical path structure,combined with outputs of measurement channel and reference channel,which effectively improves anti-interference ability and measurement precision of system.The system uses a new-type electrically modulated IR light source and a high precision built-in filters pyroelectric IR detector,supported by reasonable air chamber structure design,greatly improve compactness and stability of system.In signal processing,ultra-low power consumption MCU system is adopted for real-time data processing and display.Experimental results show the sensor can accurately detect SF6concentration in range of 0～2 500×10-6,with resolution of 1×10-6and measurement precision of 2 %FS.

SF6gas; non-dispersive infrared(NDIR); sensor

10.13873/J.1000—9787(2016)09—0082—03

2015—11—24

國家自然科學基金資助項目(11374161); 江蘇省信息與通信工程優(yōu)勢學科資助項目

TP 212

A

1000—9787(2016)09—0082—03