[发明专利]紫外光谱在线监测SF6电气设备内SO2的系统及方法

权利要求书

1.紫外光谱在线监测SF₆电气设备内SO₂的系统气，其特征在于：

紫外光谱在线监测SF₆电气设备内SO₂的系统，主要包括气体采样池、下位机控制模块、紫外光谱仪、氘灯光源、真空泵、待测SF₆电气设备、上位机数据处理与状态分析模块；

（1）各部分结构及功能

所述气体采样池主体为直通管道，直通管道两端各设有结构相同的一个组合体结构的采样接口模块，都固定于方形底座上，其一端为进气口，另一端为出气口；在每个采样接口模块分别都设有一个光纤耦合接口、采样接口模块密封螺孔和采样接口模块密封端盖；此外还分别设有一个与采样接口模块相贯的变送器接口空心螺栓，它不但可以连接变送器，还是外界与气体采样池进行气体交换的通道；

所述下位机控制模块是一台控制器，其结构包括MCU1、MCU2和POWER三个部分，又分为以下子模块：单片机模块，继电器模块，电源模块，变送器输入模块，显示模块，按键模块，PCF8563时钟模块；

单片机模块包括MCU1和MCU2，MCU1的串口输出端与MCU2的串口输入端相连，MCU1的串口输入端与MCU2的串口输出端相连；继电器模块包括三个继电器，分别与三个电磁阀——采样气体进气电磁阀、气体出气电磁阀、真空泵电磁阀相连，由MCU2控制，用于连接三个电磁阀，通过单片机控制信号使三个电磁阀获得12V的控制电压；电源模块包括DC5V，DC12V，AC220V三种供电电路结构，其中DC12V电源为采样气体进气电磁阀、采样气体出气电磁阀、真空泵电磁阀提供开启电压，DC5V电源为下位机控制模块提供工作电源，AC220V电源为系统提供备用交流220V工作电源；变送器输入模块包括温度变送器和压力变送器，分别与MCU1相连，主要用于接收采样池的温度和压力变送器传送的0-5V电压信号；显示模块是一块分辨率为128×64的液晶显示器，直接与MCU1相连，用于将压力、温度和电磁阀的状态实时输出；PCF8563时钟模块是一块时钟芯片，直接与MCU2相连，用于对系统进行定时采样；按键模块包括8个按键，与MCU2相连，用于控制LED灯和继电器模块；

所述紫外光谱仪是测量光路的信号检测元件；

所述氘灯光源是测量光路的信号发生元件；

所述真空泵，是一个由DC12V电源驱动的微型化的泵吸装置；

所述待测SF₆电气设备，是系统中待测样本气体的气源；

所述上位机数据处理与状态分析模块由一台上位机组成，其主要功能在包括：读取下位机控制模块上传的数据即气体采样池内的温度/压力信息、读取紫外光谱仪上传的数据即样本气体光谱信息、对SO₂紫外特征区域进行数据分析、进行SF₆电气设备运行状态判断，必要时进行声光报警；

（2）各部件连接关系：

气体采样池一端的采样接口模块通过变送器接口空心螺栓与温度变送器连接，另一端的采样接口模块通过变送器接口空心螺栓与压力变送器连接；

下位机控制模块分别通过电线与采样气体进气电磁阀、真空泵、真空泵电磁阀、采样气体出气电磁阀、温度变送器、压力变送器连接；

采样气体出气止回阀进口与压力变送器连接，防止外部气体流进采样池干扰检测；三通的三个端口分别与采样气体出气电磁阀、真空泵电磁阀的进口、采样气体出气止回阀的出口连接；真空泵电磁阀的出口与真空泵的进口连接；

紫外光谱仪通过光纤与第一光纤准直耦合透镜模块连接；

氘灯光源通过光纤与第二光纤准直耦合透镜模块连接；

待测SF₆电气设备通过采样气体进气电磁阀与温度变送器连接；

上位机数据处理与状态分析模块通过USB线与紫外光谱仪连接，通过232信号线与下位机控制模块连接。

2.如权利要求1所述紫外光谱在线监测SF₆电气设备内SO₂的系统运行方法，其特征在于，

1)运行中各部件的作用：

A.所述气体采样池为直通管道结构，既简化了结构又减小了容积，控制了样本气体的采样量；

压力变送器和温度变送器分别通过相同的螺纹结构与气体采样池直通管两端的变送器接口空心螺栓相耦合，实时采集气体采样池内气体的温度和压力信号；气体采样池两侧的光纤准直耦合透镜模块与光纤相连，以调节光纤中传输光信号的数值孔径；

B.气体采样池的直通管的一端变送器接口空心螺栓和另一端变送器接口空心螺栓分别位于一端采样接口模块和另一端采样接口模块的气路接口处，不但起到固定温度变送器和压力变送器的作用，也是气体采样池与外界进行气体交换的门户；采样气体通过温度变送器、经一端的变送器接口空心螺栓进入一端的采样接口模块，流过采样池直通管道后，再经另一端的采样接口模块的另一端的变送器接口空心螺栓、通过压力变送器从气体采样池排出，采样气体进气电磁阀和待测SF₆电气设备间通过气管相连；

温度变送器和压力变送器通过螺纹分别与一端的变送器接口空心螺栓和另一端的变送器接口空心螺栓相耦合，实时采集气体采样池内温度、压力信号并将其通过232信号线传至下位机控制模块；温度变送器还与采样气体进气电磁阀相连接用于进气；压力变送器还与采样气体出气止回阀相连，用于排出气体及防止气体逆流干扰测量结果；采样气体出气止回阀与三通相连；三通另有两条气路支路：其中一条连接采样气体出气电磁阀和气路出气口，使气体排向大气；另一条支路与真空泵电磁阀和真空泵接相连，用于将气路抽真空去除干扰气体；温度变送器和压力变送器采集的信号也通过下位机控制模块传至上位机数据处理与状态分析模块，关闭采样气体进气电磁阀、采样气体出气电磁阀、真空泵电磁阀后即可将采样气体暂时封存在气体采样池内；

下位机控制模块采用单片机作为控制器，主要用于控制采样气体进气电磁阀、采样气体出气电磁阀、真空泵电磁阀和真空泵的通断，读取气体采样池内温度、压力信号；下位机控制模块和上位机数据处理与状态分析模块通过232串口进行通信，用于向上位机数据处理与状态分析模块上传数据，包括：气体采样池内温度压力值、真空泵和三个电磁阀的通断状态；

下位机控制模块采用两片单片机作为微控制器MCU，一片单片机专门用于信号采集、与上位机数据处理与状态分析模块通信、显示压力变送器温度变送器及三个电磁阀状态，另一片单片机专门用于对三个电磁阀的控制；分别使用两片单片机不仅解决了一片单片机寄存器和I/O口不够的问题，而且加大了整个控制部分的稳定性，一片控制器的损坏不会影响到另一片的运行，增加了控制部分的运行速率；下位机控制模块具有模拟部分和数字部分，PCB板的制作采用数字控制部分和模拟控制部分分开的方式，防止模拟信号对控制部分产生干扰；

紫外光谱仪和氘灯光源组成系统的光谱数据采集部分；氘灯光源发出的连续的紫外波段光信号，通过光纤接至第二光纤准直耦合透镜模块，经过气体采样池，再通过第一光纤准直耦合透镜模块经光纤输出至紫外光谱仪；紫外光谱仪和上位机数据处理与状态分析模块之间通过USB通信，用于向上位机数据处理与状态分析模块上传数据，包括：位于紫外波段的光谱仪采样点波长、各采样点对应的待测SF₆电气设备内气体样本的吸光度；

上位机数据处理与状态分析模块，其主要功能在状态分析中实现，包括：读取并解析下位机控制模块的控制部分经232串口上传的数据，对特征区段吸光度数据进行预处理，判断样本气体内是否检测出SO₂特征，必要时进行声光报警；

2)系统的运行方式：

A.系统的工作流程分为以下四步进行：

笫一步.打开真空泵电磁阀，启动真空泵，对气路进行抽真空以去除杂质气体的干扰，定时1分钟，然后关闭真空泵电磁阀和真空泵；

笫二步.打开采样气体进气电磁阀和采样气体出气电磁阀，开始采样待测SF₆电气设备内气体，定时30秒，关闭采样气体进气电磁阀和采样气体出气电磁阀；

笫三步.上位机数据处理与状态分析模块开始采集数据，自动进行数据分析，得出分析结果，并在上位机数据处理与状态分析模块输出检测结果；

笫四步.打开真空泵电磁阀，启动真空泵，将样本气体抽出气路，定时1分钟，随即关闭真空泵电磁阀和真空泵；

B.下位机控制模块对真空泵电磁阀和真空泵的控制有以下四种方式：

笫一方式，通过按键模块实现电磁阀的手动控制；

笫二方式，通过按键模块启动单片机定时器，立刻对气体进行自动定时采样，且只执行一次；

笫三方式，通过按键模块启动PCF8563时钟芯片，系统会以设定的周期反复触发方式（笫二方式），在预设的日期或时刻对气体进行自动定时采样；

笫四方式，利用232信号线，由上位机数据处理与状态分析模块对下位机控制模块发出控制指令，完成电磁阀的控制；

上述4种模式适用于不同条件、不同需求；

C.下位机控制模块，其电源模块的DC5V设计采用了三种取电模式：一是利用USB取电，二是利用ICSP接口取电，三是利用外接DC5V电源适配器直接取电；

电源模块的DC12V设计采用了两种取电模式：一是通过DC5V利用MC34063DC/DC芯片进行升压取电，二是利用外接DC12V电源适配器直接取电；

多种取电模式适用于不同环境、不同需求。