专利名称：低浓度六氟化硫气体检测的声学方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种低浓度六氟化硫气体检测的声学方法及其装置，应用于电力系统的中压、高压和超高压断路器中，对六氟化硫气体绝缘和灭弧介质的泄漏进行在线检测。
背景技术：
六氟化硫(SF6)是具有卓越的电绝缘性和灭弧特性的气体。所述的低浓度的六氟化硫指的是浓度在(T3000ppm范围内的六氟化硫。在电力工业中，SF6广泛应用于电导设备系列，如电源开关、封闭式电容器组、变压器等。运行中，SF6气体的泄漏不可避免，当有大电流开断时，由于强烈的电弧放电会在泄漏现场中产生一些含硫的低氟化物。这些物质反应能力较强，当有水和氧气时又会与电极材料、水分子进一步反应，从而分解产生有毒或剧毒气体。这些有毒气体主要损害人体的呼吸系统，中毒后会出现类似于感冒、皮肤过敏、恶心呕吐、疲劳等不良反应，吸入剂量大时，会出现更加严重的后果。另外由于SF6气体比重比 空气大，泄漏易聚集，易造成低层空间缺氧，造成现场工作人员窒息。因此，准确检测空气中SF6气体浓度是设备安全可靠运行的保障，并且其安全性也受到全球性的关注。针对SF6设备现场环境对人类健康的威胁，国家已经制定了相关标准一《六氟化硫电气设备中气体管理和检测导则》(GB/T 8905-1996)，其中7. 3. 3中讲到在户内设备安装场所的地面层应安装带报警装置的氧量仪和六氟化硫浓度仪……六氟化硫浓度仪在空气中六氟化硫含量达到1000 μ L/L时发出报警……如发现不合格时应通风、换气。从物理性质上看，SF6常态下是一种无色，无味，无毒的不易燃气体，比重约为空气的5倍。从化学性质上看，其化学成分稳定，具有极好的热稳定性。因此检测SF6气体浓度难以像检测O2或者CO2 —样采用化学传感器。人们也曾研究运用另外一些测量气体浓度的方法，如气相色谱法、导热系数法、电子漂移法、光谱法、负电晕放电法等。但这些方法都需要昂贵的仪器设备，并要求操作者具有相当高的操作水平，显然都不适宜。现行的用于高压变电现场的六氟化硫检测系统多基于三种原理，一种是基于高压电晕放电的原理，当空气中含有不同浓度的六氟化硫气体时，高压电晕放电的电流就有所改变，通过测量此放电电流的大小而确定空气中泄漏的六氟化硫的浓度的大小。此类设备体积小，便于构建网络，但其高压电晕放电传感器寿命较短，不能长期稳定的工作，而且难于达到较高的稳定性，其标定工作也比较困难。第二种方法是利用SF6气体对红外线具有强烈的吸收作用的特征，来定性或定量地检测SF6的泄漏情况，目前此类设备的检测精度高，但是成本很高。所以，市场非常需要一种简易经济、高实时性、稳定小巧、高寿命的测量设备进行高压现场六氟化硫浓度的检测。第三种方法就是声波检测技术来检测SF6的浓度，一般采用声速检测的方法或传播延时检测的方法，它利用了这样的原理当构成二元混合气体的两种气体的分子量相差较大时，声音传播速度随两种气体组分的不同而变化。还有一种声学的方法是利于不同性质的气体对不同频率的声波的衰减程度不同而进行检测的声衰减方法。但目前所使用的六氟化硫浓度的声学检测方法也存在一些问题。申请号为“200810025458. 7”的专利申请公开了一种“集中循环式六氟化硫气体浓度的超声波检测系统及方法”，该方法在设计和实现上采用的是双通道时差测量方法，换言之，是通过相位差的测量来实现的，但是该测量方法存在周期模糊的问题，因此，该方法难以调和检测精度与检测范围之间的矛盾。另外，利用不同气体对超声波的吸收程度不同的原理而开发的检测六氟化硫浓度的声衰减法，对高浓度六氟化硫的检测效果较好，但是对低浓度的检测效果欠佳。

发明内容
本发明的目的是提供一种检测效果好，且精度高的低浓度六氟化硫气体检测的声学方法及其装置，以解决现有声速法或传播延时法中存在难以调和检测精度与检测范围之间的矛盾，克服已有技术的不足。为了达到上述目的，本发明的第一个技术方案是一种低浓度六氟化硫气体检测的声学方法，其创新点在于所述检测的步骤是
步骤a、由微机单元发出脉冲调制波，并由计时器开始计时；
步骤b、所述脉冲调制波通过驱动单元的功率放大后，驱动声波发射换能器的发射端且发出声波，所述声波发射换能器装在长度为I的检测通道一端；
步骤C、所述声波发射换能器发出的声波通过长度为i的检测通道后，由检测通道另一端装有的声波接收换能器接收，且所述声波接收换能器将接收到的声波转换为电信号；步骤d、由声波接收换能器输出的电信号经过信号调理单元调理后，产生为表示声波到达时刻的跳变沿；
步骤e、由表示声波到达时刻的跳变沿触发计时器停止计时，结合步骤a中的计时起始点，由微机单元计算出检测通道中混有六氟化硫的空气的声波检测传播延时& ;
步骤f、由温度传感器模块采集当前温度数据，以及检测通道的长度，由微机单元计算出在该温度下，压力是I个标准大气压下的空气中的声速，最后利用声波检测传播延时
与参考传播延时^之差M表征六氟化硫气体浓度。在上述第一个技术方案中，所述微机单元发出的脉冲调制波包括载波和调制波，所述载波的载波频率与声波发射换能器以及声波接收换能器的中心频率相同，所述调制波的调制波频率控制在载波的载波频率的I/ (1(Γ40)的范围内；所述微机单元发出的脉冲调制波是单个脉冲调制波，或者是一组脉冲调制波。在上述第一个技术方案中，所述声波接收换能器输出的电信号经过信号调理单兀的滤波、放大、检波以及电压比较的调理后，产生为表示声波到达时刻的跳变沿。在上述第一个技术方案中，所述计时器是内嵌在微机单元内的计时器，或者是与微机单元电连接的独立器件的计时器。在上述第一个技术方案中，步骤f中在当前温度数据和检测通道8的长度i而计算出的参考传播延时，是由如下公式算出
权利要求
1.一种低浓度六氟化硫气体检测的声学方法，其特征在于所述检测的步骤是 步骤a、由微机单元(I)发出脉冲调制波，并由计时器开始计时； 步骤b、所述脉冲调制波通过驱动单元(2)的功率放大后，驱动声波发射换能器(3)的发射端且发出声波，所述声波发射换能器(3)装在长度为Z的检测通道(8)—端； 步骤c、所述声波发射换能器(3 )发出的声波通过长度为I的检测通道(8 )后，由检测通道(8)另一端装有的声波接收换能器(4)接收，且所述声波接收换能器(4)将接收到的声波转换为电信号； 步骤d、由声波接收换能器(4)输出的电信号经过信号调理单元(5)调理后，产生为表示声波到达时刻的跳变沿； 步骤e、由表示声波到达时刻的跳变沿触发计时器停止计时，结合步骤a中的计时起始点，由微机单元(I)计算出检测通道(8)中混有六氟化硫的空气的声波检测传播延时； 步骤f、由温度传感器模块(6)采集当前温度数据，以及检测通道(8)的长度，由微机单元(I)计算出在该温度下，压力是I个标准大气压下的空气中的声速，最后利用声波检测传播延时L与参考传播延时^之差Ai表征六氟化硫气体浓度。
2.根据权利要求I所述的低浓度六氟化硫气体检测的声学方法，其特征在于所述微机单元(I)发出的脉冲调制波包括载波和调制波，所述载波的载波频率与声波发射换能器(3)以及声波接收换能器(4)的中心频率相同，所述调制波的调制波频率控制在载波的载波频率的I/ (1(Γ40)的范围内；所述微机单元(I)发出的脉冲调制波是单个脉冲调制波，或者是一组脉冲调制波。
3.根据权利要求I所述的低浓度六氟化硫气体检测的声学方法，其特征在于所述声波接收换能器(4)输出的电信号经过信号调理单元(5)的滤波、放大、检波以及电压比较的调理后，产生为表示声波到达时刻的跳变沿。
4.根据权利要求I所述的低浓度六氟化硫气体检测的声学方法，其特征在于所述计时器是内嵌在微机单元(I)内的计时器，或者是与微机单元(I)电连接的独立器件的计时器。
5.根据权利要求I所述的低浓度六氟化硫气体检测的声学方法，其特征在于步骤f中在当前温度数据和检测通道(8)的长度而计算出的参考传播延时&，是由如下公式算出
6.一种检测低浓度六氟化硫气体的声学装置，其特征在于包括内嵌计时器的微机单元(I)、驱动单元(2)、声波换能器、信号调理单元(5)、温度传感器模块(6)、通信接口单元(7)和容置混有六氟化硫的检测气体的检测通道(8);所述声波换能器包括声波发射换能器(3)和声波接收换能器(4)，且声波发射换能器(3)和声波接收换能器(4)分别装在检测通道(8)的两端；所述微机单元(I)的输出端通过驱动单元(2)与装在检测通道(8) —端的声波发射换能器(3)电连接，装在检测通道(8)另一端的声波接收换能器(4)通过信号调理单元(5 )与微机单元(I)的输入端电连接；所述温度传感器模块(6 )和通信接口单元(7 )分别与微机单元(I)通信连接。
7.根据权利要求6所述的检测低浓度六氟化硫气体的声学装置，其特征在于所述信号调理单元(5 )包括滤波电路(5-1)、放大电路(5-2 )、峰值检测电路(5-3 )和电压比较电路(5-4 );所述滤波电路(5-1)、放大电路(5-2 )、峰值检测电路(5-3 )和电压比较电路(5-4 )依次电连接，且滤波电路(5-1)与声波接收换能器(4)电连接，电压比较电路(5-4)与微机单元(I)的输入端电连接。
8.根据权利要求7所述的检测低浓度六氟化硫气体的声学装置，其特征在于所述峰值检测电路(5-3 )包括依次电连接的检波电路(5-3-1)和第一滤波电路(5-3-2 )，所述检波电路(5-3-1)与放大电路(5-2 )电连接，第一滤波电路(5-3-2 )与电压比较电路(5-4 )电连接。
9.根据权利要求7所述的检测低浓度六氟化硫气体的声学装置，其特征在于所述通信接口单元(7 )是无线通信接口电路。
10.根据权利要求7所述的检测低浓度六氟化硫气体的声学装置，其特征在于所述通信接口单元(7 )是有线通信接口电路。
全文摘要
本发明公开了一种检测低浓度微量六氟化硫浓度的声学方法及其装置，利用超声波在气体中传播时声速和气体摩尔质量之间的关系，采用应用于通信中的幅度调制和包络检波的方法，测量声波通过固定长度的检测通道的传播时间，同时理论计算出当时环境条件下的未混有六氟化硫的空气中的传播时间，利用与之差表征六氟化硫浓度。本发明的检测效果好，且精度高；突破了现有低浓度六氟化硫声速法检测技术中传播时间检测精度不足和跨周期问题，实现了采用单通道方式对低浓度的六氟化硫浓度的精确检测。
文档编号G01M3/24GK102889968SQ20121038623
公开日2013年1月23日 申请日期2012年10月12日 优先权日2012年10月12日
发明者单鸣雷, 朱昌平, 韩庆邦, 陈秉岩, 汤一彬, 高远, 殷澄, 黄波, 李建, 张秀平, 姚澄 申请人:河海大学常州校区