徐永杰 陆绮荣 李静

    六氟化硫(SF6)气体由于具有良好的电气性能,在国内外的电气设备中逐步替代了常规绝缘油材料。六氟化硫气体中含有水分会降低了设备的绝缘特性、加剧低氟化物的水解和金属氟化物的水解,并且易在设备内结露,接影响电器设备的安全运行。因此,准确的检测SF6气体的纯度、湿度具有重要意义。

    总体设计思路

    露点的测量方法有直接测量和间接测量两种方法,由于露点直接测量价格高,工业无法承受,现采用间接测量的方法,将露点的测量转化为温度和湿度的测量。本设计是利用高分子材料湿度传感器测量露点,将六氟化硫的露点测量的特点与湿度传感器的性质结合起来。

    在电路设计方面,由湿敏电容与555定时器组成振荡电路,利用振荡电路的输出频率电信号与电容容量的关系,实现湿度信号转化为频率。由智能温度传感器DSl8B20组成的电路来测量温度。将得来的温湿度信号由单片机系统实现控制,最终实现六氟化硫气体的露点测量。设计的整体框图如图1示。

    硬件设计

    温度测量

    在设计过程中选用了美国Dallas公司最新推出的DSl8B20数字式智能温度传感器,它是单线数字式测温芯片,它能在现场采集温度数据,并将温度数据直接转换成数字量输出。它能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。而且采用了三线制与单片机相连,将测温部分与A／D转换于一体,减少了外部硬件电路,具有低成本和易使用的特点。

    单线式数字温度传感器DSl8B20测温范围为－55～125℃,精度为±2℃,而在－10～85℃范围内,精度为±O.5℃。

    DSl8820可以采用两种方式供电,一种是采用电源供电方式(电源电压范围为3.O～5.5V),此时DSl8820的脚1接地,脚2作为信号线,脚3接电源。另一种是寄生电源供电方式,在本课题中采用电源供电的方式。

    DSl8820温度传感器与单片机连接电路如图2所示。

    湿度测量

    SF6高压电器要求SF6的湿度相当低。一般的传感器难于达到测量低湿的要求。对于低湿测量(在30％以下)使用电容式湿度传感器为宜。

    湿敏电容是由高分子材料作为基底,在其上下表面蒸镀一薄层微孔电极,构成一个平行板电容器;当气体的相对湿度发生变化时高分子材料的介电常数随着改变,导致湿敏电容的容量发生变化,从而实现相对湿度△x％RH。

    Humirel公司的电容式湿度传感器,工作范同宽(1％～99％RH),线性度好,响应时间短(典型值10s),可以工作于－40～100℃,具有较高的可靠性和长期的稳定性,其典型的标称电容值为180PF(55％RH),推荐温度系数为0.04PF／℃。高分子薄膜电容式湿度传感器的敏感量为相对湿度。

    在设计中,为将湿敏电容容量的变化转化为电信号,采用了一片555定时器。555定时器电路是一种双极型集成电路,由于它的结构独特,只要在外部引脚配上适当的阻容元件便可构成脉冲产生与变换电路,因此被应用广泛。

    555定时器构成的多谐振荡器与单片机的连接电路如图3所示。

    由湿敏电容与555振荡器的连接电路图,振荡器的频率输出与湿度的关系式,表1给出了二者之间的关系。

    控制和显示单元

    单片机系统中,使用的显示器主要有LED(发光二极管显示器)和LCD(液晶显示器)。LCD是一种被动式显示器,由于它的功耗极低、抗干扰能力强,因而在低功耗的单片机系统中大量使用。鉴于上述的原因,使用LCD显示。

    Motorola公司生产的MCl4543芯片是一种常用的LCD锁存／译码／驱动电路。MCl4543使用十分的简单,只要在LE端加高电压,BI加低电平,Ph端输入方波,A、B、C、D输入BCD码,则在译码笔形输出端就会输出与Ph同相或反相的方波驱动对应的液晶笔画亮或暗,从而显示出数字。LCD与单片机接口如图4所示。

    方波发生器由集成电路CD4060和谐振频率为30720Hz的晶振等元件组成。cI)4060是14位二进制串行计数、分频器和振荡器。本电路采用外接30720Hz的晶振来组成晶体振荡器,其振荡信号经CI)4060内部9次分频后,在Q9端输出准确的60Hz频率信号。方波发生器的构成电路如图5所示。

    软件设计

    硬件电路完成以后,开始进行系统软件设计。进行软件的总对独立的模块。接着画出每一个专用程序模块的详细流程图,并选择合适的语言编写程序,最后按照软件总体设计时给出的结构框图,将各模块连接成一个完整的程序。

    按照系统控制功能要求,确定了系统软件的主要功能有：系统初始化、采集传感器输出的温度、湿度信号、对采集后的数据进行处理、计算露点等、显示数据等。按照软件功能要求,给出了程序总体结构框图,如图6所示。

    按照程序总体结构进行模块化设计,其中DSl8820温度传感器的程序设计流程如图7所示。

    结束语

    采用间接测量方法是.T.业露点控制的发展方向,但如何在低湿区提高露点的测量精度,还有待进一步研究。因为这样可以扩大露点控制器的使用范围,就可以改造一大批低露点的测试仪器,具有宽广的市场前景。
 
    （来源：电子技术）