李勇 　李小霞 　趙星

摘要： 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)SF6氣體的檢測(cè)，該文研究了一種基于光聲光譜的SF6氣體檢測(cè)系統(tǒng)方案。首先，從理論上分析了該系統(tǒng)的基本檢測(cè)原理。接著，對(duì)系統(tǒng)的組成進(jìn)行描述。分析了SF6、CO2、H2O的紅外吸收特性，并確定濾光片參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，選擇寬帶紅外熱輻射光源作為系統(tǒng)光源。設(shè)計(jì)了圓柱形共振光聲池，并利用STM32嵌入式處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)光聲信號(hào)采集，以及SF6氣體濃度計(jì)算。

關(guān)鍵詞：光聲光譜；STM32 ；SF6檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TM406 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）33-8019-04

Abstract： In order to realize the detection of SF6 gas，this paper studied the SF6 gas detection system scheme based on photoacoustic spectroscopy. Fist， analysed the basic principle of the system in theory. Then， described the components of the system. Analysed the Infrared absorption characteristics of SF6、CO2、H2O and determined the filter parameters. On the basis， selected the broadband infrared radiation source as the system source. Designed a cylindrical resonant photoacoustic cell. Used the STM32 embedded processor to obtain photoacoustic signal and compute SF6 gas concentration.

Key words： Photoacoustic spectroscopy； STM32； SF6 detection

1 概述

SF6氣體是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒的穩(wěn)定氣體，具有很強(qiáng)的絕緣特性和滅弧能力，是一種理想的高壓設(shè)備絕緣介質(zhì)，大量應(yīng)用于高壓開關(guān)、全封閉組合電器（GIS）等高壓電氣設(shè)備。SF6高壓電氣設(shè)備因生產(chǎn)制作、老化等原因使得SF6氣體泄漏時(shí)有發(fā)生，引起高壓設(shè)備內(nèi)SF6氣壓下降，嚴(yán)重影響高壓設(shè)備的正常工作。盡管SF6無(wú)毒，但較高濃度的SF6卻可使檢修人員窒息。因此，《電力安全工作規(guī)程》中明確規(guī)定，裝有SF6設(shè)備的配電室必須保證SF6濃度小于1000ppm。此外，SF6是一種強(qiáng)溫室氣體，SF6氣體的泄漏對(duì)環(huán)境是一個(gè)嚴(yán)重威脅[1]。對(duì)高壓電力設(shè)備中SF6氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。目前，應(yīng)用較多的SF6氣體檢測(cè)技術(shù)有ECD電子捕獲，負(fù)暈放電技術(shù)等SF6檢測(cè)技術(shù)[2]，這類技術(shù)普遍存在檢測(cè)精度不高，使用壽命不長(zhǎng)等缺點(diǎn)。而光聲光譜技術(shù)因其高靈敏度、檢測(cè)范圍大、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)在微量氣體檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。該文采用紅外熱輻射光源，研究光聲光譜SF6氣體檢測(cè)系統(tǒng)方案，為實(shí)現(xiàn)對(duì)SF6氣體的檢測(cè)提供的參考。

2 基本原理

3.3 光源的選擇

光源作為光聲光譜信號(hào)激發(fā)源，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)十分重要。在SF6氣體檢測(cè)的實(shí)際開發(fā)中，光源的選擇應(yīng)使系統(tǒng)在達(dá)到檢測(cè)指標(biāo)的要求下，兼顧成本、體積等因素。由于SF6檢測(cè)用吸收光譜譜線的中心處在 947.5 cm-1處，該位置處于中紅外。對(duì)該位置的光源，考慮以下三種光源：CO2激光器、量子級(jí)聯(lián)激光器、寬帶紅外熱輻射光源。CO2激光器是一種應(yīng)用較早的氣體激光器，其起振波長(zhǎng)在9.6um-10.6um之間，且發(fā)射功率高，能夠滿足SF6氣體的高靈敏度檢測(cè)。不足之處是該類激光器體積龐大，價(jià)格昂貴，不使用于氣體的現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)。量子級(jí)聯(lián)激光器是近幾年來(lái)開發(fā)的一種具有寬譜帶、高輸出光功率、易調(diào)諧、體積小等優(yōu)點(diǎn)的激光器，具有廣泛的應(yīng)用前景。但量子級(jí)聯(lián)激光器價(jià)格昂貴，限制了該種激光器的使用[5]。寬帶熱輻射光源能夠激發(fā)出1-20μm處的光，能夠滿足絕大數(shù)的氣體分子的檢測(cè)，且體積小，成本低。雖然該類光源存在光功率較低等不足，但對(duì)于一般的ppm級(jí)的測(cè)量已能夠滿足要求。因此，采用紅外熱輻射光源作為系統(tǒng)的光源。

3.4 光聲池結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

池品質(zhì)因數(shù)、調(diào)制頻率等有關(guān)。體積越小，品質(zhì)因數(shù)越大，光聲信號(hào)越小。但體積過(guò)小將不利于微音器的安裝，以及光路的耦合。故選定其橫截面直徑是10mm，長(zhǎng)度為24mm。整個(gè)光聲池均采用不銹鋼材料制成，內(nèi)表面經(jīng)拋光處理得到，進(jìn)一步抑制由窗口片吸收入射光而產(chǎn)生噪聲，兩端配有長(zhǎng)度為其一半的緩沖室，緩沖室兩端SiO2材料的3mm厚的Brewster窗密封。經(jīng)過(guò)測(cè)量得到其共振頻率為1645Hz，品質(zhì)因數(shù)為100。由于共振光聲池內(nèi)，聲波處于駐波狀態(tài)，聲波在光聲池的中點(diǎn)處最大，故將微音器安裝在光聲池的中央。

4 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用ST公司的STM32F103作為處理器，對(duì)來(lái)自鎖相放大器的光聲信號(hào)進(jìn)行采集處理。STM32單片機(jī)時(shí)鐘高達(dá)72MHz，具有三個(gè)獨(dú)立工作的ADC，64K的SRAM。能夠滿足光聲氣體檢測(cè)的需要。系統(tǒng)軟件采用ARM公司的MDK軟件進(jìn)行開發(fā)，C語(yǔ)言編程，同時(shí)利用ST公司的開發(fā)固件庫(kù)簡(jiǎn)化編程。系統(tǒng)軟件主程序流程圖如圖5所示。主要包括系統(tǒng)初始化、定時(shí)器定時(shí)、AD轉(zhuǎn)換、氣體濃度的計(jì)算、串口發(fā)送等部分。系統(tǒng)初始化包括對(duì)MCU的時(shí)鐘、定時(shí)器、GPIO、ADC的初始化。利用STM32高精度的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)單次信號(hào)采集時(shí)間的設(shè)定。STM32 STM32F10的ADC，具有12位，參考電壓可自設(shè)，通過(guò)設(shè)置ADC的工作模式。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，得到氣體濃度計(jì)算公式，便可實(shí)現(xiàn)氣體的濃度的實(shí)時(shí)計(jì)算?；赗S232串口對(duì)采集到的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)氣體濃度數(shù)據(jù)的集中管理。

5 結(jié)論

該文在研究光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，提出了一種基于光聲光譜技術(shù)的SF6氣體檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)升級(jí)、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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