（机械电子工程专业论文）变压器气体在线监测仪的研究与设计.pdf

摘- c ! 摘要 变压器作为电力系统中重要的电j 设备之一，它的运行状态a 接影响剑电力系统供 电的可靠性和奠今性。变压器在运行。l t 或发q i 事故时将产生一些可燃件气体，可以说， 这些气体的成份捌含量可以作为变压器运：f ，状态或事故状态判断的一个指标。由此，有 关部门也制定了栩关的标准。传统的骱测方法一般是定期抽取油样进行化验或者吊芯检 查，从而造成卡：；! 修成本高、供电可靠差，而且不能对变压器的运行状念进行预测和实 时监测。 本文论述了一种在线监测装置。它以幽家有关标准和相关单位运 j i 经验为依据，以 油中可燃性气体含量为指标。本系统。l 、于嵌入式模块化设计的思想，从硬f ，| 设计、软件 设计方面介绍了以单片机a t m e g a 3 2 为核心的气体在线监测仪的设计与实现。它包括采 样单元、微处理器单元、外部e e p r o m 和时钟电路单元、人机接口单元( 显示单元和键 盘接口电路单元) 以及通讯单元。本系统实现了直接且连续读取油中易燃性气体总量； 时、同气体趋势计算及警报；事件记录并 i ：吵jf = l 期、时间；系统故障警报、串行通讯等 功能。本装置即可以在现场单独使用，也可以作为主控制系统的预处硝! 单元来使用。 在本论文之前，监测装置已做出j i ：调试成功。 关键词：单片机控制；在线监测；系统警报；串口通讯 a b st r a c t a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te l e c t r i cp o w e re q u i p m e n t si ne l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，t h e t r a n s f o r m e r sh a v ed e t e r m i n a t i v ei m p o r t a n c ef o rd i r e c t l yi m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t yo fp o w e r s u p p l ya n dt h es a f e t y d u r i n gt h eo p e r a t i o no rf a i l u r ec o n d i t i o n ，t r a n s f o r m e r sp r o d u c es o m e c o m b u s ti b l eg a s e s s ot h e s eg a s e o u sc o m p o s i ti o n sa n dc o n t e n t sc a na c t sa sa ni n d e xt oj u d g e t h eo p e r a t i o na n df a i l u r ec o n d i t i o n so ft r a n s f o r m e r s t h er e l a t e dd e p a r t m e n t se n a c tr e l a t i v e s t a n d a r d g e n e r a l l ys p e a k i n g , t h et r a d i t i o n a lm o n i t o r i n gm e t h o di st a k i n go u to i l s a m p l e so r i r o n c o r ef r o mt r a n s f o r m e r s ，a sar e s u l t ，i tl e a d st ot h ec o s th i g h ，t h er e l i a b i l i t yo fp o w e r s u p p l yp o o r t h ew o r s to fa l l ，t h em e t h o dc a n tf o r e c a s tt h es t a t eo ft r a n s f o r m e r si nt i m e i nt h i sp a p e r ，t h eo n l i n em o n i t o rd e v i c ei sd i s c u s s e d ，w h i c ht h ec o m b u s t i b l eg a s e sa r e i n d e x e s ，c o m p r i s es i g n a la c q u i s i t i o nu n i t ，m i c r o p r o c e s s o ru n i t e x t e r n a le e p r o ma n dc l o c k c i r c u i tu ni t ，m a n m a c h i n ei n t e r f a c eu n i t ( d i s p l a yu n i ta n dk e y b o a r di n t e r f a c ec i r c u i tu n i t ) a n d c o m m u n i c a t i o nu n i t t h i ss y s t e mi sb a s e do nt h ei d e a o fm o d u l a rd e s i g n a t m e g a 3 2i s i n t r o d u c e da st h ec o r eo ft h e g a s l i n em o n i t o r i n go ft h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f i n s t r u m e n tf r o mt h eh a r d w a r ed e s i g na n dt h es o f t w a r ed e s i g n t h es y s t e mc a nd i r e c t l ya n d c o n t i n u o u s l yr e a dg a so i li nt h et o t a la m o u n to ff l a m m a b l e ；c a l c u l a t eo nt h et r e n do fg a sa n d w a r n i n g ：i n d i c a t et h ed a t ea n dt h et i m e ；s y s t e mf a i l u r ea l a r m ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n b e f o r et h i st h e s i s ，t h ed e v i c eh a sb e e nf i n i s h e da n dd e b u g g e ds u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：s i n g l ec h i pc o n t r o l l i n g ；o n l i n em o n i t o r i n g ；a l a r m ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太鎏交通盘堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者鲐绦泛鳐 日期：锄7 年多月2 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：太迄查逸匙季 导师张扰弧 日期：砷年否月z 日 通讯地址：犬建查通父羹砥宪蔓莓钓 电子信箱： j j 5 2 孬饥印级0 1 , 电话： 汐珏旧争加必卯 邮编：”6 o 巧 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蓬銮通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 绦次研 日期：九功7 年多月7 日 第一中绪论 第一章绪论 随蕾现代技术的发展和社会的进步，电力系统也变的越水越复杂，对电力系统的要 求电越来越高，由此，对电力系统保护的要求也越来越* 刎。变j j 器做为电力系统中t 爱 要的电力设备之一，对它的保护也引起人们越来越多的重视，变压器油中气体的监测就 是其中的一项。经过多年的发眨，对油中气体的监测已从传统的离线式监测发展到现代 化的征线式监测，它应用于_ i 产i - 已取得一定的成果。本论文的目的，就是针对这种现 状，做出一个能实现气体在线：湓测基本功能的装置，并简要的叙述它的制做过程。 山于受到资金和时间的限：| ；| j ，本装置略去脱气装置( 认为气体已从油中分离) ，瘟 接从气体传感器开始并测量混合7e 体( 即不分辨气体的成份) 。当气体的浓度数据采集 到后，本装置只是把浓度数掘转换成电信号显示、保存或上传，从而根据国家电力公司 所作的相关统计进行状态监测和放障诊断。 1 1 变压器油中气体在线监测技术的意义 变i 区器的运行状态可分为l i i 常状态和非j 下常状态。i f 常状态就是指变压器的一般 地、安全地运行状态，非正常状态是指变压器由于有故障隐忠或有故障而不能正常地、 安全地运行或退出运行的状态。变压器的许多故障或故障隐患可以通过油中气体的成份 及各种成份的含量的变化反应 ；束。根据国家电力公司发输电运营部对国内5 0 0 ( 3 3 0 ) k v 变压器在1 9 8 2 0 1 至2 0 0 0 1 0 的运营情况所作的相关统i t + ( 见“表( 1 1 ) 5 0 0 k v 变 压器事故损坏情况分类表”和“表( 1 2 ) 5 0 0 k v 变压器障碍分类统计汇总表”1 1 1 ) 呵 知，这些事故或障碍产生的原1 人】，：e 要是由于设计、制造、材质、电网的运行状态以及相 关的保护有缺陷或被损坏而造成。它们在出现非正常状态时都要或多或少的通过油中气 体的变化或电网参数的异常反应f l 来。由此可见，对变压器油中气体进行监测，并根据 监测的结果来安排变压器和电j 系统进行合理的运行或榆修是提高供电可靠性、安伞性 和经济性的重要措施之一。对峪测技术进行进一步的研究和发展，有着重大的理论和现 实意义。 1 2 变压器油中气体在线监测技术的原理 变压器的非正常运行状态呵分为缓慢的或者是潜在的非正常状态( 如层间对地放 电、匝l 、日j 放电、相间放电、局部过热、多点接地、油质劣化) 和突发的非正常状态( 如 变压器内部短路、组件损坏) 。对于它们的监测，可以通过油中气体监测技术来实现。 变压器油巾可燃- r t 气体的j i 要来源是变压器的绝缘物质( 纸、木板和油) 受热或在 放电状态下的分解。常运行时，除了油中溶解的7e 体外，几乎没有叮燃气体r 把乍，仉 是当变压器绝缘逐渐老化或发生故障时( 层i 日j 对地放电、匝问放电、相问放电、局部过 热、多点按地、油质劣化、过负铀、短路) 将有，种或儿种t 叮燃性气体产生。纸和小板 的主要成份是纤维素，它在过热( 密封状态) 时，将主要分解产生一氰化碳、j - 氧化碳 和水；它在强热解时的主要分解物是焦炭、水以及：氧化碳、一氧化碳，当温度高于2 5 0 时产生的一氧化碳鼍大于二氧化碳的量。变压器的油( 矿物质油) 受热( 小于5 0 0 ) 时，释放二氧化碳和水，在5 0 0 以上时释放乙烯、乙烷和甲烷；它在强热时释放氧 ( 6 0 8 0 ) 、乙炔( 1 0 2 0 ) 、甲烷( 1 5 3 5 ) 、乙烯( 1 2 9 ) 。具体的关系见 “表( 1 - 3 ) 气体组分与故障类型”和“图( 1 1 ) 典型故障中的气体( ) ”1 2 1 。 表1 15 0 0 k v 变乐器事故损m ：情况分类表 t a b l e1 15 0 0 k vt r a n s f o r m e ra c c i d e n td a m a g ec l a s s i f i c a t i o n 外部短路时造成事故6 台 线 动稳定r ：能不足损坏7 台 1 卜周j j j 合闸，过励磁使线圈变形损坏l 台 圈 高乐电卜绝缘击穿4 台 绝 g i s 操作过电压引起击穿2 台 缘 损 局放试验l 乜乐卜- ，绝缘击穿2 台( 黄渡三台锋一台) 坏 c 丌 变 厶 主绝缘故障1 0 台 压 口 器 正常电压作悄下绝缘击穿1 4 台 的 闸问绝缘故障4 台 故 障 外绝缘闪路6 台 套管及与套管有关的绝缘事故1 5 台正常运行电压卜套管爆炸或套管绝缘损坏6 台 套管端部引起接头烧熔3 台 分接开犬事故l 台 表1 25 0 0 k v 变压器障碍分类统计汇总表 t a b l e1 25 0 0 k vt r a n s f o r m e ro b s t a c l ec l a s s i f i c a t i o ns u m m a r ys t a t i s t i c s 第幸绪论 1 9 8 2 o l 一2 0 0 0 1 01 9 9 3 0 l 一2 0 0 0 1 0 障碍部位 障碍台次比例( ) 障碍台次比例( ) 绝缘不良t gf 5 高 9l1 1 l 35 6 6 内部局部过热，总烃超标 2 93 5 x o1 9 3 5 8 5 放电性故障，油中有乙炔，氧气 1 31 6 n 571 3 2 1 套管障碍33 7 l35 6 6 铁心障碍33 7 l23 7 7 渗漏油 1 82 2 2 2 1 42 6 4 2 保护误动跳闸67 4 059 4 3 小计8 11 0 ( 15 31 0 0 表1 3 气体组分与故障类型 t a b l e1 3g a sc o m p o n e n ta n df a u l tt y p e 被测7 t 体诊断 氮气( ) 与5 或更少的氧气( 0 ：)密封变压器处于正常返行状态 氮气( n ：) 与多于5 的氧气( 0 ：) 检奄变乐器的密封状态 氮气( n = ) 、一氧化碳( c 0 ) 或：氧化碳( c 也) ， 变压器过载或过热，引起绝缘中放电，检夼运行 或一氧化碳( c o ) 或二氧化碳( c o ：) 同时存舀：条件 氮气( n ? ) 和氢气( h ：) 电晕放电，水电解平i l 铁锈 氮气( n z ) 、氢气( h ：) 、一氧化碳( c o ) 、二氧 化碳( c 吼) 电晕放电涉及剑绝缘纸或变压器严重过载 氮气( n ：) 、氢气( h ：) 、甲烷( c l l ，) 和少鼙乙 烯( c ：l i ) 、乙烷( c 。h 。) 火花放电戏别的不7 碱重故障，是由油中放电引起 氮气( n ：) 、氢气( h ：) 、甲烷( c h 。) 和少餐其 火花放电或别的不严重故障，涉及剑固体绝缘损 它烃琏气体通常不存在的乙炔( c 。h ：)坏 氮气( n ：) 、人量的氢气( h 。) 及其它烃类气体包 括乙炔( c ：h ：) 内部存在高能量的电弧放电，引起油快速劣化 氮气( n 。) 、人量的氢气( 也) 、甲烷( c h 。) 和 小区域内高温过热，通常由丁接触不良引起，故 乙烯( c z h 一) 及少量的乙炔( c ：h 。) 障朱涉及剑同体绝缘 氮气( n ：) 、大量的氢气( h 。) 、甲烷( c h 。) 和 少草乙烯( g h a ) 及少量的乙炔( c ：h ：) 另外有 小区域内高温过热，通常由丁接触不良引起，故 障涉及剑l 捌体绝缘 一氧化碳( c o ) 和二氧化碳( c 晓) 的1 字在 3 1 3 变压器油中气体在线监测技术的发展 传统f i 勺变压器油中气体的监测力法，一般是定期采取油 ￥化验法。这一种方法应用 最广，并| 目前还在许多单位中使用。针对变压器在不同的时期( 刚投入运行、币常使 用期、使用辱命后期和排除故障后义投入运行等) 不i i i 的状念( i f 常状态、轻微故 障状念、严重故障状态等) ，结合大餐有关单位在长期实际运ij ：- 的经验，国家有关部 门制定了牛- 目应的标准，如国标运行中变压器油质量标准( 即：g b t7 5 9 5 2 0 0 0 ) 的附 录a 中所列的要求( 见“表( 1 4 ) 变j i t 器、电抗器油中溶解气体组，含量色谱分析( g b t 7 5 9 5 - - 2 0 0 0 附录a ) ”) 。常用的传统故障诊断方法有三比色法、d g a ( d i s s o l v eg a s a n a l y s i s ) 法。 电力或特种变压器的在线监测技术相对于以往传统的离线变压器监测运行方式 而言。，是- 一项新型的、科学的娈膻器运行、监测、控制技术，它将能保证变压器有更高 的安全系数、更经济的运行状态。可以沈，它是变压器保护行业发腱的必然趋势和要求， 它舀：本质l 是对变压器安全性、经济性要求的更高体现。作为一种发展趋势，变压器在 线监视技术已经获得一定的推广和运用。例如，针对变压器油中气体含量在线监测技术 可以说足一i j j i , t l r l 对比较成熟的技术：红王翟论方面，相关的论文也发表了不少，例如，基 于人t 神经网络的变压器故障诊断1 3 i 、变压器早期在线豁测盼火际应用1 4 j 、变 压器早期故障在线监测技术的应用1 5 l ：在实践方面，相关的专j 家推出了各自的产 品，例如，斟内的宁波理工监测漫备仃限公司的c 2 0 1 6 x 系列、炎幽s e r v e r o n 公 司的t r u c g a s 变压器故障在线监测仪、加拿大s y p r o t e c 公司的h y p r o t e c 系列； 作为用户，在电力行业中变压器的在线监测装置已经有所应用，例如，广西电力有限公 司f 6 j 河北j 乜力公司l7 1 、华北电力集团公司1 8 1 等。目前看来，这些敬备多是只针对油中 气体进行初步分析，而对其它状态和故障，如局部发热、多点接地、局部放电等故障不 能实现实时监测，更不用说对相关运行参数进行实时调整。 总的来说，变压器在线监测这项技术在国内外已经取得了一定的运行经验，但仍有 不足。 第绵泡 o*c甜6c 子* c 子电 基 j q 芒 馨 写 8 0 0 c oh 2a 啪c 子1 6c 净c 子乜 c o 1 1 2 c h 4c 2 h 6c 盈1 4c 2 图1 1典型故障中的气体( ) f i g1 1t y p i c a lf a i l u r eo fg a s ( ) 5 长扩鬟矗 堆扩掣篓旨 | 已 坩 。 迁扩啦鬟口 表1 4 变k 器、l u 抗器油巾溶解7 t 体组分禽龄色谱分析 t a b l e1 4t r a n s f o r m e ra n dr e a c t o rd i s s o l v e dg a sc h r o m a t o g r a p h yf r a c t i o n s 周期要求说吵j ( 1 ) 2 2 0 k v 及以上的所仃变件( 1 ) 远 设符的油中h 21 j 舱炎( 1 ) 总烃包括：c h 4 、c 2 h 6 、c 2 h 4 、 器、褥鼙1 2 0 m v a 及以上的发气体含量超过卜列任何一项值 和c 2 h 2 四种气体。 电厂主变压器3 3 0 k v 及时麻f j i 起注意。总烃含鲢人丁( 2 ) 溶解气体组分含擎彳增【乏趋 以卜的电抗器在投入运行 i 的 1 5 陬u l 。h 2 含苗人j ：1 5 0 l l谤时，可结合产气速率州j j ：j 1 必 1 大增加1 次。 ( 5 0 0 k v 变压器为l u l ) 。 要时缩短周期进行追踪分 j f 凡 ( 2 ) 运i j i 中。 ( 2 ) 烃类气体总和的产气速率人( 3 ) 总烃含量低的设舔不宜力j 。 ( a ) 3 3 0 k v 变压器和电抗器为3 j ：0 2 5 m l h ( 开放弋) 稠1( 4 ) 新投运的变压器府彳f 投运d 西 个月。 0 5 m l _ c h ( 密封式) ，或相对主气选 的测试数据，不应含宵c 2 h 2 。 ( b ) 2 2 0 k v 变乐器为6 个月。 率大丁1 0 月则认为没锯有 ( 5 ) 测试周期中( 1 ) 项的规定通j l h ( c ) 1 2 0 m v a 及以上发电厂主变 异常。及以上的于大修后的变乐2 嚣。 压器为6 个月。 ( 3 ) 列3 3 0 k v 及以j ：的电抗器， ( d ) 其余8 m v a 及以上的变胩当i j 现少肇( 小于靴饥) 乙炔时 器为1 年。应引起注意。 ( e ) 8 m v a 以下的油浸式变，爱器 白行规定。 ( 3 ) 人修后。 ( 4 ) 必奠! ：j 。 本章小结 本章为绪论，首先介绍了本论文的目的，就是做出，个能实现气体在线监测基本功 能的装置，并简要的叙述它的制做过程。接着论述了变月i 器油中气体在线监测技术的意 义、变压器油中气体在线监测技术的原理、变压器油中气体在线监测技术的发展，从而 为本沦文的工作奠定了基础。 第：。j e 体f 冬感器的选j l j 第二章气体传感器的选用 2 1 概述 日前变压器几乎都是用油来绝缘和散热，变压器油与油中的固体有机绝缘材料( 纸 和纸板等) 在运行电压下因电、热、氧化和局部电弧等多种闪素作用会逐渐变质，裂解 成低分子气体，山于含有不同化学键结构的碳氢化合物有着1 i 同的热稳定性，所以绝缘 油随着故障点温度的升高依次裂解牛成烷烃、烯烃和炔烃，每一种烃类气体最大产气率 都有一个特定的温度范围，故绝缘油在各不相同的故障性质f 产生不同成分、不同含量 的烃炎7e 体。由此可见，油中溶解气体的组分和含量在一定程度上反映 5 变压器绝缘老 化或敞障的程度。而油中溶解气体的组分和含量必须通过气体传感器检测出来。所以为 了更精确的测出变压器绝缘老化或故障的程度，就要求对气体传感器的灵敏度、线性度 等性能自更高的要求。因此，为了使装置有更高的可靠性，就应该对气体传感器有更加 深入的了解。 气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成l i 丁以被人员、仪器仪表、计算 机等利川的信息的装置。气体传感器一般被归为化学传感器的一类，气体传感器包括： 半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、 红外线气体传感器等【9 。 2 2 选择气体传感器的原则 l 、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型。要进行一个其体的测量工作，首 先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使 是测最i 司一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适， 则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被 测化置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线 或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进r 丁，价格能甭承受，还是自行研制。在考 虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。 2 、灵敏度的选择。通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。 因为岁l 有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值彳比较大，有利于信号处理。 但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大 系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外 界引入的j ：扰信号。传感器的灵敏度足有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向 7 。f ， 要求较高，则应选择其它力。向灵敏度小的传j 誊器；如果波测景是多维向量，则要求传 感器的交叉灵敏度越小越好。 3 、响应特性( 反应时i h j ) 。传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必 缎窿允诈：频率范围内保持f i 久真的测量条件，实际j ：f 冬感器的日向心总有一定延巡，乖哩 延迟时l 日j 越短越好。传感器的频率响应高，可测的信，频率范围就宽，而由于受剑结构 特性的影响，机械系统的彬，件较大，因有频率低的传感器- 叮测信号的频率较低。在动态 测最中，应根据信号的特点( 稳态、瞬态、随机等) 响戍特性，以免产生过火的误差。 4 、线性范围。传感器的线形范围是指输出与输入成l l i 比的范围。从理论上讲，在 此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范i 苣| 越宽，则j 量程越大，并且能保证一定 的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以厉首先要看其量程是否满足要求。 f | 1 实际上，任何传感器挪f i 能缫征绝对的线性，其线性唆电是相对的。当所要求测超精 度比较低时，在一定的范【 ；j 内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给 测襞带来极大的方便， 所以，为了提高被测信丌j 的准确度，我们应该根据以上原则进行选择。 2 3 常用气体传感器的工作原理 2 3 1 半导体传感器 半导体气敏传感器应域为，“泛，它主要足以氧化物、卜导体作为基本材料，使气体 吸附于该半导体表面，利用【| j 此而产生的电导率变化现缘而制作器件。然而，半导体电 导率变化的机理，即气敏机理是非常复杂的，事实上在某些方面尚无定论。常用的半导 体传感器有s n 0 2 、z n o 等，本系统重点研究烧结n 型s n o ：半导体传感器。 半导体传感器都配有加热电阻丝，以保证其工作在合适温度下，依据加热方法可将 其分成直热式和旁热式两种，如图2 1 所示。 直热式传感器的加热丝直接埋放在s n 0 2 材料内，它结构简单、消耗功率小，因为 加热回路和测量回路之间没有隔离，易互相干扰，稳定性差，可用在家庭煤气报警等场 合。旁热式的s n 0 2 材料涂舀：陶瓷骨架上，加热丝穿过陶瓷骨架，沿着整个陶瓷骨架保 持恒温，但不与s n 0 2 材料接触，而且加热丝和敏感层使用不同的电源，所以稳定性好， 适合精确测量。 筇o r 7e 体f 感器的选川 5 v1 二v 图2 1 、卜导体传感器 f i g2 1s e m i c o n d u c t o rg a ss e n s o r 2 3 2 接触燃烧式传感器 接触燃烧式气敏传感器的基本原理是在一根铂丝上涂上高阻的燃烧催化剂，另一 根铂幺幺卜以惰性气体密封，组成阻值相等的一对元件，常称为黑元件、白元件，有时也 用其它金属丝代替铂丝。由这一对元件和外加的两个固定电阻组成桥式检测电路，见图 2 2 。在一定的桥流下，黑ri 元件保持在3 0 0 - - 5 0 0 。c 的高温状态，当可燃性气体一旦与 黑白元什接触，就会发生无烟燃烧反应，使铂丝上温度升高，电阻增大，原来平衡的电 桥失去平衡，输出一个电信号，这一电信号与可燃性气体的浓度成线性关系，可以很容 易地求对应的气体浓度值，r 乜路t i 白元件起环境温度补偿作用。这种元件成本低廉， 性能稳定，寿命长，便于推j 一使用，但是它要消耗一定的被检气体。 图2 2 接触燃烧型传感器 f i g 2 2c a t a l y t i cc o m b u s t i b l eg a ss e n s o r 9 2 3 3 电化学传感器 电化学气敏传感器_ | r 按原电池的力。式l ：作，也可按电解池的办j 弋f 作，这取决于要 检测气体的电化学活r ，对电极活性较人的气体如h 。s 、c 1 ：等均采用味屯池的方式进行 工作，而对电撇活性簪的分子如c ( ) 和廿电易燃的有机物气体则多选川i 也解池原理进行 检测，有时还需要高极性的催化电极。无论采用哪一种1 作方式或选用哪种电极，结构 上能形成气、液、固( 电极) 三相界面是构成气体传感器的最基本条件。 电化学f 乜池由两个称为电极的会属导体组成，每个电极都浸在种适当的电解质溶 液中。为使电流流通，必须满足：( 1 ) 刚会描导体在外部把两个电极连接起来；( 2 ) 使两 电解质溶液接触以便让离子能从一种电解质移到另一种电解质中，如图2 3 所示。根据 化学电极的电 移与气体浓度的关系，町以测出气体的浓度，这是电化学气体传感器检测 原理。电极l l i j “入不川的会属就会对不川的气体反应灵敏度不一样，他得它具有良好的 选择性能，适合于单独测量某种气体。 电化学传感器的： 作过程如下：首先电极与电解质达到电势平衡，待测气体( 以还 原性可燃气体为例) 接触到电解液时，会给出电子，电子流向阳极，使得阳极上发生氧 化反应，【5 f j 极l ：发生还原反应，这样造成r 原来电势平衡的破坏，就仃电位信号输出， 不同的气 小浓度，输帛的电位信号就不，根据电位信号输出，我们就能得出气体浓度 值。 l l 缀a i | 二鼋t f 砸a 一、 l _ l b i l 蚤fj 蠡b 图2 3 电化学传感器 f i g 2 3e l e c t r o c h e m i s t r yg a ss e n s o r 电极中加入不同的金属就会对不同的气体反应灵敏度不一样，使榭它具有良好的选 择性能，是一种尤源的传感器。但山于这种传感器只能对某一种气体比较敏感，不能用 于多气体测量。 第j j 体f 车感器的选i | j 2 3 4 各种传感器的性能比较 本系统对传感器要求是，单个促感器能检测h 2 、c h 4 、c 2 h 6 、c 2 h 4 、c 2 h 2 五种气 体，而j j 对其灵敏度、反应速度、维修性等均有较高的要求。 电化学传感器的优点是灵敏度商、选择性好，但它长期l 作稳定性差、需要维护， 除h 2 外，对c h 4 、c 2 h 6 、c 2 h 4 、c ：h 2 反应都不好，不能选刚。 接触燃烧式传感器的各项性能基本上符合本系统的要求，线性度好，精度高。但它 的燃烧反应需要氧气助燃，监测系统i p 传感器装在色谱柱的未端，如果在色谱柱中通入 氧气，会造成柱内固定相的化学键断裂，破坏柱分离性能；如果在传感器前加旁吹供氧， 既增加装置复杂性，又容易让杂质气体混入，干扰测量结果。 s n 0 2 半导体型气敏传感器可以测量h 2 、c h 4 、c 2 h 6 、c = h 4 、c ! h 2 五种气体，灵敏 度高、响应速度快、使用方便、适合测量低浓度气体，符合本装置的需要，所以本装置 选用的是半导体型中n 型材料( s n o ! 型) 气敏传感器【2 8 】。 2 4 本系统气体传感器类型选择 本装置所选的传感器是同本费加罗公司生产的t g s8 1 3 气敏传感器，属于半导体型 中n 型材料( s n 0 2 型) 气敏传感器。它的工作原理图如图2 4 所示。它对噪声气体的灵 敏度低，主要用于测量甲烷、丙烷、j 。烷和氢气等可燃性气体。由+ j ：传感器本身结构上 的原冈，它对气体的响应结果是对各种气体成份的综合响应的结果。 r 冀 图2 4 t g s8 1 3 电路原理图 f i g 2 4t g s8 13c i r c u i ts c h e m a t i cd i a g r a m 传感器的工作原理： 通过费加罗公司提供的资料可以了解它的工作原理。甲烷、丙烷丁烷和氢气等可燃 性气体属于还原性气体，当这些气体通过并被吸附到8 1 3 ( n 型材料的传感器) 上时， 将引起8 1 3 - l 的钱流子增加，从而健8 1 3 的等效i u 阻的阻值减小。对- 丁某个恒定的电 源电压( e ) ，图2 5 可知，传感搭的r n 叭fr s ) 和负载电阻( r ) 构成了分压的 关系。由图2 4 叮以得到如下公式： 2 i 蓉k 2 1 式 由“图2 5 传感器的相对阻值与气体浓度”叮以知道气体的浓度值jf u 阻值的关系。 在使用图2 5 时，要用到相对电阻位的概念。所谓相对电阻值，是指在标准状况下 ( 1 0 0 0 p p m 的甲烷气体、2 0 。c 、6 5 湿度日0 ) f 毛感器测得的电阻值( r o ) 与现场测得 的电阻值( 致) 之比，它是一个相对值。 阁2 5 可知气体的浓度值与传感器的相埘电 阻值之i 日j 是一种近似的线性关系，因此可以改它们的关系式为： y ：a + b x( 2 2 式) 10 o 瞳 t 瞳 o 1 空气 一氧化酸 l 甲烷。 ! 己酽 ：丙烷 异丁烷 氢l 图2 5 传感器的相对阻值与气体浓度 f i g 2 5t h er e l a t i v er e s i s t a n c es e n s o ra n dg a sc o n c e n t r a t i o n 由图2 5 可以得到三组值( 表( 2 1 ) ) ： 表2 1 浓度1 相对阻值的关系 t a b l e2 1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er e l a t i v er e s i s t a n c ea n dc o n c e n t r a t i o n y ( 浓度) 1 0 0 03 0 0 0 7 0 0 0 x ( 相对k h 值) 1 0 6 0 4 筇：j j气体传感器? m 整 用最4 - - 乘法来计算常数值a 和b ( 过程略) 。最后可得两常数值，代入( 2 2 ) 式 i 得： y 。9 8 5 7 9 2 1 2 x( 2 3 式) 其中的x 代表传感器的相对电阻值，而标准传感器电阻值取1 0 k ( 按厂家的标准 是5 k - - 1 5 k ) ，由此可得下式： x ：生：生 ( 2 4 式) 1 0 2 5 气体传感器在本系统中的设计 在本电路中的电气参数如下所示：v 。是5 v ；v h 是5 v ；r l 的值是7 k 。r 1 9 是2 4 0 欧姆的限流电阻。由于本系统采用的传感器输出的是电压信号，为了增强系统硬件的通 刖性，应将传感器输出信号转换成了4 - - - 2 0 m a 的电流信号，这样气体浓度信号变为 4 2 0 m a 的电流信号后，通过与2 4 0 q 的电阻相连，便将电流信号转化为卜5y 的直流电 压信号传给a t m e g a 3 2 的模数转换器。 采用电流信号远传的原囚是不容易受干扰，并且i 乜流源内阻无穷大，导线电阻串 联在同路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。上限取2 0 m a 是因为防爆的 要求：2 0 m a 的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限没有取0 m a 的原因是为 了能检测断线：f 常工作时不会低于4 m a ，当传输线冈故障断路，环路电流降为0 。常 取2 m a 作为断线报警值。 将传感器输出的电压信号转换成了4 - - - 2 0 m a 的屯流信号；需要设计一个转换电路。 实际上整个气体信号采集模块就组成一个两线制变送器。两线制变送器由三大部分组 成：传感器、调理电路、两线制v i 变换器构成。具体电路图如图2 6 所示。传感器将 气体浓度信号转化为电压参帚，调理电路将传感器输出的微弱或非线性的电信号进行放 大、调理、转化为线性的电压输出，两线制v i 变换电路根据信号调理电路的输出控制 总体输出电流。 1 3 ； = i 一。， 图2 6 两线制变送器 f i g 2 6t w ow i r et r a n s m i t t e r 具体的电路见附录a ：装置的硬件原理图 中的信号采集模块，这罩省略。 本章小结 本章对应用广泛的气体传感器作了介绍，分析了各类气体传感器的优点和不足，并 作了惟能比较。在这基础一j ：，l 抛本文实际要求选择了半导体型传感器，对t g s 8 1 3 气 敏传感器的结构和工作原理作了分析，由此做出了气体传感器在本系统中的设计。 筇幸系统n 更f ，l 总体设汁 第三章系统硬件总体设计 3 1 系统硬件总体设计框图 本论文的工作重点是在一定的时间内做出一块能够实现油中可燃性气体在线监测基 本功能的样板。它包含有以下单元： ( 1 ) 气体浓度信号、气体传感器温度信号、加热 器温度信号的采集瞥元( 非电信号变成电信号) ；( 2 ) 微处理器单元( 对采集剑的信 号进行处理并控制其它单元正常工作) ；( 3 ) 外部e e p r o m 和时钟电路单元( 存储气 体含量、日变化率、月变化率等信息) ；( 4 ) 显示单元( 显示气体的浓度值、变化率、 时间以及温度等) ； ( 5 ) 接口电路单元：主要包括键盘接口、报警接口。键髓是信息 输入接口，这在整个系统中是必需的。报警接口也会有很大作用，虽然已经有了液晶模 块，可以显示很多信息，不过适当增加一些指示灯蜂呜器，能够方便的看出设备的一些 重要状态；( 6 ) ) 通讯单元( 与其它的监测器进行通讯或与上一级控制室通讯) 。本 监测装置的工作框图见“图3 1 硬件平台系统框图”所示。本装置中所用的源程序都是 使用a v r 单片机系列通用的c 语言编写，它可以移植到同类的芯片中。 图3 1 便1 ：| | ：平台系统框图 f i g 3 1h a r d w a r ep l a t f o r ms y s t e mb l o c kd i a g r a m 1 5 3 2 微处理器模块 3 2 1 微处理器的选择 在本装嚣中，微处理器( m p u ) 选定的a v r 单片机l l 的a t m e g a 3 2 。它是戈吲 a t m e l 公司推出的一款高档的a v r 尊片机系列的芯片1 1 9 】。 a t m e g a 3 2 是一款高性能、低功耗的8 位a v r 微处理器。它即有传统微控制单元 ( m c u ) 的功能，同时它又集成了i = ，i ：多外围模块。与传统的m c u 相比，它采用程序和 数捌分f 1 ：的哈佛结构，使取指和执行充全分开，提高了运行速度；并且程序存储器和数 据仔储器部是非易失性的；它有大量的指令，由于硬件上和结构上的原因，使它的指令 基本上都是单周期指令所以它的运ij 二速度很快；通过j t a g 接口可实现对f l a s h 、 e e p r o m 、熔丝位和锁定位的编程。 3 2 2a t m e g a 3 2 结构和引脚 a t m e g a 3 2 采用哈佛结构，使它的数据空间、程序空间和i o 空间分开，相应的有程 序总线和数据总线，提高了数扼的处理能力。它有4 0 个引脚p d i p 封装，并且很多引脚 是可以复用，这样进一步降低了芯片的体积。微处理器是a t m e g a 3 2 的核心，它担负着 数折：运算、信号处理的任务。j 彳仁富的指令集和3 2 个通用j l i 作寄存器，所有的寄存 器都亢接与算术运算逻辑单元( a i u ) 相连，使得一条指令可以在一个时钟周期内川时 访l j 炳个独立的寄存器。这种兰占构人大提高了代码效率。a t m e g a 3 2 的结构框图如图3 2 所示。 存储器的存储器空间为线性的平面结构。3 2 k 字节的在线编程程序存储器空问，用 于存放程序指令代码。f l a s h 存储器套少可以擦写1 0 ，0 0 ) 次。a t m e g a 3 2 的程序计数器( p c ) 为1 4 位，因此可以寻址1 6 k 字的氍序存储器空问。含有1 1 2 0 个字节的数据存储器空l 日j ( s r a m ) 。此外，a t m e g a 3 2 还有含1 0 2 4 字节的e e p r o m 数据存储器。它是作为一 个独。眵的数据空间而存在的，可以按字节读写。e e p r o m 的寿命至少为1 0 0 ，0 0 0 次擦 除周期，e e p r o m 的访问山地址寄存器、数据寄存器和控制寄存器决定。a t m e g a 3 2 的 p d i p 封装引脚图如图3 3 所示。 外围设备指的是除了微处理器和存储器以外的功能模块，习惯上称外设。它包括具 体功能模块下面将做具体介绍。 第三章系统硬件总体设计 _ - 曹_ _ _ _ _ _ _ 一1 1 1 i _ 冒曩_ _ 薯- 鲁_ 皇皇喜囊_ 胄曾盲_ 冒 图3 2a t n m g a 3 2 结构框图 f i g 3 2a t m e g a 3 2f u n c t i o n a ls t r u c t u r eo ft h em a p p d i p ，、儡i 2 苫毋 3葛8 43 7 3 8 s 3 s r3 4 巷3 3 尊3 2 o3 1 j 0 2z 1 奎 孳3 2 8 孳42 7 52 8 6 z s 1 t 72 4 82 3 92 2 2 02 i i f 碉a 秘o c 劭 p a l 帮c l p a 2 酗l x 臻 p a 3 酗习昭霭， r 岛雌糖嬲 p a 5 伪d c 辱 户灼酗o c 巷 p a 7 拶汇啦7 a r 筘 g 期o a v g o p e