0 引言

　　SF6絕緣和滅弧性能優(yōu)良，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，被廣泛應(yīng)用于高壓電氣設(shè)備中[1，2]，如：氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(gas-insulated metal-enclosed switchgear，GIS)、高壓變壓器、斷路器等。由于電力設(shè)備的制造和安裝差異、老化以及運(yùn)行維護(hù)過程中存在不當(dāng)操作，可能導(dǎo)致SF6發(fā)生泄漏[3]。一方面，泄漏的SF6氣體在放電或高溫作用下會(huì)發(fā)生分解產(chǎn)生有毒氣體，而且SF6密度比空氣大，易造成低層空間缺氧從而使人窒息[4]。另一方面，電力設(shè)備的SF6泄漏會(huì)導(dǎo)致其絕緣性能下降，可能引發(fā)故障[5]。因此，為確保電力設(shè)備的可靠運(yùn)行，保障現(xiàn)場工作人員的人身安全，準(zhǔn)確檢測出SF6的泄漏濃度具有重要意義。目前，常見的SF6氣體濃度檢測方法有紅外吸收法、電化學(xué)傳感器法、氣相色譜法、超聲檢測法等[6]。紅外吸收法雖然檢測精度很高，但其設(shè)備造價(jià)成本較高；電化學(xué)傳感器法在使用過程中易受環(huán)境中某些物質(zhì)影響而中毒失效，靈敏度亦會(huì)隨年限而降低；氣相色譜法價(jià)格高昂又受實(shí)驗(yàn)室條件的限制，無法運(yùn)用于現(xiàn)場檢測。相對(duì)而言，超聲法具有造價(jià)低廉、設(shè)計(jì)簡單、不易受電磁干擾影響、易于安裝等優(yōu)勢，適合運(yùn)用于電力系統(tǒng)的現(xiàn)場在線監(jiān)測[7]。

　　本文在前人的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合不同頻率的超聲波在二元混合氣體傳播過程的相位變化特點(diǎn)，根據(jù)氣體狀態(tài)方程推算出相位角與待測氣體濃度之間的關(guān)系。使用單通道超聲傳感器進(jìn)行檢測，通過改變頻率采用DFT測相位角法測得其相位差，改善了單獨(dú)測時(shí)間精度不高和雙通道不能保證完全相同的嚴(yán)苛性問題。設(shè)計(jì)并應(yīng)用更為精確的定標(biāo)容器對(duì)檢測濃度進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)SF6濃度的精確檢測。

1 超聲法測氣體濃度原理

　　超聲波為一種彈性波，在不同濃度氣體介質(zhì)中的傳播速度會(huì)發(fā)生變化[8]。對(duì)于二元混合氣體，常溫常壓下可視為理想氣體，超聲波在氣體中以高頻、小振幅振動(dòng)傳播，該過程被視為絕熱過程[9]。根據(jù)理想氣體模型，其聲速可由氣體相對(duì)分子質(zhì)量、溫度等參數(shù)表示。對(duì)于單一成分氣體，其聲速為：

　　式中，為氣體的定壓比熱與定容比熱的比值；M為氣體的相對(duì)分子質(zhì)量；R為摩爾氣體常數(shù)；T為溫度。

　　對(duì)于二元混合氣體，其平均聲速為：

　　式中，為二元混合氣體平均聲速；為混合氣體的定壓定容比熱比；為混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量。

　　設(shè)、分別為待測氣體和背景氣體，、分別為、氣體的相對(duì)分子質(zhì)量。則有：

　　式中，n為氣體的濃度，1-n為氣體的濃度；分別為、氣體的定容比熱容；分別為、氣體的定壓比熱容。

　　由式(2)～式(4)整理可得：

　　對(duì)式(4)解方程僅有單根，可求得氣體的濃度：

　　為方便求解，求出方程中的系數(shù)A、B、D，引入?yún)⒘縔：

　　則求得濃度方程的3個(gè)系數(shù)分別為參量Y的表達(dá)式：

　　由上式推導(dǎo)可知，參量Y可由混合氣體聲速和溫度T求得，當(dāng)確定背景氣體及待測氣體時(shí)，其他參數(shù)均為易于獲取的常量，溫度T亦可通過高精度溫度傳感器獲得。因此，求得混合氣體聲速便可求得氣體的濃度n。

　　綜合式(6)~式(10)，化簡可求得：

　　綜上所述，在溫度壓強(qiáng)相同條件下，求待測氣體濃度n便可轉(zhuǎn)化為求混合氣體平均聲速的問題。

2 基于測相位的氣體濃度檢測

　　2.1 相位差法測聲速

　　常用的聲速測量方法是檢測出超聲波的傳輸時(shí)間，即固定超聲波通過氣體介質(zhì)的距離，發(fā)射超聲波的同時(shí)開始脈沖計(jì)數(shù)，直到檢測到回波信號(hào)的幅值超過一定閾值后停止計(jì)數(shù)，再與計(jì)數(shù)周期相乘便得到超聲傳播時(shí)間[10]，固定的傳播距離除以該時(shí)間即為聲速C。但是由于超聲換能器收發(fā)頭振動(dòng)、噪聲干擾以及超聲波在氣體介質(zhì)中能量衰減特性，使得最終所測時(shí)間精度不高。為解決此問題，有學(xué)者提出采用雙腔式兩組超聲測量通道法進(jìn)行檢測[8]，分別檢測背景氣體和待測氣體超聲傳播參數(shù)，經(jīng)差分后間接測定氣體的濃度。但是兩個(gè)通道的換能器特性、聲程、溫度等條件需要保證嚴(yán)格相同，因此難以實(shí)現(xiàn)。

　　本文采用單通道檢測，通過檢測改變兩次發(fā)送脈沖驅(qū)動(dòng)的頻率而引起的相位差來計(jì)算出混合氣體中的超聲傳播速度。該方法實(shí)現(xiàn)如下：分別采用兩個(gè)頻率差很小的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)f1、f2來驅(qū)動(dòng)發(fā)射傳感器，經(jīng)過混合氣體的腔室后。其聲程可表示為：

　　式中，t為超聲波傳播時(shí)間；T1、T2分別為兩驅(qū)動(dòng)信號(hào)的周期；n1、n2分別為2個(gè)超聲波在固定通道中傳播的周期數(shù)；t1、t2分別為經(jīng)過整數(shù)周期后所余時(shí)間；為混合氣體平均聲速；設(shè)定(其中，)時(shí)，n2=n1或n2=n1+1，因此求出t1、t2的差值即可。

　　t1、t2非常微小，難以直接通過脈沖計(jì)數(shù)獲得。本文通過相位差法來測混合氣體中的聲速，式(12)、式(13)變式可得，超聲傳播距離L與相位差的表達(dá)式如下：

　　式中，分別為超聲接收傳感器產(chǎn)生的不同相位差；分別為2個(gè)頻率下超聲波長。

　　由式(15)、式(16)可求得其相位差為：

　　由改變頻率法的兩束超聲波經(jīng)過混合氣體腔室后的產(chǎn)生相位差的過程如圖1所示。

圖1  變頻法測相差示意圖

　　則超聲波在混合氣體中的波速為：

　　由此，聲速的測量便轉(zhuǎn)化為超聲波收發(fā)信號(hào)的相位差的檢測。

　　2.2 DFT測相位

　　中心頻率為f0的輸入信號(hào)x(t)，以采樣頻率fs進(jìn)行采樣，得到深度為N的采樣序列x(n)，則x(n)的離散傅里葉變換為：

　　其中，k=0，1，…，N-1。若X(k)最大譜線對(duì)應(yīng)的k記為m，則式(19)可得基波頻率的相位為[11]：

　　兩列超聲回波信號(hào)經(jīng)過調(diào)理后，由A/D分別采樣后進(jìn)入處理器，處理器通過對(duì)采樣信號(hào)做DFT變換后測出該頻率下的相位，最后計(jì)算出兩頻率下接收信號(hào)的相位差。

3 檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　本文所述的超聲檢測SF6氣體濃度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要包含超聲波信號(hào)的發(fā)射與接收、溫度信號(hào)的采集、與上位機(jī)的通信以及數(shù)字相位計(jì)測相差。由ARM順序發(fā)出2個(gè)頻率分別為f1、f2的脈沖經(jīng)過發(fā)射電路驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器工作，經(jīng)過含有待測混合氣體的腔室后，回波信號(hào)通過濾波放大處理，由A/D分別采樣后進(jìn)入ARM，由數(shù)字相位計(jì)得到2個(gè)頻率超聲信號(hào)的相位差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)SF6濃度的測量。

圖2  檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　超聲發(fā)射電路是由超聲波驅(qū)動(dòng)電路和超聲波換能器（探頭）構(gòu)成，如圖3所示。本文所選超聲換能器中心頻率約40 kHz，發(fā)射驅(qū)動(dòng)電壓為10Vpp。ARM以41 kHz的頻率發(fā)出6-8個(gè)連續(xù)PWM脈沖波，信號(hào)輸入至SP3232后通過其升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)特性，在輸出端產(chǎn)生12Vpp電壓來驅(qū)動(dòng)超聲換能器工作。待接收端完成信號(hào)采集后，用上述方法繼續(xù)發(fā)送6-8個(gè)40 kHz的連續(xù)PWM脈沖波驅(qū)動(dòng)換能器工作，完成下一次檢測。

圖3  超聲發(fā)射電路

　　超聲波傳感器將超聲回波信號(hào)轉(zhuǎn)變成電脈沖信號(hào)，但是單片機(jī)無法直接采集該信號(hào)，因此需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，其接收電路如圖4所示。超聲波信號(hào)在傳播過程中會(huì)伴隨著能量的衰減，接收到的信號(hào)也會(huì)引入雜波，因此在硬件設(shè)計(jì)中，采用了兩級(jí)帶通濾波放大，最后達(dá)到了峰-峰值為2 V、中心頻率在40 kHz附近的回波信號(hào)。兩列回波信號(hào)先后通過A/D模塊進(jìn)行采集進(jìn)入ARM處理器。

圖4  接收電路

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

　　由于氣體濃度檢測受溫度、壓力等因素的影響較大，氣體均勻混合所需要的時(shí)間也與氣體流量有關(guān)，特別是低濃度檢測時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣體檢測要求更高，故自行構(gòu)建了氣體標(biāo)定裝置。該氣體濃度標(biāo)定裝置如圖5所示，裝置主要由真空主腔體、腔體蓋板、過渡板、真空穿通電極、溫度計(jì)、流量計(jì)、壓力表等構(gòu)成。腔體內(nèi)壁涂有聚四氟乙烯以減少氣體吸附，超聲傳感器安裝在蓋板內(nèi)側(cè)的可拆卸過渡板上，電源及信號(hào)通過真空穿通電極實(shí)現(xiàn)內(nèi)外傳輸。檢測前先將腔室抽真空，而后緩慢充入一定濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體，觀察氣體流量計(jì)示數(shù)以便調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量大小，待腔室充滿后開始檢測。重復(fù)上述過程，改變充入的標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度，并觀察各監(jiān)測儀表示數(shù)以保證每次實(shí)驗(yàn)環(huán)境及條件的一致性，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)完成SF6濃度標(biāo)定工作。

　　實(shí)驗(yàn)中，真空腔室長度為0.4 m，溫度為25 ℃，選取采樣頻率fs為1 MHz，運(yùn)算過程中各參數(shù)為：實(shí)驗(yàn)過程中通入的SF6標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度和超聲法檢測的SF6濃度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

　　由表1數(shù)據(jù)可知，超聲法檢測的SF6濃度精度能達(dá)到水平，其平均相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，滿足大部分使用要求。

5 結(jié)束語

　　本文以檢測電氣設(shè)備中SF6泄漏為背景，采用超聲法對(duì)其進(jìn)行檢測。首先結(jié)合二元混合氣體模型，對(duì)微量氣體濃度理論計(jì)算公式進(jìn)行簡化，尋找出待測氣體濃度與聲速的相關(guān)性。其次，建立單通道超聲檢測模型，采用DFT數(shù)字相位計(jì)測相位差法求取聲速，進(jìn)而得到待測氣體濃度。最后，通過設(shè)計(jì)的超聲檢測系統(tǒng)對(duì)SF6標(biāo)準(zhǔn)氣體做檢測試驗(yàn)。為保證定標(biāo)檢測試驗(yàn)的可靠性與一致性，本文構(gòu)建氣體標(biāo)定裝置，嚴(yán)格保證標(biāo)定時(shí)溫度、流量、壓力等因素相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：由超聲技術(shù)檢測二元混合氣體濃度是可行的，對(duì)SF6濃度檢測，精度可達(dá)到水平，在電氣設(shè)備周圍的SF6濃度監(jiān)測應(yīng)用方面具有廣闊前景。

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