（通信与信息系统专业论文）基于cpld技术的变压器油中微水超声检测研究.pdf

摘要 变压器是电力行业最重要的设备之一，随着变压器的长期运行，由于各种因素会使变 压器油中产生水分及其他杂质，这样将会大大降低变压器油的绝缘性能，甚至导致事故的 发生。为了避免变压器故障的发生，需要实时地对变压器油中的微水进行检测。变压器油 中的微水检测已经成为目前研究的一个热点问题。 本课题以变压器油中微水检测为研究对象，在对国内外微水检测的原理、方法的优缺 点进行比较的基础上，提出了利用超声波进行检测是一种可行的新型检测方法。 为了实现超声波对变压器油中微水进行检测，在研究工作中，设计了一种基于c p l d 技术的变压器油中微水超声检测系统。该系统由硬件设计及软件设计两部分组成。硬件设 计包括匹配网络的设计及变送器的设计；软件设计包括c p l d 的设计及交送器单片机的设 计。匹配网络设计主要分为调谐及变阻两部分内容，目的是为超声换能器提供最佳传输功 率。变送器设计是本系统的核心部分，主要分为变压器油中微水含量采集电路设计、c p l d 模块设计、单片机模块设计、电源模块设计及通信接口设计。c p l d 选用a l t e r a 公司的 e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 - 1 5 型芯片为控制核心，产生4 0 k h z 的方波，驱动超声换能器工作，经过 变压器油的超声信号由接收端超声换能器接收，再经过整形放大滤波处理后，将波形返回 到c p l d ，经过c p l d 的相位差计算后，给单片机发出相应触发信号，并把检测数据通过 一定协议传输给单片枫，单片机将接收到的相位差数据，傲进一步处理。本系统具有测量 精度高、成本较低、能实时连续测量、操作方便等优势，为实现变压器油中微水检测打下 了良好的基础。 本论文研究的课题得到了江苏省高新技术产业发展( j h b 0 5 0 8 ) 项目的资助，中期成 果已包含于申请的国家发明专利( 2 0 0 r 7 1 0 0 2 1 3 2 0 5 ) 和国家实用新型专利( 2 0 0 r 7 2 0 0 3 6 6 1 1 7 ) 之中。 关键词：超声检测c p l d 微水检测变压器油 a b s t r a c t t r a n s f o r m e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n t so fe l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y w i t ht h e l o n g - t i m ef u n c t i o n i n go ft r a n s f o r m e r , t h em o i s t u r ea n do t h e ri m p u r i t ya r ep r o d u c e db ys o m e u n k n o w nf a c t o r s t h e y 伽s h a r p l yr e d u c et h ei n s u l a t i o nc a p a b i l i t yo ft r a n s f o r m e ro j l e v e nl e a d t oa na c c i d e n t i no r d e rt oa v o i dt h eh a p p e n i n go ft r a n s f o r m e rm a l f u n c t i o n ，t h em o i s t u r e d e t e c t i o ni nt r a n s f o r m e ro i lt i m e l yi sn e e d e d t h em o i s t u r ed e t e c t i o ni nt r a n s f o r m e ro i lh a s b e c o m eah o tr e s e a r c hp o i n tn o w a d a y s t h er e s e a r c ho b j e c to ft h ep r o j e c ti st h em o i s t u r ed e t e c t i o ni nt r a n s f o r m e ro i l t h ea u t h o r c o m p a r e dt h ep r i n c i p l e sa n dt h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fd i f f e r e n tm e t h o d s ，a n dr i s e du pa n e w p o s s i b l ed e t e c t i o nm e t h o db yu l t r a s o n i c t or e a l i z et h em o i s t u r ed e t e c t i o ni nt r a n s f o r m e ro i l b yu l t r a s o n i cm e t h o d , t h ea u t h o r d e s i g n e da nu l t r a s o n i cm o i s t u r ed e t e c t i o ns y s t e mi nt r a n s f o r m e ro i ib a s e do nc p l dt e c h n o l o g y t h es y s t e mc o n s i s t so fh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n t h eh a r d w a r ed e s i g ni sm a d eu po f m a t c h i n gn e t w o r kd e s i g na n dt r a n s d u c e rd e s i g n t h es o f t w a r ed e s i g ni sm a d eu po fc p l d d e s i g na n dm c ud e s i g n t h em a t c h i n gn e t w o r kd e s i g ni sd i v i d e di n t ot u n ea n dr h e o s t a td e s i g n i ti su s e dt op r o v i d et h eb e s tt r a n s m i s s i o np o w e rt ou l t a s o n c it r a n s d u c e r t h et r a n s d u c e rd e s i g ni s t h ec o r eo ft h es y s t e m ，s e p a r a t i n gi n t ot h ed e s i g no fm o i s t u r ec o n t e n tc o l l e c t i o nc i r c u i t ，t h e c p l dm o d u l ed e s i g n , t h em c om o d u l ed e s i g n , t h e p o w e rm o d u l ed e s i g n a n dt h e c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ed e s i g n t h ec o n t r o l l i n gc o r eo ft h ed e s i g ni su s e dt h ec p l dc h i po f e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 - 1 5t y p eo fa l t e r ac o m p a n y i t 锄p r o d u c eas q u a r ew a v ei n4 0 k i - l zw h i c h d r i v e st h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e r t h eu l t r a s o n i cs i g n a lw h i c hi st h r o u g ht h et r a n s f o r m e ro i l r e c v e db yt h er e c i v i n gu l t r a s o n i ct r a n s d u c e r , t h e nt h es i g n a li st h r o u g ht h ep r o c e s so fp l a s t i c , m a g n i f ya n df i l t e ri n t oc p l du n i t , a f t e rt h ec a l c u l a t i o n ，w i t ht h es p r i n go fm c u ，t h ep h a s i c d i f f e r e n c es i g n a li s s e n d i n gt om c ub ys o m ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lt od 0af u r t h e r m o r e p r o c e s s t h es y s t e ma d o p t sc p l dt oc a p t u r et h et r a n s m i s s i o nt i m eo fu l t r a s o n i c ，s e n d st h et i m e i n f o r m a t i o nt om c uf o rp r o c e s s t h ea d v a n t a g eo fi ti s h i 【g hp r e c i s i o n , l o wc o s t ，r e a l t i m e p r o c e s sa n ds i m p l yh a n d l i n g i ti sl a i dag o o db a s i cf o rr e a l i z i n gt h eu l t r a s o n i cm o i s t u r ed e t e c t i o n i nt r a n s f o r m e ro i l t h ep r o j e c ti sa i d e db yt h ed e v e l o p m e n tp r o g r a mo fh i g ha n dn e w t e c h n o l o g yi n d u s t r i a lo f j i a n g s u a n ds o m et e c h n o l o g i e so ft h ep r o j e c ta r ep r o t e c t e db yt w op a t e n t s ：ap a t e n tf o r i n v e n t i o n ( 2 0 0 7 1 0 0 2 1 3 2 0 5 ) a n dap a t e n to fu t i l i t ym o d e l ( 2 0 0 7 1 0 0 2 1 3 2 0 5 ) k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cd e t e c t i o n , c p l d ，m n s i t u r ed e t e c t i o n ，t r a n s f o r m e ro i l 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下迸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的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事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了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 喙篮叟2 。8 码月y 1 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部 分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：噍碴坠 2 。8 年彦1 日 河海大学硕士论文第一章绪论 1 1 课题简介 1 1 1 课题的来源 第一章绪论 本课题来源于江苏省高新技术发展( j h b 0 5 - - 0 8 ) 资助项目。本论文有关成果己包含 于协助导师申请的2 0 0 6 - - 2 0 0 7 年国家发明专利和实用新型专利项目一一变压器油中微水 及混合气体超声在线检测方法及装覆i ”( 2 0 0 7 1 0 0 2 1 3 2 0 5 ) 和变压器油中微水及混合气体 超声在线检测装置( 2 0 0 7 2 0 0 3 6 6 1 1 7 ) 1 2 1 之中。 1 1 2 课题背景、研究目的与意义 本课题基于超声检测原理，结合c p l d 技术、电子通信技术，对变压器油中微水含量 在线检测系统进行了研究。拟将声学检测手段与现代先进的电子通信技术结合起来，实现 对采用油浸变压器的电气设备的微水含量的智能在线监测。 变压器是我国电力行业主要的电力设备，在整个电力系统安全运行中起了非常重要的 作用。当变压器的长期运行后，由于一些客观或主观因素不可避免地会使变压器油中混入 一些水分和气体，这些微量水分和气体杂质的存在大大降低了变压器油的绝缘性能，加速 了绝缘系统的老化进程，还可导致变压器的局部放电击穿及产生气泡，这不仅仅缩短了变 压器的正常使用寿命，严重时甚至还会导致一些事故的发生，造成巨大的损失和危害。鉴 于此，我国已经出台了g b 厂丌6 0 0 1 9 8 7 运行中变压器油水分含量测定法( 库仑法) 以及 g b ，r 7 6 0 1 1 9 8 7 运行中变压器油水分测定法( 詹相色谱法) 两个标准。 变压器油中微量的水或气，主要以游离、溶解、乳化的形式存在于变压器绝缘油中。 温度越高，变压器油中溶解水分的能力越强，能溶解的水分就越多，0 时，水分溶解 2 0m g k g ，1 0 0 时为8 0 0m g k g l 3 1 。由于变压器在运行时的温度大概在8 0 到1 0 0 左 右，因此水的溶解度很高。在实际运行中水分是以溶解形式均匀的存在于变压器绝缘油中 只有在变压器停止运行，温度下降，处于过饱和状态时，变压器油中的水分才主要以游离 的形式存在于油箱的底层。 目前，国内外有一些关于油水检测的专利，如中国专利：变压器油箱油中水分在线检 测装置1 4 j ，属于对变压器进行监测技术领域，涉及一种变压器油箱油中水分变化状况的在 线监测装置。该变压器油箱油中水分在线监测装置包括变压器的一组冷却器与变压器相连 基于c p l d 技术的变压器油中微水超声检测研究 的底部出油管、智能传感器。其特征在于智能传感器将安装在底部出油管上的传感器探头 的电信号经放大或衰减、整流、滤波和模数转换以后经r s 2 3 2 接口和3 芯屏蔽电缆与前台工 控机连接，前台工控机可以通过以太网与后台诊断处理计算机连接。能及时监测变压器油 箱油中水分的变化，出现异常情况时，使人们能够及时采取调控措施或由自动控制系统自 动处理，避免变压器故障的发生。它主要是通过测量油温及水活性两个量，来得到水分含 量，从而能及时监测变压器油箱油中水分的变化。此专利技术优点是实现了在线检测，在 微水超标时报警，缺点是关键技术传感器采用国外现成的传感器，价格昂贵，不利于推广。 又如俄罗斯专利：油水气混合物中水分检测方法及装割5 1 ，主要用于油水气混合物的测量。 此检测设备由液体静压力、温度、压力传感器构成，超声换能器装容器底部发射超声波。 其工作原理是，将样本取样放置，沉淀，进行液体静压力的测量，并测量超声波脉冲的时 间。在沉淀层发射超声脉冲。其水分含量可以用公式表示为：w = gr h o w c w ( h t o ) 2 d e l t a p ， w 是水分含量，g 是加速度，r h o w 是水的密度，c w 是混合物中的声速d e l t a p 为液体静压 力，纯- t o ) 为超声脉冲发射到表层与从表层反射回来的时间差。此专利技术优点是公式简单， 能够直观地得到结果，缺点是因超声波在不同液体中的传播速度大致相同，其精度可能达 不到微水测量的要求，不适合于微量水分的测量。 综合上述国内外相关专利的优缺点，作者设计出了一套变压器油中微水在线检测装 置，并且申请了我国发明专利及实用新型专利。本设计利用超声在固、液两种状态的介质 中传播速度不同，测出微水含量。 1 。2 论文主要工作 论文主要完成了如下几个方面的工作： ( 1 ) 分析总结了变压器油中微水检测方法的优缺点、存在问题，并对各个方法进行 比较分析，提出本研究检测方案。 ( 2 ) 对影响变压器中微水含量因素进行理论分析，设计了变压器油中微水超声检测 装置。 t 3 ) 通过基础实验，运用超声手段对交压器油中微水含量进行了检测，得出初步结 论。 ( 4 ) 设计基于c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 的检测系统，实现超声信号的产生、发 射、接收及声信息的处理，实现变压器油中微水含量的在线检测，使快速处理器件c p l d 直接面对采集端，突显c p l d 的快速处理优势。 1 3 变压器油中微水检测方法比较分析 2 ( 1 ) 蒸馏法 蒸馏法是一种原始而古老的方法，广泛应用于各个行业，如制药行业、香水制造业等 河海大学硕士论文第一章绪论 等。水蒸气蒸馏法、分子蒸馏法、膜蒸馏法是现在常用的主要蒸馏方法。常用蒸馏方式有 水中蒸馏、水上蒸馏( 隔水蒸馏) 、直接蒸气蒸馏及水扩散蒸气蒸馏。蒸馏法用于检测变 压器油微水含量的原理即：取一定的试样与特定溶剂混和，放入蒸馏装置中进行蒸馏回流， 加热3 d 时左右，直到蒸馏出的水分不再增加为止，停止加热，在冷凝器中冷却至室温， 测定蒸馏出的水分的含量。此方法的显著优点是原理非常简单，缺点是用时太长，受环境 影响很大，且分析效率及准确度均很低，误差较大。 ( 2 ) 色谱法 色谱法是由俄国植物学家t s w c t t 在1 9 0 6 年提出的。其实质是利用不同物质在不同的两 相( 固定相，流动相) 中具有不同的分配系数，当两相作相对运动时，这些物质在两相中 的分配反复进行多次，这样使得那些分配系数只有微小差异的组分产生很大的分离效果， 从而使不同组分得到完全分离。两组分差异在千分之五时便可以达到分离1 6 l 。此方法用于 油中微水检测时，流动相为汽化样品后的混合气体，流动相随载气进入固定相中进行分离， 得到分离层后进行微水含量的测定。色谱法的优点是灵敏度高，准确可靠。干扰性小，在 十几分钟内就能完成对试样的分析，因此，己广泛应用于石油、环境、食品等各种领域， 但此方法的缺点是操作较复杂，一般的技术人员难以把握，且设备要求较高。 ( 3 ) 卡尔费休法 卡尔一费休法的实质是利用化学反应进行微水检测，可普遍用于测量固体、液体以及 气体中的水分含量，卡尔一费休法有两种检测方法，一种是由卡尔一费休于1 9 3 5 年提出的 卡尔一费休容量滴定法，另一种是伯埃得提出的卡尔一费休库仑法i ”。现在被许多国家广 泛采用的是卡尔一费休库仑法，测定的水分可达到质量分数为5 0 x 1 0 r 6 以下i s ) 。库仑法根据 所测样品的种类不同，选择的滴定池也不同。一般常用的滴定池主要有碘滴定池、银滴定 池以及酸滴定池等等。库仑法检测微水含量的原理与卡尔一费法基本相同。两种方法都利 用了化学反应，如中和反应，氧化还原反应，沉淀反应以及络和反应1 4 瞎等。但两种方 法中所用滴定剂的产生不同：容量法中滴定剂是由滴定管中加入的，而在恒电流库仑滴定 中则是用恒电流通过电解在溶液中产生的。容量法每次工作前都要测试卡尔一费休试剂的 滴定度，判定试剂是否失效，以保证测量结果的准确性。库仑法中卡尔一费休试剂可以连 续使用，无需更换，无需进行试剂的失效校订工作。卡尔一费休法总体来说优点是分析速 度快，灵敏度高，准确度高，可广泛用于自动检测方面，在石油化工、医药、食品、环境 检测等领域已经有了重要的应用。缺点是负反应较多，在检测时要考虑很多因素。另外， 在用卡尔一费休法进行实验时，需要注意滴定池的清洁度，滴定参数的选择，还要注意在 滴定中偶尔出现的假滴定终点现象以及空气的相对湿度。 ( 4 ) 重量法 重量法是环境化学学科常用的一种测量方法，我国已经出台了中华人民共和国标准g b 1 1 9 0 1 8 9 水质悬浮物的测定重量法，g b t1 5 2 6 5 1 9 4 环境空气降尘的测定重量法，g b 厂r 1 1 8 9 9 8 91 9 9 0 0 r 7 0 1 实施水质硫酸盐的测定重量法。重量法微水测量还没有相关的国家标 准，其基本原理是利用油的密度与水的密度不同，取一定体积的油样，在真空条件下，首 3 基于c p l d 技术的变压器油中微水超声检测研究 先计算理想纯油样的重量，再测量混和微水的油样的重量，得到两者的重量差，再计算得 到水的体积，即知道了油中微水的含量。重量法的优点是原理较简单，但由于油中常常混 有气体杂质，导致重量法精度不高，可以先对油样进行萃取操作以保证方法的准确性。 ( 5 ) 介电常数法 此方法的基本原理为：利用变压器油中油和水的介电常数不同，油中含水的多少决定 了变压器油的介电常数，传感器是电容式的温度传感器、湿度传感器，将传感器浸在油中， 介电常数的变化导致电容的变化，通过测得电容的变化量经计算从而得到微水的含量。系 统对电容传感器有一定的要求，如灵敏度高，输出信号可传输较长的距离等等。信号的输 出和测量通过上位机和下位机获得。此方法的优点是达到了油中微水的在线检测，准确度 高，由微机可以直接看到水分含量，但对电容的敏感性有很强的要求，如果材料的敏感性 达不到要求就无法保证检测结果的准确性。 ( 6 ) 基于模糊控制神经网络法 采用神经网络来选择相关的因素，结合真值流推理就形成了模糊神经网络。温度和湿 度是影响变压器油中含水量的两个因素，输入层的两个因素为温度和湿度，温度和湿度信 号通过下位机获得，并转化为方波信号传给上位机，输出层为微水含量，上位机对下位机 发送的频率信号进行处理，通过模糊神经网络对其进行识别运算，得到微水含量的实时检 测数据。优点是利用专家诊断系统，方便快捷，缺点是要依据历史数据来进行判断，可能 会导致数据的不准确性。 ( 7 ) 射频方法 射频法检测油中微水含量的基本原理：射频信号源发射射频信号，由于油是非极性物 质，水是极性物质，两者的介电常数相差很大，因而呈现出不同的射频阻抗特性。当射频 信号传送到以油为介质的电容式射频传感器负载时，该负载阻抗随着混和液中不同的油水 比而变化【们。射频方法适用于油中含水量较多时的在线检测，对于痕量水的测量准确度较 低。另外，在检测时还要注意温度对水分电压的影响。 ( 8 ) 红外光谱法 红外光谱法是将红外检测与色谱法结合的一种新型在线检测方法，将油样首先进入高 效色谱柱进行油水分离，然后将分离出来的水气化，随载气进入红外检测池，水分子在波 长为1 9 4 um 的红外光处有最大吸收峰，且干扰最少，使透射光的强度减弱，从朗伯一比 尔定律得知，吸光度和水分含量成正比，因此，测得吸光度就能得到油中微水含量【圳。此 方法成本低廉，方便快速，无污染，准确度较高。缺点是当分析仪器使用了一段时间后， 工作曲线可能会产生偏离。因此，用一个己知含水量的油标样和空白值采取两点法进行工 作曲线的校正，修正斜率，可确保分析数据的准确性【1 0 。 ( 9 ) 非在线检测方法与在线检测方法的总体比较分析 传统的取样检测方法与在线检测方法比较起来有很大的不同，科学技术的迅速发展使 得在线检测成为检测方法的主流趋势，但现今它的发展水平仍然不能取代实验室中传统的 检测方法。首先，考虑到是对变压器这一特殊设备进行检测，变压器一旦投入使用就很难 4 河海大学硕士论文第一章绪论 停止工作，使用寿命大概在2 0 - 3 0 年左右，对于某一在线检测设备来说要求它自身的稳定性 及使用寿命要尽可能的高。而取样检测可以随时根据需要对变压器油进行取样。其次，变 压器油在运行中其气体含量和微水含量是不断变化的，与不同的设备所在地点及当地的温 度湿度情况有很大关系，运行内部及故障诊断都相当地复杂，在线检测要完全的考虑到各 种因素，才能保证检测的准确性及不出现误报情况。而取样检测受此影响较小。再次，目 前的在线检测大都是通过对历史数据的比较而得出微水含量是否超标，是否会有故障发生 等等，那么历史数据的准确性也成为在线检测准确度的一大瓶颈。 在线检测能够成为检测方法发展的趋势，它很多方面优于传统的检测方法。首先，在 线检测避免了传统检测在取样过程中的人为因素的影响。取样检测在取样或运输油样时， 由于人为的因素，很有可能造成油中微水含量的小范围变化，使进行检测的油样与变压器 油的微水含量不一致，导致检测结果的不准确。其次，在线检测可以实时地反映变压器油 中微水的含量，一旦含量超标就会报警，避免了由于没有及时进行处理过多微水而发生的 事故。由于变压器油中的微水含量的增加大都是由于不明原因的受潮引起的，所以变压器 随时都有可能受潮，而技术人员不可能每时每刻都取样进行检测，在线检测的优越性突显 出来。再次，在线检测直观。在线检测通过电脑显示器可以直观可视的看到微水含量的变 化，在分析时间上更为快捷，而传统的取样检测要等待几个小时才能得知结果。同时，在 线检测避免了大量的人力和物力的浪费。 1 4 本论文方法的优缺点 本节给出本论文研究方法的优缺点，具体原理及方法说明，将在第二章中论述。本方 法具有以下优缺点： ( 1 ) 打破了传统的取样检测方法，采用循环系统对变压器油进行实时检测，动态分 析检测结果，更加具有准确性，灵活性，方便性： ( 2 ) 由于本方法的核心器件c p l d 是可编程器件，并且c p l d 还是i s p ( 在系统可编 程) 器件，所以本方法易于扩展或在线实时扩展为测量其它两种不相容液体混合物的测控系 统。 ( 3 ) 本方法将现代电子通信技术与先进的声学检测手段综合应用于测量变压器油中 微水含量，实现了对采用油浸变压器的高压电气设备的监控。 1 5 本章小结 本章对本文研究课题的来源、背景、研究内容、研究意义等关键问题进行了论述，明 确了本课题在学术及应用中的研究价值和定位。 基于c p l d 技术的变压器油中微水超声检测研究 第二章变压器油中微水超声检测原理分析 2 1 超声技术用于变压器油中微水检测原理 变压器油中微水检测方法需要考虑的四个方面是：检测方法的复杂性，检测设备的灵 敏性，检测结果的准确性，以及检测方法及仪器推广的经济利益。本论文采用的超声波是 一种机械波，频率高于2 0 k h z ，可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播，但气 体、液体、固体的声传播速度存在很大差异，在气体及液体中超声传播速度分别为型1 0 1 n $ 左右、1 5 0 0 m s 左右。但超声在固体中的传播速度比液体和固体的高得多，且不同固体中传 播速度相差很大，本论文中，采用将水转化成冰的方法进行检测，超声在冰中传播的速度 为3 1 6 0 m s ，对比超声在变压器油中的传播速度1 4 2 5 m s ，就可以根据声波的传播速度的差 异来进行测量。其中对油中微水及混合气体检测方法中包括三个方面： ( 1 ) 首先给出标准变压器油的声速测量公式“l l 设标准变压器油的密度n ，在固定长度l 距离中传播的声速为c i 。有 厅 铲石 ( 2 1 ) 式中：。一一变压器油的绝热压缩系数。 ( 2 ) 待测变压器油中声速测量公式【l l l 微水检测的推导方法：设微水冷冻池悬浮液中变压器油密度岛( 即标准变压器油密 度) ，体积分数，悬浮液中混合气体密度戊，体积分数， p 。p l u s + p 2 v 2 。n ( 1 一) + 鹏 ( 2 2 ) 由于固体粒子半径4 非常小，肋口1 ，所以在固定长度l 距离变压器油水混合悬浮液中超 声传播的速度为 岛。防 旺3 ， 其中 k - “k + 恐) 。1 p - n q + 岛吃- n ( 1 一) + p 2 ( 3 ) 测量关系推导 由于微水检测及混合气体检测的测量关系推导公式相同，只是数据不同，这里以微水 河海大学硕士论文 第二章变压罂油中微水超声检测原理分析 检测为例给出推导关系：在等温等压条件下，第一对换能器之间放置标准变压器油，声速 用c 1 表示，另一对换能器之间放置待测变压器油，对标准变压器油及待测变压器油同时冷 冻到同一温度，这时变压器油中的微量水分变成了固态冰，即成悬浮液，声速用c ，表示。 发射换能器与接收换能器均相距l 长。超声波信号为脉冲波，频率为，。两路发射信号同 相位，则两路接收信号相位差为 0 - f 旦一生1 ，3 6 0 a ( 2 4 ) 、c 2c l ， c 1i 乞。阱 同时测量超声脉冲在第一个通道中传播时间为t ， l c l 又知p 。州+ 见呸。n ( 1 一) + 见f 液相密度为n ， 体积分数为) ，k 一“，k + v 2 k 2 ) 一1 由( 2 4 ) ( 2 1 ) ( 2 3 ) ( 2 5 ) 可得 ( 2 1 ) ( 2 3 ) ( 2 5 ) 体积分数为q ，固相密度为p 2 ， i屯t n 晤业罐半型+ 半2 】l | k 恐k 托k i 一口+ x 厅- 4 a c 吃。瓦广 其中： a - ( k i - k 2 x p z - p l ) k 2 k 1 口。茎2 f 鱼二旦2 鱼! 堕二兰2 k 2 k l c 2 纠志+ ) d = 似，b ) 2 1 一 旦 ( 2 6 ) 3 6 0 0 x 声 由此根据声速脉冲的相位差来测量冰的体积分数，即得到了微水的含量。 ( 2 7 ) 7 基于c p l d 技术的变压嚣油中微水超声检测研究 2 2 实验可行性验证 根据以上理论分析，超声用于检测变压器油中微水是可行的。下面，通过实验数据来 验证。 ( 1 ) 实验设备 信号源：g f g - 3 0 1 5 ；示波器：s s - - 7 8 0 2 a 型双踪示波器；导线若干 ( 2 ) 实验过程 1 、配比溶液 含水量水变压器油总量 0 0 m l3 3 0 m l3 3 0 m l 0 5 1 6 5 m l3 2 8 3 5 m l 3 3 0 m l 1 3 3 m l3 2 6 7 m l 3 3 0 m l 2 6 6 m l3 2 3 3 m l 3 3 0 m l 3 9 9 m l3 2 0 1 m l 3 3 0 m l 4 1 3 2 m l3 1 6 8 m l 3 3 0 m l 5 1 6 5 m l3 1 3 5 m l 3 3 0 m l 表2 - 1 不同含水量溶液 2 、乳化 将配制好的溶液进行乳化操作，乳化时间相同。注意，乳化前将溶液摇至均匀，乳化 效果更好。 3 、冷冻 将乳化好的溶液迅速放置冷冻室进行冷冻，冷冻一定时间既可。 4 、测量 将不同配比的溶液分别进行测量，并记录波形。 图2 1 实验波形图 5 、线性分析 根据多次实验的测量数据，我们绘制了如下图的曲线，发现变压器油中微水的含量与 超声传播的时间呈近似线性关系，由此，可以通过检测超声传播的时间来测量变压器油中 8 河海大学硕士论文第二章变压器油中微水超声检测原理分析 微水的含量。实验条件：实验管( 附图见后) 、2 5 # 变压器油、室温2 3 度、滴定管。 实验日期含水量含水量含水量含水量含水量含水量含水量 传播时间o 0 5 1 2 3 4 5 2 0 0 7 5 1 32 2 82 2 72 2 62 2 42 2 22 2 02 1 8 2 0 0 7 5 2 32 2 82 2 72 2 62 2 42 2 22 2 02 1 8 2 0 0 7 6 2 52 2 82 2 62 2 52 2 32 2 12 1 9 2 1 8 2 0 0 7 7 3 2 2 9 2 2 72 2 62 2 32 2 22 2 02 1 8 2 0 0 7 7 5 2 2 9 2 2 72 2 62 2 42 2 22 1 92 1 7 2 0 0 7 7 72 2 82 2 72 2 5 2 2 42 2 32 2 12 1 9 均值 2 2 8 3 32 2 6 8 32 2 5 6 72 2 3 6 72 2 22 1 9 8 3 2 1 8 表2 - 2 选取的几次实验数据 根据多次实验数据的平均值，绘制下图曲线，发现超声传播时间跟水分含量之问呈近 似线型关系。 声传播时i 可( “ 00 5l23 4含水量 图2 2 超声传播时间与含水量呈近似线性关系 9 超声传播时问一t掰 ；号 m 丝 加 体 协 2 2 2 2 2 2 2 基于口l d 技术的变压器油中徽水超声检测研究 6 、计算 将数据代入公式计算，计算得到的微水含量与理论值相近，误差是由于操作过程中产 生，由此可知，超声检测变压器油中微水含量的方法确实可行。 2 3 本章小结 本章具体介绍了变压器油中微水检测方法的原理，给出了超声检测方案的具体推导过 程，并用实验数据验证了超声检测变压器油中微水含晕的可行性。 1 0 河海大学硕士论文第三章变压罂油中徽水检测系统总体设计 第三章变压器油中微水检测系统总体设计 3 1 系统工艺流程总体设计 目前，尚没有任何人利用超声对变压器油中微水进行检测，没有任何经验可 寻。因此，在设计整套系统时，需考虑诸多因素。比如，如何保证变压器油的循 环流通。利用离心泵能很好的解决了这一问题。根据第二章的原理，变压器油中 微水检测系统的工艺流程如图3 1 ： 蕞超声麓射e e 麝营衄声摧收电路 1 1 图3 1 微水含量检测系统工艺流程图 1 标准变压器油2 变压器( 待测变压器油) 3 闸阀4 回止阀5 超声乳化池( 标准 变压器油) 6 超声乳化池( 待测变压器油) 7 超声电源8 冷冻微水采样池( 标准变 压器油) 9 冷冻微水采样池( 待测变压器油) 1 0 离心泵1 1 循环管道 工艺流程及检测方法叙述如下： ( 1 ) 在同温同压下，对标准变压器油与待测变压器油进行等时间段乳化， 使水分均匀的分布在变压器油中； ( 2 ) 再将标准变压器油与待测变压器油冷冻到零摄氏度以下，这时水就变 成了小固体颗粒均匀的分布在变压器油中，利用两对性能一致的超声收发换能器 同时对标准与待测变压器油的超声传播时间及相位采集，采集信号进入c p l d 单 1 1 基于c p l d 技术的变压器油中微水超声检测研究 元处理后得到微水的含量； ( 3 ) 最后变压器油经过循环装置回流到变压器中继续运行使用。这样就完 成了对变压器油中微水含量的在线测量。 3 2 系统检测框图总体设计 本系统主要包括三部分的设计：一是功率放大器的设计，主要为完成乳化 实验设计电路，此项已经由前人设计完成；二是匹配网络的设计及变送器的设计， 由本人设计完成，即图3 3 中黑色点划线所含内容；三是上位机部分，由他人设 计。 图3 2 本文主要设计简图 阻抗匹配部分主要完成调谐及变阻的设计，变送器部分主要包括超声发射及 接收电路的设计、c t l d 部分的设计、单片机部分的设计、4 8 5 通信网络的设计。 下面分别介绍这些部分。 3 2 1 阻抗匹配网络设计 乳化属于功率超声的一种，它不改变物质的化学结构，只改变物质的物理状 态。在功率超声领域，换能器的阻抗匹配占有相当重要的地位。若匹配不当，声 功率常常达不到要求，还可能导致换能器损坏。匹配网络的设计提高了声电转换 效率，使换能器的静态电容的电抗作用被抵消，通过调谐及变阻，使换能器获得 最大功率传输。 经研究，2 0 1 d _ i z 的换能器乳化效果最好，所以。采用4 个2 0 k h z 的换能器对 变压器油进行乳化操作，每次乳化时闻一定。乳化之后的变压器油方可进入冷冻 室。 河海大学硕士论文第三章变压嚣油中微水检测系统总体设计 图3 3 系统整体框图设计 匡一f _-i_-一j 基于c p l d 技术的变压器油中微水超声检测研究 3 2 2 变送器设计 变送器是本系统的核心部分，其性能好坏直接决定了所讨论方法的可行性， 也直接影响着系统的性能和可靠性，所以，变送器的设计是本系统中技术含量最 大，难度最高的一部分，非常重要。 作者根据上述检测原理，设计了变压器油中微水含量检测变送器，它主要用 于检测变压器油中微水含量，并将检测到的数据实时通过通信总线传送给上位 机。 根据整体框图可以明显看到，整个变送器被划分成了三个部分：超声驱动与 接收模块、c p l d 数字信号处理模块和变送器单片机模块。变压器油中微水含量 的检测主要是靠超声驱动与接收模块和c p l d 数字信号处理模块完成的。 3 2 2 1 变送器核心c p l d 部分设计 变压器油中微水含量的测量主要是由超声驱动与接收电路模块和c p l d 数 字信号处理模块共同完成的。如图3 3 所示，超声驱动与接收电路模块主要是由 两个驱动和接收电路组成。两个变压器油取样装置完全相同，超声发射探头与超 声接收探头的距离严格相等。发射探头将电能转换为声能，接收探头再将声能转 换为电信号。由于超声探头的超声传播介质不同，即含水量不同引起的变压器油 的不同，导致超声在两个探头之间的传播速度不同，因此，比较标准变压器油与 待测变压器油间超声传播时间的差异，即可得到变压器油中含水量变化的信息。 为了能够进行微量检测，需要使用快速芯片作为数据处理的核心部件，所以， 在变送器的设计中采用c p l d 。c p l d 在结构上主要包括三个部分：可编程逻辑 宏单元；可编程输入输出单元；可编程内部连线。高集成度、高速度和高可靠是 最明显的特点，其时钟延迟可达纳秒级，结合其并行工作方式，在超高速应用领 域和实时测控方面有非常广阔的应用前景。在高可靠应用领域，如果设计得当， 将不会存在类似于m c u 的复位不可靠和p c 可能跑飞等问题。其高可靠性还表 现在，几乎可将整个系统下载于同一芯片中，实现所谓的s o c ( s y s t e mo nc h i p ) ， 即片上系统，从而大大缩小了体积，易于管理和屏蔽。 由于各公司的c p l d 产品在价格、性能、逻辑规模和封装以及对应的e d a 软件性能等方面各有千秋。不同的开发项目，必须做出最佳的选择。在应用开发 中具体选用什么型号的器件，需要考虑以下因素i l2 j ： ( 1 ) 从逻辑上看，首先要考虑的是器件的资源是否够用 由于大规模c p l d 器件在应用时，大多是先将其安装在电路板上再设计其 逻辑功能，因此在实现调试前，很难准确确定芯片可能耗费的资源，考虑到系统 设计完成后，有可能要增加某些新的功能以及后期硬件升级的可能性，因此适当 估测一下功能资源以确定使用什么样的器件，对于提高产品的性价比是有好处 1 4 河海大学硕士论文第三章变压嚣油中锚水检测系统总体设计 的。 资源估测主要是估计所需的l ，0 口数、逻辑门数和宏单元数。在实际开发中， 逻辑资源的占用情况涉及的因素是很多的，大致有：硬件描述语言的选择、描 述风格的选择以及h d l 综合器的选择。综合和适配开关的选择。如选择速度 优化，则将耗用更多的资源，而若选择资源优化，则反之。在e d a 工具上还有 许多其它的优化选择开关，都将直接影响逻辑资源的利用率。逻辑功能单元的 性能和实现方法。一般情况下，许多组合电路比时序电路占用的逻辑资源要大， 如并行进位的加法器、比较器以及多路选择器等。 ( 2 ) 芯片速度的考虑 随着可编程逻辑器件集成技术的不断提高，c p l d 的工作速度也不断提高， p i nt op i n 时延已达n s 级，具体设计中应对芯片速度的选择有一综合考虑，并不 是速度越高越好。芯片的速度选择应与所设计的系统的最高工作速度一致。使用 了速度过高的器件将加大电路设计的难度。这是因为器件的高速性能越好，其对 外界微小毛刺信号的反应灵敏度越高，若电路处理不当，或编程前的配置选择不 当，极易使系统处于不稳定的工作状态，其中包括输入引脚端的所谓“g l i t c h ” 干扰。在单片机系统中，电路板的布线要求并不严格，一般的毛刺信号干扰不会 导致系统的不稳定，但对于即使最一般速度的c p l d ，这种干扰也会引起不良的 后果。 ( 3 ) c p l d 封装的选择 c p l d 的封装形式有很多，其中主要有p l c c 、p q f p 、t q f p 、r q f p 、v q f p 、 m q f p 、p g a 和b g a 等。同一型号类型的器件可以有多种不同的封装。常用的 p l c c 封装，其引脚数有2 8 、4 4 、5 2 、6 8 至8 4 等几种，由于可以买到现成的p l c c 插座，插拔方便，一般开发中使用比较容易，故适用于中小规模的开发。使用这 种封装的缺点是增加插座的额外成本，i o 口线有限，易被人非法解密。p q f p 、 r q f p 或v q f p 属贴片封装形式，无需插座，管脚间距有零点几个毫米，直接放 在放大镜下就能焊接，适合一般规模的产品开发或生产，但要求每一电路板需安 排上逻辑程序下载口。t q f p 和m q f p 也属贴片封装，但引脚自j 距比p q f p 要小 得多，徒手难以焊接，批量生产需要贴装机。多数大规模、多l o 口的器件都采 用这种封装。p ( 认封装的成本比较高，价格昂贵，形似5 8 6 c p u ，一般不直接用 作系统器件。b g a 封装的引脚属于环状引脚，以特定的形式有规律的排列在芯 片的背面上，使得芯片能引出尽