论文总字数：21092字

目 录

1.绪论 1

1.1研究背景 1

1.2常用检测方法 4

1.3研究现状 5

1.4研究内容 5

2.检测方法 5

2.1红外吸收原理 5

2.2朗伯-比尔定律 6

2.3光路结构 7

3.系统设计 7

3.1总体设计 7

3.2检测模型 8

3.3红外光源 8

3.4压力控制器 9

3.5热释电探测器 9

3.6温度试验箱 10

3.7检测气室 11

4.补偿设计 11

4.1RBF神经网络理论 11

4.2补偿因素分析 12

4.3补偿原理 13

4.4补偿操作 14

5.系统测试 14

5.1实验系统 14

5.2系统标定实验 15

5.2 RBF气压补偿实验 16

5.3重复性实验 19

5.4稳定性实验 20

6.总结展望 20

6.1设计总结 20

6.2设计展望 21

参考文献 21

致谢 23

基于RBF气压补偿的SF₆气体传感器及检测方法研究

裴昱

，China

Abstract：When infrared light is used to monitor the SF6 gas in the power system in real time, the detection accuracy is easily affected by changes in the ambient air pressure. In this design, single-beam dual-wavelength detection optical path structure is proposed, and an SF6 gas sensor is designed based on non-dispersive infrared absorption method. Based on RBF neural network pressure compensation method, the SF6 gas detection process is corrected due to changes in ambient pressure. The detection error is determined by establishing a pressure compensation model and fitting the relationship curve between the SF6 gas concentration value and the pressure value, so that the concentration information of the SF6 gas can be detected in real time and accurately. The test results show that the detection accuracy of SF6 gas sensor is less than ±60ppm in the range of ambient air temperature 25°C, ambient air pressure 100-120kpa, and gas concentration 0-2000ppm.

Key words：Non-dispersive infrared, SF₆ gas sensor, RBF neural network, pressure compensation, single-wavelength dual-wavelength

1.绪论

1.1研究背景

作为一种典型的惰性气体，六氟化硫（SF₆）具有诸如无色、无味且稳定等各种特性，因此在电力系统各个领域中都受到广泛的应用。由于具有良好的灭弧性和绝缘性，SF₆现已成为超高压气体电力开关、变压器、互感器中采用的首要绝缘介质。然而，在电力设备老化的情况下经常会出现SF₆气体泄露现象，同时SF₆气体在遇到高温电弧的条件下容易发生分解反应，反应后会生成氟化物和硫化物，再进一步与空气中的水蒸气反应生成HF和SO₂等有害气体，不仅会腐蚀电力设备、阻碍电力设备正常工作，还会对工作人员生命健康造成危害。因此，对电力工业中的SF₆气体泄露进行实时监测并对其泄露进行及时的处理具有相当重要的现实意义。

在当前市面上的众多对SF₆气体进行实时监测的传感器中，非色散红外SF₆气体传感器^[1]已经逐渐开始成为一种主流的SF₆气体传感器，其原理是根据朗伯-比尔定律，让待测气体对红外光进行选择性吸收，从而可以达到检测气体浓度的效果。然而，在对SF₆气体浓度进行高精度检测的过程中，由于环境气压的干扰，易造成非色散红外SF₆气体传感器的检测精度降低，这种非线性的影响是SF₆气体浓度检测过程中难以克服的重要问题之一。

1.2常用检测方法

在市面上所公认的众多气体检测方法之中，本文首先选取几种主流的检测方法进行对比介绍，并且对各自的优缺点进行详尽的阐明。

1. 电化学法

电化学法是在电极处通过高温作用将SF₆气体在催化剂条件下进行氧化还原反应，导致电极之间的电流发生变化，从而检测气体浓度。基于该方法的SF₆气体传感器，具有体积小、价格低的特点，更重要的是可以对待测气体进行连续的长时间在线监测，但是该方法检测精度不高、选择性较差，氧化还原反应生成的氟化物和硫化物甚至有造成产生二次污染的可能。

1. 电子捕获法

在电子捕获法中^[2]，放射性的同位素可以使得载气分子在衰变的过程之中产生电离，从而形成自由的电子和正离子，在一定条件下形成电流，而载气分子中的SF₆气体分子会使电流明显下降，这样检测仪器就会输出相应的电信号，从而检测到SF₆气体浓度和性质。电子捕获法具有很高的灵敏度以及良好的选择性，但是在实际使用过程中基于电子捕获法的SF₆气体检测设备往往有着很复杂的结构，不利于设备小型化，而且制作成本较高，甚至存在会造成辐射污染的隐性危害。

1. 紫外线电离法

将水银灯点燃之后使之放射出一定波长的紫外线，辐射在光电阴极上面从而辐射出光电子，这些光电子会附着在SF₆气体分子之上，产生的离子会形成一定的电流信号通过感应电阻，由此可以检测出对应的SF₆气体的浓度值。紫外线电离法所检测到的SF₆气体浓度的精度相对较高，且具有良好的稳定性，但是基于紫外线电离法的SF₆气体的检测范围较小，且检测设备亦无法小型化。

1. 超声波法

在不同的气体介质中，超声波的传播速度有所不同，通过检测超声波在不同气体介质中从同一发射端到同一接收端的时间差值，可以检测出SF₆气体的浓度。运用这种方法对SF₆气体浓度进行检测的结果精度较高，且检测设备结构简单、使用寿命较长，但检测结果易受温度和湿度的影响，亦存在检测范围较小的缺点。

1. 高压击穿法

浓度不同的气体绝缘性能也有所不同，根据这一特性高压击穿法可以检测具有绝缘性的气体的浓度。将SF₆气体通入到高压电极的间隙之中，会导致电极之间的电压值信号发生改变，因而可以测得SF₆气体的浓度值。该类传感器具有灵敏度高的优点，且体积小、成本低，但是灵敏度较差、无法进行长时间的测量。

1. 非色散红外吸收法

对于不同的气体分子，它们的化学结构各不相同，因而可以吸收不同波段的红外光，且这一吸收特性满足朗伯-比尔定律。红外光在穿过待测气体介质的过程中，经过待测气体吸收之后辐射到探测器上，探测器根据接收到的红外光强度，转换成相应的电信号，从而检测出待测气体中SF₆气体的浓度值^[3]。基于此种方法的SF₆气体传感器，具有相当高的检测精度和检测速度，且检测设备体积很小，有利于设备小型化，制造成本相对传统的检测设备较低，不存在二次污染，不会造成检测设备的腐蚀以及人员伤亡，同时，具有良好的检测性和稳定性，能够抵抗各种温度、湿度的干扰，可以进行连续的长时间实时监测，方便后期检测设备维护与保养。

1.3研究现状

西方的发达国家在红外吸收检测技术方面具有很高的先进性，早在上世纪70年代初德国就已制造出基于红外吸收法的CO气体检测设备，在当时这种设备具有防止爆炸的特点，并于90年代出研制出了改进型的检测设备，这种设备虽然存在检测范围局限、精度不够准确的缺点，但已在红外气体检测领域发挥出了巨大的作用。

在红外气体检测技术领域我国的发展较为迟缓，但随着经济与科技的迅速发展，以及相关研究团队的不懈努力，我国在红外气体检测领域已取得了重大的突破，其中主要有哈尔滨工业大学研制出的瓦斯浓度检测设备^[4]、中国科学技术大学研制出的飞机火警检测设备，以及自主研发新型红外传感器的各种厂商。但由于起步时间较晚等主观原因，国内研制出的红外气体传感相较于国外精度较低，在检测稳定性和设备寿命等各项技术上还存在着一些缺陷。所以，研究非色散红外技术在对SF₆气体泄露进行检测方面的应用有着相当远大的前景。

1.4研究内容

SF₆气体距今有着一百多年的悠久历史，是1900年德国科学家人工合成的惰性气体，不断被应用于各种核军事工业。但是SF₆气体本身也属于温室气体当中的一种，SF₆气体泄露至一定浓度情况下会令人呼吸困难，窒息休克甚至死亡。除此之外，在各种电力产业中，SF₆气体在遇到水蒸气和高温电弧的情况下会产生氟化物和硫化物，对金属电力设备产生腐蚀作用，严重影响其正常工作^[5]。因此，为了保证电力系统正常运行、保障工作人员健康安全，对SF₆气体浓度进行实时监测并对其泄露进行及时的处理有着相当重要的现实研究意义。

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