一種基于微米尺度傳感器的銅金屬蒸氣濃度檢測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于微米尺度傳感器的銅金屬蒸氣濃度檢測系統(tǒng)，包括：微米尺度傳感器、信號轉(zhuǎn)換模塊、信號放大模塊、以及信號采集模塊，其中：所述微米尺度傳感器通過電極放電將被測氣體濃度轉(zhuǎn)換為電流信號，并輸出至信號轉(zhuǎn)換模塊；所述信號轉(zhuǎn)換模塊包括高精密運算放大器，利用高精密運算放大器將所述電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并輸出至信號放大模塊；所述信號放大模塊包括儀表放大器，利用所述儀表放大器對所述電壓信號進行放大，并輸出至信號采集模塊；所述信號采集模塊對所述電壓信號進行硬件濾波和采集，并進行輸出。本檢測系統(tǒng)能夠檢測微型傳感器發(fā)出的電流信號，并最終實現(xiàn)銅金屬蒸氣濃度的精確測量。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及電器設(shè)備電壽命監(jiān)控領(lǐng)域，特別的，涉及一種基于微米尺度傳感 器的銅金屬蒸氣濃度檢測系統(tǒng)。 -種基于微米尺度傳感器的銅金屬蒸氣濃度檢測系統(tǒng)

【背景技術(shù)】
[0002] 在電力系統(tǒng)中，斷路器是開關(guān)電氣中最重要的設(shè)備之一，其性能的可靠性關(guān)系到 電力系統(tǒng)的安全運行。實踐表明，斷路器的電壽命是斷路器壽命診斷的重要參數(shù)。但是，目 前高壓SF 6斷路器的電壽命特性研究僅有基于N_Ib曲線、能量累積法等少數(shù)大致估算的方 法。
[0003] 現(xiàn)有的電壽命監(jiān)測方法主要依賴于斷路器開斷電流參數(shù)，如累積能量法，是通過 累積一定時間內(nèi)斷路器觸頭兩端流過的電流而獲得的能量，將該能量乘以系數(shù)后對應(yīng)于斷 路器的電壽命。該方法完全沒有考慮流過觸頭兩端的電流與斷路器觸頭燒蝕之間的復(fù)雜關(guān) 系，也未考慮流過觸頭的能量到底有多少用于觸頭的燒蝕，因此所得的結(jié)果非常粗略，難以 實際應(yīng)用。
[0004] 研究表明，影響電壽命的主要因素是電磨損，包括滅弧室、滅弧介質(zhì)、觸頭三方面， 起決定性作用的是觸頭的電磨損。伴隨電弧的燃燒過程，觸頭燒蝕產(chǎn)生大量金屬蒸氣，長期 存在于滅弧室內(nèi)。因此，金屬蒸氣的含量與觸頭的燒蝕程度及斷路器的電壽命密切相關(guān)，是 診斷斷路器電壽命的關(guān)鍵特征量。
[0005] 近年來，隨著碳納米管技術(shù)的飛躍發(fā)展，碳納米管傳感器以其獨特的優(yōu)勢已逐步 應(yīng)用到高壓GIS局部放電的監(jiān)測，使其具備了應(yīng)用到高壓SF 6斷路器電壽命監(jiān)測的可能性。 利用微米尺度傳感器監(jiān)測銅金屬濃度來反應(yīng)斷路器的電壽命具有一定可行性，但傳感器微 小信號的檢測與信號處理技術(shù)是銅金屬蒸氣濃度實時監(jiān)測的關(guān)鍵。因此，如何能夠基于微 米尺度傳感器監(jiān)測對該傳感器獲得的信號進行檢測和信號處理，從而使得該微米尺度傳感 器最終得到實用成為現(xiàn)有技術(shù)亟需解決的技術(shù)問題。 實用新型內(nèi)容
[0006] 本實用新型的目的在于提出一種基于微米尺度傳感器的銅金屬蒸氣濃度檢測系 統(tǒng)，能夠檢測微型傳感器發(fā)出的電流信號，并最終實現(xiàn)銅金屬蒸氣濃度的精確測量，從而利 用微米尺度傳感器監(jiān)測銅金屬濃度來反應(yīng)斷路器的電壽命。
[0007] 為達此目的，本實用新型采用以下技術(shù)方案：
[0008] -種基于微米尺度傳感器的銅金屬蒸氣濃度檢測系統(tǒng)，包括：微米尺度傳感器、信 號轉(zhuǎn)換模塊、信號放大模塊、以及信號采集模塊，其中 ：
[0009] 所述微米尺度傳感器通過電極放電將被測氣體濃度轉(zhuǎn)換為電流信號，并輸出至信 號轉(zhuǎn)換模塊；
[0010] 所述信號轉(zhuǎn)換模塊包括高精密運算放大器，利用高精密運算放大器將所述電流信 號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并輸出至信號放大模塊； toon] 所述信號放大模塊包括儀表放大器，利用所述儀表放大器對所述電壓信號進行放 大，并輸出至信號采集模塊；
[0012] 所述信號采集模塊實現(xiàn)對所述電壓信號的硬件濾波和采集。
[0013] 優(yōu)選地，所述微米尺度傳感器安裝在斷路器滅弧室內(nèi)壁，并帶有電磁屏蔽罩。所述 微米尺度傳感器的安裝位置不宜太靠近噴口。
[0014] 優(yōu)選地，所述電磁屏蔽罩的材料根據(jù)所干擾電磁場的頻率進行選擇。
[0015] 優(yōu)選地，所述電流-電壓信號轉(zhuǎn)換模塊、信號放大模塊以及信號采集模塊外部套 有電磁屏蔽罩，安裝在斷路器之外。
[0016] 優(yōu)選地，所述微米尺度傳感器的電流信號采用BNC接頭引出，通過屏蔽電纜輸出 電流信號。
[0017] 優(yōu)選地，所述屏蔽電纜在滅弧室接口處密封處理。
[0018] 優(yōu)選地，所述高精密運算放大器應(yīng)用在信號轉(zhuǎn)換模塊中，實現(xiàn)電流-電壓信號轉(zhuǎn) 換，其選擇條件如下：PA級偏置電流、低于mV級的輸入和輸出失調(diào)電壓、pF級共模輸入電容 和60-100dB以上共模抑制比。
[0019] 優(yōu)選地，所述儀表放大器應(yīng)用在信號放大模塊中，實現(xiàn)電壓的信號的放大，其選 擇條件如下：70-100dB以上共模抑制比、1000 Ω左右的輸入阻抗、輸入端的輸入噪聲低于 101^/抱、線性誤差低于0.0001%、輸入和輸出失調(diào)電壓分別低于10(^￥和211^。
[0020] 因此，本實用新型能夠檢測微型傳感器發(fā)出的電流信號，并最終實現(xiàn)銅金屬蒸氣 濃度的精確測量，具有功耗低，結(jié)果精確，電路簡單，便于實現(xiàn)，抗電磁干擾能力強，體積小， 便于攜帶等優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1是根據(jù)本實用新型具體實施例的基于微米尺度傳感器的銅金屬蒸氣濃度檢 測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖中的附圖標記所分別指代的技術(shù)特征為：
[0023] 1、微米尺度傳感器；2、信號轉(zhuǎn)換模塊；3、信號放大模塊；4、信號采集模塊。

【具體實施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步的詳細說明?？梢岳斫獾氖?，此處 所描述的具體實施例僅僅用于解釋本實用新型，而非對本實用新型的限定。另外還需要說 明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本實用新型相關(guān)的部分而非全部結(jié)構(gòu)。
[0025] 參見圖1，公開了根據(jù)本實用新型具體實施例的基于微米尺度傳感器的銅金屬蒸 氣濃度檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，一種基于微米尺度傳感器的銅金屬蒸氣濃度檢測系統(tǒng)，包 括：微米尺度傳感器1、信號轉(zhuǎn)換模塊2、信號放大模塊3、以及信號采集模塊4,其中：
[0026] 所述微米尺度傳感器通過電極放電將被測氣體濃度轉(zhuǎn)換為電流信號，并輸出至信 號轉(zhuǎn)換模塊；
[0027] 所述信號轉(zhuǎn)換模塊包括高精密運算放大器，利用高精密運算放大器將所述電流信 號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并輸出至信號放大模塊；
[0028] 所述信號放大模塊包括儀表放大器，利用所述儀表放大器對所述電壓信號進行放 大，并輸出至信號采集模塊；
[0029] 所述信號采集模塊實現(xiàn)對所述電壓信號的硬件濾波和采集。優(yōu)選的，該信號采集 模塊具備進行后續(xù)輸出的能力，以便后期對信號的進一步應(yīng)用。
[0030] 因此，本實用新型的基于微米尺度傳感器的銅金屬蒸氣濃度檢測系統(tǒng)，首先解決 了電流-電壓信號轉(zhuǎn)換的問題，降低信號傳輸功耗，利于信號后續(xù)應(yīng)用；其次本實用新型通 過信號放大模塊中儀表放大器實現(xiàn)對微小信號的測量，有效抑制共模噪聲信號，提高測量 精度；再次，本實用新型采用硬件濾波，實現(xiàn)微弱信號的提取和降低噪聲信號，保證采集系 統(tǒng)的精度要求。這樣一來，微型傳感器將電流信號發(fā)出后，在信號轉(zhuǎn)換模塊中實現(xiàn)電流-電 壓信號轉(zhuǎn)換，再通過信號放大模塊放大后被信號采集模塊提取，從而實現(xiàn)了銅金屬蒸氣濃 度的精確測量。
[0031] 在一個具體的實施例中，所述微米尺度傳感器安裝在斷路器滅弧室內(nèi)壁，并帶有 電磁屏蔽罩。
[0032] 特別的，所述微米尺度傳感器的安裝位置要考慮能精確測量銅金屬濃度，不宜太 靠近噴口，否則溫度過高會導(dǎo)致壽命會大幅度降低。
[0033] 所述電磁屏蔽罩材料可選，根據(jù)所干擾電磁場的頻率進行選擇。當(dāng)干擾電磁場的 頻率較高時，利用低電阻率的金屬材料中產(chǎn)生的渦流，形成對外來電磁波的抵消作用，從而 達到屏蔽的效果；當(dāng)干擾電磁波的頻率較低時，采用高導(dǎo)磁率的材料，從而使磁力線限制在 屏蔽體內(nèi)部，防止擴散到屏蔽的空間去。這樣一來，減弱電磁干擾對電流信號的影響，并保 證斷路器能正常工作。
[0034] 在另一個具體的實施例中，所述微米尺度傳感器的電流信號采用BNC接頭引出， 通過屏蔽電纜輸出電流信號。在本實施例中，所述BNC接頭連接屏蔽電纜，能夠長距離傳輸 所述電流信號并保持信號穩(wěn)定。特別的，所述屏蔽電纜在滅弧室接口處密封處理，以避免泄 露SF 6氣體。
[0035] 優(yōu)選地，所述高精密運算放大器應(yīng)用在信號轉(zhuǎn)換模塊中，實現(xiàn)電流-電壓信號轉(zhuǎn) 換，其選擇條件如下：PA級偏置電流、低于mV級的輸入和輸出失調(diào)電壓、pF級共模輸入電容 和60-100dB以上共模抑制比。例如，所述高精密運算放大器采用Linear Technology公司 的偏置電流在pA級的LMC6442系列芯片。就該實施例而言，屬于信號轉(zhuǎn)換模塊的優(yōu)選實施 例。在對微弱信號進行檢測的過程中，集成運算放大器對電路的干擾非常大，因此應(yīng)當(dāng)選擇 接近理想運放的集成芯片。為配合供電電路、減少功率消耗和提高測量精度，可以按照如下 要求選擇所述信號轉(zhuǎn)換模塊中的高精密運算放大器：較低的偏置電流、較低的輸入失調(diào)電 壓和較低的零漂、較大的輸入電阻和較高的共模抑制比、較大的開環(huán)放大倍數(shù)。特別是在所 述信號轉(zhuǎn)換模塊，對集成運放的要求較高，由于輸入電流在nA級，一般要求運放的偏置電 流在pA級。本實施例采用的LMC6442芯片可以很好的滿足上述條件。當(dāng)然，目前市面上已 經(jīng)有很多滿足上述條件的運算放大器，于是也可以不采用LMC6442系列芯片，而采用其他 高精密運算放大器，如AD8571、0PA2703等。
[0036] 優(yōu)選地，所述儀表放大器應(yīng)用在信號放大模塊中，實現(xiàn)電壓的信號的放大，其選 擇條件如下 ：70_100dB以上共模抑制比、1000 Ω左右的輸入阻抗、輸入端的輸入噪聲低于 10nv/Hz、線性誤差低于0. 0001 %、輸入和輸出失調(diào)電壓分別低于100 μ V和2mV。例如，所述 儀表放大器采用MAX頂公司生產(chǎn)的MAX4208/MAX4209H儀表放大器。該器件采用電流反饋 架構(gòu)和擴譜自調(diào)零技術(shù)。該間接電流反饋架構(gòu)使用戶可以充分利用輸入差分信號的全部動 態(tài)范圍，即使共模信號接近、或低于地電位。該自調(diào)零技術(shù)持續(xù)測量并修正輸入失調(diào)電壓， 從而消除了時間和溫度漂移。該器件帶有自調(diào)零基準緩沖放大器，提高了系統(tǒng)精度。其輸 入失調(diào)電壓在+25°C時最大值為20 μ V，在-40°C至+125°C溫度范圍內(nèi)最大值為40 μ V，具有 ΙρΑ的CMOS輸入偏置電流，工作在2. 85V至5. 5V單電源下，可以通過設(shè)置兩個外部電阻的 比例調(diào)節(jié)增益，最大增益誤差+25°C時為±0. 25%，在+85°C時為±0. 3%，而在整個-40°C 至+125°C溫度范圍內(nèi)為±0. 35%。也就是說，該實施例主要通過MAX4208/MAX4209H來實 現(xiàn)信號電壓的放大。
[0037] 優(yōu)選地，在另一個實施例中：所述信號采集系統(tǒng)的濾波電路采用高速運放LT1355 和差分輸出放大器SSM2142構(gòu)成，能夠抑制高頻噪聲，減小噪聲在信號傳輸過程中對信號 的干擾，將單端信號轉(zhuǎn)換成差分信號進行傳輸。差分放大器SSM2141將輸入的差分信號再 次轉(zhuǎn)換成單端信號。高速運放LT1355將單端信號放大，使其值符合A/D芯片輸入電壓范 圍。ADC12062作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，具有12位采樣精度，其基準電壓為4. 096V，功耗為75mV。 ADC轉(zhuǎn)換完成后，通過下降沿觸發(fā)中斷引腳，通知單片機或其他片上系統(tǒng)將ADC轉(zhuǎn)換得到的 數(shù)字信號進一步輸出。
[0038] 更優(yōu)的，在另一個實施例中：所述電流-電壓信號轉(zhuǎn)換模塊、信號放大模塊以及信 號采集模塊外部套有電磁屏蔽罩，安裝在斷路器之外。對于該實施例而言，各所述模塊套有 電磁屏蔽罩是為了避免信號干擾。進一步地，整個檢測系統(tǒng)的檢測裝置也可以安裝在滅弧 室外的閑置空間中，以不影響斷路器正常工作、避免系統(tǒng)各元件過熱為準。
[0039] 綜上所述，本實用新型所述的基于微米尺度傳感器的銅金屬蒸氣濃度檢測系統(tǒng)具 有以下優(yōu)點：
[0040] (1)本實用新型提出一種全新的利用微米尺度傳感器在線檢測斷路器電壽命的系 統(tǒng)，只要微米尺度傳感器放電產(chǎn)生電流，就可實現(xiàn)電流-電壓信號的轉(zhuǎn)換以及信號的放大 和獲取，而放電電流的大小反映銅金屬蒸氣濃度，因此本實用新型可以精確檢測銅金屬蒸 氣濃度；那么，本實用新型也很容易用于檢測sf 6及其分解產(chǎn)物的濃度，只需將測量對象換 成SF6及其分解產(chǎn)物的濃度，其他技術(shù)手段作適應(yīng)性變換即可；
[0041] (2)采用高精密運算放大器實現(xiàn)電流-電壓信號轉(zhuǎn)換，功耗低，結(jié)果精確，電路簡 單，便于實現(xiàn)；
[0042] (3)本實用新型中采用MAX4208/MAX4209H儀表放大器，具有很高的輸入阻抗和很 低的輸出阻抗，而且增益高且穩(wěn)定，失調(diào)電壓和溫度零漂小，能有效抑制共模噪聲，實現(xiàn)微 弱電壓信號的放大；也可以采用其他符合要求的放大器；
[0043] (4)抗電磁干擾能力強，傳感器輸出的微小電流經(jīng)過屏蔽電纜送到檢測裝置，整個 信號傳遞通路保持良好的電磁屏蔽；
[0044] (5)體積小，便于攜帶，成本低廉，大規(guī)模生產(chǎn)成本更低。總而言之，本實用新型所 述的檢測系統(tǒng)可以很好基于微型傳感器對氣體濃度進行檢測，檢測精確度高，檢測范圍廣， 抗電磁干擾能力強，成本低廉，容易實現(xiàn)，適合于工程實際應(yīng)用。
[0045] 以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本實用新型所作的進一步詳細說明，不能 認定本實用新型的【具體實施方式】僅限于此，對于本實用新型所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員 來說，在不脫離本實用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為 屬于本實用新型由所提交的權(quán)利要求書確定保護范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于微米尺度傳感器的銅金屬蒸氣濃度檢測系統(tǒng)，包括：微米尺度傳感器、信 號轉(zhuǎn)換模塊、信號放大模塊、以及信號采集模塊，其中 ： 所述微米尺度傳感器通過電極放電將被測氣體濃度轉(zhuǎn)換為電流信號，并輸出至信號轉(zhuǎn) 換模塊； 所述信號轉(zhuǎn)換模塊包括高精密運算放大器，利用高精密運算放大器將所述電流信號轉(zhuǎn) 換為電壓信號，并輸出至信號放大模塊； 所述信號放大模塊包括儀表放大器，利用所述儀表放大器對所述電壓信號進行放大， 并輸出至信號采集模塊； 所述信號采集模塊實現(xiàn)對所述電壓信號的硬件濾波和采集。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅金屬蒸氣濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于： 所述微米尺度傳感器安裝在斷路器滅弧室內(nèi)壁，并帶有電磁屏蔽罩。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的銅金屬蒸氣濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于： 所述微米尺度傳感器的安裝位置不宜太靠近噴口。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的銅金屬蒸氣濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于： 所述電磁屏蔽罩的材料根據(jù)所干擾電磁場的頻率進行選擇。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4所述的銅金屬蒸氣濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于： 所述信號轉(zhuǎn)換模塊、信號放大模塊以及信號采集模塊外部套有電磁屏蔽罩，安裝在斷 路器之外。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的銅金屬蒸氣濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于： 所述微米尺度傳感器的電流信號采用BNC接頭引出，通過屏蔽電纜輸出電流信號。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的銅金屬蒸氣濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于： 所述屏蔽電纜在滅弧室接口處密封處理。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的銅金屬蒸氣濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于： 所述高精密運算放大器應(yīng)用在信號轉(zhuǎn)換模塊中，實現(xiàn)電流一電壓信號轉(zhuǎn)換，其選擇條 件如下：pA級偏置電流、低于mV級的輸入和輸出失調(diào)電壓、pF級共模輸入電容和60-100dB 以上共模抑制比。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的銅金屬蒸氣濃度檢測系統(tǒng)，其特征在于： 所述儀表放大器應(yīng)用在信號放大模塊中，實現(xiàn)電壓的信號的放大，其選擇條件如下： 70-100dB以上共模抑制比、1000Ω左右的輸入阻抗、輸入端的輸入噪聲低于ΙΟην/Ηζ、線性 誤差低于0. 0001 %、輸入和輸出失調(diào)電壓分別低于100 μ V和2mV。
【文檔編號】G01R31/327GK203909242SQ201420229701
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年5月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月6日
【發(fā)明者】王小華, 付鈺偉, 榮命哲, 劉定新, 楊愛軍, 汪溟 申請人:西安交通大學(xué)