基于重量動(dòng)態(tài)測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)檢修面SF6氣體回收率智能檢測(cè)技術(shù)

摘 "要：該文探究基于重量動(dòng)態(tài)測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)檢修面SF6氣體回收率智能檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)組成、檢測(cè)方法和應(yīng)用效果。該裝置通過前端傳感器獲取氣室的溫度、壓力數(shù)據(jù)，由主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算后將SF6氣體回收率結(jié)果上傳至客戶端，方便用戶直觀、實(shí)時(shí)地了解電氣設(shè)備各個(gè)氣室的SF6回收率，當(dāng)實(shí)施回收率達(dá)到設(shè)定值后給出提醒并自動(dòng)停止回收。試驗(yàn)表明，該檢測(cè)裝置的SF6氣體回收率誤差為-0.34%，在規(guī)定要求的±1%范圍內(nèi)，SF6前提回收率檢測(cè)精度達(dá)標(biāo)。

關(guān)鍵詞：重量動(dòng)態(tài)測(cè)量；SF6氣體；回收率檢測(cè)；壓阻式壓力傳感器；智能檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TM75 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號(hào)：2095-2945（2025）10-0162-04

Abstract： This paper explores the structural composition， detection method， and application effect of an intelligent detection device for SF6 gas recovery rate in on-site maintenance surfaces based on weight dynamic measurement. The device obtains temperature and pressure data of the gas chamber through front-end sensors， calculates the data by the main control chip， and uploads the SF6 gas recovery rate results to the client， thus making it convenient for users to intuitively and real-time understand the SF6 recovery rate of each gas chamber of the electrical equipment. When the recovery rate reaches the set value， a reminder is given and the recovery is automatically stopped. The experiment shows that the SF6 gas recovery rate error of the detection device is -0.34%， and within the required ± 1% range， the SF6 recovery rate detection accuracy meets the standard.

Keywords： dynamic weight measurement; SF6 gas; recovery rate detection; piezoresistive pressure sensor; intelligent detection

在電力行業(yè)大力推行節(jié)能減排背景下，對(duì)高壓電氣設(shè)備氣室六氟化硫（SF6）的回收率提出了更高的要求，如何準(zhǔn)確測(cè)定SF6的回收率成為現(xiàn)階段技術(shù)攻堅(jiān)的主要方向?；谥亓縿?dòng)態(tài)測(cè)量的SF6氣體回收率智能檢測(cè)技術(shù)，基于分壓原理抽取一定量的SF6氣體，計(jì)算出被測(cè)容器的實(shí)際體積；同時(shí)結(jié)合傳感器采集的壓力、溫度等數(shù)據(jù)，計(jì)算出SF6氣體的重量，最后對(duì)比回收前后的數(shù)據(jù)差異，得到SF6氣體的回收率。該技術(shù)適用于現(xiàn)場(chǎng)檢修面SF6氣體回收率的實(shí)時(shí)測(cè)定，具有操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)快速、準(zhǔn)確度高等優(yōu)勢(shì)，對(duì)進(jìn)一步提高SF6氣體的回收率、實(shí)現(xiàn)SF6氣體的循環(huán)利用有積極幫助。

1 "SF6氣體回收率檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法

1.1 "智能檢測(cè)裝置的組成

SF6氣體回收率智能檢測(cè)裝置由主控芯片、金屬腔體、傳感器、顯示屏等組成。主控芯片集成在電路板上，支持?jǐn)?shù)據(jù)的讀取與計(jì)算，電路板連接顯示屏可以實(shí)時(shí)顯示回收率等參數(shù)。裝置的入口接頭可按照電氣設(shè)備回收口的直徑靈活替換，出口接頭采用自封接頭，在不連接SF6回收管道時(shí)處于自封狀態(tài)，防止漏氣；在連接回收裝置的管道時(shí)自動(dòng)打開。連接完畢后，金屬腔體內(nèi)安裝的傳感器可以采集氣體壓力和溫度等數(shù)據(jù)，并記錄到微控制器中。初始數(shù)據(jù)讀取結(jié)束后，連接回收裝置進(jìn)行SF6氣體回收，在此過程中同步計(jì)算回收率?；厥战Y(jié)束后，斷開回收裝置，讀取此時(shí)的壓力、溫度，根據(jù)前后2次的檢測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算SF6氣體回收率[1]。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、測(cè)量速度快等優(yōu)勢(shì)，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 "回收率測(cè)定方法

假設(shè)電氣設(shè)備氣室的有效體積為V，在氣室回收口連接SF6氣體回收率測(cè)定裝置，并獲取氣室的氣體壓力（P）和溫度（T）。根據(jù)“理想氣體狀態(tài)方程”

在回收開始前進(jìn)行一次測(cè)定，初始?jí)毫镻0，初始溫度為T0?？傻没厥涨皻馐抑袣怏w的物質(zhì)的量（n0）為

式中：R表示摩爾氣體常數(shù)。在SF6氣體回收時(shí)測(cè)定實(shí)時(shí)壓力（P1）和實(shí)時(shí)溫度（T1），則當(dāng)前時(shí)刻氣室中剩余SF6氣體的物質(zhì)的量（n1）為

則SF6氣體回收率（η）的計(jì)算公式為

在回收率達(dá)到設(shè)定值后，該裝置會(huì)自動(dòng)提醒。當(dāng)SF6氣體回收結(jié)束后，回收裝置自動(dòng)停止運(yùn)行。

2 "SF6氣體回收率檢測(cè)裝置的軟硬件選型

2.1 "主控芯片

SF6氣體回收率檢測(cè)裝置需要實(shí)時(shí)采集溫度、壓力數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算，因此對(duì)主控芯片（微處理器）的性能提出了較高要求。該裝置選擇RISC-V架構(gòu)的32位單核處理器ESP32-C3作為主控芯片，時(shí)鐘頻率最高為175 MHz，自帶512 KB的RAM和320 KB的ROM，有24個(gè)可編程的I/O口，支持短距離藍(lán)牙通信和2.4 GHz無線通信[2]。另外，該芯片采用AES加密算法，保證了在程序運(yùn)行過程中各項(xiàng)數(shù)據(jù)始終處于加密狀態(tài)，避免了數(shù)據(jù)丟失、篡改、泄露等問題，對(duì)提高最終檢測(cè)結(jié)果的精確性有積極幫助。

2.2 "電源電路

為了使該裝置能夠穩(wěn)定和持續(xù)運(yùn)行，選擇18650鋰電池作為電源為SF6氣體回收率檢測(cè)裝置供電。該電源可以直接用220 V市電充電，容量為3 000 mAh，正常情況下可持續(xù)供電8 h。電源電路有欠壓鎖定、自動(dòng)在充電、充電狀態(tài)指示等基本功能。

2.3 "信號(hào)處理電路

模擬信號(hào)處理電路是該裝置的核心組成，包含的硬件有傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器以及模擬前端等。采用PT100溫度傳感器和壓阻式壓力傳感器，可分別采集溫度信號(hào)與壓力信號(hào)。壓阻式壓力傳感器在相同壓力、不同溫度環(huán)境下，輸出信號(hào)會(huì)根據(jù)溫度的變化而變化，從而準(zhǔn)確測(cè)量SF6氣體的壓力數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

為了提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，將放大器、濾波器與傳感器進(jìn)行串聯(lián)，組成了信號(hào)調(diào)理電路，對(duì)傳感器采集到的溫度和壓力信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、降噪等處理。最后通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成24位高精度數(shù)字信號(hào)，傳送至主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。

2.4 "通信設(shè)備

本文設(shè)計(jì)的SF6氣體回收率檢測(cè)裝置采用2種通信傳輸：一種是工業(yè)RS-485有線通信，采用雙線制的半雙工標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸，最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)1 200 m，最多節(jié)點(diǎn)數(shù)為24個(gè)，適用于上位機(jī)與下位機(jī)之間的遠(yuǎn)距離通信，在保證信號(hào)質(zhì)量的前提下提高通信速率。另一種是全雙工藍(lán)牙LE5.0無線通信，在通行條件良好情況下最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)20 m，1臺(tái)主設(shè)備（下位機(jī)）可連接上千個(gè)檢測(cè)設(shè)備，適用于下位機(jī)與前端傳感器的近距離通信[3]。

2.5 "嵌入式軟件設(shè)計(jì)

該檢測(cè)裝置的軟件部分采用C++語言編寫，為嵌入式的多線程架構(gòu)。其中，壓力和溫度數(shù)據(jù)的采集與計(jì)算，以及用戶按鍵操作和處理結(jié)果的顯示等，均在同一線程中使用狀態(tài)機(jī)處理；基于藍(lán)牙的數(shù)據(jù)交互為單線程處理。該檢測(cè)裝置運(yùn)行以后，軟件部分的主程序首先完成初始化，然后RS-485總線初始化、傳感器初始化、A/D轉(zhuǎn)換初始化等子程序同時(shí)進(jìn)行。在滿足判定條件后執(zhí)行相應(yīng)的操作，嵌入式軟件的工作流程如圖3所示。

2.6 "上位機(jī)及客戶端設(shè)計(jì)

為了方便遠(yuǎn)程檢測(cè)設(shè)計(jì)了2種模式的客戶端：一種是基于PC機(jī)的客戶端，另一種是基于移動(dòng)設(shè)備的客戶端，可通過手機(jī)、平板等移動(dòng)設(shè)備隨時(shí)了解SF6氣體的回收率。上位機(jī)與SF6氣體回收率檢測(cè)裝置之間使用工業(yè)RS-485總線進(jìn)行通信，檢測(cè)裝置接收前端傳感器提供的數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算后，所得結(jié)果上傳至客戶端并在界面上進(jìn)行直觀顯示，用戶可通過上位機(jī)顯示屏獲取所觀測(cè)氣室的SF6氣體回收率、壓力、溫度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)?？蛻舳酥С謿v史數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，可選擇不同時(shí)間段內(nèi)的氣體回收率繪制“時(shí)間-回收率”曲線展開分析[4]。

3 "現(xiàn)場(chǎng)檢修面SF6氣體回收率智能檢測(cè)的驗(yàn)證

3.1 "回收率試驗(yàn)方法

為了驗(yàn)證SF6氣體回收率智能檢測(cè)裝置的應(yīng)用效果，設(shè)計(jì)了如下試驗(yàn)：選擇一個(gè)8 L標(biāo)準(zhǔn)鋼瓶，用量程為50 kg、分度值為0.5 g的精密電子秤稱量鋼瓶的質(zhì)量，記為M1；然后向鋼瓶?jī)?nèi)充入600 kPa.a的SF6氣體300 g，再次稱量裝有SF6氣體的鋼瓶質(zhì)量，記為M2。用式（5）計(jì)算電子秤準(zhǔn)確度（λ）

λ=■×100% 。（5）

求得λ值為0.167%，表明該電子秤準(zhǔn)確度滿足回收率驗(yàn)證的精度要求，然后開始回收率試驗(yàn)，該試驗(yàn)分2步。

步驟1：獲取1 m3容器實(shí)際體積。將1 m3容器抽真空后，使用8 L高純氮鋼瓶向該容器充入高純氮至一定壓力（P1），測(cè)量此時(shí)的密度（ρ1），8 L高純氮?dú)庠捶Q重為m2；繼續(xù)向該容器充入高純氮至一定壓力（P2），測(cè)量此時(shí)的密度（ρ2），8 L高純氮?dú)庠捶Q重為m3。則該容器的實(shí)際體積（V）可通過式（6）求得

步驟2：測(cè)定SF6氣體的回收率。將1 m3容器抽真空后，充入SF6氣體至700 kPa.a左右，然后用橡膠軟管連接容器出口與回收率檢測(cè)儀的入口。在檢測(cè)儀的出口連接U型震蕩管密度計(jì)等測(cè)試材料。連接完畢并確認(rèn)密封良好后，擰開取樣閥門，將氣體流速設(shè)定為1 000 L/min，讓SF6氣體吹掃U型震蕩管和測(cè)試管路，持續(xù)5 min，然后關(guān)閉調(diào)節(jié)閥。測(cè)量此時(shí)的密度（ρ3）、壓力（P3）、溫度（T1）。將回收率檢測(cè)儀的出口重新連接回收裝置，回收壓力至150 kPa.a左右，重復(fù)上述步驟并獲得密度（ρ4）、壓力（P4）和溫度（T2），同時(shí)觀察記錄回收率檢測(cè)儀的示數(shù)，記為d1[5]。完成上述操作后，通過式（7）計(jì)算回收率

回收率檢測(cè)儀的差值（Δk）計(jì)算公式為

Δk=d1-？濁 。 （8）

3.2 "回收率試驗(yàn)結(jié)果

8 L鋼瓶在未充氣時(shí)凈重（m2）為9 036.5 g，向1 m3容器充氣后重量（m3）為8 585 g。該容器初始密度（ρ1）為3.19×10-3 g/cm3，充氣后密度（ρ2）為2.77×10-3 g/cm3，將各項(xiàng)數(shù)值帶入式（6）得

即1 m3容器的實(shí)際體積為1.073 m3。

將該容器充入SF6氣體至718 kPa后，測(cè)量其密度（ρ3）為4.564×10-2 g/cm3，當(dāng)氣體回收至154 kPa后，測(cè)量其密度（ρ4）為9.2×10-3 g/cm3，此時(shí)回收率檢測(cè)儀的示數(shù)（d1）為79.5%。將各項(xiàng)數(shù)據(jù)帶入式（7），可以求得密度測(cè)定法回收率（η）為

（10）

進(jìn)一步求得回收率檢測(cè)儀的差值（Δk）

。（11）

該值小于課題指標(biāo)中差值不超過±1%的規(guī)定，表明本文設(shè)計(jì)的基于重量動(dòng)態(tài)測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)檢修面SF6氣體回收率智能檢測(cè)裝置可以滿足使用要求。

4 "結(jié)束語

高壓電氣設(shè)備氣室排放的SF6是一種毒性氣體，如果直接排放會(huì)造成空氣污染、危害人體健康。將SF6回收再利用既可以解決污染問題、消除安全隱患，又能創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值?；谥亓縿?dòng)態(tài)測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)檢修面SF6氣體回收率智能檢測(cè)裝置能夠基于溫度、壓力等數(shù)據(jù)準(zhǔn)確測(cè)得SF6氣體的回收率，通過歷史數(shù)據(jù)分析可以直觀掌握高壓電氣設(shè)備氣室SF6氣體的回收率變化趨勢(shì)，為設(shè)備的優(yōu)化以及SF6氣體的循環(huán)再利用提供了支持。

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