SF6氣體的露點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

六氟化硫(SF6)氣體由于具有良好的電氣性能，在國(guó)內(nèi)外的電氣設(shè)備中逐步替代了常規(guī)絕緣油材料。六氟化硫氣體中含有水分會(huì)降低了設(shè)備的絕緣特性、加劇低氟化物的水解和金屬氟化物的水解，并且易在設(shè)備內(nèi)結(jié)露，接影響電器設(shè)備的安全運(yùn)行。因此，準(zhǔn)確的檢測(cè)SF6氣體的純度、濕度具有重要意義。

總體設(shè)計(jì)思路
　　
露點(diǎn)的測(cè)量方法有直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)煞N方法，由于露點(diǎn)直接測(cè)量?jī)r(jià)格高，工業(yè)無(wú)法承受，現(xiàn)采用間接測(cè)量的方法，將露點(diǎn)的測(cè)量轉(zhuǎn)化為溫度和濕度的測(cè)量。本設(shè)計(jì)是利用高分子材料濕度傳感器測(cè)量露點(diǎn)，將六氟化硫的露點(diǎn)測(cè)量的特點(diǎn)與濕度傳感器的性質(zhì)結(jié)合起來(lái)。
　　
在電路設(shè)計(jì)方面，由濕敏電容與555定時(shí)器組成振蕩電路，利用振蕩電路的輸出頻率電信號(hào)與電容容量的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)濕度信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻率。由智能溫度傳感器DSl8B20組成的電路來(lái)測(cè)量溫度。將得來(lái)的溫濕度信號(hào)由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制，最終實(shí)現(xiàn)六氟化硫氣體的露點(diǎn)測(cè)量。設(shè)計(jì)的整體框圖如圖1所示。

　　　　
硬件設(shè)計(jì)
　　
溫度測(cè)量
　　在設(shè)計(jì)過(guò)程中選用了美國(guó)Dallas公司最新推出的DS18B20數(shù)字式智能溫度傳感器，它是單線數(shù)字式測(cè)溫芯片，它能在現(xiàn)場(chǎng)采集溫度數(shù)據(jù)，并將溫度數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。它能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。而且采用了三線制與單片機(jī)相連，將測(cè)溫部分與A／D轉(zhuǎn)換于一體，減少了外部硬件電路，具有低成本和易使用的特點(diǎn)。
　　
單線式數(shù)字溫度傳感器DSl8B20測(cè)溫范圍為－55～125℃，精度為±2℃，而在－10～85℃范圍內(nèi)，精度為±O.5℃。
　　
DS18820可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式(電源電壓范圍為3.O～5.5V)，此時(shí)DSl8820的腳1接地，腳2作為信號(hào)線，腳3接電源。另一種是寄生電源供電方式，在本課題中采用電源供電的方式。
　　
DS18820溫度傳感器與單片機(jī)連接電路如圖2所示。

　　
濕度測(cè)量
　　
SF6高壓電器要求SF6的濕度相當(dāng)?shù)?。一般的傳感器難于達(dá)到測(cè)量低濕的要求。對(duì)于低濕測(cè)量(在30％以下)使用電容式濕度傳感器為宜。
　　
濕敏電容是由高分子材料作為基底，在其上下表面蒸鍍一薄層微孔電極，構(gòu)成一個(gè)平行板電容器；當(dāng)氣體的相對(duì)濕度發(fā)生變化時(shí)高分子材料的介電常數(shù)隨著改變，導(dǎo)致濕敏電容的容量發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)相對(duì)濕度△x％RH。
　　
Humirel公司的電容式濕度傳感器，工作范同寬(1％～99％RH)，線性度好，響應(yīng)時(shí)間短(典型值10s)，可以工作于－40～100℃，具有較高的可靠性和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，其典型的標(biāo)稱電容值為180PF(55％RH)，推薦溫度系數(shù)為0.04PF／℃。高分子薄膜電容式濕度傳感器的敏感量為相對(duì)濕度。
　　
在設(shè)計(jì)中，為將濕敏電容容量的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，采用了一片555定時(shí)器。555定時(shí)器電路是一種雙極型集成電路，由于它的結(jié)構(gòu)獨(dú)特，只要在外部引腳配上適當(dāng)?shù)淖枞菰憧蓸?gòu)成脈沖產(chǎn)生與變換電路，因此被應(yīng)用廣泛。
　　5
55定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器與單片機(jī)的連接電路如圖3所示。

　　
由濕敏電容與555振蕩器的連接電路圖，振蕩器的頻率輸出與濕度的關(guān)系式，表1給出了二者之間的關(guān)系。

　　
控制和顯示單元
　　
單片機(jī)系統(tǒng)中，使用的顯示器主要有LED(發(fā)光二極管顯示器)和LCD(液晶顯示器)。LCD是一種被動(dòng)式顯示器，由于它的功耗極低、抗干擾能力強(qiáng)，因而在低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)中大量使用。鑒于上述的原因，使用LCD顯示。
　　
Motorola公司生產(chǎn)的MCl4543芯片是一種常用的LCD鎖存／譯碼／驅(qū)動(dòng)電路。MCl4543使用十分的簡(jiǎn)單，只要在LE端加高電壓，BI加低電平，Ph端輸入方波，A、B、C、D輸入BCD碼，則在譯碼筆形輸出端就會(huì)輸出與Ph同相或反相的方波驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的液晶筆畫亮或暗，從而顯示出數(shù)字。LCD與單片機(jī)接口如圖4所示。

　　
方波發(fā)生器由集成電路CD4060和諧振頻率為30720Hz的晶振等元件組成。CD4060是14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)、分頻器和振蕩器。本電路采用外接30720Hz的晶振來(lái)組成晶體振蕩器，其振蕩信號(hào)經(jīng)CI)4060內(nèi)部9次分頻后，在Q9端輸出準(zhǔn)確的60Hz頻率信號(hào)。方波發(fā)生器的構(gòu)成電路如圖5所示。

軟件設(shè)計(jì)
　　
硬件電路完成以后，開始進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。進(jìn)行軟件的總對(duì)獨(dú)立的模塊。接著畫出每一個(gè)專用程序模塊的詳細(xì)流程圖，并選擇合適的語(yǔ)言編寫程序，最后按照軟件總體設(shè)計(jì)時(shí)給出的結(jié)構(gòu)框圖，將各模塊連接成一個(gè)完整的程序。
　　
按照系統(tǒng)控制功能要求，確定了系統(tǒng)軟件的主要功能有：系統(tǒng)初始化、采集傳感器輸出的溫度、濕度信號(hào)、對(duì)采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、計(jì)算露點(diǎn)等、顯示數(shù)據(jù)等。按照軟件功能要求，給出了程序總體結(jié)構(gòu)框圖，如圖6所示。

　　
按照程序總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，其中DSl8820溫度傳感器的程序設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

　　
結(jié)束語(yǔ)
　　
采用間接測(cè)量方法是工業(yè)露點(diǎn)控制的發(fā)展方向，但如何在低濕區(qū)提高露點(diǎn)的測(cè)量精度，還有待進(jìn)一步研究。因?yàn)檫@樣可以擴(kuò)大露點(diǎn)控制器的使用范圍，就可以改造一大批低露點(diǎn)的測(cè)試儀器，具有寬廣的市場(chǎng)前景。