CN115684018A - 一种提高sf6/cf4混合比检测精度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高SF₆/CF₄混合比检测精度的装置及方法，所述装置包括采用红外吸收光谱法检测SF₆/CF₄混合气体中SF₆的体积分数的第一检测模块、采用热导法直接测量SF₆/CF₄的比例的第二检测模块及接收第一检测模块的检测结果，若气体混合比在(x‑a)％～(x+a)％之间，则控制第二检测模块在该区间内进行检测的单片机，所述第一检测模块、第二检测模块分别与单片机连接；本发明的优点在于：提高SF₆/CF₄的混合比检测精度。

Description

一种提高SF6/CF4混合比检测精度的装置及方法

技术领域

本发明涉及气体混合比检测领域，更具体涉及一种提高SF₆/CF₄混合比检测精度的装置及方法。

背景技术

目前常用的SF₆/CF₄混合比检测方法有红外吸收光谱法、热导法。红外吸收光谱法是一种通过光强的减弱程度来判断气体体积分数的绝对测量方法，当红外光通过CF₄气体时，某些特定波长的红外光会被CF₄气体吸收，从而在相应红外波段处就会发生不同程度的红外辐射强度衰减(衰减程度与CF₄气体体积分数成正相关)，导致红外探测器的输出电压也会相应变化(输出电压与CF₄气体体积分数成负相关)。因此，通过分析红外探测器的输出电压，即可推算出气体浓度。

如图1所示，当混有CF₄气体的待测SF₆气体进入光池中，由于测量光池中的CF₄气体分子能够吸收特定波长的红外光，且该特定波长的红外光不会被SF₆气体以及其中混杂的其他气体杂质吸收，因此照射在红外探测器上的特定波长的红外光会发生衰减，衰减程度与CF₄气体体积分数成正相关。衰减后的红外光会使红外传感器输出电压V_k下降；CF₄气体体积分数越高，红外光衰减程度越大，相应的输出电压V_k也就越小，反之则V_k越大。输出电压V_k传递到差分放大器上，放大后的电压V_g经过单片机进行A/D转换后根据内置计算公式换算出CF₄体积分数，然后通过减法计算获取SF₆体积分数，最后根据计算结果输出混气比。该方法具备检测速度快、灵敏度高、量程范围宽、使用寿命长、结构紧凑小巧、适用于气体在线监测等优点，但是其检测精度不高，很难应用于高精度检测场合。

热导法是根据气体的导热系数不同来间接确定各种被测组分之间体积比的相对测量方法，对于两种物质组成的混合气体，如果两种气体之间不存在化学反应，则混合气体的导热系数可近似为两种气体导热系数的算数平均值，导热系数计算公式为λ＝λ₁C₁+λ₂C₂，其中，λ表示混合气体导热系数，λ₁、λ₂和C₁、C₂分别表示为各个组分的导热系数和所占的体积分数。当混合气体的体积分数发生变化时，导热系数也会随之变化。因此，可以通过检测温度的衰减程度来获取混合气体各组分比例。

如图2所示，目前热导检测器通常设计两个热导池，分别为参考热导池和测量热导池，并采用惠斯通电桥作为检测电路。其中，R₁₁和R₁₃为完全相同的热敏电阻PTC(温度和阻值成正相关)，R₁₂和R₁₄为阻值相同的普通电阻。当器件工作时，两个热敏电阻通电产生焦耳热，热量通过沟道中的气体向外传输。如果两个热导池都通入相同的载气，则参考热导池和测量热导池中的SF₆/CF₄导热系数相同，散热条件相同，那么两个热导池的温度变化也将相同。此时，上下桥臂的热敏电阻阻值大小也相等，满足R₁₁R₁₄＝R₁₂R₁₃，电桥保持平衡，输出电压V_i＝0。若SF₆/CF₄组成成分的体积分数发生变化时，导热系数也会随之发生变化，电阻R₁₁≠R₁₃，则R₁₁R₁₄≠R₁₂R₁₃，电桥无法继续保持平衡，输出电压V_i≠0。放大电路将输出电压V_i放大后，由单片机进行A/D转换后进行数据处理，根据内置计算公式输出相应的SF₆/CF₄混合比。该方法具备混合比检测范围可调的优点，但是其检测精度会随着检测范围的增加而逐渐降低，若单独使用热导法检测混合比，则很难在0～100％量程范围内获得较高的检测精度。

综上，单一的红外吸收光谱法或者单一的热导法很难精确检测混合气体的混合比。中国专利授权公告号CN210182295U，公开了一种显示混合气体混合比的气体密度继电器，包括混合气体混合比检测传感器、智能处理器，混合气体混合比检测传感器包括热导池(TCD)检测器或/和光谱分析器。其原理是：智能处理器利用红外光谱吸收法或气相色谱法测量混合气体混合比。虽然其同时公开具有热导池(TCD)检测器或和光谱分析器，但是其气体混合比的检测采用红外光谱吸收法或气相色谱法中的一种，虽然气相色谱法检测精度十分高，但是其耗时长，一般需要几个小时，不具备现场使用的条件，多用在实验室分析，红外光谱法检测耗时短，但是检测精度低，综合分析，其总体方案仍然存在检测精度不高的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于现有技术SF₆/CF₄的混合比检测精度不高的问题。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种提高SF₆/CF₄混合比检测精度的装置，包括采用红外吸收光谱法检测SF₆/CF₄混合气体中SF₆的体积分数的第一检测模块、采用热导法直接测量SF₆/CF₄的混合比例的第二检测模块及接收第一检测模块的检测结果，若气体混合比在(x-a)％～(x+a)％之间，则控制第二检测模块在该区间内进行检测的单片机，其中，x是SF₆的占比，a是偏差量，所述第一检测模块、第二检测模块分别与单片机连接。

有益效果：本发明基于现有技术红外吸收光谱法检测精度不高以及热导法检测精度与检测范围成负相关的问题，先由红外吸收光谱法检测SF₆/CF₄中SF₆的体积分数，确定混合比在(x-a)％～(x+a)％之间，然后在该区间内采用热导法直接测量两种气体的比例，从而整合了红外法和热导法这两种检测方法的优势，通过减小热导法检测量程来提高SF₆/CF₄混合比检测精度的目的。

进一步地，所述第一检测模块包括红外探测器和第一差分放大器，红外探测器的输入端接收SF₆/CF₄混合气体，红外探测器的输出端与第一差分放大器的负极连接，第一差分放大器的正极接恒定电压V_c,第一差分放大器的输出端与单片机的一个AD采样端口连接。

进一步地，所述第二检测模块包括热敏电阻R₁、第二差分放大器、电压放大器、电阻R₂至电阻R₄，所述热敏电阻R₁位于热导池内，SF₆/CF₄混合气体通入热导池；热敏电阻R₁的一端与电源V_in的正极连接，另一端通过电阻R₂与电源V_in的负极连接；第二差分放大器的负极与电阻R₁的另一端连接且其正极接恒定电压V_E，差分放大器的输出端与电压放大器的正极连接，电压放大器的负极分别与电阻R₃及电阻R₄的一端连接，电阻R₃的另一端接地，电压放大器的输出端及电阻R₄的另一端连接并与单片机的另一个AD采样端口连接。

本发明还提供一种提高SF₆/CF₄混合比检测精度的方法，所述方法包括：先由红外吸收光谱法检测SF₆/CF₄混合气体中SF₆的体积分数，确定SF₆气体的体积分数是否在(x-a)％～(x+a)％之间，若体积分数不在该范围内，直接由红外吸收光谱法输出混合比检测结果，若体积分数在该范围内，采用热导法直接测量SF₆/CF₄的混合比例。

更进一步地，所述红外吸收光谱法进行检测前还包括零点标定的步骤，所述零点标定包括：

将SF₆纯气通入红外探测器，红外探测器输出电压为V_k，将红外探测器的输出电压V_k输入第一差分放大器的负极，第一差分放大器的正极接收恒定电压V_c，第一差分放大器的输出端与单片机的一个AD采样端口连接，令恒定电压V_c＝V_k，则第一差分放大器的输出电压V_g为0，完成零点标定。

更进一步地，所述红外吸收光谱法进行检测前还包括满量程标定的步骤，所述满量程标定包括：

将CF₄纯气通入红外探测器，红外探测器输出电压为V_k，将红外探测器的输出电压V_k输入第一差分放大器的负极，第一差分放大器的正极接收恒定电压V_c，第一差分放大器的输出端与单片机的一个AD采样端口连接，此时，V_c≠V_k，且Vg≠0，调节第一差分放大器的放大倍数，使V_g＝V_ref，完成满量程标定，其中，V_ref是输入到单片机的参考电压。

更进一步地，所述热导法进行气体比例检测之前还包括零点标定的步骤，所述零点标定包括：

将热敏电阻R₁置于热导池内，热敏电阻R₁的输入电压为V_in，热敏电阻R₁产生焦耳热，热导池开始升温同时R₁阻值逐渐增大；将(x-a)％：(100+a-x)％的SF₆/CF₄标准气体通入热导池，调节电压V_in，使热导池温度达到目标温度T₀，此时热敏电阻R₁后级输出电压为V_i；第二差分放大器的负极接电压V_i，正极接恒定电压V_E，输出端接电压放大器的正极，电压放大器的负极接地且输出端接单片机的另一个AD采样端口，令V_E＝V_i，完成零点标定。

再进一步地，所述热导法进行气体比例检测之前还包括满量程标定的步骤，所述满量程标定包括：

将(x+a)％：(100-a-x)％的SF₆/CF₄标准气体通入热导池，由于该气体混合比相对于零点标定采用的SF₆/CF₄混合比发生了变化，从而热敏电阻R₁的输出电压V_i也会相应改变，此时，V_E-V_i≠0，则第二差分放大器的输出电压V_s≠0，第二差分放大器的输出电压V_s再经过电压放大器进行二次放大，后级输出电压为V_t，使V_t＝V_s(R₃+R₄)/R₃＝V_ref，完成满量程标定，其中，V_ref为单片机的参考电压，R₃和R₄为电压放大器后级的放大电阻。

本发明的优点在于：

(1)本发明基于现有技术红外吸收光谱法检测精度不高以及热导法检测精度与检测范围成负相关的问题，先由红外吸收光谱法检测SF₆/CF₄中SF₆的体积分数，确定混合比在(x-a)％～(x+a)％之间，然后在该区间内采用热导法直接测量两种气体的比例，从而整合了红外法和热导法这两种检测方法的优势，通过减小热导法检测量程来提高SF₆/CF₄混合比检测精度的目的。

(2)本发明在红外吸收光谱法进行检测之前进行了零点标定和满量程标定，以保证在AD转换中获得较高分辨力，提升检测限。

附图说明

图1为现有技术红外吸收光谱法检测原理图；

图2为现有技术热导法检测原理图；

图3为本发明实施例所提供的一种提高SF₆/CF₄混合比检测精度的装置的原理图；

图4为本发明实施例所提供的一种提高SF₆/CF₄混合比检测精度的方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图3所示，一种提高SF₆/CF₄混合比检测精度的装置，包括采用红外吸收光谱法检测SF₆/CF₄混合气体中SF₆的体积分数的第一检测模块1、采用热导法直接测量SF₆/CF₄混合气体的比例的第二检测模块2及接收第一检测模块1的检测结果，若气体混合比在(x-a)％～(x+a)％之间，则控制第二检测模块2在该区间内进行检测的单片机3，其中，x是SF₆的占比，a是偏差量，所述第一检测模块1、第二检测模块2分别与单片机3连接。

继续参阅图3，所述第一检测模块1包括红外探测器11和第一差分放大器12，所述红外探测器11为红外探测器。红外探测器11的输入端接收SF₆/CF₄混合气体，红外探测器11的输出端与第一差分放大器12的负极连接，第一差分放大器12的正极接恒定电压V_c,第一差分放大器12的输出端与单片机3的一个AD采样端口连接。本实施例中。

继续参阅图3，所述第二检测模块2包括热敏电阻R₁、第二差分放大器22、电压放大器23、电阻R₂至电阻R₄，所述热敏电阻R₁位于热导池21内，SF₆/CF₄混合气体通入热导池21；热敏电阻R₁的一端与电源V_in的正极连接，另一端通过电阻R₂与电源V_in的负极连接；第二差分放大器22的负极与电阻R₁的另一端连接且其正极接恒定电压V_E，差分放大器的输出端与电压放大器23的正极连接，电压放大器23的负极分别与电阻R₃及电阻R₄的一端连接，电阻R₃的另一端接地，电压放大器23的输出端及电阻R₄的另一端连接并与单片机3的另一个AD采样端口连接。

基于上述装置，SF₆/CF₄混合比检测方法包括以下过程：

S1、为了避免器件本身误差导致检测精度下降，需要进行量程标定，首先进行红外吸收光谱法量程标定。

(1)零点标定

将SF₆纯气通入红外探测器11，红外探测器11输出电压为V_k，将红外探测器11的输出电压V_k输入第一差分放大器12的负极，第一差分放大器12的正极接收恒定电压V_c，第一差分放大器12的输出端与单片机3的一个AD采样端口连接，令恒定电压V_c＝V_k，则第一差分放大器12的输出电压V_g为0，完成零点标定，且恒定电压V_c的大小已确定，后续将不再改变。

(2)满量程标定

将CF₄纯气通入红外探测器11，红外探测器11输出电压为V_k，将红外探测器11的输出电压V_k输入第一差分放大器12的负极，第一差分放大器12的正极接收恒定电压V_c，第一差分放大器12的输出端与单片机3的一个AD采样端口连接，由于CF₄吸收红外光造成红外辐射衰减，此时输出电压V_k降低，此时，V_c≠V_k，且Vg≠0。调节第一差分放大器12的放大倍数，使V_g＝V_ref＝5V，完成满量程标定，其中，V_ref是输入到单片机3的参考电压。

S2、为了避免器件本身误差导致检测精度下降，热导法进行气体比例检测之前还需要进行量程标定。假设SF₆/CF₄混合气体混合比标准值为x％:(100-x)％，要求偏差范围在±a％之间，则SF₆体积分数应在(x-a)％～(x+a)％范围内。

(1)零点标定

首先采用混合比为(x-a)％：(100+a-x)％的SF₆/CF₄标准气体对第二检测模块2进行零点标定。具体的，打开第二检测模块2，热敏电阻R₁置于热导池21内，热敏电阻R₁的输入电压为V_in，热敏电阻R₁产生焦耳热，热导池21开始升温同时R₁阻值逐渐增大；将(x-a)％：(100+a-x)％的SF₆/CF₄标准气体通入热导池21，调节电压V_in，使热导池21温度达到目标温度T₀，此时热敏电阻R₁后级输出电压为V_i；第二差分放大器22的负极接电压V_i，正极接恒定电压V_E，输出端接电压放大器23的正极，电压放大器23的负极接地且输出端接单片机3的另一个AD采样端口，令V_E＝V_i，此时完成零点标定，且模块输入电压V_in和电压V_E的大小已确定，后续将不再改变。

(2)满量程标定

采用混合比为(x+a)％：(100-a-x)％的SF₆/CF₄标准气体对零点标定后的第二检测模块2进行满量程标定。具体的，打开第二检测模块2，***输入电压为V_in，将(x+a)％：(100-a-x)％的SF₆/CF₄标准气体通入热导池21，由于该气体混合比相对于零点标定采用的SF₆/CF₄混合比发生了变化，因此SF₆/CF₄的导热系数也随之改变，从而热敏电阻R₁的输出电压V_i也会相应改变。此时，V_E-V_i≠0，则第二差分放大器22的输出电压V_s≠0，第二差分放大器22的输出电压V_s再经过电压放大器23进行二次放大，后级输出电压为V_t，选择合适的放大电阻R₃和R₄，使V_t＝V_s(R₃+R₄)/R₃＝V_ref＝5V，完成满量程标定。

S3、标定结束后进行SF₆/CF₄混合比检测，具体检测流程图如图4所示，检测过程包括：

测量时，单片机3接收第一检测模块1的信号先利用红外吸收光谱法在0～100％范围内检测SF₆气体的体积分数，确定SF₆气体的体积分数是否在(x-a)％～(x+a)％之间。若体积分数不在该范围内，则停止下一步测量工作，直接由单片机3根据内置的红外吸收光谱法计算公式输出混合比检测结果。需要说明的是，体积分数不在该范围内说明SF₆/CF₄已经不符合标准，再将其输入到第二检测模块2进行热导法检测没有任何意义，所以直接在第一检测模块1中输出结果，加快检测效率。

若体积分数在(x-a)％～(x+a)％范围内，则单片机3控制第二检测模块2触发，接收第二检测模块2的信号，并根据单片机3内置热导法计算公式，输出基于热导法的精确混合比检测结果。红外吸收光谱法、热导法的计算公式均采用现有技术计算公式。

X_s1＝(V_s1-V_zero1)/K₁ (1)

(1)式中：X_s1为第一检测模块1的浓度，V_s1为第一检测模块1的电压，V_zero1为第一检测模块1的零点电压，K₁为红外传感器的转换系数。

如果X_s1<x-a或者X_s1>x+a，则X_s1为最终得到的体积分数，否则使用公式(2)继续进行计算：

X_s2＝(V_s2-V_zero2)/K₂ (2)

(2)式中：X_s2为第二检测模块2的浓度，V_s2为第二检测模块2的电压，V_zero2为第二检测模块2的零点电压，K₂为热导传感器的转换系数。

得到的X_s2为最终的体积分数。

为了更清楚的说明上述检测过程，给出一个具体实例，x＝30，a＝1，则SF₆体积分数应在29％～31％范围内，单片机3接收第一检测模块1的信号先利用红外吸收光谱法在0～100％范围内检测SF₆气体的体积分数，确定SF₆气体的体积分数是否在29％～31％之间。若体积分数不在该范围内，则停止下一步测量工作，直接由单片机3根据内置的红外吸收光谱法计算公式输出混合比检测结果。

若体积分数在29％～31％范围内，则单片机3控制第二检测模块2触发，接收第二检测模块2的信号，并根据单片机3内置热导法计算公式，输出基于热导法的精确混合比检测结果。

通过以上技术方案，本发明基于现有技术红外吸收光谱法检测精度不高以及热导法检测精度与检测范围成负相关的问题，先由红外吸收光谱法检测SF₆/CF₄中SF₆的体积分数，确定混合比在(x-a)％～(x+a)％之间，然后在该区间内采用热导法直接测量两种气体的比例，从而整合了红外法和热导法这两种检测方法的优势，通过减小热导法检测量程来提高SF₆/CF₄混合比检测精度的目的。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种提高SF₆/CF₄混合比检测精度的装置，其特征在于，包括采用红外吸收光谱法检测SF₆/CF₄混合气体中SF₆的体积分数的第一检测模块、采用热导法直接测量SF₆/CF₄的混合比例的第二检测模块及接收第一检测模块的检测结果，若气体混合比在(x-a)％～(x+a)％之间，则控制第二检测模块在该区间内进行检测的单片机，其中，x是SF₆的占比，a是偏差量，所述第一检测模块、第二检测模块分别与单片机连接。

2.根据权利要求1所述的一种提高SF₆/CF₄混合比检测精度的装置，其特征在于，所述第一检测模块包括红外探测器和第一差分放大器，红外探测器的输入端接收SF₆/CF₄混合气体，红外探测器的输出端与第一差分放大器的负极连接，第一差分放大器的正极接恒定电压V_c,第一差分放大器的输出端与单片机的一个AD采样端口连接。

3.根据权利要求1所述的一种提高SF₆/CF₄混合比检测精度的装置，其特征在于，所述第二检测模块包括热敏电阻R₁、第二差分放大器、电压放大器、电阻R₂至电阻R₄，所述热敏电阻R₁位于热导池内，SF₆/CF₄混合气体通入热导池；热敏电阻R₁的一端与电源V_in的正极连接，另一端通过电阻R₂与电源V_in的负极连接；第二差分放大器的负极与电阻R₁的另一端连接且其正极接恒定电压V_E，差分放大器的输出端与电压放大器的正极连接，电压放大器的负极分别与电阻R₃及电阻R₄的一端连接，电阻R₃的另一端接地，电压放大器的输出端及电阻R₄的另一端连接并与单片机的另一个AD采样端口连接。

4.一种提高SF₆/CF₄混合比检测精度的方法，其特征在于，所述方法包括：先由红外吸收光谱法检测SF₆/CF₄混合气体中SF₆的体积分数，确定SF₆气体的体积分数是否在(x-a)％～(x+a)％之间，若体积分数不在该范围内，直接由红外吸收光谱法输出混合比检测结果，若体积分数在该范围内，采用热导法直接测量SF₆/CF₄的混合比例。

5.根据权利要求4所述的一种提高SF₆/CF₄混合比检测精度的方法，其特征在于，所述红外吸收光谱法进行检测前还包括零点标定的步骤，所述零点标定包括：

将SF₆纯气通入红外探测器，红外探测器输出电压为V_k，将红外探测器的输出电压V_k输入第一差分放大器的负极，第一差分放大器的正极接收恒定电压V_c，第一差分放大器的输出端与单片机的一个AD采样端口连接，令恒定电压V_c＝V_k，则第一差分放大器的输出电压V_g为0，完成零点标定。

6.根据权利要求4所述的一种提高SF₆/CF₄混合比检测精度的方法，其特征在于，所述红外吸收光谱法进行检测前还包括满量程标定的步骤，所述满量程标定包括：

将CF₄纯气通入红外探测器，红外探测器输出电压为V_k，将红外探测器的输出电压V_k输入第一差分放大器的负极，第一差分放大器的正极接收恒定电压V_c，第一差分放大器的输出端与单片机的一个AD采样端口连接，此时，V_c≠V_k，且Vg≠0，调节第一差分放大器的放大倍数，使V_g＝V_ref，完成满量程标定，其中，V_ref是输入到单片机的参考电压。

7.根据权利要求4所述的一种提高SF₆/CF₄混合比检测精度的方法，其特征在于，所述热导法进行气体比例检测之前还包括零点标定的步骤，所述零点标定包括：

将热敏电阻R₁置于热导池内，热敏电阻R₁的输入电压为V_in，热敏电阻R₁产生焦耳热，热导池开始升温同时R₁阻值逐渐增大；将(x-a)％：(100+a-x)％的SF₆/CF₄标准气体通入热导池，调节电压V_in，使热导池温度达到目标温度T₀，此时热敏电阻R₁后级输出电压为V_i；第二差分放大器的负极接电压V_i，正极接恒定电压V_E，输出端接电压放大器的正极，电压放大器的负极接地且输出端接单片机的另一个AD采样端口，令V_E＝V_i，完成零点标定。

8.根据权利要求7所述的一种提高SF₆/CF₄混合比检测精度的方法，其特征在于，所述热导法进行气体比例检测之前还包括满量程标定的步骤，所述满量程标定包括：

将(x+a)％：(100-a-x)％的SF₆/CF₄标准气体通入热导池，由于该气体混合比相对于零点标定采用的SF₆/CF₄混合比发生了变化，从而热敏电阻R₁的输出电压V_i也会相应改变，此时，V_E-V_i≠0，则第二差分放大器的输出电压V_s≠0，第二差分放大器的输出电压V_s再经过电压放大器进行二次放大，后级输出电压为V_t，使V_t＝V_s(R₃+R₄)/R₃＝V_ref，完成满量程标定，其中，Vref为单片机的参考电压，R₃和R₄为电压放大器后级的放大电阻。

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