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CN110411987B - Sf6气体传感器的信号处理系统及信号处理方法 - Google Patents

Sf6气体传感器的信号处理系统及信号处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种SF6气体传感器的信号处理系统及信号处理方法，信号处理方法包括以下步骤：将SF6气体传感器输出的小信号通过频率转换器进行电压频率的转换，实现SF6气体传感器的小信号的频率化；通过运算放大器将小信号的频率信号放大；将放大后的频率信号输入模拟比较器，同时MCU调整PWM的占空比，将占空比输入模拟比较器的输入端，再将模拟比较器的输出端接入MCU的输入端，从而由MCU判断模拟比较器是否翻转；以及如果模拟比较器翻转，记录模拟比较器翻转时刻的PWM的频率值。本发明的SF6气体传感器的信号处理方法，其能够使产品的一致性比较好，测量精度、分辨率较高；同时减小了传感器体积，降低了传感器成本。

Description

SF6气体传感器的信号处理系统及信号处理方法
技术领域
本发明是关于信号处理领域，特别是关于一种SF6气体传感器的信号处理系统及信号处理方法。
背景技术
电力工业中，高压开关设备约占SF6用气量80％以上，中压开关的用气量约占10％。主要使用在126-252kV的高压、330-800kV的超高压领域，特别是126kV-252kV-550kV的断路器(GCB发电机出口断路器)、SF6封闭组合电器(GIS)、充气柜(C-GIS)、SF6气体绝缘管道母线(GIL)中。因此，合理正常使用并监测SF6气体，是非常必要的。
SF6气体传感器离不开信号的处理，传感器原始输出信号只有经过处理才能变成有用的信息被采用，于是信号的处理尤为重要。信号处理的主要目的就是削弱信号中的多余内容，滤除混杂的噪声和干扰，或者将信号变换成容易处理、传输、分析与识别的形式，以便后续的其他处理。
对于小信号的处理，由于信号越小时，对其测量的精度要求就越高，但由于小信号很容易受到噪声干扰，故而经常会出现采集到的小信号数据受到噪声干扰产生很多的跳变信号的情况，例如微控制单元(Microcontroller Unit；MCU)在采集小电流信号时，由于内部模数转换器模块(ADC：Analog-to-Digital Converter)本身也存在偏移(OFFSET)，而且电路上的其他干扰也会导致产生较大噪声，影响小电流信号的模数转换(AD:Analog toDigital)检测，导致进一步影响产品的其他功能，所以对于小信号的处理算法尤为重要。
传统SF6气体传感器信号处理采用接入运算放大器后加ADC芯片从而将小信号转换为数字信号处理。但是传感器的小信号经过运算放大器的路径受环境温度、湿度等影响漂移比较大。此外小信号本身容易受到噪声干扰，由于ADC芯片在进行模拟信号转换成数字信号处理时，容易受到ADC芯片本身的量化噪声影响。如果选用高精度ADC又会加大系统硬件成本。同时，在制作PCB硬件板卡时，电子元器件的布局布线都会影响到小信号AD采集数据带来的噪声影响。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种SF6气体传感器的信号处理系统，该系统能够减小传感器体积，并降低传感器的成本。
为实现上述目的，本发明提供了一种SF6气体传感器的信号处理系统，包括SF6气体传感器、频率转换器、运算放大器、模拟比较器以及MCU。SF6气体传感器用于输出小信号；频率转换器连接SF6气体传感器，频率转换器用于将SF6气体传感器输出的小信号由电压信号转换成频率信号；运算放大器连接频率转换器，运算放大器用于将经频率转换器转换的频率信号进行放大；模拟比较器连接运算放大器，经运算放大器放大后的频率信号输入模拟比较器；通过MCU调整PWM的占空比，将占空比输入模拟比较器的输入端，再将模拟比较器的输出端接入MCU的输入端，由MCU判断模拟比较器是否翻转。
在一优选的实施方式中，频率转换器、运算放大器、模拟比较器以及MCU设置在硬件单板上。
在一优选的实施方式中，硬件单板包括上电装置，其用于给频率转换器、运算放大器、模拟比较器以及MCU上电，并完成硬件配置以使SF6气体传感器工作稳定。
本发明的另一目的在于提供一种SF6气体传感器的信号处理方法，其能够使产品的一致性比较好，测量精度、分辨率较高。
为实现上述目的，本发明提供了一种SF6气体传感器的信号处理方法，其采用前述的SF6气体传感器的信号处理系统进行信号处理，该信号处理方法包括以下步骤：将SF6气体传感器输出的小信号通过频率转换器将电压信号转换为频率信号，以实现SF6气体传感器的小信号的频率化；将小信号的频率信号放大，并将放大后的频率信号输入模拟比较器；通过MCU调整脉宽调制(PWM，Pulse Width Modulation)的占空比，将占空比输入模拟比较器的输入端，再将模拟比较器的输出端接入MCU的输入端，由MCU判断模拟比较器是否翻转(模拟比较器的翻转是指模拟比较器的输入值为0，模拟比较器的输出值为1时即为翻转，如果输出值仍为0为不翻转)；以及如果模拟比较器翻转，记录模拟比较器翻转时刻的PWM的频率值。
在一优选的实施方式中，SF6气体传感器的信号处理方法还包括下列步骤：根据PWM的频率值与SF6气体传感器输出的小信号的电压值建立的映射关系，通过查寻SF6气体传感器手册和校准，还原原始SF6气体传感器的小信号的电压值；对小信号进行数字化滤波，消除SF6气体传感器的小信号输出时受到周围环境、电磁场的干扰；以及对比SF6气体传感器手册，还原SF6气体浓度。
在一优选的实施方式中，SF6气体传感器的信号处理方法还包括：模拟比较器如果不翻转，MCU继续由小至大调整PWM占空比，直至翻转模拟比较器为止，记录模拟比较器翻转时刻的PWM的频率值。
在一优选的实施方式中，将小信号的频率信号放大是通过运算放大器完成；
在一优选的实施方式中，在将SF6气体传感器输出的小信号通过频率转换器将电压信号转换为频率信号，以实现SF6气体传感器的小信号的频率化的步骤之前还包括下列步骤：将设置在硬件单板上的频率转换器、运算放大器、模拟比较器以及MCU上电，完成硬件配置，待SF6气体传感器工作稳定。
与现有技术相比，本发明的SF6气体传感器的信号处理系统及信号处理方法具有以下有益效果：本信号处理系统及信号处理方法提到的小信号处理采用将小信号的电压或电流信号转换为频率信号，当周围温度变化时，只会改变小信号的幅度，不会改变频率，因此消除环境温度变化等的影响。其次本方法的数模转换时不采用ADC芯片，因此消除了ADC本身的量化噪声，提升测量精度和分辨率。再次传统传感器小信号处理采用模拟滤波器消除周围环境及单板带来的噪声，而本方法采用数字化滤波，因此减少了硬件体积，降低了硬件成本，同时提升传感器的灵敏度。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的SF6气体传感器的信号处理方法的硬件原理框图；
图2是根据本发明一实施方式的SF6气体传感器的信号处理方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
本文提出的一种SF6气体传感器遵循朗伯比尔(Lamber-Beer)定理。该定理可作为气体浓度定量检测的依据。光透过浓度均勾的气体时，部分能量被气体吸收，光强发生衰减。假设，光强为I0的一束单色光透过路程为L的浓度均匀的气体后，出射光强为I，则I和I0满足以下关系：I＝I0e-aCL。式中I0是光的入射光强；I为光透过气体后的出射光强；a为气体吸收系数；C表示气体的浓度；L表示光在气体中传输的距离(光程)。可见，当入射光强一定时，出射光强I是关于系数a，光程L和气体浓度C的函数。a和气体的成分和光路结构有关，在气体成分单一，光路结构确定的情况下，a是一个固定的值，该值可由实验求出。在a—定的情况下，气体浓度越大，光程越长，出射光强I的值越小，该定理为气体浓度定量分析提供了理论依据。
如图1所示，图1是根据本发明一实施方式的SF6气体传感器的信号处理系统的硬件原理框图。根据本发明优选实施方式的SF6气体传感器的信号处理系统，包括SF6气体传感器、频率转换器、运算放大器、模拟比较器以及MCU。SF6气体传感器用于输出小信号；频率转换器连接SF6气体传感器，频率转换器用于将SF6气体传感器输出的小信号由电压信号转换成频率信号；运算放大器连接频率转换器，运算放大器用于将经频率转换器转换的频率信号进行放大；模拟比较器连接运算放大器，经运算放大器放大后的频率信号输入模拟比较器；通过MCU调整PWM的占空比，将占空比输入模拟比较器的输入端，再将模拟比较器的输出端接入MCU的输入端，由MCU判断模拟比较器是否翻转。
在一优选的实施方式中，频率转换器、运算放大器、模拟比较器以及MCU设置在硬件单板上。
在一优选的实施方式中，硬件单板包括上电装置，其用于给频率转换器、运算放大器、模拟比较器以及MCU上电，并完成硬件配置以使SF6气体传感器工作稳定。
如图2所示，图2是根据本发明一实施方式的SF6气体传感器的信号处理方法的流程图。在一些实施方式中，本信号处理方法采用如图1所示的信号处理系统进行信号处理，本信号处理方法主要包括以下步骤：首先将设置在硬件单板上的频率转换器、运算放大器、模拟比较器以及MCU上电，完成硬件配置，待SF6气体传感器工作稳定后；通过频率转换器将SF6气体传感器输出的小信号由电压信号转换为频率信号，从而实现SF6气体传感器的小信号的频率化。
然后通过运算放大器将小信号的频率信号放大，并将放大后的频率信号输入模拟比较器；通过微控制单元(Microcontroller Unit；MCU)调整脉冲宽度调制(PWM：PulseWidth Modulation)的占空比，将占空比输入模拟比较器的输入端，再将模拟比较器的输出端接入MCU的输入端，再由MCU判断模拟比较器是否翻转(模拟比较器的翻转是指模拟比较器的输入值为0，模拟比较器的输出值为1时即为翻转，如果输出值仍为0为不翻转)；如果模拟比较器翻转，记录模拟比较器翻转时刻的PWM的频率值；如果模拟比较器如果不翻转，MCU继续由小至大调整PWM占空比，直至翻转模拟比较器为止，同时记录模拟比较器翻转时刻的PWM的频率值。
之后，根据PWM的频率值与SF6气体传感器输出的小信号的电压值建立的映射关系，通过查寻SF6气体传感器手册(该行业的手册中记录有SF6气体传感器输出的小信号的一些列电压值所对应的SF6气体的浓度值)、校准能够还原原始SF6气体传感器输出的小信号的电压值；对小信号进行数字化滤波，消除SF6气体传感器的小信号输出时受到周围环境、电磁场的干扰；最后通过与SF6气体传感器手册进行对比，从而还原SF6气体浓度。
综上所述，本发明的SF6气体传感器的信号处理系统及信号处理方法，相比较传统SF6气体传感器信号处理优势明显。传统SF6气体传感器信号处理采用接入运算放大器后加ADC芯片从而将小信号转换为数字信号处理。但是传感器的小信号经过运算放大器的路径受环境温度、湿度等影响漂移比较大。此外小信号本身容易受到噪声干扰，由于ADC芯片在进行模拟信号转换成数字信号处理时，容易受到ADC芯片本身的量化噪声影响。如果选用高精度ADC又会加大系统硬件成本。同时，在制作PCB硬件板卡时，电子元器件的布局布线都会影响到小信号AD采集数据带来的噪声影响。
因此本发明的SF6气体传感器的信号处理系统及信号处理方法不采用传统模数转换ADC芯片，而是利用SF6气体传感器对检测的不同浓度SF6气体时输出的小信号首先进行频率转换，然后接入运算放大器、比较器最后送入MCU中实现模数转换。由于原始小信号进行了频率转换，因此在后续运放过程中，环境温度、湿度等只会影响信号幅度变化而不会影响小信号频率。本文提出的信号处理方法改变传统的小信号电压计量模式为频率计量模式，因此产品的一致性比较好，测量精度、分辨率较高。同时减小了传感器体积，降低了传感器成本，也提升传感器的灵敏度。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种SF6气体传感器的信号处理系统，其特征在于，包括：
SF6气体传感器，其用于输出小信号；
频率转换器，其连接所述SF6气体传感器，所述频率转换器用于将所述SF6气体传感器输出的所述小信号由电压信号转换成频率信号；
运算放大器，其连接所述频率转换器，所述运算放大器用于将经所述频率转换器转换的所述频率信号进行放大；
模拟比较器，其连接所述运算放大器，经所述运算放大器放大后的所述频率信号输入所述模拟比较器；以及
MCU，通过MCU调整PWM的占空比，将所述占空比输入所述模拟比较器的输入端，再将所述模拟比较器的输出端接入所述MCU的输入端，由所述MCU判断所述模拟比较器是否翻转；
其中如果所述模拟比较器翻转，记录所述模拟比较器翻转时刻的所述PWM的频率值。
2.如权利要求1所述的SF6气体传感器的信号处理系统，其特征在于，所述频率转换器、所述运算放大器、所述模拟比较器以及所述MCU设置在硬件单板上。
3.如权利要求2所述的SF6气体传感器的信号处理系统，其特征在于，所述硬件单板包括上电装置，其用于给所述频率转换器、所述运算放大器、所述模拟比较器以及所述MCU上电，并完成硬件配置以使所述SF6气体传感器工作稳定。
4.一种SF6气体传感器的信号处理方法，其采用如权利要求1所述的信号处理系统进行信号处理，其特征在于，所述信号处理方法包括以下步骤：
将所述SF6气体传感器输出的小信号通过频率转换器将电压信号转换为频率信号；
将所述小信号的频率信号放大，并将放大后的所述频率信号输入模拟比较器；
通过MCU调整PWM的占空比，将所述占空比输入所述模拟比较器的输入端，再将所述模拟比较器的输出端接入所述MCU的输入端，由所述MCU判断所述模拟比较器是否翻转；以及
如果所述模拟比较器翻转，记录所述模拟比较器翻转时刻的所述PWM的频率值。
5.如权利要求4所述的SF6气体传感器的信号处理方法，其特征在于，还包括下列步骤：
根据所述PWM的频率值与所述SF6气体传感器输出的所述小信号的电压值建立的映射关系，通过查寻SF6气体传感器手册和校准，还原原始SF6气体传感器的所述小信号的电压值；以及
对比所述SF6气体传感器手册，还原SF6气体浓度。
6.如权利要求4所述的SF6气体传感器的信号处理方法，其特征在于，还包括：所述模拟比较器如果不翻转，所述MCU继续由小至大调整所述PWM占空比，直至翻转所述模拟比较器为止，记录所述模拟比较器翻转时刻的所述PWM的频率值。
7.如权利要求6所述的SF6气体传感器的信号处理方法，其特征在于，在所述将所述SF6气体传感器输出的小信号通过频率转换器将电压信号转换为频率型号的步骤之前还包括下列步骤：将设置于硬件单板上的所述频率转换器、所述运算放大器、所述模拟比较器以及所述MCU上电，完成硬件配置，待所述SF6气体传感器工作稳定。
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