SF6微水含量的在线监测.doc

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摘要：

本文着重介绍了SF6断路器微水含量在线监测系统的设计，分析了SF6气体的性能，介绍了监测系统所用的传感器、硬件电路设计方案、软件设计方案。

本系统包括传感器测量部分、低通滤波部分、数据采集部分、下位机即单片机处理部分和通信传输五个部分。

Abstract:

thisarticleemphaticallyintroducesSF6circuitbreakermicrowatercontentonlinemonitoringsystemdesign,analyzestheperformanceofSF6gas,introducesmonitoringsystemusedinthesensor,thehardwarecircuitdesign,softwaredesign.Thissystemincludessensormeasuringpart,lowpassfilterparts,dataacquisitionpart,lowerlevelcomputernamelySCMprocessingpartsandtransmissionoffiveparts.

一、引言

六氟化硫断路器具有断口电压高、开断能力、允许连续开断的次数较多，噪声低和无火花危险，而且断路器尺寸小、重量轻、容量大、不需要维修或少维修。

这些优点使传统的油断路器和压缩空气断路器无法与其相比，在超高压领域中几乎全部取代了其他类型断路器；另外在中压配电方面，六氟化硫断路器具有在开断容性电流时不重燃，以及开断感性电流时不产生过电压等优点，正逐步取代其他类型的断路器。

六氟化硫断路器的优良性能得益于SF6气体良好的灭弧特性。

SF6是无色、无味、无毒，不可燃的惰性气体，具有优异的冷却电弧特性，介电强度远远超过传统的绝缘气体。

在均匀电场下，SF6的介质强度为同一气压下空气的2.5—3倍，在4个大气压，其介质电强度与变压器油相当。

由于SF6的介质强度高，对相同电压级和开断电流相近的断路器，SF6的串联断口要少。

常态下，SF6气体无色无味，有良好的绝缘性能和灭弧性能，一旦大气中的水分浸入或固体介质表面受潮，则电气强度会显著下降。

断路器是户外设备，当气温骤降时，SF6气体过量水可能会凝结在固体介质表面而发生闪络，严重时造成断路器发生爆炸事故。

纯净SF6气体，在运行中，受电弧放电或高温后，会分解成单体的氟、硫和氟硫化合物，电弧消失后会又化合成稳定的SF6气体。

当气体中含有水分时，出现的氟硫化合物会与水反应生成腐蚀性很强的氢氟酸、硫酸和其他毒性很强的化学物质等，危及维护人员的生命安全，对断路器的绝缘材料或金属材料造成腐蚀，使绝缘劣化，甚至发生设备爆炸。

因此，SF6的监测就显得尤为重要了。

本次设计的系统要求：

熟悉110kVSF6高压断路器的整体结构和故障特点，设计一SF6高压断路器微水含量在线监测系统，能够对SF6高压断路器中气体的微水含量进行监测，选择合适的传感器构成传感系统，设计信号处理硬件电路和软件框图及部分程序，构成完整的在线监测系统。

选择合适的传感器，并对传感器的原理进行分析；完成系统硬件电路的设计，完成软件系统流程框图和部分程序的设计，设计和上位机的通讯系统。

二、硬件设计方案

2.1方案选择

本次的SF6断路器微水含量在线监测系统设计的最初方案是用湿度传感器采集气体中微水的含量，然后通过NE555芯片将其转换成频率信号传输到下位机即单片机，在单片机里进行一系列的数据处理再通过通信输入到上位机。

但是由于频率信号对我们来说不好处理，所以把将湿度传感器采集到的微水信号通过运算放大器转换成电压信号再输入到单片机。

SF6气体微水含量在线监测系统湿度特征量信号，并对其进行预处理、传送、存储、计算、判断和显示来完成整个在线监测过程。

因此该系统由传感器、单片机、主控PC机组成。

单片机是用带AT89C51，采用RS232与PC机通信。

SF6在线监测系统通信距离是20m。

结构框图如图2--1所示。

HS1101湿度检测

下位机处理

（51单片机）

上位机

外存储器

CD4051多路开关

ADC0808AD转换

图2—1系统结构框图

2．2系统功能描述

HS1101湿度传感器检测到气体的相对湿度后通过运放将其转换成电压信号，并通过低通滤波电路将该电压滤波得到1000HZ以下频率的模拟信号，模数转换芯片ADC0808采集该模拟信号并将其转换成数字信号输入到单片机。

单片机通过程序软件一方面判断该信号的大小以选择多路开关的通断来选择参考电容，实现程控；另一方面将该信号存入外存储器以便上位机通过芯片RS232随时读取。

2．3各单元功能介绍

2.3.1测量电路

湿度指的是相对湿度,用%RH表示。

即气体中（通常为空气中）所含水蒸气量（水蒸气压）与其空气在相同情况下饱和水蒸气量（饱和水蒸气压）的百分比。

HS1100湿度传感器是一种基于电容原理的湿度传感器,相对湿度的变化和电容值呈线性规律。

在自动测试系统中,电容值随着空气湿度的变化而变化,因此将电容值的变化转换成电压或频率的变化,才能进行有效地数据采集。

本设计中采用将电容值的变化转换成电压的变化来采集，该电路采集了4个点的信号，用运放放大电压来实现。

其原理是给运放反向输入端接一参考电压并串入一参考电容（因为要实现程控，所以并联了4个电容），参考电容值与传感器的电容值之比为运放的增益，该增益乘以参考电压得到输出电压，完成从而完成湿度到频率的转换,如图2—2所示为一个点的测试电路。

C1为参考电容，CX1代表湿度传感器，Ui为参考电压，Uo为输出电压。

增益A=C1/CX1，输出电压Uo=Ui*A=Ui*C1/CX1,即完成了将传感器的电容信号转换为电压信号。

图2—2HS1101湿度传感器的测量电路

HS1101简介

HS1101是法国Humirel公司推出了一款电容式相对湿度传感器。

该传感器可广泛用于办公室、家庭、汽车驾驶室和工业过程控制系统等，对空气湿度进行检测。

与其他产品相比,它有着显著的优点:

（1）无需校准的完全互换性;

（2）长期饱和状态,瞬间脱湿;（3）适应自动装配过程,包括波峰焊接、回流焊接等;（4）具有高可靠性和长期稳定性;（5）特有的固态聚合物结构;（6）适用于线性电压输出和线性频率输出两种电路;（7）响应时间快。

（1）、基本参数值

表1最大参数值（Ta=250C除非特别标定）

参数

符号

参数值

单位

工作温度

Ta

-40～100

0C

储藏温度

Tstg

-40~125

0C

供电电压

Vs

10

V

湿度范围

RH

0~100

%RH

表2特征参数（Ta=25,@10KHz,除非特别标定）

特征参数

符号

MIN

Typ

MAX

单位

湿度测量范围

RH

1

0C

99

%

供电电压

Vs

5

10

V

表称电容@55%RH

C

177

180

183

pF

温度效应

Tcc

0.04

PF/0C

平均灵敏度

ΔC/%RH

0.34

pF/%RH

漏电流

Ix

1

nA

恢复时间@150小时结露

Tr

10

s

迟滞

+/-1.5

%

长时间稳定性

0.5

%RH/yr

反应时间

Ta

5

s

曲线进度（10%～90%）

+/-2

%RH

（2）特性曲线

HS1101特性曲线如图2--3所示。

测量温度Tα=25℃,测量时HS1101的工作频率为10kHz。

从特性曲线曲线图上可以看出,HS1101具有极好的线性输出,可以近似看成相对湿度值与电容值成比例,因此在测量过程中,采集电容值即可。

图2—3HS1101电容值—相对湿度特性曲线

2.3.2信号采集电路

得到HS1101的湿度信号转换成的电压信号后，由于该信号可能含有比较高频率的谐波或杂波信号，若直接采集会影响单片机的判断质量，因此将其通过低通滤波电路滤波后再输入到ADC0808，ADC0808的采样频率是通过单片机输出一定频率的高低电平的方波控制。

电路如图2—4所示为两个点的滤波及采集电路。

该滤波电路的通带电压增益为1.586倍，截止频率为1000Hz，滤波电路输入端接测量电路得到的电压信号，输出端接入模数转换芯片ADC0808的输入端进行数据采集，采集到的每一路信号都形成8个数字电平信号通过输出端输出。

该电路采用分时数据采集，每一路信号在单片机外围存储器里都分配了各自的存储地址，以便确认单片机访问的数据是来自哪个点的数据。

图2—4滤波采集电路

2.3.3信号处理

图2—5下位机信号处理电路

信号处理模块用AT89C51完成，由于我们采样频率较高，得到的数据较多，

而单片机的存储空间有限，因此需要用到62256来做单片机的外存储器，外存储器的容量为32K。

因为要实现程控放大，用单片机控制测量电路的放大增益，所以要加一个CD4051多路开关来选择参考电容。

其原理为：

当单片机得到的信号较小的时候，需要增加运放的放大增益，因此单片机需要输出一组数据到多路开关的选路端口选择与大参考电容相串联的开关，使其导通，从而增加运放的增益。

电路如上图2—5所示。

2.3.4通信电路

通常PC机和单片机之间的通信是通过串行总线RS-232实现的。

因此采用一种以MAX232为核心的通信接口电路。

该接口电路适用于由一台PC机与多个8051单片机串行通信的设计,其原理和方法同样适用于PC机与其它单片机之间的串行数据通信。

RS-232C通信接口电路是上位机和下位机之间信息传递的枢纽，一切数据的传输必需由它完成，上位机直接利用它的RS-232串行口，为此，采用了RS-232串行通信来接收或上传数据和指令。

但RS-232信号的电平和单片机串口信号的电平不一致，必须进行二者之间的电平转换。

在此电路中，采用MAX232实现TTL逻辑电平和RS-232电平之间的相互转换。

MAX232由单一的+5V电源供电，只需配接5个高精度10μF/50V的钽电容即可完成电平转换。

转换后的串行信号TXD、RXD直接与PC机的串行口连接，即MAX232的14和13号脚直接与上位机的串行口连接。

电路如图2—6所示。

图2—6通信电路

2.3.5CAN总线通信软件的设计

虽然本设计总的上位机与下位机是一对一的通信，即不需要CAN总线通信，但一般的工程通信都是多对一（多台下位机和一台上位机）的通信，因此在这里简要介绍一下CAN总线通信的基本软件设计。

通信任务主要包括两个方面的内容：

通过双口RAM和MCU通信和通过CAN模块与上位机通信。

下位机监测单元MCU通信软件的主要功能是：

对接受到的报文进行校验、处理和发送。

其执行流程如图2--7所示报文的接收采用中断和查询相结合的方式，即初始化时就打开串口的接收中断并设为低级优先级方式，当串口接收到报文的第一个字节时，就进行串口中断服务程序，在中断服务程序里关闭串口中断，通过查询来接收报文剩余字节

开始

把数据封装成报文

把报文拆分成相关联的CAN帧

发送CAN帧

还有CAN帧要发送？

YN

结束

N

图2--7CAN模块发送数据基本流程

MC