基于传感器网络技术的SF₆气体浓度在线监测报警系统的制作方法

专利名称：基于传感器网络技术的SF₆气体浓度在线监测报警系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电子信息技术，尤其涉及基于传感器网络技术的SF6气体浓度在 线监测报警系统。
背景技术：
多年来，国内外对监测SF6 (六氟化硫)气体泄漏进行了许多研究。目前使用的SF6 气体泄漏监测技术主要有四类1、利用SF6气体具有强烈吸收作用的特性.如美国LIS公司的Gas VueTG 30 红外激光成像3&气体泄漏定位系统，它主要用于设备的检漏，除结构复杂外，监测灵敏 度偏低，其在实验室即时监测的灵敏度为400X 10—6，用于长期在线监测的可靠灵敏度为 2000X10_6，大大低于我们对于1000X10_6气体泄漏可靠报警的要求.另外其价格十分昂 贵，维护复杂，所以不适用于环境的长期在线监测。2、利用声波在5&气体中传播的速度比在大气中慢的特点进行监测，如德国DIL0 公司的3-026-R002型SF6气体报警仪。它能监测环境中SF6气体含量大于2%体积百分比 的浓度，可以通过扩展器连接最多达6个点的监控系统。但其主要缺点是监测下限太低， 2%的一&气体浓度已远远超过了理论上SF6气体对人的安全上限1000X10_6。另一方面， 它的监测点数太少，不能满足较宽阔空间的需要。3、利用半导体催化燃烧式.如TGS832等系列传感器.经已使用的电力用户反映 的意见及我们长期的实验结果证明，半导体催化燃烧式监测法仅对于快速流动的且大于 5000X 10_6的SF6气体有较好的监测，但对于SF6缓慢泄漏的情况下根本无法有效监测.且 此类传感器受温度的影响远远大于3&对其的响应，我们的实验证明，温度每变化10°C即相 当于4000 X 10_6对其的响应 4、利用3&气体的高度绝缘特性，采用高压电晕放电技术制成的气体检漏仪，如德 国DIL0公司的3-033-R00型SF6气体报警仪和美国TIF公司的TIF5650A/TIF5750A SF6气 体定性检漏仪，能定性地监测出环境中SF6气体泄漏，但该仪器在使用前必须在无SF6气体 的清洁空气中标定，否则即使在高浓度的SF6气体环境中也不会报警。这种监测法灵敏度 较高，但需解决寿命及稳定性的难题。3&气体以其优异的绝缘和灭弧性能，在电力系统中得到广泛应用。其在常态下， 虽对人体没有毒性。但是，在高压电弧的作用下，3&气体会分解出一些剧毒物质，即便是微 量也能致人非命。当使用以3&气体为绝缘和灭弧介质的室内开关在使用过程中发生泄漏 时，泄漏出来的SF6气体及其分解物会往室内低层空间积聚，且不易散发，造成局部缺氧和 带毒，对进入室内的检修及巡视人员的安全构成严重危险。虽然，目前已有针对于SF6气体泄漏监控的装置，但总结起来，现有的技术主要存 在以下缺点1、采用的监测方法多数不够成熟、可靠。当前主要有红外激光成像法(价格昂贵，监测灵敏度低)，管道式超声波集中监测
3法(易受灰尘影响，2%监测下限)，半导体催化燃烧式监测法(基本对缓慢的高浓度泄漏无 反应，受温度影响较大，目前较多应用在制冷剂监测领域)。2、误报警多。很多的监控系统在运行一段时间后，会出现误报警。这主要是因为现场的灰尘、湿 度温度变化较大、传感器老化等原因造成的。3、维护及安装繁琐。目前的此型产品都是有线传输，需在现场开凿穿线沟或用管材铺设电缆，布线施 工较繁琐，维护也复杂。特别是偏远地区，施工及维护难度更大。针对这种现状，如果能提供一种基于传感器网络技术的SF6气体浓度在线监测报 警装置，不仅可以现场监测气体浓度，浓度超限报警并自动开启通风换气装置，而且可以采 用无线传输的方式实时在线获取气体浓度数据，真正实现了开关室无人值守管理模式，保 障了操作、巡检工作人员的生命安全，最大限度减少事故。

实用新型内容本实用新型的目的是提供一种基于传感器网络技术的SF6气体浓度在线监测报警
直o一种基于传感器网络技术的SF6气体浓度在线监测报警装置，其中该SF6气体浓 度在线监测报警装置包括无线变送器、数据中转器、监测主机、风机控制器、报警器，其中， 用于采集、处理和发送度信号的无线变送器与数据中转器之间无线通讯，数据中转器 的信号输出端连接监测主机的监测信号输入端，监测主机的风机控制信号输出端连接风机 控制器的控制信号输入端，监测主机的报警信号输出端连接报警器的信号输入端。所述的基于传感器网络技术的SF6气体浓度在线监测报警装置，其中所述的无线 变送器包括电源管理模块、定时模块、数据处理器、SF6监测模块、无线信号发送模块，其中， 定时模块的定时信号输出端连接电源管理模块的控制信号输入端，电源管理模块的输出端 连接数据处理器、SF6监测模块、无线信号发送模块的供电输入端，SF6监测模块的控制信号 输入端连接数据处理器的SF6控制信号输出端，SF6监测模块的信号输出端连接数据处理器 的SF6监测信号输入端，数据处理器的处理信号输出端连接无线信号发送模块的信号输入 端。所述的基于传感器网络技术的SF6气体浓度在线监测报警装置，其中所述SF6监 测模块包括第一、第二高压动态微电流SF6气体传感器，其中，第一、第二高压动态微电流 SF6气体传感器的控制信号输入端分别连接所述数据处理器的第一 SF6气体传感器控制信 号输出接脚、第二 SF6气体传感器控制信号输出接脚，第一、第二高压动态微电流SF6气体传 感器的信号输出端分别连接数据处理器的第一 sf6气体传感器监测信号输入接脚、第二 SF6 气体传感器监测信号输入接脚。所述的基于传感器网络技术的SF6气体浓度在线监测报警装置，其中所述数据处 理器采用数据处理芯片STC12LE5408AD ；所述的无线信号发送模块中采用ZIGBEE无线信号 发送器CC2430。所述的基于传感器网络技术的SF6气体浓度在线监测报警装置，其中所述的无线 变送器还包括氧气监测模块，氧气监测模块的供电输入端连接电源管理模块的输出端，氧气监测模块的信号输出端连接所述数据处理器的氧气监测信号输入端。所述的基于传感器网络技术的SF6气体浓度在线监测报警装置，其中所述的无 线变送器还包括温湿度传感模块，温湿度传感模块的供电输入端连接电源管理模块的输出 端，温湿度传感模块的信号输出端连接所述数据处理器的氧气监测信号输入端。本实用新型采用上述技术方案将达到如下的技术效果本实用新型的基于传感器网络技术的SF6气体浓度在线监测报警装置，无线变送 器将采集并处理过的度信号无线传送给数据中转器，数据中转器再将SF6浓度信号送 至监测主机的监测信号输入端，监测主机将收到的SF6浓度信号与其预设的SF6浓度门限值 进行比较，若监测主机收到的度信号大于监测主机预设的浓度门限值，监测主机输出 信号给报警器和风机控制器，控制报警器实施报警，控制风机控制器驱动风机启动工作通 风，防止装设有该无线变送器的变电室内的3&气体浓度过高，避免操作人员巡视时发生危 险。

图1为本实用新型的基于传感器网络技术的SF6气体浓度在线监测报警装置的结 构原理图；图2为图1所示基于传感器网络技术的SF6气体浓度在线监测报警装置中无线变 送器的电路原理图。
具体实施方式
—种基于传感器网络技术的SF6气体浓度在线监测报警装置，如图1所示，其包括 无线变送器(本实施例中无线变送器有N个，N大于等于5)、数据中转器(数据中转器的数 量是根据空间大小或距离远近设置)、监测主机、风机控制器、声光报警器，其中，无线变送 器用于采集、处理和发送SF6气体浓度信号、氧气浓度信号、温湿度信号，无线变送器与数据 中转器之间无线通讯，数据中转器的信号输出端连接监测主机的监测信号输入端，监测主 机的风机控制信号输出端连接风机控制器的控制信号输入端，监测主机的报警信号输出端 连接报警器的信号输入端。本实施例的基于传感器网络技术的3&气体浓度在线监测报警 装置装设在电力系统的配电室内。无线变送器将采集到的SF6气体(六氟化硫气体)、氧气、温湿度等监测信号无线 传送到数据中转器，数据中转器接收到监测信号后通过其输出端传送到监控主机的监测信 号输入端，监控主机对收到的监测信号进行分析、处理，当SF6气体浓度超限或氧气浓度较 低时，监控主机即控制风机控制器驱动风机工作，对室内空气进行通风，驱散室内的SF6气 体，同时，监控主机驱动声光报警器工作，实施声光报警，提醒操作人员现在不宜进入配电 室内。所述无线变送器的电路如图2所示，其包括电源管理模块、定时模块、数据处理 器、SF6监测模块、温湿度传感器模块、氧气监测模块、无线信号发送模块，定时模块的定时 信号输出端连接电源管理模块的控制信号输入端，电源管理模块的输出端连接数据处理 器、SF6监测模块、无线信号发送模块的供电输入端，SF6监测模块的控制信号输入端连接数 据处理器的sf6控制信号输出端，SF6监测模块的信号输出端连接数据处理器的SF6监测信号输入端，数据处理器的处理信号输出端连接无线信号发送模块的信号输入端。其中，电源管理模块包括供电单元、控制单元，其中，供电单元包括充电插件J1、 电池连接插件J2、电源开关J3、供电控制器N1，充电插件J1、电池连接插件J2的并联电路 的一端接地，另一端依次串接电源开关J3、供电控制器m，电源开关J3的输出端提供电源 VCC，供电控制器m的输出端提供电源VD，供电控制器m的控制信号输入端3、4脚连接控 制单元的输出端P ON接脚；控制单元包括开关三极管Q1、二极管Dl、D2、D3、滤波电容C9、 分压电阻R2、R6、R7，其中，开关三极管Q1的基极通过分压电阻R2连接定时模块中定时芯 片N3的定时信号输出端7脚(P-INT)，开关三极管Q1的集电极连接电源VCC，开关三极管 Q1的发射极通过二极管D1、电阻R6连接供电单元供电控制器m的控制信号输入端3、4脚， 此外，数据处理器的电源控制信号输出端12脚(P ON)通过二极管D2连接二极管Dl、电阻 R6的中间接点，滤波电容C9 一端连接电源VCC、另一端通过二极管D3连接二极管D1、电阻 R6的中间接点，滤波电容C9、二极管D3的中间接点通过电阻R7接地；另外，定时模块包括 一定时芯片N3，定时芯片N3的定时信号输出接脚7脚(P INT)通过电阻R2连接开关三极 管Q1的基极；供电单元的充电插件J1连接外部电源或电池连接插件J2连接电池之后，接 通电源开关J3，等待定时芯片N3的7脚在定时时间到时发出定时信号给控制单元中开关三 极管Q1的基极，驱动开关三极管Q1导通，电压VCC经二极管D1、电阻R6输出高电平至供电 单元中供电控制器m的控制信号输入端3、4脚，控制供电控制器m导通，供电控制器m 输出电压VD给数据处理器N5供电，数据处理器N5的12脚输出高电平信号经二极管D2、电 阻R6送至供电单元中供电控制器m的控制信号输入端3、4脚，在定时芯片N3输出定时信 号结束时，构成自锁电路，控制供电单元继续供电。所述的SF6监测模块中包含SF6气体监测传感器MK1，SF6气体监测传感器MK1由 两个第一、第二高压动态微电流SF6气体传感器构成，第一、第二高压动态微电流SF6气体 传感器相同，在清洁空气中均能产生约10uA的微电流，因SF6气体会抑制离子态的电流的 产生，所以可以通过检测空气中电流的变化来间接判断空气中是否含有泄漏的SF6气体。经 我们试验测试，浓度为1000X 10_6的SF6气体，将会使空气中的电流减少5uA，且在此区间附 近电流的大小与度呈线性的反比关系，因此我们可以以此来计算泄漏的具体量值，为 了方便数据处理器N5计算，此电流值要通过高压动态微电流5&气体传感器中的I/V电路 转换为相应的电压信号；第一、第二高压动态微电流3&气体传感器的控制信号输入端2脚 (KA)、3脚(KB)分别连接所述数据处理器N5的第一 5&气体传感器控制信号输出接脚(17 脚)、第二 SF6气体传感器控制信号输出接脚(16脚)，第一、第二高压动态微电流SF6气体 传感器的信号输出端分别连接数据处理器的第一 SF6气体传感器监测信号输入接脚、第二 SF6气体传感器监测信号输入接脚；数据处理器N5上电后，按照预设的监测周期，通过其第 一 SF6气体传感器控制信号输出接脚(17脚)向SF6气体监测传感器MK1的2脚(即第一 高压动态微电流SF6气体传感器的控制信号输入端KA)发送控制信号，驱动第一高压动态 微电流SF6气体传感器工作，第一高压动态微电流SF6气体传感器的实时监测数据通过其输 出端SF6-A (即SF6气体监测传感器MK1的4脚)传送到数据处理器N5的18脚(SF6-A)， 数据处理器N5实时判断当前18脚接收到的第一高压动态微电流SF6气体传感器的监测数 据信号(电压信号)的值是否小于预设的门限值，若不小于，继续进行监测，若小于，说明第 一高压动态微电流SF6气体传感器监测到当前配电室内空气中的SF6气体浓度已经等于或大于1000X10_6，此时，数据处理器N5的16脚输出控制信号至一&气体监测传感器MK1的 3脚(即第二高压动态微电流SF6气体传感器的控制信号输入端KB)，驱动第二高压动态微 电流SF6气体传感器工作，第二高压动态微电流SF6气体传感器的实时监测信号通过其输出 端SF6-B (即SF6气体监测传感器MK1的5脚)传送到数据处理器N5的19脚(SF6-B)，数 据处理器N5判断其18、19脚当前接收到的信号的值是否相同，若不相同，说明第一高压动 态微电流SF6气体传感器的检测结果为误检，则停止驱动第二高压动态微电流SF6气体传感 器，第二高压动态微电流SF6气体传感器不再工作，继续监控第一高压动态微电流SF6气体 传感器传送来的数据，若数据处理器N5判断得出其18、19脚接收到的信号的值相同，说明 此时配电室内空气中的3&气体浓度确实已经等于或大于1000X10_6，数据处理器N5的4、 5脚分别向无线发射模块中ZIGBEE发射器MK2的11、12脚发出控制信号，ZIGBEE发射器 MK2将接收到信号无线发送给数据中转器，数据中转器接收到信号后，将接收到的信号传送 到监测主机，监测主机控制风机控制器驱动风机工作，同时，监测主机控制声光报警器实施 声光报警。此外，氧气检测模块包括氧气监测传感器(图2中未显示)和氧气监测信号放大 电路，氧气监测信号放大电路中的接插件J5用于连接氧气监测传感器的信号输出端，氧气 监测信号放大电路中还包含有两级串联的运算放大器N4A、N4B，氧气监测传感器输出的信 号通过接插件J5传送到运算放大器N4A、N4B中进行两级放大后送入数据处理器N5的20 脚(U-02)，数据处理器N5实时处理当前收到的氧气监测信号，并将该氧气监测信号的值与 其预设的氧气最低门限值进行比较，若数据处理器N5收到的氧气监测信号值小于其预设 的氧气最低门限值，说明当前配电室内空气中的氧气含量过低，数据处理器N5将通过其4、 5脚向ZIGBEE发射器MK2发出控制信号，ZIGBEE发射器MK2将收到的控制信号经无线传送 给数据中转器，数据中转器接收到后传送给监测主机，监测主机控制风机控制器驱动风机 工作、控制声光报警器实施报警。温湿度传感器模块包括温湿度传感器Q2，温湿度传感器Q2的输出端2脚连接数据 处理器N5的21脚，温湿度传感器Q2将当前的温湿度监测信号实时传送到数据处理器N5 进行处理，若当前温湿度传感器Q2监测到的温度或湿度信号值不在数据处理器N5预设的 温度范围或湿度范围内，数据处理器N5向ZIGBEE发射器MK2发出控制信号，ZI6BEE发射器 MK2将该控制信号发送给数据中转器，数据中转器接收到该信号后传送给监测主机，监测主 机控制风机控制器驱动风机工作、控制声光报警器实施报警。本实施例中，所述数据处理器N5采用数据处理芯片STC12LE5408AD;所述的 ZIGBEE发射器MK2采用ZIGBEE无线信号发送器CC2430 ；定时芯片N3采用型号为PCF8563 的定时芯片；供电控制器附采用芯片NCP511SN33。如上可见，本实用新型的基于传感器网络技术的一&气体浓度在线监测报警装置， 能够实时监测当前配电室内空气中的3&气体浓度、氧气含量、温、湿度情况，并根据监测结 果实时控制风机工作或声光报警，提醒并保护操作、巡检人员的健康和生命安全。
权利要求一种基于传感器网络技术的SF6气体浓度在线监测报警装置，其特征在于该SF6气体浓度在线监测报警装置包括无线变送器、数据中转器、监测主机、风机控制器、报警器，其中，用于采集、处理和发送SF6浓度信号的无线变送器与数据中转器之间无线通讯，数据中转器的信号输出端连接监测主机的监测信号输入端，监测主机的风机控制信号输出端连接风机控制器的控制信号输入端，监测主机的报警信号输出端连接报警器的信号输入端。
2.如权利要求1所述的基于传感器网络技术的SF6气体浓度在线监测报警装置，其特 征在于所述的无线变送器包括电源管理模块、定时模块、数据处理器、SF6监测模块、无线 信号发送模块，其中，定时模块的定时信号输出端连接电源管理模块的控制信号输入端，电 源管理模块的输出端连接数据处理器、测模块、无线信号发送模块的供电输入端，SF6 监测模块的控制信号输入端连接数据处理器的SF6控制信号输出端，SF6监测模块的信号输 出端连接数据处理器的SF6监测信号输入端，数据处理器的处理信号输出端连接无线信号 发送模块的信号输入端。
3.如权利要求1或2所述的基于传感器网络技术的SF6气体浓度在线监测报警装置，其 特征在于所述SF6监测模块包括第一、第二高压动态微电流SF6气体传感器，其中，第一、第 二高压动态微电流SF6气体传感器的控制信号输入端分别连接所述数据处理器的第一 SF6 气体传感器控制信号输出接脚、第二 3&气体传感器控制信号输出接脚，第一、第二高压动 态微电流SF6气体传感器的信号输出端分别连接数据处理器的第一 SF6气体传感器监测信 号输入接脚、第二 SF6气体传感器监测信号输入接脚。
4.如权利要求3所述的基于传感器网络技术的SF6气体浓度在线监测报警装置，其特 征在于所述数据处理器采用数据处理芯片STC12LE5408AD ；所述的无线信号发送模块中 采用ZIGBEE无线信号发送器CC2430。
5.如权利要求3所述的基于传感器网络技术的SF6气体浓度在线监测报警装置，其 特征在于所述的无线变送器还包括氧气监测模块，氧气监测模块的供电输入端连接电源 管理模块的输出端，氧气监测模块的信号输出端连接所述数据处理器的氧气监测信号输入 端。
6.如权利要求5所述的基于传感器网络技术的SF6气体浓度在线监测报警装置，其特 征在于所述的无线变送器还包括温湿度传感模块，温湿度传感模块的供电输入端连接电 源管理模块的输出端，温湿度传感模块的信号输出端连接所述数据处理器的氧气监测信号 输入端。
专利摘要一种基于传感器网络技术的SF6气体浓度在线监测报警装置，其中，用于采集、处理和发送SF6浓度信号的无线变送器与数据中转器之间无线通讯，数据中转器的信号输出端连接监测主机的监测信号输入端，监测主机的风机控制信号输出端连接风机控制器的控制信号输入端，监测主机的报警信号输出端连接报警器的信号输入端。无线变送器将采集并处理过的SF6浓度信号无线传送给数据中转器，数据中转器再将SF6浓度信号送至监测主机的监测信号输入端，监测主机将收到的SF6浓度信号与其预设的SF6浓度门限值进行比较，若监测主机收到的SF6浓度信号值大于监测主机预设的SF6浓度门限值，监测主机输出信号给报警器和风机控制器。
文档编号G08B21/00GK201607804SQ2009202238
公开日2010年10月13日 申请日期2009年9月28日 优先权日2009年9月28日
发明者陈进 申请人:河南省电力公司驻马店供电公司;陈进;郜建