基于LabVIEW的SF6氣體泄漏檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李 超，趙志剛，王 亮，代相波

(沈陽(yáng)工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

SF6作為一種介質(zhì)由于具有優(yōu)異的絕緣效果和化學(xué)穩(wěn)定性，已被廣泛應(yīng)用于電力工業(yè)中。在高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備中通常GIS用氣量最大[1]，因此，在電力系統(tǒng)裝有SF6設(shè)備的開(kāi)關(guān)室里，通常會(huì)由于通風(fēng)不暢造成因SF6氣體泄漏直接對(duì)室內(nèi)環(huán)境造成污染，損害人員健康，甚至對(duì)生命安全造成嚴(yán)重威脅，也給設(shè)備的運(yùn)行造成了很大的隱患。另外，SF6氣體本身成本比較昂貴，如果經(jīng)常發(fā)生泄漏，就要為電氣設(shè)備補(bǔ)氣增加運(yùn)行成本。所以，國(guó)家相關(guān)部門(mén)對(duì)SF6氣體泄漏的問(wèn)題非常關(guān)注，并且出臺(tái)了嚴(yán)格的強(qiáng)制檢漏標(biāo)準(zhǔn)。此種情況，進(jìn)行SF6氣體的檢測(cè)和漏氣報(bào)警具有非常重要的意義。通過(guò)SF6氣體泄漏檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)，可有效監(jiān)測(cè)SF6氣體在空氣中的濃度，對(duì)于電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行和工作人員的健康有益。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和氣體檢測(cè)原理

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由上位機(jī)LabVIEW軟件、C8051F020單片機(jī)、信號(hào)調(diào)理電路、傳感器等部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)通過(guò)電化學(xué)傳感器采集氣體信息，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)電路進(jìn)行信號(hào)的放大和濾波等，信號(hào)再經(jīng)過(guò)一次A/D轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)RS-485串口傳送到上位機(jī)軟件。最后在LabVIEW上位機(jī)軟件上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)顯示、記錄存儲(chǔ)和報(bào)警提示等。該系統(tǒng)分為多路采集，可以顯示發(fā)生SF6泄漏位置。

1.2 電化學(xué)氣體傳感器工作原理

電化學(xué)傳感器一般具有工作性能穩(wěn)定、使用壽命較長(zhǎng)、靈敏度高、功耗低、選擇性強(qiáng)等特點(diǎn)，并且對(duì)氣體的響應(yīng)速度較快，氣體濃度和輸出的電流信號(hào)之間具有良好的線性關(guān)系，所以低濃度氣體非常適合使用電化學(xué)傳感器來(lái)檢測(cè)[2]。電化學(xué)傳感器是根據(jù)原電池原理制成的，傳感器本身就是一個(gè)電池。它由2個(gè)多孔氣體擴(kuò)散電極組成，2個(gè)電極分別為疏水性好的透氣膜和導(dǎo)電性好的催化膜。透氣膜是1層塑料薄膜，它是進(jìn)氣的通道。催化膜由擔(dān)體組成，它能使被測(cè)氣體易與電解液發(fā)生接觸，通過(guò)催化劑使其快速發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并收集反應(yīng)電荷[3]。氣體擴(kuò)散的過(guò)程控制電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流，而擴(kuò)散過(guò)程與待測(cè)氣體濃度有一定的關(guān)系。根據(jù)法拉第電解定律可知，電流強(qiáng)度與氣體濃度具有線性關(guān)系。因此，電化學(xué)傳感器是通過(guò)電解反應(yīng)的電流來(lái)測(cè)量氣體的濃度。

傳感器一般由敏感元件、變換元件、信號(hào)調(diào)節(jié)電路三部分組成，如圖2所示。通過(guò)圖2也可得知被測(cè)量由模擬量變?yōu)閿?shù)字量的整個(gè)過(guò)程。

圖2 傳感器的組成結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 中央處理單元

采用C8051F020單片機(jī)作為SF6氣體檢測(cè)系統(tǒng)的微控制單元，C8051F系列單片機(jī)是集成的混合信號(hào)集成芯片，它的運(yùn)行單位是時(shí)間周期，因此指令的運(yùn)行速度大大得到了提高?？梢酝ㄟ^(guò)JTAG接口可以對(duì)系統(tǒng)上的單片機(jī)進(jìn)行在線調(diào)試。它具有100 KB/s、12位的8通道ADC、PGA和多路模擬開(kāi)關(guān)[4]，可以實(shí)現(xiàn)8路單端的信號(hào)采集和A/D轉(zhuǎn)換，比普通的51系列在多路數(shù)據(jù)采集和處理上具有較大優(yōu)勢(shì)。SF6氣體信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理后進(jìn)入單片機(jī)的輸入端0、1，單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)RS-485串口發(fā)送到上位機(jī)。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路

模擬信號(hào)是通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路變成數(shù)字信號(hào)的，信號(hào)調(diào)理就是將敏感元件檢測(cè)到的各種信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的過(guò)程。信號(hào)調(diào)理在數(shù)字量輸入的通道中主要實(shí)現(xiàn)消抖、濾波、電平轉(zhuǎn)換、保護(hù)、隔離等功能。一套完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須要有信號(hào)調(diào)理電路[5]。傳感器的輸出電流是μA級(jí)的，因此調(diào)理電路中要有運(yùn)放功能，SF6傳感器的信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路

2.3 SF6氣體傳感器

采用SC-B 型 SF6傳感器，利用 SF6“滅弧”的特點(diǎn)，以及定時(shí)動(dòng)態(tài)高壓微電流檢測(cè)原理，靈敏度高、運(yùn)行穩(wěn)定。測(cè)量范圍是0～5 000 mg/L，輸出信號(hào)電壓為0～5 mV，工作電流小于100 mA，標(biāo)準(zhǔn)報(bào)警電壓是1.15 V(1 000 mg/L 氣體濃度)。通過(guò)SF6傳感器進(jìn)行氣體模擬量的采集，然后通過(guò)調(diào)整電路調(diào)整后傳送給上位機(jī)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)的智能采集工作，應(yīng)該具有數(shù)據(jù)采集和信號(hào)調(diào)整的功能，并且與上位機(jī)進(jìn)行通信[6]。單片機(jī)的系統(tǒng)流程如圖4所示。下位機(jī)的軟件程序主要是定時(shí)器中斷、串口中斷、主程序幾部分，在系統(tǒng)的初始化階段，系統(tǒng)將時(shí)鐘、數(shù)字I/O和ADC進(jìn)行初始化。在初始化之后，程序進(jìn)入循環(huán)階段。在每次完成氣體信息的采集循環(huán)后，要對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并且對(duì)氣體的濃度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，最后通過(guò)485串口將處理好的信號(hào)傳送出去。

圖4 系統(tǒng)流程

下位機(jī)具有溫度補(bǔ)償模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。環(huán)境溫度可能會(huì)使電化學(xué)傳感器的輸出信號(hào)受到影響，因此該系統(tǒng)采用軟件補(bǔ)償?shù)姆绞綄?duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而提高檢測(cè)的精度。可以把溫度傳感器作為模擬信號(hào)的輸入，進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過(guò)運(yùn)算后得到溫度值。把氣體的測(cè)量結(jié)果通過(guò)溫度補(bǔ)償法進(jìn)行修正，得到更加精確的檢測(cè)值。正常的串口發(fā)送的數(shù)據(jù)為一個(gè)字節(jié)，而SF6一次采集4個(gè)字節(jié)，因此需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，發(fā)送出一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀[7]。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW是一種圖形化編程語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室，被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)用于數(shù)據(jù)采集和儀器控制的軟件。LabVIEW 提供了豐富的開(kāi)發(fā)工具與函數(shù)，具有數(shù)據(jù)采集、分析、存儲(chǔ)、顯示等功能。其界面友好、操作簡(jiǎn)單且開(kāi)發(fā)周期短，具有模塊化和結(jié)構(gòu)化編程的特點(diǎn)，支持層次化和模塊化的程序設(shè)計(jì)，程序具有很強(qiáng)的可讀性。

3.2.1 數(shù)據(jù)的接收與采集

本文通過(guò)LabVIEW采用串口通信接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的格式是字符串的形式，實(shí)際上，每個(gè)字符串對(duì)應(yīng)一個(gè)ASCII碼，因此數(shù)據(jù)傳送到串口要經(jīng)過(guò)一次代碼的轉(zhuǎn)換，其他進(jìn)制的數(shù)據(jù)都要轉(zhuǎn)換為ASCII碼才能進(jìn)行接收和傳送[8]。LabVIEW要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收，首先在VISA模塊的串口節(jié)點(diǎn)設(shè)置串口號(hào)、波特率、校驗(yàn)方式以及停止位。配置好參數(shù)后，通過(guò)VISA Read節(jié)點(diǎn)進(jìn)行緩沖器數(shù)據(jù)的讀取，串口每次讀取的數(shù)據(jù)為7個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)采集后要進(jìn)行校驗(yàn)，如果校驗(yàn)錯(cuò)誤，系統(tǒng)會(huì)停止讀取數(shù)據(jù)；如果校驗(yàn)正確，數(shù)據(jù)將會(huì)被傳送到數(shù)據(jù)的處理和顯示單元[9]。

3.2.2 數(shù)據(jù)的處理和顯示

軟件的數(shù)據(jù)處理單元通過(guò)串口接收到數(shù)據(jù)幀后要對(duì)其進(jìn)行拆包處理，有用的數(shù)據(jù)將被系統(tǒng)提取出來(lái)，通過(guò)子程序處理后得到SF6的濃度信息。利用儀表顯示控件和波形顯示控件顯示SF6的濃度和傳感器的電壓值。將得到的數(shù)據(jù)輸入到報(bào)警子程序中與預(yù)設(shè)限值進(jìn)行對(duì)比，如果超過(guò)限值，報(bào)警程序的指示燈將會(huì)點(diǎn)亮。

3.2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

系統(tǒng)通過(guò)寄存器可以把每次測(cè)量得到的結(jié)果保存到表格中，氣體的濃度和采樣時(shí)間可以在前面板上顯示。可以將保存的數(shù)據(jù)保存為.xls或.txt的格式，以便于對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)監(jiān)測(cè)某實(shí)驗(yàn)室的SF6氣體濃度，來(lái)驗(yàn)證該氣體檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)的可靠性。首先要配置好串口的參數(shù)，系統(tǒng)采用的是Modbus通信協(xié)議通過(guò)RS-485進(jìn)行通信[10]。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)SF6氣體濃度的實(shí)時(shí)顯示，和傳感器電壓的動(dòng)態(tài)顯示，對(duì)應(yīng)每個(gè)傳感器有氣體泄漏的報(bào)警提醒。氣體檢測(cè)與報(bào)警的頁(yè)面如圖5所示。

圖5 氣體的檢測(cè)和報(bào)警顯示

當(dāng)SF6氣體的濃度高于限值時(shí)，系統(tǒng)界面出現(xiàn)警告提示，并且可以明顯看到傳感器對(duì)應(yīng)的氣體泄漏區(qū)域位置。由圖5可見(jiàn)，傳感器1和傳感器4的位置發(fā)生了SF6氣體泄漏，并且出現(xiàn)了相應(yīng)的告警提示。

5 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)基于LabVIEW平臺(tái)對(duì)SF6氣體進(jìn)行濃度檢測(cè)并且進(jìn)行氣體泄漏報(bào)警，可以有效控制由于SF6泄漏對(duì)環(huán)境和人體造成的危害。系統(tǒng)通過(guò)傳感器對(duì)SF6氣體的濃度進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后傳送到上位機(jī)上顯示。系統(tǒng)對(duì)氣體是否泄漏進(jìn)行判斷，發(fā)生泄漏時(shí)報(bào)警燈會(huì)變成紅色。該系統(tǒng)可進(jìn)行多個(gè)位置的檢測(cè)，當(dāng)該位置的傳感器檢測(cè)到有SF6泄漏時(shí)，在監(jiān)控頁(yè)面會(huì)有相應(yīng)的位置報(bào)警提示。該系統(tǒng)具有高效的數(shù)據(jù)處理能力，可使人們及時(shí)發(fā)現(xiàn)氣體泄漏，避免對(duì)人身和環(huán)境的傷害。