鄧 揚(yáng)，王先培，陳 鵬，肖 偉，胡明宇

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢 430072)

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基于超聲探測的SF6濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)

鄧 揚(yáng)，王先培，陳 鵬，肖 偉，胡明宇

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢 430072)

長期運(yùn)行的氣體絕緣組合電器(GIS)設(shè)備可能存在SF6氣體泄漏問題，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備安全性下降。針對該問題，采用超聲原理測量SF6氣體濃度，該方法具有測量范圍廣、設(shè)計(jì)簡單等優(yōu)點(diǎn)，且易于實(shí)現(xiàn)在線式監(jiān)測。建立了雙腔室中超聲信號傳播相位差與SF6氣體濃度的理論模型，并研制了一套基于超聲探測的SF6濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)。為提高測量精度，設(shè)計(jì)了一種基于DFT算法的數(shù)字相位計(jì)，通過對采樣信號進(jìn)行多項(xiàng)式插值加Hanning窗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相位和幅值修正。實(shí)驗(yàn)表明，使用數(shù)字相位計(jì)能將SF6濃度誤差率控制在5%左右，目前該系統(tǒng)在貴州某變電站已投入運(yùn)行。

超聲；SF6濃度監(jiān)測；相位差；數(shù)字相位計(jì)；多項(xiàng)式插值；Hanning窗

0 引言

SF6氣體以其穩(wěn)定的化學(xué)特性和優(yōu)越的電絕緣性、滅弧性，廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)中[1-2]。目前，GIS變電站中電流、電壓互感器，斷路器，GIS，變壓器等設(shè)備都采用SF6作為絕緣介質(zhì)。然而電力設(shè)備在設(shè)計(jì)、制造、安裝以及運(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]。泄漏的SF6氣體在電弧、電暈、火花放電以及局部放電、高溫等條件下，會分解產(chǎn)生有毒氣體，同時電力設(shè)備也會由于SF6氣體濃度減少，導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度和熄弧能力下降[4]。為了保證電力設(shè)備的安全運(yùn)行以及工作人員的生命安全，研究開發(fā)一套有效的SF6電氣設(shè)備內(nèi)部故障在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)對電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有非常重要的意義。目前常見的檢測SF6泄漏的方法有高壓放電法、紫外線電離法、紅外吸收法。高壓放電法所需的傳感器使用壽命短，衰減也比較大；紫外線電離法測得量程范圍很?。患t外吸收法設(shè)備造價成本高。相比于上述方法，采用超聲法測SF6濃度，造價低廉，設(shè)計(jì)簡單，易于實(shí)現(xiàn)在線式監(jiān)測，在微弱氣體濃度測量方面有明顯優(yōu)勢。

1 超聲檢測氣體濃度原理

超聲波是一種彈性波，在氣體、液體、固體等物質(zhì)中能有效地傳播。超聲波檢測法是根據(jù)超聲波在不同氣體介質(zhì)中傳播速度的不同，通過相位差來反應(yīng)SF6氣體的濃度。超聲波在氣體中以低幅高頻傳播，其過程可以看作是絕熱的[5]，在常溫常壓條件下，根據(jù)理想氣體模型，二元混合氣體平均聲速可以表示為

(1)

對于二元混合氣體，設(shè)α為被測氣體，β為背景氣體，有：

(2)

(3)

式中：n為α氣體的濃度，μL/L;1-n為β氣體的濃度，μL/L;cvα、cvβ分別為α、β氣體的定容比熱容，kJ(kg·K)；cpα、cpβ分別為α、β氣體的定壓比熱容，kJ(kg·K)；Mα、Mβ分別為α、β氣體的相對分子質(zhì)量。

將混合有N2氣體的SF6氣體與純凈的N2氣體分別置于兩個相同大小的腔室中，由于氣體介質(zhì)不一樣會導(dǎo)致超聲波傳播的速度有微弱的區(qū)別，在接收端測量出兩路信號的相位差[6-7]，如圖1所示。

圖1 雙腔式測相位差

則相位差表達(dá)式為

(4)

式中：L是腔室的長度，m；c1是在SF6氣體與N2混合氣體中的聲速；c2是在N2氣體中的聲速；f是超聲傳感器的頻率，Hz。

由式(1)、式(2)、式(3)、式(4)化簡得：

n=f(θ)

(5)

在等溫等壓條件下，除了θ、n均為已知量，由此可知，通過測量兩路回波信號的相位差可以確定SF6氣體的濃度。

2 基于DFT加窗算法的數(shù)字相位計(jì)

2.1 DFT測相位角的原理

中心頻率為f0的輸入信號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)的散傅里葉變換為

=Re[X(k)]+jIm[X(k)]

(6)

式中k=0,1,…,N-1 。

若X(k)最大譜線對應(yīng)的k記為m，則式(6)可得基波頻率的相位為[8]

(7)

2.2 多項(xiàng)式插值及Hanning窗算法

假設(shè)單一頻率的輸入信號x(t)，幅值為A，中心頻率為f0，初始相位為θ，經(jīng)過采樣頻率fs的采樣后得到的離散信號為

(8)

窗函數(shù)的時域形式為ω(n),其連續(xù)頻譜為W(2πf)，加窗后該信號的連續(xù)傅里葉變換為

(9)

僅考慮f0>0的頻譜，則式(9)的離散傅里葉變換得：

(10)

式中Δf=fs/N。

由于頻率分辨率的影響，峰值頻率f0往往不在離散譜線的頻點(diǎn)上[9]。最大峰值兩側(cè)的幅值為：y1=[X(k1·Δf)| 、y2=|X(K2·Δf)| 。令α=k0-k1-0.5 ，β=(y2-y1)/(y2+y1),采用多項(xiàng)式逼近的方法得出Hanning窗的修正公式：α=1.5β。

Hanning窗的窗函數(shù)為

ω(n)=0.5-0.5×cos(2πn/N)

(11)

式中n=0,1,2,…,N-1。

經(jīng)過多項(xiàng)式插值及加Hanning窗函數(shù)處理后，相位的修正公式如下:

(12)

式中i=1，2。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

SF6濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)SF6濃度、溫度和氧氣的數(shù)據(jù)的采集，RS485總線與上位機(jī)的通訊，并將數(shù)據(jù)保存在遠(yuǎn)程控制中心的數(shù)據(jù)庫等功能。如圖2所示。

圖2 SF6濃度在線檢測系統(tǒng)

3.1 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)主要部分包括：超聲波信號的發(fā)射與接收，溫度、氧氣信號的采集，與上位機(jī)的通訊，數(shù)字相位計(jì)。由ARM發(fā)出連續(xù)脈沖經(jīng)過發(fā)射電路驅(qū)動發(fā)射換能器工作，回波信號通過濾波放大處理，A/D采樣后進(jìn)入ARM，由數(shù)字相位計(jì)得到兩路信號的相位差。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.1.1 超聲波發(fā)射與接收模塊

超聲波的發(fā)射由超聲波驅(qū)動電路和超聲波換能器組成，如圖4所示。選擇工作頻帶在63～66 kHz，驅(qū)動電壓為1 500Vpp的喇叭形超聲換能器。ARM以64.5 kHz的頻率發(fā)出6～8個連續(xù)脈沖波，驅(qū)動MOS管，通過變壓器進(jìn)行升壓，驅(qū)動超聲換能器工作。電路中加入限流電阻、保護(hù)二極管，與MOS管、變壓器共同實(shí)現(xiàn)與換能器的阻抗匹配。

圖4 發(fā)射驅(qū)動電路

回波信號需要進(jìn)行帶通濾波與信號放大，如圖5所示。超聲波信號在空氣中傳播會伴隨著能量的衰減，接收到的信號會引入一些雜波，因此在硬件設(shè)計(jì)中，采用了兩級帶通濾波放大，最后達(dá)到了峰-峰值為2 V，中心頻率在64.5 kHz附近的回波信號。兩路回波信號分別進(jìn)入高速A/D模塊同步采集。

圖5 接收電路

3.1.2 通訊模塊

RS485總線是信號以差分形式傳輸，具有傳輸距離遠(yuǎn)、速度快和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。采用SP3485芯片作為收發(fā)器，最大傳輸速度可達(dá)10 Mbit/s，并且有輸出短路保護(hù)。在數(shù)據(jù)與上位機(jī)的通訊中應(yīng)用Modbus協(xié)議，每個測點(diǎn)都有單獨(dú)的地址，數(shù)據(jù)校驗(yàn)后以幀的形式傳輸，這樣確保了上位機(jī)收發(fā)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。

3.1.3 溫度、氧氣模塊

溫度采集模塊選用LM-35，精度為0.5 ℃，工作范圍廣，輸出的電壓值與實(shí)際的溫度值擁有良好線性度，此外還具有接線簡單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。氧氣傳感器選用KE-25，精度高，壽命長，其輸出的模擬電壓信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字量，與測量的溫度值一起打包存入ARM內(nèi)存中。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控軟件主要完成數(shù)據(jù)處理、分析及儲存、泄漏報警。如圖6所示。上位機(jī)分析由采集器上傳的數(shù)據(jù)幀，依次得到含氧量、溫度、SF6濃度的信息，并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。當(dāng)檢測到氧氣含量低于18%、SF6氣體濃度高于1 000 μL/L時，系統(tǒng)發(fā)出報警聲的同時記錄下報警的時間及故障數(shù)據(jù)?？紤]到上位機(jī)軟件需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集、存入數(shù)據(jù)庫、圖表顯示以及進(jìn)行web訪問，其界面由java編寫。

圖6 上位機(jī)流程圖

4 數(shù)字相位計(jì)的算法仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 算法仿真

仿真平臺為MATLAB，令溫度為25 ℃，腔室長為0.6 m，模擬通過雙腔式接收到超聲回波信號，選取采樣頻率fs為1 MHz，兩路氣室超聲中心頻率f0均為64.5 kHz，其中cvα=0.603 kJ/(kg·K)，cvβ=0.72 kJ/(kg·K)，cpα=0.66 kJ/(kg·K)，cpβ=1.007 kJ/(kg·K)。針對不同的采樣點(diǎn)數(shù)，對相位差與SF6濃度的關(guān)系進(jìn)行了仿真，如圖7所示。

圖7 SF6濃度與加窗/不加窗處理相位差的關(guān)系

可以看出采樣點(diǎn)數(shù)N大于200時，相位差與實(shí)際值已經(jīng)非常接近。然而N過大會增加ARM處理器的工作負(fù)擔(dān)，所以N值選取不宜太大。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在定標(biāo)實(shí)驗(yàn)中，采集器參數(shù)的設(shè)置與仿真參數(shù)接近，采集點(diǎn)數(shù)N=100為最佳選擇，既能保證ARM處理器的工作速度，又能保證測量的精度。實(shí)測了不加窗插值處理與加窗插值處理的2組相位差與SF6濃度關(guān)系的數(shù)據(jù)，如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過加窗插值算法的優(yōu)化，濃度精度有了顯著的提高。優(yōu)化后的測量誤差率在5%以內(nèi)，能滿足工業(yè)測量的需要。

5 結(jié)束語

>SF6濃度在線監(jiān)測系統(tǒng)利用雙腔式測相差的方法，減小了硬件帶來的誤差的同時也減弱了環(huán)境因素的影響。檢測微弱的超聲波回波信號時，用到了兩級放大濾波，得到了能夠檢測的電壓信號。相對于已有的脈沖計(jì)數(shù)法測相位差，在ARM處理器中編寫DFT算法及加窗插值修正程序，設(shè)計(jì)了一種新的數(shù)字相位計(jì)。經(jīng)過MATLAB仿真分析與實(shí)驗(yàn)，可以看出，采樣信號進(jìn)行多項(xiàng)式插值加Hanning窗處理后，精確度有顯著的提高。

表1 角度與SF6濃度的關(guān)系

實(shí)際值/(μL·L-1)相位差/(°)相對誤差/%相位差/(°)相對誤差/%不加窗處理加窗處理40018.629.517.653.845020.808.719.692.950022.877.622.154.260027.678.526.403.565029.717.528.824.370032.138.030.863.780037.018.935.574.685039.399.137.694.390041.809.339.693.8100046.569.644.484.7110050.428.048.553.9120055.478.853.384.8

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作者簡介：作者鄧揚(yáng)(1989— )，碩士研究生，研究方向：超聲法測氣體濃度。E-mail：dengyang13@whu.edu.cn 王先培(1963— )，教授，博士，研究方向：SF6氣體檢測相關(guān)方面的研究。E-mail：xpwang@whu.edu.cn

On-line Monitoring System of SF6Concentration Based on Ultrasonic Detection

DENG Yang,WANG Xian-pei,CHEN Peng,XIAO Wei,HU Ming-yu

(School of Electronic Information, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

SF6 gas leakage can exist in long-term operation of Gas Insulated Switchgear (GIS) equipment, which led to the reduction of device security. In terms of this problem, ultrasonic technique was used in the SF6 gas concentration detection. This method has the advantages of wide measuring range and simple design. Besides it is feasible to monitor on-line. A theoretical model of ultrasonic signal propagation phase difference in the dual chamber with the SF6 gas concentration was established, and an on-line monitoring system of SF6 concentration based on ultrasonic detection was developed. To improve the measurement accuracy, a digital phase meter was designed based on the DFT algorithm, with polynomial interpolation and Hanning window algorithm used to the sampling signal, the phase and amplitude can be corrected. Experiments show that the SF6 concentration error rate can be controlled at about 5% with this digital phase meter, currently the system has been put into operation in one of transformer substations in Guizhou.

ultrasound; SF6 concentration detection; phase difference; digital phase meter; polynomial interpolation; Hanning window

馮川(1986—)，助教，碩士，主要研究領(lǐng)域：發(fā)動機(jī)排放及電控技術(shù)。E-mail：me15925127997@163.com

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50677047)；中國南方電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(K-GX2011-019)

2015-04-14 收修改稿日期：2015-08-07

TB55

A

1002-1841(2015)10-0071-04