GlS设备中SF6的微水含量检测系统的研究论文(PDF 90页).pdf

中图分类号 T P 2 7 1 学科分类号 0 8 0 4 0 2 论文编号 1 0 2 8 7 0 31 0 0 2 0 2 硕士学位论文 GlS 设备中S F 6 的微水含量检测系统 的研究 研究生姓名陈小刚 学科 专业测试计量技术及仪器 研究方向嵌入式系统及其应用 指导教师丁万山副教授 J巧砖 南京航空航天大学 研究生院自动化学院 二0 0 年一月 s 一 1 重要0 孥蓥 j疆F飞夏夕 一 尊r I 囊 l一一省灌0弋1I I气 一 缈 I I ll lI III I III I I I I lU l Y 18 0 5 0 6 7 N a n j i n gU n i v e r s i t yo f A e r o n a u t i c sa n dA s t r o n a u t i c s T h eG r a d u a t eS c h o o l C o l l e g eo f A u t o m a t i o nE n g i n e e r i n g R e s e a r c ho nH 2 0C o n c e n t r a t i o n D e t e c t i n g S y s t e mo f S F 6i nG I SI n s t r u m e n t s A T h e s i si n I n s t r u m e n tS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y C h e nX i a o g a n g A d v i s e d b y A s s o c i a t e P r o f e s s o rD i n gW a n s h a n S u b m i t t e di nP a r t i a lF u l f i l l m e n t o ft h eR e q u i r e m e n t s f o r t h eD e g r e eo f M a s t e ro fE n g i n e e r i n g J a n u a r y 2 0 1 0 I 承诺书 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 独立进 行研究工作所取得的成果 尽我所知 除文中已经注明引用的内容外 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容 对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体 均已在文中以明确方式标 明 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件 允许 论文被查阅和借阅 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 保密的学位论文在解密后适用本承诺书 作者签名 毪 遇 日 期 赳牛 曩厶 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着电力工业的迅速发展 S F 6 电气设备数量不断增多 对S F 6 气体的质量监督日益重要 纯净的S F 6 气体具有优良的绝缘性能和优越的灭弧特性 但是S F 6 电气设备的气体不可避免的含 有杂质 如水分 空气等 在电弧或电晕作用下 水分容易与S F 6 气体的分解物反应生成毒性物 质 从而腐蚀电气设备 降低设备绝缘性能 若水分含量超标 将严重影响设备的电气性能 机 械性能和开断性能 造成许多严重的后果 本文论述了检测S F 6 电气设备中S F 6 微水含量 湿度 的重要意义 分析比较了国内外目前 测量湿度的几种原理 根据各自的特点 选择了适合本系统的测量方法 提出了S F 6 中微水含量 检测系统的总体设计方案 本系统智能化程度高 性能稳定 操作简单 实现了体积小 功耗低 抗干扰性强的特点 开发了以3 2 位处理器 3 C 4 4 8 0 为核心 包括A D 转换模块 L C D 液晶显示模块 R S 4 8 5 通讯模 块以及键盘模块在内的A R M 中央硬件处理平台 完成了各电路模块印刷电路板的制作和调试 在A R M 集成开发环境A D S l 2 下完成了系统的启动代码和应用程序的编写 和上位机监控软件的 编写 并结合硬件电路完成了整个系统的调试 最后在实验室完成了测试系统的标定实验 本系统气体浓度测试中采用红外光谱检测技术设计出的传感器 与传统的同类传感器相比 具有响应速度快 使用寿命长 能在恶劣环境下工作的优点 系统采用了A R M 嵌入式处理器 实时性好 可脱机运行 携带方便 有良好的市场应用价值 关键字t红外传感器 S F 6 湿度 3 C 4 4 8 0 R S 4 8 5 G I S 设备中S F 6 的微水含量检测系统的研究 A B S T R A C T W i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y m o r ea n dm o r eS F 6e l e c t r i c a l e q u i p m e n t sa r eu s e d T h eq u a l i t ym o n i t o r i n go fS F 6g a si sm o r ei m p o r t a n tt h a nb e f o r e A l t h o u g ht h e p u r eS F 6g a sh a se x c e l l e n ti n s u l m i o na n ds u p p r e s s i n ga r cp e r f o r m a n c e S F 6g a si nt h ee l e c t r i c a l e q u i p m e n ti si n e v i t a b l et om i xo t h e rg a s e s s u c ha sH 2 0 a n da i r U n d e rt h ea r ca c t i o n H 2 0c a ne a s i l y r e a c tw i t ht h ed e c o m p o s e dp r o d u c to fS F 6 a n dt h e np r o d u c ep o i s o nw h i c hC a nc o r r u p te l e c t r i c e q u i p m e n t d e g r a d ei t si n s u l a t i o np e r f o r m a n c e I ft h ec o n t e n to fH 2 0e x c e e d st h en o r m i tw i l ls t r o n g l y i n f l u e n c et h ee l e c t r i c a l m e c h a n i c a la n do n o f fc a p a b i l i t yo fe q u i p m e n t w h i c hw i l lr e s u l ti nas e r i o u s c o n s e q u e n c e I nt h i sp a p e r t h es i g n i f i c a n tm e a n i n go fd e t e c t i n gH 2 0c o n c e n t r a t i o n h u m i l i t y a b o u tS F 6 w h i c h a p p l i e st ot h ee l e c t r i c a le q u i p m e n t i sd i s c u s s e d T h ea p p r o p r i a t em e t h o do fh u m i d i t ya r es e l e c t e df o r H 2 0C o n c e n t r a t i o nD e t e c t i n gS y s t e mw i t hc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h ef e a t u r e sa b o u te x i s t e n tt h e o r i e s a th o m ea n da b r o a d M o r e o v e r t h ew h o l ed e s i g no fi ti ss u m m a r i z e d T h i ss y s t e mh a sh i g hi n t e l l i g e n c e s t a b l ep e r f o r m a n c e p o w e r f u lf u n c t i o na n ds i m p l eo p e r a t i o n T h e A R Mh a r d w a r ep l a t f o r mc e n t r a l i z eo n 3 C 4 4 8 0i sd e v e l o p m e n t I tc o n s i s t so fA Dc o n v e r S i o nm o d u l e L C Dd i s p l a ym o d u l e K e ym o d u l ea n dR S 4 8 5c o m m u n i c a t i o nm o d u l e W i t ht h em a k i n go fP C Ba n d d e b u g g i n gc o m p l e t e d b o o tc o d eo ft h es y s t e ma n dt h ea p p l i c a t i o np r o g r a ma r ec o m p i l e di nA D S 1 2f o r A R M a n dt h er e m o t em o n i t o r i n gs o f f w a r ea r ec o m p i l e d A n dt h e nt h ed e b u g g i n go ft h ew h o l es y s t e mi s a c c o m p l i s h e db a s e do nt h eh a r d w a r ec i r c u i t F i n a l l y c a l i b r a t i o ne x p e r i m e n t sa r ed o n ei nt h el a b o r a t o r y C o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ls e n s o r s t h ei n f r a r e ds e n s o rf o rd e n s i t yd e t e c t i o nd e s i g n e di nt h i s p a p e ri s c h a r a c t e r i z e db yr a p i dr e s p o n ds p e e d l o n gs e r v i c el i f ea n dg o o da d a p t i n gf o ra d v e r s e c i r c u m s t a n c e 晰t ht h eA R Me m b e d d e dp r o c e s s o r t h i ss y s t e mh a sa d v a n t a g e so f9 0 0 dr e a l t i m e p e r f o r m a n c e o f f l i n eo p e r a t i o na n dp o r t a b i l i t y w h i c hw i l lt a k eu paf a v o r a b l ep o r t i o ni na p p l i c a t i o n m a r k e t K e y w o r d s i n f r a r e ds e n s o r S F 6 h u m i d i t y 3 C 4 4 8 0 R S 4 8 5 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论 l 1 1 课题的提出及意义 1 1 2 国内外研究现状 3 1 3 气体传感器概述 5 1 4A R M 处理器体系结构简介 6 1 5 本文研究的主要内容 7 1 6 本章小结 7 第二章系统的总体设计及测量原理 8 2 1 系统的总体设计 8 2 2 湿度的基本理论 9 2 3 红外气体传感器概述 l l 2 3 1 红外气体吸收原理 1 l 2 3 2S F 6 气体的湿度测量原理 1 2 2 4 本章小结 13 第三章系统硬件设计 1 4 3 1 红外气体传感器及其调理电路的设计 1 4 3 1 1 红外光源的选型 1 4 3 1 2 红外测试系统工作波长的和光源的选择 1 5 3 1 3 光源驱动电路的设计 1 6 3 1 4 红外探测器的选择 17 3 1 5 信号调理电路的设计 18 3 2A R M 核心板电路的设计 2 1 3 2 1A R M 处理器 3 C 4 4 8 0 简介 2 1 3 2 2 3 C 4 4 8 0 处理器硬件配置和端口分配 2 2 3 2 3A R M 系统电源电路的设计 2 3 3 2 4 时钟电路 2 4 3 2 5 存储器系统设计 2 4 3 2 6 复位电路设计 2 5 3 2 7J 1 A G 电路设计 2 6 O I S 设备中S F 6 的微水含量检测系统的研究 3 3A D 转换模块的电路设计 2 7 3 4L C D 显示模块电路设计 2 8 3 5R S 4 8 5 通讯模块的设计 3 0 3 6 键盘电路模块的设计 3 2 3 7 本章小结 3 3 第四章系统软件的设计 3 4 4 1 系统软件总体框架 3 4 4 2 交叉开发环境的建立 3 5 4 2 1 交叉开发环境简介 3 5 4 2 2A R M 开发工具A D S 3 5 4 3 启动代码B o o t l o a d e r 3 7 4 3 1 汇编部分初始化代码分析 3 8 4 3 2 初始化C 程序所需的空间 3 9 4 4 数据采集模块软件设计 4 0 4 5L C D 显示模块的软件设计 4 3 4 6 键盘程序设计 4 6 4 7R S 4 8 5 模块程序设计 4 6 4 8 远程监控计算机应用软件的设计 4 8 4 8 1 开发环境介绍 4 8 4 8 2 远程监控软件的程序设计 4 9 4 9 本章小结 5l 第五章系统的安装调试 5 2 5 1 系统的可靠性措施 5 2 5 1 1 干扰来源 5 2 5 1 2 抗干扰设计 5 3 5 2 系统电路板的功能模块调试 5 5 5 2 1 电源模块的调试 5 5 5 2 2A R M 最小系统板的调试 5 6 5 2 3A D 采集模块的调试 5 7 5 2 4L C D 显示模块的调试 5 8 5 2 5 光源驱动电路和探测器放大电路的调试 5 9 5 2 6R S 4 8 5 通讯模块的调试 6 1 南京航空航天大学硕士学位论文 5 3 系统的整机调试 6 2 5 4 系统的标定和试验结果分析 一 6 2 5 4 1 微水浓度的标定 6 2 5 4 2 系统测试试验结果与分析 6 5 5 5 本章小结 6 6 第六章总结和展望 6 7 6 1 全文工作总结 6 7 6 2 后续工作展望 6 7 参考文献 一6 9 致谫t 7 在学期间的研究成果及发表的学术论文 7 3 附录I 系统测试装置 7 4 附录兀系统配气装置 7 5 附录 系统印刷电路板 一7 6 G I S 设备中S F 6 的微水含量检测系统的研究 图表清单 图2 1 系统总体框图 8 图2 2 露点温度的图示法 l0 图2 3 比尔定理确定的I C 关系图 1 2 图2 4 差分吸收法的示意图 1 2 图3 1H 2 0 的主要吸收带 1 5 图3 2 恒流源电路 l6 图3 3P D 2 4 的响应波长图 17 图3 4 带通滤波电路图 2 0 图3 52 5 V 电源电路原理图 2 3 图3 63 3 V 电源电路原理图 2 3 图3 7 晶振电路原理图 2 4 图3 8S S T 3 9 v F l 6 0 l 和K 4 S 6 4 1 6 3 2 F 与 3 C 4 4 8 0 连接图 2 5 图3 9 复位电路原理图 2 6 图3 1 0 J T A G 接口电路原理图 2 6 图3 11M A X l1 3 3 与 3 C 4 4 8 0 的硬件连接图 2 7 图3 1 2 3 C 4 4 8 0 控制器框架图 一2 9 图3 1 3L C D 连接电路原理图 3 0 图3 1 4 串口转换电路连接图 3 1 图3 15R S 2 3 2 R S 4 8 5 双向电平转换电路 3 2 图3 1 6 键盘电路示意图 3 3 图4 1 总体流程图 3 4 图4 2A D S 所包含的内容 3 5 图4 3C o d e W a r r i o r 集成开发环境主窗口 3 6 图4 4A X D 调试器主窗口 一3 7 图4 5 加载时域与运行时域的映射图 4 0 图4 6M A X l1 3 3 的工作时序 4 l 图4 7M A X l1 3 3 控制字写入及A D 值读取流程图 4 2 图4 8L C D 使用的流程图 4 5 图4 9 中断E X I N T 3 流程图 4 6 南京航空航天大学硕士学位论文 图4 10 串口发送流程图 4 8 图4 1 1 串口接收流程图 4 8 图4 1 2 远程监控软件界面 4 9 图5 1 看门狗定时器框图 5 4 图5 2 晶振输出波形图 5 6 图5 3A R M 调试代理软件运行对话框 5 7 图5 4M A X l1 3 3 的A D 采集调试界面 5 8 图5 5 浓度报警值设置显示界面 一5 9 图5 6L E D 驱动方波 6 0 图5 7 差分吸收的两路L E D 驱动方波 6 0 图5 8H 2 0 浓度为0 时探测器的输出波形 6 1 图5 9H 2 0 浓度为1 0 0 0 p p m 时探测器的输出波形 6 l 图5 10R s 4 8 5 通讯测试 6 2 图5 1 1H 2 0 浓度和V 0 V 的拟合曲线 6 4 图5 1 2 远程监控软件接收结果 一6 5 图5 13L C D 浓度显示结果 6 6 表3 1 常用的红外光源 1 4 表3 2 3 C 4 4 8 0 处理器I O 端口分配 2 3 表3 3M A X l1 3 3 控制字 2 8 表5 1A D 转换测试表 单位 伏 5 8 表5 2H 2 0 标定数据 6 3 G I S 设备中S F 6 的微水含量检测系统的研究 略写 G I S S P I P C I R I S C S D R A M U A R T J T A G L C D S T N L E D P D P R P w M P L L A D S E L F 注释表 英文全称 G a sI n s u l a t e dS w i t c hG e a r S e r i a lP e r i p h e r a lI n t e r f a c e P e r i p h e r a lC o m p o n e n tI n t e r c o n n e c t R e d u c e dI n s t r u c t i o nS e tC o m p u t i n g S y n c h r o n o u sD y n a m i cR a n d o mA c c e s sM e m o r y U n i v e r s a lA s y n c h r o n o u sR e c e i v e r T r a n s m i t t e r J o i n tT e x tA c t i o nG r o u p L i q u i dC r y s t a lD i s p l a y S u p e rT w i s t e dN e m a t i e L i 曲tE m i t t i n gD i o d e P h o t oD i o d e P h o t oR e s i s t o r P u l s eW i d t hM o d u l a t i o n P h a s eL o c k e dL o o p A R M D e v e l o p e rS u i t e E x e c u t a b l ea n dL i n k i n gF o r m a t 中文名称 气体绝缘开关 串行外围设备接口 外围原件扩展接口 精简指令集 同步动态内存 通用异步收发器 联合测试行动小组 液晶显示器 超扭曲向列 发光二极管 光电二极管 光敏电阻 脉冲宽度调制 时钟锁相环 A R M 集成开发工具 可执行连接格式 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 课题的提出及意义 第一章绪论 S F 6 气体因其优异的绝缘和灭弧性能得到了人们的认可 被广泛应用于气体绝缘开关 G I S 及超高压输变电设备中作为绝缘 灭弧介质 六氟化硫 S F 6 气体是由法国两位化学家M o i s s a n 和L e b e a u 于1 9 9 0 年合成的心1 工业上首次将S F 6 用于开断电流始于1 9 5 3 年 当时只做出了 1 5 1 6 1 K V 的高压负荷开关 开断电流6 0 0 A 美国开创了将S F 6 气体用于高压断路器的先河 1 9 5 6 年 美国西屋公司首先开发出1 1 5 K V1 0 0 0 M V A 5 K A S F 6 断路器H 1 9 6 5 年 第 一台S F 6 气体全封闭组合电器问世 使高压电器发生了质的飞跃 国产第一台1 1 0 K VS F 6 气体 全封闭组合电器也于1 9 7 3 年投运 目前 各种S F 6 气体绝缘设备的技术参数已达到了很高的 水平 在中压领域 S F 6 开关同真空开关已成为并驾齐驱的两大支柱 在高压 超高压及特高 压领域 S F 6 气体几乎成为断路器和G I S 的唯一绝缘和灭弧介质 S F 6 气体本身极稳定 具有很高的绝缘强度和灭弧性能 但是 S F 6 电气设备的稳定性及 可靠性完全取决于S F 6 气体的纯洁度 在很多情况下 现场电气设备中的S F 6 气体并非总是纯 净的 如果S F 6 气体中混有杂质 达不到规定的标准 那么它的灭弧和绝缘特性就会大大下降 若其含有水分 则电气强度就会显著降低 在高温 强烈放电条件下 S F 6 气体中的水分可与 其分解产物发生水解反应产生有害物质 这可能影响设备性能并危及运行人员的安全 早在7 0 年代 S F 6 断路器用于电力系统初期 美国曾发生过多起因湿度超标障 而引起的设备爆炸事件 因此国内外对S F 6 气体微水含量的检测和控制 都十分重视 但是 S F 6 电气设备中的运行气体不可避免地含有微量水分 高压电气设备中气体水分的 主要来源 S F 6 新气中固有的残留水分哺1 这是由于生产工艺中不可能排除水分的缘故 s F 6 气体绝缘电气设备在制造运输 安装 检修过程中都可能接触水分浸入到设备的各个元件中去 H 1 包括气室中的部件在安装前未能完全干燥好 安装或检修时环境湿度过大 气舱内真空度 未达到要求使含有水分的气体得以残留 同时器壁上附着水分 系统封装不严密 尽管采取 干燥措施 S F 6 气体绝缘电气设备的有机绝缘材料内部仍含有0 1 加 5 重量比的水分哺 在 设备运行过程中会缓慢地向外释放 吸附剂带入水分 S F 6 气体绝缘电气设备中的吸附剂活 化处理时间短以及吸附剂在安装时暴露在空气中时间一长就会带入数量可观的水分旧1 作为 绝缘介质的S F 6 气体在运行一段时间后含水量就会升高 试验证明气体中的含水量随着环境温 度的升高而增加n 0 1 这是因为当温度增加时 零部件的水分放出量增加 使S F 6 气体的含水量 增加 当温度降低时 容器内壁以及零部件吸回一部分水分 使S F 6 气体的含水量降低 而当 外界环境温度升高后 空气中湿度增加 虽然S F 6 气体绝缘设备电气设备内部的压力高于设备 G I S 设备中S F 6 的微水含量检测系统的研究 外部 但S F 6 气体中水蒸气分压力却小于外部的水蒸气分压力 水蒸气由设备的外部向内部渗 透 透过密封件渗入的水分 虽然S F 6 气体绝缘设备电气设备有可靠的密封系统 但是由于 设备内部比外部水蒸气压小的多 在高温高湿条件下 水分子会自动的从高压区向低压区渗透 外界气温越高 相对湿度越大 内外水蒸气压差就越大 大气中的水分透过设备密封薄弱环节 进入设备的可能性就越大 再加上水分子为细长棒状 在内外水分压力差大时 水分子是容易 进入设备内部的 当S F 6 气体绝缘设备电气设备的气体含有水分并达到一定程度后 会引起严重的不良后果 其危害 1 表现在以下几方面 1 水分与S F 6 气体分解物生成有毒物质和严重腐蚀电气设备的酸性物质 断路器因电弧产生的金属电极材料和蒸汽与S F 6 气体进行氧化还原反应 相对于S F 6 而言 金属蒸汽一般是过量的 因此 此时 易生成硫原子数较少的低氟化合物 如 S F 4 S F 2 s 2 F 2 等 另外 在高温小电流电弧作用下 S F 6 会分解产生低氟化合物s F 4 S F 2 S O F 2 S F 6 气体 中的水分会加剧低氟化合物的水解 S F 4 H 2 0 S O F 2 2 H F S O F 2 H 2 0 S 0 2 2 H F S 0 2 H 2 0 H 2 S 0 3 2 S F 2 H 2 0 S O F 2 2 H F S S F 4 四氟化硫 对人体肺部有侵害作用 影响呼吸系统 其毒性与光气并列 s o F 2 氟 化亚硫酸 为刺激性剧毒气体 可导致肺水肿而使动物窒息致死 S 0 2 F 2 氟化硫酞 为无刺激 性的气体 可引起动物全身痉挛和呼吸器官麻痹 这些毒性气体易向外部泄露 不仅威胁到设 备运行和维护人员的人身安全 而且对周围生态环境和大气环境造成极其严重的污染和破坏 H F H 2 s 0 3 与水反应分别生成氢氟酸和亚硫酸 可严重腐蚀电气设备 降低设备的使用性能和 最终寿命 2 水分对设备的绝缘产生危害 大量研究表明 当S F 6 气体中的水分以气态存在或以霜的形式凝聚在绝缘表面时的闪络电 压并没有明显的变化 但当S F 6 气体中的水分超过一定浓度时 不仅会使固体绝缘 多为环氧 树脂 性能下降 而且随着外部温度的变化 这些水分会在设备内部的绝缘件和金属表面产生 凝结 降低沿绝缘表面的电阻并改变电场分布 从而大大降低绝缘表面的闪络电压 3 水分影响开关的开断性能 研究实践证明 水分对S F 6 开断性能存在一定的影响 试验中曾经多次发现S F 6 开关因水 分含量较多导致满容量开断试验失败 断口间因绝缘能力不足在恢复电压峰值附近被击穿 未 更换任何零部件 只是将气体干燥之后却能顺利通过开断实验 2 南京航空航天大学硕士学位论文 4 水分降低开关的机械性能 水分渗入操作机构的液压油会腐蚀机构部件和密封件 进而引起内外泄露使油压不足降低 机构力的传递 油质中含有水分 会影响开关的分 合闸动作时间和速度 油路中的水分凝结 会堵塞循环回路 这在重合闸过程中尤为重要 这些因素可导致开关喷油 拒动甚至引起爆炸 综上所述 为了保持S F 6 电气设备正常运行 定期检测S F 6 气体的湿度意义重大 不容忽 视 1 2 国内外研究现状 S F 6 中的微水含量 也即是S F 6 的湿度 国内外在湿度的测量中有多种方法可以应用 目 前电力系统常用的S F 6 湿度检测方法主要有重量法 电解法 露点法 光谱吸收法 下面分别 叙述各种测量方法的原理及优劣点 l 重量法 重量法的原理是将一定体积的待测S F 6 气体通过装有无水高氯酸镁作干燥剂的u 形管 出 管的增重计算该体积的气体的含水量 该方法相对于其他方法是有效的绝对方法 可以用来校 核其他方法 在有疑问或争议的情况下是测量气体水分含量的仲裁方法 但重量法需要玻璃u 形管 气量计 过滤器 精密天平等仪器 而且测量过程复杂 因此重量法不适宜在现场应用 但可以在实验室校验其它方法的准确性 2 电解法 电解法n 2 1 是目前广泛应用的微量水分测量方法之一 人们对此方法之所以感兴趣 其原因 在于这种方法不仅能达到很低的量限 更重要的是因为它是一种绝对测量方法 其测量原理如 下 电解法湿度计的敏感元件是电解池 它的测量原理是基于法拉第电解定律 众所周知 法 拉第定律包含两点 1 在电流的作用下 被分解物质的量与通过电解质溶液的电量成正比 2 消耗相同电量析出的不同物质的量与其化学当量成正比 根据法拉第第二定律 析出的任何一摩尔物质所需要的电量为9 6 4 8 5 库仑 所以可以由消 耗的电量来计算电解的物质量 在S F 6 气体湿度测量中 被电解的物质是水 测量特点是 当 被测气体以一定流量连续流过电解池时 气体中的微量水分将全部被P 2 0 5 膜层吸收 并被全部 电解 在一定的水分浓度和流速范围内 可以认为水分的吸收速度和电解的速度时相同的 也 就是说 水分在被连续的吸收也被电解 瞬时的电解电流可以看成是气体含水量瞬时值的尺度 这种湿度测量方法要求通过电解池的气体的水分必须全部被吸收 测量值与气体的流速有关 当吸收和电解过程达到平衡时 电解电流正比于气体中的水分含量 从而可通过测量电解电流 3 G I S 设备中S F 6 的微水含量检测系统的研究 得知S F 6 气体中的含水量 电解法的优点是价格较低 维修方便 缺点是现场测量前 测量系 统本身并不干燥 往往有本底值 这使得测量结果不够精确 因此测量前必须用高纯氮气对电 解池进行干燥处理 此外 根据现场测量经验 环境温度和湿度对电解法测量结果有较大影响 环境温度高时测量结果偏大 温度低时测量结果偏小 环境湿度越大 测量结果越不准确 3 露点法 露点法是一个古老的测量方法n 副 露点仪建立在可靠的理论基础之上 具有准确度高 测 量范围宽的特点 在现代湿度测量技术中占有相当重要的位置 其测量原理如下 露点仪的测量系统是一个金属镜面 气体以一定的流速通过这个金属镜面 此金属镜面用 人工的方法使之冷却 当气体中的水汽随镜面的冷却达到饱和时 将有露在镜面上形成 镜面 上附着的水膜和气体中的水分处于动态平衡 此时镜面温度称为露点温度 由此可以测定气体 湿度 也就是说 当一定体积的湿气在恒定的总压力下被均匀降温时 在冷却的过程中 气体 和水汽两者的分压力保持不变 直到气体中的水汽达到饱和状态 该状态称为露点 由测定露 点温度可以得知气体湿度 露点法是目前S F 6 水分含量测试的典型方法 具有测量精度高 测 量时间短 操作方便 适宜现场测量等优点 但是 露点法也存在一定的问题 例如 若S F 6 气体中有以水蒸气形式存在的烃类或电弧分解产物 这些物质在水分凝露之前就要凝露 从而 影响测量结果 这种现象在四川 江苏 浙江 广东和黑龙江等省都曾经出现过 具有较普遍 的意义 4 光谱吸收法 光谱吸收法较前三种方法是一种新型的测量方法 它是利用气体对光的选择吸收的特性进 行浓度检测的 是一种具有良好应用前景的气体分析测试方法 它具有较高的测量精度和时间 分辨率 较低的价格和使用操作简单 主要有以下优点n 引 1 选择性好 每种气体都有自己的特征红外吸收频率 在对混合气体检测时 各种气体吸收各自对应的特 征频率光谱 它们是互相独立 互不干扰的 这为测量混合气体中某种特定气体的浓度提供了条 件 因此具有了选择性好的优点 一 2 不易受有害气体的影响而中毒 老化 每种仪器都有自己的测量范围 当待测气体浓度过高地超过测量范围时 会造成载体催化类 元件中毒失效 测量结果发生很大的偏差 甚至有时再回到正常浓度也不能正常工作 造成检测 元件的永久中毒 采用光谱吸收原理检测气体 不会受有毒气体的影响而中毒 老化 3 响应速度快 稳定性好 气体检测系统在开机后 都要预热一段时间才能正常工作 采用光谱吸收原理检测气体 在 开机相对短的时间内就能正常工作 当浓度发生变化时 也比其它检测方法能及时作出响应 某 4 南京航空航天大学硕士学位论文 些气体检测方法的检测元件工作时 会因为检测元件发热温度升高等因素使得测量不准确 而光 谱吸收原理检测气体是采用光信号 自身不会引起检测系统发热 测量系统不会受温度的变化而 受影响 系统工作稳定性好 4 防爆性好 光谱吸收原理采用光信号作为检测工作的信号 它和以往采用的电信号不同 它需要的电压 低 在矿井 煤气站等有混合爆炸气体的场合 不会成为爆炸的点火因素 具有较好的防爆性 5 信噪比高 使用寿命长 测量精度高 采用光谱吸收原理 产生的干扰信号小 有用信号明显 系统的信噪比高 同时系统具有零点 自动补偿与灵敏度自动补偿功能 因而不用定时校准 具有使用寿命长的优点 近年来 随着传感技术 光纤技术 计算机技术等的发展和应用 便携式智能化仪器仪表 揭开了新的一篇 便携式智能化仪器仪表工业领域的要求 主要向多功能 低功耗 体积小 重量轻 人机操作界面良好的方向发展 国外对S F 6 电气设备的研究比较早 用于检测S F 6 湿 度指标的智能仪器仪表 集成度 自动化纯度都比较高 能够达到当前国内供电系统对S F 6 气 体质量检测的要求 但是 国外的仪器价格昂贵 并且在售后技术服务方面存在不足 本课题正是在这样的背景下提出的 其主要目的是研究出一种快速响应 高精度 适合于 测量S F 6 的微水浓度传感器 并采用一种实时性好 资源丰富的A R M 处理器作为中央信息处 理单元 既可以单独运行又可以借助于R S 4 8 5 通讯总线发送到远程P C 机进行远程监控 对所 测试的信号进行处理和传输 实现对S F 6 中微水含量实时测量的分析和控制 1 3 气体传感器概述 目前国内外气体检测常用的方法主要有接触式和非接触式检测方法 常用的接触式测量方 法有热导式分析法和气相色谱法等n 副 热导式分析法是一种物理分析方法 它是根据混合气体中待测组分含量的变化 引起混合 气体总的导热系数的变化这一物理性来进行测量的 由于气体的导热系数很小 直接测量困难 因此工业上常常把导热系数的变化转化成热敏元件阻值的变化 从而可由测得的电阻值的变化 得知待测组分含量的多少 一般来讲 热导式分析仪只适合测量二元混合气体的组分含量 在 分析三元或三元以上的混合气体时 要求混合气体的组成成份满足一定的条件 因此需要对待 测气体进行净化处理 气相色谱法是一种物理化学式测量方法 其基本原理是 当多种组分的混合气体样品由一 种惰性运载气体伴随流过色层分析柱内的固体吸附剂时 由于各种组分的吸附能力不同 通过 分析柱时有不同的时滞现象 混合气体中的不同组分 随着运载气体的脱附 先后流出色谱柱 形成色谱图 然后通过检测仪器在二次仪表上显示出来 这种方法的缺点是需要对待测气体进 5 G I S 设备中S F 6 的微水含量检测系统的研究 行取样和预处理 反应速度慢 非接触检测法是基于气体对光的选择性吸收原理 根据使用光源的不同 又可分为红外检 测法 激光检测法和紫外检测法 紫外检测法在检测某些有毒及有爆炸危险的气体 如 汞蒸汽 氯气 苯等 方面 具有很高的灵敏度 但由于很多气体在紫外区域的吸收谱互相重叠 不相重 叠的只是少数 使得紫外检测法的应用范围受到了限制 激光检测技术由于采用谱线很窄的激 光作为检测光源 具有很高的响应频率 测量精度和抗干扰能力 比较适合气体成份检测 国 外在脉冲爆震发动机的燃烧尾气测试中已经有一些这方面的报道n 6 m m 引 但由于目前适合于气 体分析的半导体激光器还没有商业化的产品 一般需要采用可调半导体激光器技术 采用这种 技术不仅费用十分昂贵而且操作十分复杂 红外检测法是利用气体对红外光的选择吸收的特性进行浓度检测的 是一种具有良好应用 前景的气体分析测试方法 它具有较高的测量精度和时间分辨率 较低的价格和使用操作简单 等优点 考虑到实验室的现有条件及以上的优点 最终选用红外检测法对G I S 设备S F 6 中微水 浓度进行检测 1 4A R M 处理器体系结构简介 A R M 处理器泛指所有使用英国A R M A d v a n c e dR I S CM a c h i n e 公司3 2 位处理器I P 核所生 产的各种微处理器芯片 A R M 3 2 位体系结构是目前公认的业界领先的嵌入式R I S C 微处理结构 A R M 公司是一家知识产权 I P 公司 本身不生产芯片 而是将I P 转让给其他半导体厂商进 行进一步的外围设计 而后形成各具特色的A R M 微处理器 在全世界 共有3 0 多家半导体厂 商生产各种通用或专用的基于A R M 核的处理器 其中包括像I n t e l M o t o r o l a T I S a m s a n g A l t e m 等全球著名的厂商 由于使用同样的内核系列 因此虽然各公司生产的芯片外围不尽相 同 但是其处理器核心却是完全一样的 这给软件的移植和重用带来了很大的方便 与其他3 2 位嵌入式处理器相比 A R M 处理器具有以下三个突出的优点 1 小体积 低功耗 低成本 高性能 2 1 6 位 3 2 位双指令集 3 全球众多的合作伙伴 目前 A R M 公司提供5 个处理器核系列 A I 洲7 A R M 9 A R M 9 E A R M I O S e c u r C o r e 另外 A R M 和I n t e l 合作还提供S t r o n g A R M 和X S c a l e 两个系列的产品 其中A R M 7 中的 A R M 7 T D M I n 钟心 是使用最为广泛的A R M 处理器系列 它使用冯 诺依曼结构 指令和数据共 用3 2 位总线 数据可以是8 位字节 1 6 位半字或3 2 位字 并具有以下主要特点 1 功耗低 2 代码密度高 与1 6 位微处理器兼容 6 南京航空航天大学硕士学位论文 3 开发工具众多 例如A D S S D T 4 优秀的调试机制 半主机调试机制 5 业界众多领先的I C 制造商生产此类芯片 例如飞利浦 三星 等 6 能运行l l c o s 或g L i n u x 等嵌入式操作系统 A R M 微处理器的应用遍及各类电子产品 工业控制 汽车 消费娱乐 影像 海量存储 网络 安保等领域 2 0 0 5 年 市场上采用A R M 核的芯片数量达到1 8 亿 2 0 0 6 年 发货量达 到4 亿 A R M 的1 6 3 2 位嵌入式处理器是世界上应用最为普遍的微处理器结构 2 0 0 6 年拥有 7 6 8 的R I S C 市场份额 近几年继续增长 几乎已经垄断了全球R I S C 芯片市场 成为业界实 际的R I S C 芯片标准 业界人士纷纷认为 基于A R M 的技术方案是最具市场前景和市场优势的 解决方案 A R M 的典型应用领域是通讯 网络和消费电子等 在测试系统 尤其是气体浓度测试系统 中的应用至今不是很广 本系统在浓度测试方面对A R M 技术的应用做了探索性开发 取得了 良好的科研成果 1 5 本文研究的主要内容 本课题根据G I S 设备的具体工作环境 测试实时性 高精度 远程监控的要求 提出了运 用基于分子辐射吸收理论的红外检测技术 A R M 技术对S F 6 的湿度进行测试的可行性方案 然后根据该方案设计出一种快速响应 高精度 适合于恶劣环境下进行微水含量检测的气体浓 度传感器 并对后续的调理电路 A D 转换电路 L C D 显示电路 A R M 中央处理单元电路以 及软件进行了设计 开发和调试 在此基础上采用了R S 4 8 5 总线通讯 系统的抗干扰能力强 而且配有相应的远程监控系统 本文主要研究内容包括 l 对测试原理进行论证推理 提出利用红外检测技术对S F 6 中的微水进行测试的实现方 法和采用A R M 处理器构建测试系统的方案 2 浓度传感器红外光源的选型 光源驱动电路的设计和调试 以及信号调理电路的设计和 调试 3 数据采集电路的设计和A R M 中央处理平台硬件电路的设计 4 A R M 平台启动代码 应用程序以及远程监控的软件编写 5 对测试系统进行了安装 调试 标定实验和现场测试 1 6 本章小结 本章主要概述了本课题研究的目的和意义 S F 6 气体微水检测国内外发展现状以及本文研 究的主要内容 7 G I S 设备中S F 6 的微水含量检测系统的研究 第二章系统的总体设计及测量原理 2 1 系统的总体设计 本系统硬件部分由红外光学传感器 信号调理电路 模数转换器 R S 4 8 5 通讯模块 A R M 处理器为核心的中央处理单元以及远程监控计算机组成 系统总体框图如图2 1 所示 图2 1 系统总体框图 系统采用一种实时性好 资源丰富的A R M 处理器 3 C 4 4 8 0 作为中央信息处理单元 1 6 位高精度M A X l l 3 3 设计系统的A D 采集模块 采用R S 4 8 5 通讯总线发送到远程监控系统 另 外再辅以键盘模块和液晶显示屏 可脱离P C 机独立完成对S F 6 中微水浓度实时测量的显示和 控制 光学传感器将浓度信号转化为光强信号最终转化为电压信号 经过信号调理电路进行放大 和滤波 然后将得到的电压信号通过M A X l l 3 3 模数转换器将模拟量转化为数字量送入 3 C 4 4 8 0 进行分析处理 转换为原始的浓度数据 最后在液晶屏显示测量结果 并将测量结果通过串口 送入R S 4 8 5 通讯模块 然后由双绞线传送到远程P C 机进行分析处理 根据硬件的设计和系统的要求 微水浓度监控系统的软件部分可以概括成两部分 一是 A R M 系统应用程序部分 二是远程监控计算机应用软件部分 8 南京航空航天大学硕士学位论文 A R M 调试开发环境使用的是A R M 公司推出的新一代A R M 集成开发工具A D S l 2 3 C 4 4 8 0 提供两种编程语言 汇编和C 汇编语言主要完成启动代码的编写 C 语言完成应用 程序的编写 源程序编制完成后 利用集成编译调试环境A D S l 2 首先在P C 机上进行调试 调 试成功后 在进行代码优化的基础上 将源程序转化为十六迸制文件 h e x 文件 烧写到F L A S H 中去 系统上电就会自动运行 脱离P C 机独立工作 远程监控计算机应用软件包括 串口的选择 波特率 奇偶校验 数据位和停止位的设置 气体浓度数据的接收显示 分析和远程数据采集系统控制 对远程数据采集系统控制包括采集 系统的初始配置