Research on method of portable NDIR SF6 gas detection
-
摘要: 为了满足电力系统中对SF6气体精确测量的需求, 基于非分光红外差分检测原理, 设计了一种便携式的SF6气体传感器。系统采用单光束双波长结构, 对直射式和梯形反射式气室进行光学仿真, 最终确定了气室类型, 提高了系统的紧凑性和灵敏度。在电路方面设计了一种小信号放大滤波电路, 有效地将有用信号从噪声中提取出来; 传感器采用高精度高性能模数转换器将模拟电信号转换为数字信号送入单片机处理, 大大提高了检测精度。实验结果表明, 该传感器能够准确检测体积分数为0~2×10-3范围内的SF6气体, 满量程精度可达4.2%。Abstract: In order to satisfy the actual need of accurate measurement of SF6 gas concentration in the electrical system, a portable SF6 gas sensor was designed based on non-dispersive infrared (NDIR)differential detection principle, which adopted the single-beam and dual-wavelength optical structure. In order to improve the compactness and sensitivity of the system, the optical simulations of the straight and trapezoidal reflective gas chambers were carried out, and the gas chamber type was finally determined. As for designing hardware circuit, a small signal amplification filter circuit was designed to effectively extract the useful signal from the noise. The sensor uses the high precision and performance analog-to-digital converters to convert analog electrical signals into digital signals into single chip processor, which greatly improves the detection accuracy. The experimental results show the sensor can accurately measure the SF6 concentration in a range of 0~2×10-3, with the full range accuracy up to 4.2%.
-
Keywords:
- SF6 gas /
- gas chamber simulation /
- amplification and filtering /
- AD conversion
-
引言
六氟化硫(SF6)因具有良好的电气绝缘性能及优异的灭弧性能, 广泛用于电力系统中, 但SF6气体在配电设备运行过程中容易泄漏, 不仅会影响设备的绝缘强度, 还会对环境产生较强的温室效应, 同时也将危害人身安全, 因此对配电设备中的SF6气体进行精确检测至关重要。传统的用于SF6气体浓度(体积分数)的检测技术主要是对电力设备进行真空监视和压力检查, 通过皂水查漏法进行气体泄漏检测。随着带电检漏仪器的逐渐发展, 气体泄漏的检测水平得到了大幅度提高, 但在实际使用中仍存在不足, 如易受环境等因素影响导致检测精度不高、使用寿命较短等。随着人们对SF6气体光学性质的深入研究, 新的检测技术得到不断发展, 如光声光谱技术和红外吸收技术等。相比于光声光谱技术, 红外吸收技术稳定性更高、响应时间更短、成本更低, 因此在气体检测领域得到广泛应用。
红外吸收技术的理论依据是不同的气体分子对红外光有着不同的特征吸收峰, 所以能够准确的测量出SF6气体的浓度。本文基于红外光谱的特征吸收原理, 设计了一种便携式的非分光SF6气体检测装置。该系统利用单光束双波长的光学结构, 辅以合理的气室结构设计, 将有用信号经过放大滤波处理后, 再经过高精度的AD转换器转换成数字信号传输至单片机进行数据处理, 有效地提高了传感器的检测精度、稳定性和使用寿命[1]。
1 非分光红外差分检测原理
本设计SF6气体传感器是基于红外光谱吸收原理设计而成。根据红外光谱吸收理论, 当一束红外光照射气体分子时, 若某频率的红外光与气体分子中某基团的振动频率相同, 则该频率的红外光被气体分子吸收, 其吸收强度与该气体浓度有关。SF6气体在中红外区有一个比较明显的吸收峰, 其中心波长位于10.55 μm处, 其红外强度是以指数关系递减的, 此光强吸收关系称为朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律:
$$ I=I_{0} \mathrm{e}^{-k l x} $$ (1) 式中:I表示衰减后的出射光强度; I0表示入射光强度; x表示气体浓度; l为光源与探测器间的等效光学路径长度; k为待测气体对入射红外光强度的吸收系数[2]。
本设计通过热释电探测器检测红外光能量的变化, 并将其转换成电压信号来确定待测气体浓度。其原理是利用热释电效应, 即在钽酸锂一类晶体的上下表面设置电极, 当红外线间歇地照射时, 其表面温度上升, 自发极化强度发生改变, 在上下电极之间产生电压。仅仅依靠I和I0的差值来检测气体浓度是不够的, 因为这种单光束单波长的技术, 会受到光源波动, 红外探测器转换效率及电路元器件漂移等问题的干扰, 导致检测精度不高[3]。
为了抑制上述随机因素造成的干扰, 在气体传感器的设计上采用单光束双波长的差分吸收检测技术。如图 1所示, 将红外光束分成两路:一路是中心波长与SF6气体红外吸收峰波长重叠的测量通道; 一路是任何气体对其几乎都没有吸收的参比通道。使用参比通道可消除光源辐射衰减或气室环境波动引起的测量误差, 提高传感器的灵敏度及可靠性[4]。
结合理论分析与实际应用, 为消除干扰因素影响, 提出了基于非分光红外差分检测原理的设计方案[5]。本设计主要是由光路系统和电路系统组成的, 采用2 Hz脉冲方波对红外光源进行电调制, 摒弃了传统的分光系统, 采用在探测器上集成滤光片的方式, 使得测量通道和参比通道的电信号能够提取出来, 并通过小信号放大滤波电路, 放大至适合AD转换器处理的量级电压, 最终送入单片机处理。
2 光路系统设计
本设计针对两种不同类型的采样气室进行光路仿真分析, 一种是直射式气室, 另一种是梯形反射式气室。在直射式气室中, 进气口与出气口设置在采样气室的上方, 光源与探测器分别位于采样气室的两端且三者位于同一光学中心轴上, 可使探测器较为均匀地接收红外辐射[6-7]。通过对直射式气室光线追迹仿真可知, 红外光源发出的光线经过抛物面反光杯反射后, 大部分光线垂直射入探测器, 如图 2所示。
通过图 3的光线散射体表图可知, 光线经过反光杯反射后, 探测器接收到的红外光强呈现均匀集中的状态, 且辐射范围较大。红外光线能完全覆盖在测量通道和参比通道的滤光片上, 测量结果较为准确。
在梯形反射式气室的设计中, 红外光源与探测器分别垂直放置在梯形气室的两腰斜面上, 光线经过光源外层的反光杯反射后, 投射到气室顶端的反光镜上, 再反射到探测器中心的滤光片上。如图 4所示, 为梯形反射式气室的红外光线追迹图。
在LightTools仿真软件中, 通过1:1放置光源和探测器以及设定光线数量和光照强度, 可直观看出探测器接收到的表面光强分布情况。图 5为梯形反射式气室的散射体表图。结果显示, 探测器表面接收到的光强主要集中在中心处, 也就是滤光片上, 这样有利于分离特定波长的红外光, 提高检测灵敏度。
![]()
图 5 梯形反射式气室的散射体表图Figure 5. Scattering body diagram of trapezoidal reflective gas chamber从上述两种气室的光路仿真结果分析可知, 梯形反射式气室相比于直射式气室而言, 红外光线能够更加集中地照射到探测器的表面, 并且梯形反射式气室长度更短, 有利于小型化、便携式设计。在梯形气室内壁表面镀膜以增强红外光线的反射, 同时减少外部环境的干扰。
3 电路系统设计
3.1 信号调理电路设计
热释电探测器的输出信号非常微弱, 约有几百微伏, 很容易淹没在电路噪声中, 所以电路设计既要将有用信号放大到采样电路能够采样的量级, 也要将其从强背景噪声中提取出来[8]。为了将微伏级的信号放大至伏级的量级, 采取两级放大的方式。如图 6所示, 为信号调理电路图, 考虑到本电路设计中的运算放大器需要具备高增益和极低的失调电压与漂移[9], 因此采用性能良好的运放芯片可以提高放大电路的性能。
在信号放大电路的第一级中, 探测器信号输出端连接运算放大器的同向输入端, 电阻R5和R8组成第一级的反馈网络, 同时为了增强抗干扰能力, 在反馈电阻两端并联电容来抑制高频噪声; 在第二级放大电路中, R1和R2同样组成电压串联负反馈网络, 只需要调节电阻值大小即可改变增益。电路的增益计算为
$$ {A_1} = 1 + \frac{{{R_5}}}{{{R_8}}} $$ (2) $$ {A_2} = 1 + \frac{{{R_2}}}{{{R_1}}} $$ (3) 探测器信号经过两级放大后进行滤波处理, 采用的是无限增益多路反馈有源滤波器。图 6中R9和C3构成了2个反馈支路, 反馈强弱与信号频率有关。本电路中根据所需的滤波器中心频率和品质因素来设定各个参数的值, 该滤波器的中心频率为
$$ {f_0} = \sqrt {\left( {{R_3} + {R_{10}}} \right)/\left( {{R_3}{R_9}{R_{10}}} \right)} /\left( {{C_2} + {C_3}} \right){\rm{ \mathsf{ π} }} $$ (4) 本设计采用2 Hz频率调制, 因此根据公式各参数取值如下:
$$ {R_3} = 56.7\;{\rm{k}}\Omega ;{R_9} = 840\;{\rm{k}}\Omega ;{R_{10}} = 93.7\;{\rm{k}}\Omega $$ (5) $$ {C_2} = {C_3} = 470\;{\rm{nF}} $$ (6) 其中心频率对应的放大倍数为
$$ H\left( {j{f_0}} \right) = - {R_9}/\left( {\left( {1 + {C_2}/{C_3}} \right){R_3}} \right) $$ (7) 电路的幅频特性实测波形如图 7所示, ①是两级放大后的波形, ②是经过滤波后的波形图, 观察可知, 两级放大后的波形经过中心频率为2 Hz的带通滤波器后, 噪声衰减明显, 滤波效果好, 抗干扰能力强。
![]()
图 7 电路的幅频特性实测波形Figure 7. Measured waveform of amplitude-frequency characteristics of circuit3.2 AD转换电路设计
探测器将两路光信号转换成电信号后, 经过放大滤波产生两路模拟信号:测量电信号和参比电信号。为满足高精度检测SF6气体浓度的要求, 本设计采用ADS1256芯片将模拟信号转换成数字信号送入单片机中进行数据处理。ADS1256是TI公司推出的8通道24位高精度的高性能模数转换器。本设计使用模拟多路开关寄存器将其配置为两路单级输入的模式, 将测量电信号和参比电信号分别输入到两路通道中进行模数转换。ADS1256采用四线制SPI通信方式将转换后的数字信号传输至单片机中进行数据处理和浓度计算。
3.3 光源驱动电路设计
热释电探测器是利用热释电效应探测辐射能量的器件, 当红外光辐射强度变化导致热释电晶体表面温度变化时, 引起其表面极化电荷的变化, 从而产生电势差, 输出电信号。由于只有不断变化的红外光照射, 热释电探测器才有电信号输出, 所以本设计通过单片机内部的定时器产生2 Hz频率的方波脉冲调制红外光源, 使得探测器接收到变化的红外光强[10]。由于红外光源工作时功率较大, 而单片机端口输出的电流很小, 不足以驱动红外光源工作, 所以传感器设计有光源驱动电路, 其电路图如图 8所示, PA1连接单片机调制信号输出端口, QD1连接红外光源供电正极端, 通过方波脉冲的高低电平来驱动红外光源工作于2 Hz频率变化的状态。在系统电源供电设计中, 红外光源单独供电, 不与系统中其他器件共用电源, 以免光源调制造成的电压回落影响其他器件正常工作。
4 实验结果与讨论
理论上, 红外光强衰减程度与SF6气体浓度(体积分数)遵循朗伯-比尔定律, 但是实际应用中, 受光散射、入射角度以及环境等因素影响, 通过朗伯-比尔定律公式不能准确计算出气体浓度。本设计采用标准浓度的SF6气体标定的方法[11], 建立SF6气体浓度与两路输出电压的关系, 并拟合二者的函数曲线, 确定浓度计算关系式。
浓度标定实验在标准大气压强和室温25℃的环境条件下进行, 通过对不同浓度的标准SF6气体下的测量通道和参比通道输出的电压比值进行分析, 得到SF6气体吸收实验数据如表 1所示。
表 1 SF6气体浓度标定实验数据Table 1. Experimental data of SF6 gas concentration calibrationSF6浓度/×10-6 测量电压/V 参比电压/V 0 2.295 14 2.159 44 355 2.139 03 2.163 33 500 2.054 87 2.162 83 590 2.049 22 2.165 75 865 2.000 32 2.165 75 890 1.983 51 2.163 14 1 000 1.966 49 2.160 75 1 250 1.943 87 2.164 94 1 350 1.934 46 2.160 86 1 565 1.918 22 2.160 41 1 670 1.907 52 2.160 18 1 785 1.902 12 2.164 52 1 995 1.882 46 2.161 57 2 080 1.875 19 2.165 33 表 1中读取到的电压值是AD转换后经单片机中防脉冲干扰平均滤波算法处理过所得到的数据。防脉冲干扰平均滤波算法相当于中位值滤波法加上算术平均滤波法, 融合了两种滤波算法的优点, 可消除脉冲性干扰所引起的采样值偏差。观察表 1中数据可知, 随着标准SF6气体浓度的增加, 测量通道输出的电压值逐渐减小, 而参比通道输出电压值基本不变。采用多项式拟合可得到测量电压和参比电压的比值与气体浓度间的函数曲线, 如图 9所示。
将拟合得到的函数关系式写入单片机中, 实时采集的数据经单片机处理计算出当前环境中SF6气体浓度值, 通入标准气体, 得到实际测量浓度值如表 2所示。
表 2 SF6气体浓度实测数据Table 2. Measured data of SF6 gas concentration标准气体浓度/×10-6 0 300 500 800 1 000 1 200 1 500 1 800 实测气体浓度/×10-6 21 375 564 884 1 064 1 235 1 540 1 823 绝对误差 21 75 64 84 64 35 40 23 满量程误差(FS) 1.05% 3.75% 3.2% 4.2% 3.2% 1.75% 2% 1.15% 由表 2可知, 当测量气体浓度为8×10-4时, 满量程误差(FS)最大为4.2%, 而随着SF6气体浓度的升高, 满量程误差呈现逐渐减小的趋势, 因此检测高浓度气体时结果较为准确。
5 结论
本文设计了一种基于非分光红外差分检测原理的SF6气体传感器。本设计采用单光束双波长的检测技术, 有效地消除了光源老化和光路不稳定等因素的影响。在光路上采用高性能的红外光源和热释电探测器, 设计了梯形反射式气室并对其进行了光学分析, 有效地提高了系统的稳定性, 简化了系统结构。电路上设计了一种小信号放大滤波电路, 可有效消除信号中混入的噪声; 采用高精度高性能模数转换器, 辅以防脉冲干扰平均滤波算法, 可消除由于脉冲性干扰所引起的采样值偏差。在标定实验中, 通过合理地函数拟合建立SF6气体浓度与电压比值的关系。实验结果表明, 本文设计的SF6气体传感器体积分数检测范围在0~2×10-3, 分辨率为1×10-6, 检测精度为4.2%, 具有量程宽、精度高、稳定性好、寿命长和小型化等特点。可广泛应用于电力系统中各种SF6气体浓度检测场合。
-
![]()
图 5 梯形反射式气室的散射体表图
Figure 5. Scattering body diagram of trapezoidal reflective gas chamber
![]()
图 7 电路的幅频特性实测波形
Figure 7. Measured waveform of amplitude-frequency characteristics of circuit
表 1 SF6气体浓度标定实验数据
Table 1 Experimental data of SF6 gas concentration calibration
SF6浓度/×10-6 测量电压/V 参比电压/V 0 2.295 14 2.159 44 355 2.139 03 2.163 33 500 2.054 87 2.162 83 590 2.049 22 2.165 75 865 2.000 32 2.165 75 890 1.983 51 2.163 14 1 000 1.966 49 2.160 75 1 250 1.943 87 2.164 94 1 350 1.934 46 2.160 86 1 565 1.918 22 2.160 41 1 670 1.907 52 2.160 18 1 785 1.902 12 2.164 52 1 995 1.882 46 2.161 57 2 080 1.875 19 2.165 33 
下载: 导出CSV
表 2 SF6气体浓度实测数据
Table 2 Measured data of SF6 gas concentration
标准气体浓度/×10-6 0 300 500 800 1 000 1 200 1 500 1 800 实测气体浓度/×10-6 21 375 564 884 1 064 1 235 1 540 1 823 绝对误差 21 75 64 84 64 35 40 23 满量程误差(FS) 1.05% 3.75% 3.2% 4.2% 3.2% 1.75% 2% 1.15%
下载: 导出CSV
-
[1] LI Y C, LIANG Y Z, MA X S, et al. Experimental study of methane sensor based on the principle of infrared detection[J]. Applied Mechanics & Materials, 2014, 590:651-655. http://cn.bing.com/academic/profile?id=3af8c5b8f8e838cb4048d2d7c09565fe&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn
[2] 丁蕾, 刘文清, 张玉钧, 等.机动车尾气CO和CO2非分光红外遥测技术研究[J].量子电子学报, 2003, 20(4):459-464. doi: 10.3969/j.issn.1007-5461.2003.04.016 DING Lei, LIU Wenqing, ZHANG Yujun, et al. Investigation on remote measurement of automobile infrared absorption method[J].Chinese Journal of Quantum Electronics, 2003, 20(4):459-464. doi: 10.3969/j.issn.1007-5461.2003.04.016
[3] 孙友文, 刘文清, 汪世美, 等.非线性吸收对多组分气体分析的影响及其修正方法[J].光学学报, 2012, 32(9):295-302. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=gxxb201209043 SUN Youwen, LIU Wenqing, WANG Shimei, et al.Influence of nonlinear absorption on simultaneous multi-gas analysis and Its modification method[J].Acta Optica Sinica, 2012, 32(9):295-302. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=gxxb201209043
[4] 刘永平, 王霞, 李帅帅, 等.基于红外技术的气体浓度检测方法研究[J].光子学报, 2015, 44(1):189-195. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gzxb201501030 LIU Yongping, WANG Xia, LI Shuaishuai, et al. Gas concentration detection method based on infrared absorption spectroscopy technology[J]. Acta Photonica Sinica, 2015, 44(1):189-195. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gzxb201501030
[5] BUDIMAN F, RIVAI M, PAMBAYUN J P F. Non-dispersive infrared (NDIR) sensor design and its application on alcohol detection: International seminar on intelligent technology & applications[C]. US: IEEE, 2016.
[6] TAN Q, TANG L, YANG M, et al. Three-gas detection system with IR optical sensor based on NDIR technology[J]. Optics and Lasers in Engineering, 2015, 74:103-108. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=ee476bf1f96765e176aa8500e5d87591
[7] HODGKINSON J, SMITH R, HO W O, et al. Non-dispersive infra-red (NDIR) measurement of carbon dioxide at 4.2 μm in a compact and optically efficient sensor[J]. Sensors & Actuators B Chemical, 2013, 186:580-588. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=9765c404db68fc0aa629ddb5c835beed
[8] FRODL R, TILLE T. A high-precision NDIR gas sensor for automotive applications[J]. Sensors Journal IEEE, 2006, 6(6):1697-1705. doi: 10.1109/JSEN.2006.884440
[9] LIANG X F, LIU L H. Design on the amplifier circuit of metal-oxide semiconductor gas-sensitive sensor[J]. Applied Mechanics and Materials, 2012, 220-223(8):1939-1942. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=10.4028/www.scientific.net/AMM.220-223.1939
[10] SHEN C H, LI S T. Analysis of ultra-short pulse modulation for NDIR: International conference on circuits, devices and systems[C]. US: IEEE, 2017.
[11] 孙友文, 刘文清, 汪世美, 等.单组分双分析通道红外气体检测方法研究[J].物理学报, 2012, 61(14):105-113. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/wlxb201214017 SUN Youwen, LIU Wenqing, WANG Shimei, et al. Measurement of a gas using none dispersive infrared technique with two analysis channels[J].Acta Physica Sinia, 2012, 61(14):105-113. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/wlxb201214017
-
期刊类型引用(2)
1. 姚林海，陆培国，杨永安，龙井宇，杨修林，卜英华. 光束指向稳定性高精度检测方法研究. 应用光学. 2022(02): 339-344 . 
本站查看
2. 丁善婷，程壮，翟中生，李劲松，黄娇洁，吕清花，王选择. 无衍射光莫尔条纹的中心定位方法. 应用光学. 2019(04): 652-657 . 本站查看
其他类型引用(2)
计量
- 文章访问数: 555
- HTML全文浏览量: 198
- PDF下载量: 58
- 被引次数: 4
陕公网安备 61011302001501号 