基于CPLD的SF6微量气体浓度检测仪

　　1　引　　言

　　六氟化硫(SF6)是具有卓越的电绝缘性和灭弧特性的气体。在电力工业中,SF6广泛应用于电气设备中,如电源开关、封闭式电容器组、变压器等。运行中,SF6气体浓度的泄漏不可避免,而且SF6气体比重比空气大,泄漏易聚集,易造成低层空间缺氧,从而会使人窒息;被电弧电击过的SF6气体将产生有毒有害的分解物,因此,准确检测空气中SF6气体浓度是设备安全可靠运行的保障,尤其对人类健康的危害更是备受人们的重视。SF6常态下是一种无色、无味、无毒的不易燃气体,其化学成分稳定,具有极好的热稳定性。目前主要采用的气相色谱法、导热系数法、电子漂移法、光干涉法等[1]办法来进行检测。这些办法需要昂贵的仪器设备,而且要求操作者具有相当熟练的操作水平,因此推广普及困难。文中以开发一种简便易行、成本低　廉、稳定可靠的SF6微量气体浓度检测仪为研究目标。

　　2　基于CPLD与超声的实现原理

　　2.1　超声检测原理

　　论文所讨论的SF6微量气体浓度检测仪运用CPLD和超声技术来实现气体浓度的检测。当构成二元混合气体的两种气体的分子量相差较大时,声波传播速度随两种气体组分的比例不同而变化,基于这一原理,通过准确地测量声速的变化就可以计算出空气中所含SF6气体的浓度。

　　二元混合气体在常温常压下可以看作是理想气体,超声波是以高频低幅的波动特征在气体中传播,其过程可以看作是绝热过程。理想气体中声速可以表示为[2]:

　　通过参比法检测空气中含有不同浓度的SF6气体后带来的声速变化。具体实现方案如图1所示,图1上方的取样池内只允许不含SF6的空气进入,由该取样池获得SF6含量为零的基准声传播信息,下方的取样池为检测SF6气体的样品池。通过比较声波通过两取样池后的声波相位差,即可确定样品池中SF6的浓度。

　　2.2　CPLD实现原理

　　为了能够实时监控和微量检测,需要使用快速芯片作为数据处理的核心部件。复杂可编程逻辑器件(CPLD)具有实时性、在线可编程等特点,深受广大电子工程技术人员的欢迎。文中采用CPLD作为本检测仪的数据处理核心部件,基于模块化设计思想,通过硬件描述语言VHDL完成了CPLD数据处理模块的设计,使之集分频器、超声换能器驱动发生、计数、窗口比较、数字相位测量和数字滤波等多功能于一身,与传统实现方法相比,整个仪器的尺寸大大缩小,可靠性和抗干扰性大大提高。CPLD模块原理框图如图2所示。图中单片机的功能是计算SF6浓度并进行传送、显示。