[發明專利]紫外光譜在線監測SF6電氣設備內SO2的系統及方法

有效

• 申請號: 201210384046.9
• 申請日: 2012-10-11
• 公開（公告）號: CN102901915A
• 公開（公告）日: 2013-01-30
• 發明（設計）人: 黃云光;王先培;朱立平;趙宇;余志祥;董政呈;譚學園;劉陳瑤
• 申請（專利權）人: 廣西電網公司電力科學研究院;武漢大學
• 主分類號: G01R31/12
• 分類號: G01R31/12
• 代理公司: 廣西南寧公平專利事務所有限責任公司 45104
• 代理人: 王素娥

1.紫外光譜在線監測SF₆電氣設備內SO₂的系統氣，其特征在于：

紫外光譜在線監測SF₆電氣設備內SO₂的系統，主要包括氣體采樣池、下位機控制模塊、紫外光譜儀、氘燈光源、真空泵、待測SF₆電氣設備、上位機數據處理與狀態分析模塊；

（1）各部分結構及功能

所述氣體采樣池主體為直通管道，直通管道兩端各設有結構相同的一個組合體結構的采樣接口模塊，都固定于方形底座上，其一端為進氣口，另一端為出氣口；在每個采樣接口模塊分別都設有一個光纖耦合接口、采樣接口模塊密封螺孔和采樣接口模塊密封端蓋；此外還分別設有一個與采樣接口模塊相貫的變送器接口空心螺栓，它不但可以連接變送器，還是外界與氣體采樣池進行氣體交換的通道；

所述下位機控制模塊是一臺控制器，其結構包括MCU1、MCU2和POWER三個部分，又分為以下子模塊：單片機模塊，繼電器模塊，電源模塊，變送器輸入模塊，顯示模塊，按鍵模塊，PCF8563時鐘模塊；

單片機模塊包括MCU1和MCU2，MCU1的串口輸出端與MCU2的串口輸入端相連，MCU1的串口輸入端與MCU2的串口輸出端相連；繼電器模塊包括三個繼電器，分別與三個電磁閥——采樣氣體進氣電磁閥、氣體出氣電磁閥、真空泵電磁閥相連，由MCU2控制，用于連接三個電磁閥，通過單片機控制信號使三個電磁閥獲得12V的控制電壓；電源模塊包括DC5V，DC12V，AC220V三種供電電路結構，其中DC12V電源為采樣氣體進氣電磁閥、采樣氣體出氣電磁閥、真空泵電磁閥提供開啟電壓，DC5V電源為下位機控制模塊提供工作電源，AC220V電源為系統提供備用交流220V工作電源；變送器輸入模塊包括溫度變送器和壓力變送器，分別與MCU1相連，主要用于接收采樣池的溫度和壓力變送器傳送的0-5V電壓信號；顯示模塊是一塊分辨率為128×64的液晶顯示器，直接與MCU1相連，用于將壓力、溫度和電磁閥的狀態實時輸出；PCF8563時鐘模塊是一塊時鐘芯片，直接與MCU2相連，用于對系統進行定時采樣；按鍵模塊包括8個按鍵，與MCU2相連，用于控制LED燈和繼電器模塊；

所述紫外光譜儀是測量光路的信號檢測元件；

所述氘燈光源是測量光路的信號發生元件；

所述真空泵，是一個由DC12V電源驅動的微型化的泵吸裝置；

所述待測SF₆電氣設備，是系統中待測樣本氣體的氣源；

所述上位機數據處理與狀態分析模塊由一臺上位機組成，其主要功能在包括：讀取下位機控制模塊上傳的數據即氣體采樣池內的溫度/壓力信息、讀取紫外光譜儀上傳的數據即樣本氣體光譜信息、對SO₂紫外特征區域進行數據分析、進行SF₆電氣設備運行狀態判斷，必要時進行聲光報警；

（2）各部件連接關系：

氣體采樣池一端的采樣接口模塊通過變送器接口空心螺栓與溫度變送器連接，另一端的采樣接口模塊通過變送器接口空心螺栓與壓力變送器連接；

下位機控制模塊分別通過電線與采樣氣體進氣電磁閥、真空泵、真空泵電磁閥、采樣氣體出氣電磁閥、溫度變送器、壓力變送器連接；

采樣氣體出氣止回閥進口與壓力變送器連接，防止外部氣體流進采樣池干擾檢測；三通的三個端口分別與采樣氣體出氣電磁閥、真空泵電磁閥的進口、采樣氣體出氣止回閥的出口連接；真空泵電磁閥的出口與真空泵的進口連接；

紫外光譜儀通過光纖與第一光纖準直耦合透鏡模塊連接；

氘燈光源通過光纖與第二光纖準直耦合透鏡模塊連接；

待測SF₆電氣設備通過采樣氣體進氣電磁閥與溫度變送器連接；

上位機數據處理與狀態分析模塊通過USB線與紫外光譜儀連接，通過232信號線與下位機控制模塊連接。

2.如權利要求1所述紫外光譜在線監測SF₆電氣設備內SO₂的系統運行方法，其特征在于，

1)運行中各部件的作用：

A.所述氣體采樣池為直通管道結構，既簡化了結構又減小了容積，控制了樣本氣體的采樣量；

壓力變送器和溫度變送器分別通過相同的螺紋結構與氣體采樣池直通管兩端的變送器接口空心螺栓相耦合，實時采集氣體采樣池內氣體的溫度和壓力信號；氣體采樣池兩側的光纖準直耦合透鏡模塊與光纖相連，以調節光纖中傳輸光信號的數值孔徑；

B.氣體采樣池的直通管的一端變送器接口空心螺栓和另一端變送器接口空心螺栓分別位于一端采樣接口模塊和另一端采樣接口模塊的氣路接口處，不但起到固定溫度變送器和壓力變送器的作用，也是氣體采樣池與外界進行氣體交換的門戶；采樣氣體通過溫度變送器、經一端的變送器接口空心螺栓進入一端的采樣接口模塊，流過采樣池直通管道后，再經另一端的采樣接口模塊的另一端的變送器接口空心螺栓、通過壓力變送器從氣體采樣池排出，采樣氣體進氣電磁閥和待測SF₆電氣設備間通過氣管相連；

溫度變送器和壓力變送器通過螺紋分別與一端的變送器接口空心螺栓和另一端的變送器接口空心螺栓相耦合，實時采集氣體采樣池內溫度、壓力信號并將其通過232信號線傳至下位機控制模塊；溫度變送器還與采樣氣體進氣電磁閥相連接用于進氣；壓力變送器還與采樣氣體出氣止回閥相連，用于排出氣體及防止氣體逆流干擾測量結果；采樣氣體出氣止回閥與三通相連；三通另有兩條氣路支路：其中一條連接采樣氣體出氣電磁閥和氣路出氣口，使氣體排向大氣；另一條支路與真空泵電磁閥和真空泵接相連，用于將氣路抽真空去除干擾氣體；溫度變送器和壓力變送器采集的信號也通過下位機控制模塊傳至上位機數據處理與狀態分析模塊，關閉采樣氣體進氣電磁閥、采樣氣體出氣電磁閥、真空泵電磁閥后即可將采樣氣體暫時封存在氣體采樣池內；

下位機控制模塊采用單片機作為控制器，主要用于控制采樣氣體進氣電磁閥、采樣氣體出氣電磁閥、真空泵電磁閥和真空泵的通斷，讀取氣體采樣池內溫度、壓力信號；下位機控制模塊和上位機數據處理與狀態分析模塊通過232串口進行通信，用于向上位機數據處理與狀態分析模塊上傳數據，包括：氣體采樣池內溫度壓力值、真空泵和三個電磁閥的通斷狀態；

下位機控制模塊采用兩片單片機作為微控制器MCU，一片單片機專門用于信號采集、與上位機數據處理與狀態分析模塊通信、顯示壓力變送器溫度變送器及三個電磁閥狀態，另一片單片機專門用于對三個電磁閥的控制；分別使用兩片單片機不僅解決了一片單片機寄存器和I/O口不夠的問題，而且加大了整個控制部分的穩定性，一片控制器的損壞不會影響到另一片的運行，增加了控制部分的運行速率；下位機控制模塊具有模擬部分和數字部分，PCB板的制作采用數字控制部分和模擬控制部分分開的方式，防止模擬信號對控制部分產生干擾；

紫外光譜儀和氘燈光源組成系統的光譜數據采集部分；氘燈光源發出的連續的紫外波段光信號，通過光纖接至第二光纖準直耦合透鏡模塊，經過氣體采樣池，再通過第一光纖準直耦合透鏡模塊經光纖輸出至紫外光譜儀；紫外光譜儀和上位機數據處理與狀態分析模塊之間通過USB通信，用于向上位機數據處理與狀態分析模塊上傳數據，包括：位于紫外波段的光譜儀采樣點波長、各采樣點對應的待測SF₆電氣設備內氣體樣本的吸光度；

上位機數據處理與狀態分析模塊，其主要功能在狀態分析中實現，包括：讀取并解析下位機控制模塊的控制部分經232串口上傳的數據，對特征區段吸光度數據進行預處理，判斷樣本氣體內是否檢測出SO₂特征，必要時進行聲光報警；

2)系統的運行方式：

A.系統的工作流程分為以下四步進行：

笫一步.打開真空泵電磁閥，啟動真空泵，對氣路進行抽真空以去除雜質氣體的干擾，定時1分鐘，然后關閉真空泵電磁閥和真空泵；

笫二步.打開采樣氣體進氣電磁閥和采樣氣體出氣電磁閥，開始采樣待測SF₆電氣設備內氣體，定時30秒，關閉采樣氣體進氣電磁閥和采樣氣體出氣電磁閥；

笫三步.上位機數據處理與狀態分析模塊開始采集數據，自動進行數據分析，得出分析結果，并在上位機數據處理與狀態分析模塊輸出檢測結果；

笫四步.打開真空泵電磁閥，啟動真空泵，將樣本氣體抽出氣路，定時1分鐘，隨即關閉真空泵電磁閥和真空泵；

B.下位機控制模塊對真空泵電磁閥和真空泵的控制有以下四種方式：

笫一方式，通過按鍵模塊實現電磁閥的手動控制；

笫二方式，通過按鍵模塊啟動單片機定時器，立刻對氣體進行自動定時采樣，且只執行一次；

笫三方式，通過按鍵模塊啟動PCF8563時鐘芯片，系統會以設定的周期反復觸發方式（笫二方式），在預設的日期或時刻對氣體進行自動定時采樣；

笫四方式，利用232信號線，由上位機數據處理與狀態分析模塊對下位機控制模塊發出控制指令，完成電磁閥的控制；

上述4種模式適用于不同條件、不同需求；

C.下位機控制模塊，其電源模塊的DC5V設計采用了三種取電模式：一是利用USB取電，二是利用ICSP接口取電，三是利用外接DC5V電源適配器直接取電；

電源模塊的DC12V設計采用了兩種取電模式：一是通過DC5V利用MC34063DC/DC芯片進行升壓取電，二是利用外接DC12V電源適配器直接取電；

多種取電模式適用于不同環境、不同需求。