專利名稱：測(cè)量六氟化硫氣體濃度的變送器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種測(cè)量六氟化硫氣體濃度的變送器。
背景技術(shù)：
六氟化硫(SF6)是具有卓越的電絕緣性和滅弧特性的氣體。在電力工業(yè)中，六氟化硫廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備中，如電源開關(guān)、封閉式電容器組、變壓器等，這些含有六氟化硫的電氣設(shè)備在運(yùn)行的過(guò)程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)六氟化硫氣體的泄漏。因?yàn)榱驓怏w比重比空氣大，泄漏后聚集在房間中的而使低層空間缺氧，會(huì)使人窒息；被電弧電擊過(guò)的六氟化硫氣體還會(huì)產(chǎn)生有毒有害的分解物，并對(duì)設(shè)備造成腐蝕。針對(duì)六氟化硫電氣設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)人類健康的威脅，有關(guān)法律法規(guī)規(guī)定必須在相應(yīng)的配電裝置室中安裝監(jiān)控和超標(biāo)報(bào)警系統(tǒng)。
從物理性質(zhì)上看，六氟化硫常態(tài)下是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒的不易燃?xì)怏w，比重約為空氣的5倍。從化學(xué)性質(zhì)上看，其化學(xué)成分穩(wěn)定，具有極好的熱穩(wěn)定性。因此若采用化學(xué)傳感器檢測(cè)六氟化硫氣體濃度則不像檢測(cè)氧氣或者二氧化碳?xì)怏w那樣容易。目前已被采用的一些測(cè)量六氟化硫氣體濃度的方法多為物理方法，如氣相色譜法、導(dǎo)熱系數(shù)法、電子漂移法、光干涉法、超聲波測(cè)量法等。前面的4種方法不僅需要昂貴的儀器設(shè)備，而且要求操作者具有相當(dāng)高的操作水平，因此推廣普及相當(dāng)困難。超聲波測(cè)量法則具有設(shè)備成本較低、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。采用超聲波測(cè)量法測(cè)量二元混合氣體的原理是因?yàn)樵跇悠窔庵袀鞑サ某暡ㄋ俣瓤梢员硎緸闃悠窔怏w的平均分子量和溫度的函數(shù)，而若樣品氣體為二元混合氣體時(shí)，只要測(cè)定出樣品氣中的超聲波傳播速度與樣品氣的溫度，就可以求得樣品氣的平均分子量，進(jìn)而可以由此計(jì)算出樣品氣中任一種氣體的濃度。
二元混合氣體在常溫常壓下可以看作是理想氣體，超聲波是以很高速度作小振幅振動(dòng)在氣體中傳播，其過(guò)程可以看作是絕熱過(guò)程。理想氣體中聲速可以表示為c＝(γRT/M)1/2(1)，其中，R＝8.31J·MOl-1·K-1是氣體常數(shù)，T是絕對(duì)氣體溫度，γ是氣體定壓比熱與定容比熱的比值，M是一摩爾氣體的質(zhì)量。對(duì)于二元混合氣體，
γ‾=nCva+(1-n)CvbnCPa+(1-n)CPb,]]>M＝nMa+(1-n)Mb，a、b分別代表目標(biāo)氣體和背景氣體，n是氣體a的濃度，1-n是氣體b的濃度，Cva和Cvb分別是氣體a、b的定容比熱，Cpa和Cpb分別是氣體a、b的定壓比熱，并且有Cvi＝Cpi-RO，i代表a、b。
兩路發(fā)射信號(hào)同相位，則兩路接收信號(hào)相位差θ為 C1是一定濃度a與b混合氣體中聲速，C2是單一b氣體中聲速，f為聲脈沖頻率。把式(1)帶入(2)中，并令L為1可得 1988出版的“Nuclear Instruments and Methods in Physics Research”(核裝置及其方法在物理學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的研究)第219頁(yè)至234頁(yè)刊登了美國(guó)斯坦福大學(xué)的G.Hallewell等發(fā)表的“A Sonar-Based Technique for the Ration-metric Determination of Binary GasMixtures”(基于聲納技術(shù)的二元混合氣體的定量檢測(cè)技術(shù))一文、1993年出版的“Sensorsand Actuators”傳感器和激勵(lì)器)第413頁(yè)至419頁(yè)刊登了Joos R.N等發(fā)表的“AnUltrasonic Sensor for the Analysis of Binary Gas Mixtures”(一種檢測(cè)二元混合氣體的超聲波傳感器)以及1995年出版的《聲學(xué)技術(shù)》第105頁(yè)至108頁(yè)刊登了同濟(jì)大學(xué)的閻玉舜、陳亦鵑、湯建明發(fā)表的“超聲分析二元混合氣體濃度的理論及應(yīng)用”，上述3個(gè)文獻(xiàn)均公開了一種采用超聲波脈沖時(shí)間間隔法測(cè)量混合氣體濃度的方法，其方法是第一、在待測(cè)混合氣中設(shè)置一對(duì)固定距離的超聲換能器，從一個(gè)換能器向另一個(gè)換能器發(fā)射超聲波脈沖，測(cè)量超聲波脈沖傳播的時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出超聲波在待測(cè)氣體中的傳播速度；第二、測(cè)量環(huán)境溫度，第三、根據(jù)超聲波速度、環(huán)境溫度與氣體介質(zhì)混合比例三者之間的函數(shù)關(guān)系推算出氣體的濃度。該方法的不足之處在于測(cè)量精度不夠高，不能滿足檢測(cè)低濃度SF6氣體的要求。
中國(guó)專利申請(qǐng)02800155.9公開了一種“利用超聲波測(cè)定樣品氣體中的氧氣濃度和該樣品氣的流量的裝置及方法”，在進(jìn)行氣體濃度的測(cè)量時(shí)，先后在同一通道內(nèi)輸入校準(zhǔn)氣體與樣品氣體而依次測(cè)得超聲波在校準(zhǔn)氣體與樣品氣體的傳播速度，然后根據(jù)與聲速有關(guān)的計(jì)算式計(jì)算出樣品氣體的濃度值；但是這種測(cè)量方法的效率較低，且不能實(shí)時(shí)測(cè)量，在工業(yè)應(yīng)用中難以推廣普及；同時(shí)，其測(cè)量精度還不夠高，不能滿足檢測(cè)低濃度氣體如低濃度的六氟化硫的要求。中國(guó)專利申請(qǐng)03112800.9公開了一種“差分法超聲氣體微量變化測(cè)定及控制評(píng)估系統(tǒng)”，該申請(qǐng)采用兩個(gè)通道，一個(gè)通道在現(xiàn)場(chǎng)密封，它接觸到的是尚未變化的氣體，另一通道不密封，微變氣體在此使聲速產(chǎn)生微變。工作時(shí)，兩通道溫度相同，溫度響應(yīng)亦相同，通過(guò)差分電路后兩路信號(hào)相減，最后輸出反應(yīng)氣體含量變化的信息。但是該申請(qǐng)指出它所采用的鎖相環(huán)路具有獨(dú)特而精密的跟蹤性能及技術(shù)復(fù)雜性，而該申請(qǐng)對(duì)該獨(dú)特精密的跟蹤性及技術(shù)復(fù)雜性又未加以說(shuō)明，所以本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無(wú)法實(shí)施。中國(guó)專利申請(qǐng)200320100440.1公開了“一種用于變電站高壓電器中檢測(cè)六氟化硫氣體的裝置”，該申請(qǐng)采用一個(gè)氣體吸入裝置不斷抽入環(huán)境中的氣體，使之進(jìn)入聲波比較器，聲波比較器的輸出訊號(hào)進(jìn)入訊號(hào)處理器，訊號(hào)處理器再算出六氟化硫氣體濃度。在該申請(qǐng)中只有一個(gè)氣體吸入裝置，但沒有公開聲波比較器中比較的是哪些氣體或聲波比較器比較的是什么，也沒有公開聲波發(fā)生裝置和接收裝置，也沒有公開訊號(hào)處理器處理什么訊號(hào)和實(shí)現(xiàn)該申請(qǐng)的電路原理圖等一系列問(wèn)題，故而對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根本無(wú)法實(shí)施該申請(qǐng)的方案。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全，可對(duì)低濃度六氟化硫進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量且精度較高的測(cè)量六氟化硫氣體濃度的變送器。
實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的中的提供一種測(cè)量六氟化硫氣體濃度的變送器所采用的技術(shù)方案是，該變送器具有超聲波檢測(cè)裝置，超聲波檢測(cè)裝置具有采樣裝置和參照裝置；采樣裝置和參照裝置內(nèi)部的作為發(fā)射端的一端均設(shè)有發(fā)射超聲波的超聲波換能器，作為接收端的另一端均設(shè)有接收超聲波的超聲波換能器；其特征在于還具有單片機(jī)和環(huán)境參數(shù)采集電路；超聲波檢測(cè)裝置還具有波形發(fā)生器、放大隔離電路、隔離放大整形電路、比較及測(cè)量濾波器、分頻器和晶振電路；晶振電路的晶振信號(hào)輸出端接分頻器；分頻器具有兩個(gè)輸出端，分別是使用時(shí)可輸出第一頻率f1的第一頻率輸出端和使用時(shí)可輸出第二頻率f2的第二頻率輸出端，所述的第一頻率f1在超聲波的頻率范圍內(nèi)，所述的第二頻率f2是第一頻率f1的50至300倍；分頻器的第一頻率輸出端接波形發(fā)生器的輸入端，其第二頻率輸出端接比較及測(cè)量濾波器的頻率信號(hào)輸入端；波形發(fā)生器的輸出端接放大隔離電路，放大隔離電路的輸出端同時(shí)與采樣裝置和參照裝置的發(fā)射端處的超聲波換能器的電源端電連接，采樣裝置和參照裝置的接收端處的超聲波換能器的輸出端各自與相應(yīng)的隔離放大整形電路的輸入端電連接；各隔離放大整形電路的輸出端與比較及測(cè)量濾波器的2個(gè)超聲測(cè)量信號(hào)的相應(yīng)輸入端電連接，比較及測(cè)量濾波器的超聲測(cè)量信號(hào)數(shù)據(jù)及控制端與單片機(jī)的超聲測(cè)量信號(hào)數(shù)據(jù)及控制端雙向電連接；環(huán)境參數(shù)采集電路具有溫度采集電路；溫度采集電路的溫度信號(hào)輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的溫度信號(hào)輸入端電相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的數(shù)據(jù)及控制端與單片機(jī)的第一環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)及控制端雙向電相連；單片機(jī)在使用時(shí)根據(jù)相應(yīng)的算式以超聲測(cè)量信號(hào)和溫度信號(hào)為變量而可計(jì)算出六氟化硫氣體濃度。
上述技術(shù)方案中，采樣裝置的發(fā)射超聲波的換能器與接收超聲波的換能器之間的距離相等于參照裝置的發(fā)射超聲波的換能器與接收超聲波的換能器之間的距離；參照裝置和采樣裝置均是一個(gè)外殼為管形且通過(guò)設(shè)置在管形外殼上的2至6個(gè)微孔與外部空氣相通的裝置；參照裝置和采樣裝置的發(fā)射超聲波的超聲波換能器分別設(shè)置在相應(yīng)的管形外殼內(nèi)部的一端，參照裝置和采樣裝置的接收超聲波的超聲波換能器分別設(shè)置在相應(yīng)的管形外殼內(nèi)部的另一端。
上述技術(shù)方案中，參照裝置在采樣裝置正上方2至5米處。
上述技術(shù)方案中，環(huán)境參數(shù)采集電路還具有含氧量采集電路和濕度采集電路，含氧量采集電路的含氧量信號(hào)輸出端與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的含氧量信號(hào)輸入端相連，濕度采集電路的濕度信號(hào)輸出端與單片機(jī)的濕度信號(hào)輸入端相連；單片機(jī)還具有控制信號(hào)輸出端，該控制信號(hào)輸出端是使用時(shí)在六氟化硫氣體濃度值超標(biāo)或濕度值超標(biāo)或氧氣含量值不達(dá)標(biāo)的情況下，可輸出風(fēng)機(jī)啟動(dòng)控制信號(hào)和/或報(bào)警控制信號(hào)的端口；本變送器還具有RS-485串口電路，單片機(jī)的串行數(shù)據(jù)及控制端與RS-485串口電路的串行數(shù)據(jù)及控制端雙向電連接。
上述技術(shù)方案中，比較及測(cè)量濾波器具有窗口比較器、數(shù)字相位計(jì)算器和數(shù)字濾波器；窗口比較器的2個(gè)輸入端即為比較及測(cè)量濾波器的2個(gè)超聲測(cè)量信號(hào)輸入端，窗口比較器的輸出端接數(shù)字相位計(jì)算器的超聲測(cè)量信號(hào)輸入端，數(shù)字相位計(jì)算器的輸出端接數(shù)字濾波器的輸入端，數(shù)字濾波器的超聲測(cè)量信號(hào)數(shù)據(jù)及控制端即為比較及測(cè)量濾波器的超聲測(cè)量信號(hào)數(shù)據(jù)及控制端。
上述技術(shù)方案中，分頻器、波形發(fā)生器和比較及測(cè)量濾波器設(shè)置在一塊復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD內(nèi)。
本實(shí)用新型具有積極的效果(1)本實(shí)用新型的變送器所采用的測(cè)量六氟化硫氣體濃度的方法是相位差分法，并提供了具體的實(shí)施方式，本實(shí)用新型的變速器中無(wú)鎖相環(huán)路，而是利用分頻技術(shù)，由分頻器輸出兩路不同頻率的電脈沖，它們是第一頻率電脈沖和第二頻率電脈沖；第一路電脈沖的頻率與超聲波頻率相對(duì)應(yīng)，第二路電脈沖的頻率是第一路電脈沖頻率的數(shù)十倍至數(shù)百倍；第一路電脈沖又分成兩路，一路使采樣裝置產(chǎn)生第一頻率的超聲波，另一路使參照裝置同時(shí)產(chǎn)生第一頻率的超聲波，這兩路超聲波被相應(yīng)的超聲波換能器接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，分別經(jīng)過(guò)隔離放大輸至比較及測(cè)量濾波器進(jìn)行相位比較；第二路電脈沖輸至比較及測(cè)量濾波器后頻率是第一路電脈沖頻率的倍，被比較及測(cè)量濾波器用以作為測(cè)量相位差的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量單位來(lái)進(jìn)行相位差的測(cè)量，所得到的測(cè)量結(jié)果送至單片機(jī)，再由單片機(jī)根據(jù)該測(cè)量結(jié)果以及所接收的溫度參數(shù)，按照相應(yīng)的算式計(jì)算出六氟化硫的濃度，根據(jù)不同的濃度數(shù)值，單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的輸出。因此，本實(shí)用新型的變送器是一種可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的六氟化硫的濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量且精度較高的裝置，且實(shí)用性較強(qiáng)。(2)因?yàn)楸緦?shí)用新型的檢測(cè)采樣取自聲波的相位變化，因此不但測(cè)量微量氣體濃度的精度高，同時(shí)測(cè)量氣體濃度的動(dòng)態(tài)范圍大。按有關(guān)規(guī)定，當(dāng)SF6氣體濃度達(dá)到1000PPM時(shí)，必須報(bào)警。而本實(shí)用新型的變送器精度可達(dá)50PPM，安全可靠。(3)本實(shí)用新型的變送器在工作中其超聲信號(hào)的波形是占空比為1∶1的連續(xù)方波，選擇這種波形的超聲波可以杜絕駐波干擾，穩(wěn)定性好。(3)當(dāng)本實(shí)用新型可對(duì)比較及測(cè)量濾波器所輸出的相位差的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)字濾波處理，而可使測(cè)量精度得到提高。(4)本實(shí)用新型的變速器中的比較及測(cè)量濾波器、分頻器和波形發(fā)生器可設(shè)置在一塊復(fù)雜的可編程邏輯器件CPLD中，而把多種功能集于同一芯片，易于修改、擴(kuò)展、在線實(shí)時(shí)測(cè)量、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。(5)本實(shí)用新型的變送器的自動(dòng)化程度高，響應(yīng)時(shí)間短，能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，還可在現(xiàn)場(chǎng)另外設(shè)置可受本實(shí)用新型的變速器控制的風(fēng)機(jī)，從而在緊情況下可通過(guò)單片機(jī)控制風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，提高了安全性和可靠性。


圖1為本實(shí)用新型測(cè)量六氟化硫氣體濃度的變送器的原理框圖。
圖2為圖1中的單片機(jī)的程序流程框圖。
圖3為具有本實(shí)用新型變送器的基于RS-485網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量SF6氣體濃度的監(jiān)控系統(tǒng)裝置框圖。
圖4為圖3中的主控制器呼叫變送器中的單片機(jī)的流程圖。
圖5為圖3中的本實(shí)用新型的變送器響應(yīng)主控制器串行中斷的程序流程框圖。
圖6為圖3中的主控制器接收變速器數(shù)據(jù)，響應(yīng)鍵盤中斷和上位機(jī)中斷的程序流程框圖。
圖7為本實(shí)用新型的變送器中的環(huán)境參數(shù)采集電路中的溫度采集電路、濕度采集電路、氧量采集電路、單片機(jī)及RS-485接口驅(qū)動(dòng)電路的電路原理圖。
圖8為本實(shí)用新型的變送器中的超聲波檢測(cè)裝置的電路原理圖。
圖9為圖3中的主控制器、RS-485串口電路和RS-232串口電路的電路原理圖。
具體實(shí)施方式
(實(shí)施例1、測(cè)量六氟化硫氣體濃度的變送器)見圖1，本實(shí)施例的測(cè)量六氟化硫氣體濃度的變送器具有單片機(jī)21、超聲波檢測(cè)裝置22、環(huán)境參數(shù)采集電路23和RS-485串口電路24。
見圖7，標(biāo)號(hào)為U10的單片機(jī)21的型號(hào)為AT89C51，單片機(jī)U10是一種低功耗、高性能的CMOS 8位微型計(jì)算機(jī)，它帶有8k可編程電擦寫的只讀存儲(chǔ)器(EPROM)。單片機(jī)21的端口P00至P07、端口READ和端口WRITE即為其超聲測(cè)量信號(hào)數(shù)據(jù)及控制端；單片機(jī)(21)的端口P10至P13即為其第一環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)及控制端；單片機(jī)(21)的T1端即為濕度信號(hào)輸入端；單片機(jī)U10的RXD端、TXD端、P23端和P27端即為其串行數(shù)據(jù)及控制端。U10的21腳是控制信號(hào)和/或報(bào)警信號(hào)輸出端。
仍見圖1，超聲波檢測(cè)裝置22具有波形發(fā)生器22-1、放大隔離電路22-2、采樣裝置22-3、參照裝置224、隔離放大整形電路22-5、比較及測(cè)量濾波器226、分頻器227和晶振電路228。其中，分頻器22-7、波形發(fā)生器22-1和比較及測(cè)量濾波器22-6設(shè)置在一塊復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD 22-10內(nèi)。
比較及測(cè)量濾波器22-6具有窗口比較器22-6-1、數(shù)字相位計(jì)算器22-6-2和數(shù)字濾波器22-6-3；窗口比較器22-6-1的2個(gè)輸入端即為比較及測(cè)量濾波器22-6的2個(gè)超聲測(cè)量信號(hào)輸入端，窗口比較器22-6-1的輸出端接數(shù)字相位計(jì)算器22-6-2的超聲測(cè)量信號(hào)輸入端，數(shù)字相位計(jì)算器22-6-2的輸出端接數(shù)字濾波器22-6-3的輸入端，數(shù)字濾波器22-6-3的輸出端即為比較及測(cè)量濾波器22-6的超聲測(cè)量信號(hào)數(shù)據(jù)及控制端。
晶振電路22-8的晶振信號(hào)輸出端接分頻器227的晶振信號(hào)輸入端即CPLD U13的9腳；分頻器22-7具有兩個(gè)輸出端，分別是使用時(shí)可輸出第一頻率f1的第一頻率輸出端和使用時(shí)可輸出第二頻率f2的第二頻率輸出端，所述的第一頻率f1在超聲波的頻率范圍內(nèi)，所述的第二頻率f2是第一頻率f1的100倍(在其它實(shí)施例中可以是50倍、150倍、200倍、250倍或300倍)；分頻器22-7的第一頻率輸出端接波形發(fā)生器22-1的輸入端，其第二頻率輸出端接比較及測(cè)量濾波器226的頻率信號(hào)輸入端；波形發(fā)生器221的輸出端即CPLD U13的9腳接放大隔離電路222的輸入端。
CPLD(復(fù)雜可編程邏輯控制器)由完全可編程的與/或門陣列和宏單元構(gòu)成。與/或陣列是可編程的，可以實(shí)現(xiàn)多種邏輯功能；不但可實(shí)現(xiàn)常規(guī)的邏輯器件功能，還可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的時(shí)序邏輯功能。宏單元?jiǎng)t是可實(shí)現(xiàn)組合或時(shí)序邏輯的功能模塊，同時(shí)還提供了真值或補(bǔ)碼輸出和以不同的路徑反饋等額外的靈活性。把CPLD應(yīng)用于嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，同單片機(jī)結(jié)合起來(lái)，更能體現(xiàn)其在系統(tǒng)可編程、使用方便靈活的特點(diǎn)，提高了嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的性能。CPLD與單片機(jī)相連，可以作為單片機(jī)的一個(gè)外設(shè)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)所要求的功能。在超聲波相位比較中，由于超聲波頻率為40kHz，而在相位比較中相位差精度要求很高，用普通單片機(jī)為超聲波的相位差進(jìn)行采樣是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此采用了具有豐富的可編程I/O引腳的可編程邏輯器件CPLD U13，CPLD U13采集超聲測(cè)量信號(hào)并進(jìn)行處理后，將處理后的信號(hào)輸至單片機(jī)U10的超聲信號(hào)輸入端，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)功能的擴(kuò)展。
見圖8，CPLD U13的數(shù)據(jù)及控制端具有D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、READ和WRITE端，分別接單片機(jī)U10的D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、READ和WRITE端。發(fā)光二極管D3為電源指示燈。HEADER 6為符合JTAG標(biāo)準(zhǔn)的、用于在CPLD U13下載程序的接線頭。
仍見圖8，采樣裝置22-3和參照裝置22-4內(nèi)部的作為發(fā)射端的一端均設(shè)有發(fā)射超聲波的超聲波換能器即超聲波發(fā)射換能器J6，作為接收端的另一端均設(shè)有接收超聲波的超聲波換能器即超聲波接收換能器J7。采樣裝置22-3的發(fā)射超聲波的換能器與接收超聲波的換能器之間的距離相等于參照裝置22-4的發(fā)射超聲波的換能器與接收超聲波的換能器之間的距離；參照裝置22-4和采樣裝置22-3均是一個(gè)外殼為管形且通過(guò)設(shè)置在管形外殼上的4個(gè)直徑為1毫米的孔與外部空氣相通的裝置(在其它實(shí)施例中，外殼上的孔可以是2個(gè)、3個(gè)、5個(gè)或6個(gè)，孔徑可以是0.5毫米或1.5毫米)；參照裝置22-4和采樣裝置22-3的發(fā)射超聲波的超聲波換能器J6分別設(shè)置在相應(yīng)的管形外殼內(nèi)部的一端，參照裝置22-4和采樣裝置22-3的接收超聲波的超聲波換能器J7分別設(shè)置在相應(yīng)的管形外殼內(nèi)部的另一端。參照裝置(22-4)在采樣裝置(22-3)正上方3米(在其它實(shí)施例中，可以是2米或4米或5米)處。
見圖8，隔離放大電路22-2主要由三極管Q1、Q2、變壓器T1、電阻R13、R14、R98、R99和電容C99、C16、C14組成。電容C14的一端與三極管Q2的基極相連，電容C14的另一端即為放大隔離電路222的輸入端。變壓器T1的輸出端即為放大隔離電路22-2的輸出端。
放大隔離電路22-2的輸出端同時(shí)接采樣裝置223和參照裝置224的發(fā)射端處的超聲波換能器J6的電源端1腳和3腳，采樣裝置22-3和參照裝置224的接收端處的超聲波換能器J7的輸出端1腳和3腳分別接隔離放大整形電路22-5中的隔離放大整形電路22-5-1和22-5-2的輸入端。隔離放大整形電路22-5由運(yùn)算放大器LM356、運(yùn)算放大器NE5532、比較器LM393和隔直電容C17、C18、C19、C20、C100、C101組成。運(yùn)算放大器LM356、運(yùn)算放大器NE5532和比較器LM393是三個(gè)集成塊。運(yùn)算放大器LM356的3腳和5腳分別接隔直電容C100和C101的負(fù)極，隔直電容C100和C101的正極即為隔離放大整形電路22-5-1和22-5-2的輸入端。運(yùn)算放大器LM356的1腳串接電容C17、電阻R39后接運(yùn)算放大器NE5532的2腳，運(yùn)算放大器LM356的7腳串接電容C19、電阻R40后接運(yùn)算放大器NE5532的6腳；運(yùn)算放大器NE5532的1腳和7腳串接電容C18和C20后分別接比較器LM393的1腳和7腳。隔離放大整形電路22-5-1的輸出端OBJ和22-5-2的輸出端REF分別接比較及測(cè)量濾波器226的2個(gè)超聲測(cè)量信號(hào)的相應(yīng)輸入端即CPLD U13的7腳和5腳。
環(huán)境參數(shù)采集電路23具有溫度采集電路23-1、含氧量采集電路23-2、濕度采集電路23-3和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路23-4。
見圖7，溫度采集電路23-1由型號(hào)為L(zhǎng)M35的濕度傳感器U6、濾波電容C28和電阻R68組成。LM35濕度傳感器U6為精密集成電路溫度傳感器，其輸出端Vout的輸出電壓與攝氏溫度值成線性比例關(guān)系。濕度傳感器U6的1腳接+5V電源，3腳接地線，2腳為濕度信號(hào)輸出端，濾波電容C28與電阻R68串連后串接在地線和濕度傳感器U6的2腳之間。溫度采集電路23-1的溫度信號(hào)輸出端U6的2腳接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路23-4的溫度信號(hào)輸入端U8的1腳。
含氧量采集電路23-2由型號(hào)為BNC的含氧量檢測(cè)傳感器P2、比較器NE5532、濾波電容C22、C1和電阻R49、R50、R51、R3組成。電阻R3和電容C1組成RC延遲回路，該RC延遲回路的一端接比較器NE5532的輸出端1腳，該RC延遲回路的另一端串接電阻R49后接傳感器P2的輸出端，傳感器P2的接地端接地線；電容C22和電阻R50組成RC延遲回路，該RC延遲回路的一端接地線，另一端接比較器NE5532的正向輸入端，電阻R51接在比較器NE5532的正向輸入端和+5V電源端之間。比較器NE5532的輸出端1腳作為含氧量采集電路23-2的信號(hào)輸出端接模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路U8的模擬信號(hào)輸入端2腳。
濕度采集電路23-3為一個(gè)555非穩(wěn)態(tài)電路，也稱為多諧振蕩器，該555非穩(wěn)態(tài)電路由型號(hào)為L(zhǎng)M555H的555定時(shí)器U14、根據(jù)環(huán)境濕度而改變電容大小的型號(hào)為HS1100的相對(duì)濕度傳感器C15和電阻R1、R2、R4、R11組成；其中，C15串接在555集成電路U14的TRIG端2腳和地線之間，555集成電路U14的TRIG端2腳和THR端6腳相連；濕度信號(hào)的輸出Q端3腳串接電阻R11后接單片機(jī)U10的定時(shí)/計(jì)數(shù)器端T1端15腳。電阻R4串接在地線和555集成電路U14的5腳之間；電阻R1和R2串接后接在地線和555集成電路U14的+5V電源之間，電阻R1和R2的接點(diǎn)接555集成電路U14的7腳；555集成電路U14的4腳、8腳接+5V電源，555集成電路U14的1腳接地線。555集成電路U14的6腳THR端為閥值端，2腳TRIG端為觸發(fā)端，555集成電路U14的7腳DIS端為放電端，是其內(nèi)部的三極管的輸出端，該三極管有導(dǎo)通和截至兩種狀態(tài)，該狀態(tài)由輸入端6腳的電壓值決定。U14的4腳R端為復(fù)位端。U14的5腳CVolt端為控制電壓端，可以用它來(lái)改變上下觸發(fā)電平值。U14的3腳Q端為濕度采集電路23-3的濕度信號(hào)輸出端，該輸出端接單片機(jī)21的濕度信號(hào)輸入端15腳；U14的3腳有暫穩(wěn)態(tài)0和暫穩(wěn)態(tài)1兩種輸出狀態(tài)。上電后電源+5V經(jīng)電阻R1、R2對(duì)電容C15進(jìn)行充電，充電時(shí)間常數(shù)τ＝(R1+R2)C15。充電時(shí)6腳端的電壓開始上升，直至3.33V時(shí)，7腳導(dǎo)通而放電，使Q端輸出由高電平的暫穩(wěn)態(tài)1跳變?yōu)榈碗娖降臅悍€(wěn)態(tài)0；6腳端的電壓開始下降，直至1.67V時(shí)，7腳截至，使Q端輸出由高電平的暫穩(wěn)態(tài)0跳變?yōu)榈碗娖降臅悍€(wěn)態(tài)1；無(wú)論Q端的輸出為1還是為0，如此周而復(fù)始形成了2個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的相互轉(zhuǎn)換，在輸出端得到連續(xù)的方波信號(hào)輸出。該方波的頻率為f=1.43(R1+2R2)C15]]>由上述公式顯然可知該輸出頻率由電容值可變的C15決定。所以Q端輸出的頻率信號(hào)代表濕度采集電路23-3所在環(huán)境的濕度信息。
模數(shù)轉(zhuǎn)換電路23-4由型號(hào)為TLC2543的模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路U8和參考穩(wěn)壓電路組成。參考穩(wěn)壓電路由三端穩(wěn)壓二極管TC431、電阻R31、R32、R35和濾波電容C9組成。電容C9的一端接地線，另一端即為參考穩(wěn)壓電路的輸出端，該輸出端接模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路U8的REF+腳。U8的模擬信號(hào)的輸入端3至9腳、11腳和12腳均接地。從上述模擬信號(hào)輸入端1腳和2腳輸入的模擬信號(hào)由其內(nèi)部的多路器選通。負(fù)參考電壓REF-端13腳和片選端15腳接地；上述模擬信號(hào)輸入端1腳和2腳輸入的最大的輸入電壓范圍由加于REF+端與REF-端的電壓差決定。電源VCC端20腳接+5V直流電源，GND端10腳接地；用于輸出模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)的EOC端19腳接單片機(jī)U10的1腳；時(shí)鐘控制輸入端18腳接單片機(jī)U10的2腳。模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路U8的17腳為4位串行地址數(shù)據(jù)輸入端，從該端口輸入的地址數(shù)據(jù)用于選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路U8的模擬信號(hào)輸入通道，模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路U8的17腳接單片機(jī)U10的3腳，模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路U8的16腳為4位串行數(shù)據(jù)輸出端，模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路U8的16腳接單片機(jī)U10的4腳。在CLOCK端的時(shí)鐘下降沿，EOC端從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路U8開始模數(shù)轉(zhuǎn)換，并保持到模數(shù)轉(zhuǎn)換完成及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備開始傳輸為止；EOC端從低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，數(shù)據(jù)傳輸開始；數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，EOC端從高電平變?yōu)榈碗娖?，?zhǔn)備開始模數(shù)轉(zhuǎn)換。
單片機(jī)U10的21腳為報(bào)警信號(hào)輸出端，該信號(hào)輸出端是在使用時(shí)在六氟化硫氣體濃度值超標(biāo)或濕度值超標(biāo)或氧氣含量值不達(dá)標(biāo)的情況下，可輸出風(fēng)機(jī)啟動(dòng)控制信號(hào)和/或報(bào)警控制信號(hào)。
圖7中的發(fā)光二極管D1為電源指示燈。
仍見圖7，本實(shí)施例的變送器還具有RS-485串口電路24，RS-485串口24由型號(hào)為MAX485DS的RS-485串行通訊接口芯片U7、電阻R36和RS-485接頭J4組成。電阻R36的兩端分別接在芯片U7的6腳和7腳，同時(shí)電阻R36的兩端分別接RS-485接頭J4的輸入端。單片機(jī)U10的串行數(shù)據(jù)及控制端接RS-485串口24的串行數(shù)據(jù)及控制端。單片機(jī)U10的串行數(shù)據(jù)及控制端為10腳、11腳、24腳和28腳，RS-485串口24的串行數(shù)據(jù)及控制端為芯片U7的1腳、4腳、3腳和2腳。
RS-485是美國(guó)電氣工業(yè)聯(lián)合會(huì)(EIA)制定的利用平衡雙絞線作傳輸線的多點(diǎn)通訊標(biāo)準(zhǔn)。它采用差分信號(hào)進(jìn)行傳輸；最大傳輸距離可以達(dá)到1.2km；最大可連接32個(gè)驅(qū)動(dòng)器和收發(fā)器；接收器最小靈敏度可達(dá)+200mV；最大傳輸速率可達(dá)2.5Mb/s。由此可見，RS-485協(xié)議正是針對(duì)遠(yuǎn)距離、高靈敏度、多點(diǎn)通訊制定的標(biāo)準(zhǔn)。MAX485DS接口芯片是Maxim公司的一種RS-485芯片。該芯片采用單一電源+5V工作，額定電流為300μA，并采用半雙工通訊方式。該芯片具有將單片機(jī)U10的RXD端和TXD端輸出的串行數(shù)據(jù)的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-485數(shù)據(jù)串行信號(hào)所需電平的功能。TTL電平的邏輯“1”和邏輯“0”分別對(duì)應(yīng)的電平為2.4V和0.4V。MAX485DS芯片內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。RO端和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)U10連接時(shí)只需分別與單片機(jī)U10的RXD端和TXD端相連即可；分別與單片機(jī)U10的P27端和P23端相連的RE端和DE端分別為RS-485串行通訊接口芯片U7的接收和發(fā)送的使能端，由于采用半雙工通訊方式，所以當(dāng)RE端為邏輯“1”、DE端為邏輯“0”時(shí)，該器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)RE端為邏輯“0”、DE端為邏輯“1”時(shí)，該器件處于發(fā)送狀態(tài)；其A端和B端分別為接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的差分信號(hào)端，當(dāng)A端的電平高于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A端的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)格式依次為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。其中無(wú)奇偶校驗(yàn)位，通信錯(cuò)誤檢測(cè)通過(guò)累加和校驗(yàn)的方法實(shí)現(xiàn)。在A端和B端之間的電阻R36為匹配電阻，一般可選100Ω的電阻。
(實(shí)施例2、變送器測(cè)量六氟化硫氣體濃度的方法)見圖1、圖2、圖7及圖8，本實(shí)施例所采用的變送器由實(shí)施例1得到，并在變速器的單片機(jī)中設(shè)置相應(yīng)的程序，該變速器工作時(shí)，測(cè)量六氟化硫氣體濃度的方法具有以下步驟①變送器開機(jī)后正常工作時(shí)，超聲波檢測(cè)裝置22的晶振電路22-8將晶振信號(hào)輸至分頻器22-7，溫度采集電路23-1則將采集的有關(guān)環(huán)境氣體溫度值的信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器23-4進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸送至單片機(jī)21、而由單片機(jī)21存儲(chǔ)在相應(yīng)的寄存器內(nèi)；環(huán)境參數(shù)采集電路23的濕度采集電路23-3將采集到的濕度信息以頻率信號(hào)的形式輸送至單片機(jī)21的濕度信號(hào)輸入端，單片機(jī)21對(duì)其進(jìn)行頻率計(jì)算后得出濕度值，之后單片機(jī)21將上述濕度值的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)21中相應(yīng)的寄存器內(nèi)；與此同時(shí)，含氧量采集電路23-2將采集的有關(guān)環(huán)境中的氧氣含量值的模擬信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器23-4進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸送至單片機(jī)21的第一環(huán)境參數(shù)信號(hào)輸入端，單片機(jī)21將上述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)21中相應(yīng)的寄存器內(nèi)。單片機(jī)21還對(duì)上述環(huán)境氣體濕度值和氧氣含量值進(jìn)行判斷，若濕度值超標(biāo)或氧氣含量值不達(dá)標(biāo)，則單片機(jī)21輸出控制信號(hào)和/或報(bào)警信號(hào)。
②分頻器22-7對(duì)輸入的晶振信號(hào)進(jìn)行分頻后，輸出第一頻率的電信號(hào)至波形發(fā)生器22-1，同時(shí)輸出第二頻率的電信號(hào)至比較及測(cè)量濾波器22-6；波形發(fā)生器22-1對(duì)第一頻率的電信號(hào)進(jìn)行處理后產(chǎn)生超聲波頻段內(nèi)的電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)放大隔離電路222放大隔離后一路輸至采樣裝置22-3，另一路輸至參照裝置22-4，采樣裝置22-3的發(fā)射端處的超聲波換能器和參照裝置22-4的發(fā)射端處的超聲波換能器同時(shí)產(chǎn)生相同頻率的超聲波。
③采樣裝置22-3和參照裝置22-4的接收端處的超聲波換能器接收相應(yīng)的超聲波信號(hào)，并相應(yīng)地產(chǎn)生一對(duì)電信號(hào)；這對(duì)電信號(hào)經(jīng)各自的隔離放大整形電路22-5隔離放大整形后輸至比較及測(cè)量濾波器22-6中。
④比較及測(cè)量濾波器22-6一方面將分頻器22-7輸送來(lái)的第二頻率的電信號(hào)作為測(cè)量基準(zhǔn)信號(hào)，另一方面將隔離放大整形電路22-5輸送來(lái)的兩路信號(hào)進(jìn)行相位比較、根據(jù)測(cè)量基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行相位差θ的計(jì)算、再進(jìn)行數(shù)字濾波，最后得到一個(gè)精確的有關(guān)超聲波的相位差θ的信號(hào)。
其中，比較及測(cè)量濾波器22-6由窗口比較器22-6-1同時(shí)對(duì)來(lái)自參照裝置22-4的接收端處的超聲波換能器所接收到的信號(hào)的上升沿和對(duì)來(lái)自采樣裝置22-3的接收端處的超聲波換能器所接收到的信號(hào)的波形的下一個(gè)上升沿或下降沿所到達(dá)的先后時(shí)間進(jìn)行比較，從而得到一個(gè)持續(xù)時(shí)間為Δl高電平信號(hào)；數(shù)字相位測(cè)量器22-6-2以來(lái)自分頻器22-7的第二頻率輸出端的頻率信號(hào)f2作為測(cè)量基準(zhǔn)信號(hào)對(duì)所述Δl進(jìn)行計(jì)算，得出Δl所對(duì)應(yīng)的相位差Δθ0≤Δθ＜π；當(dāng)沒有六氟化硫氣體泄漏時(shí)，即六氟化硫氣體濃度為0％，則Δl＝0，Δθ＝0；若六氟化硫氣體有泄漏，且隨著泄漏的六氟化硫氣體濃度的增加，超聲波在采樣裝置22-3中的傳播速度開始減小但其頻率不變，而超聲波在參照裝置22-4中的傳播速度和頻率均不變；所以所述Δl和Δθ也逐漸增大；若泄漏的六氟化硫氣體濃度較大，當(dāng)Δθ＝π弧度時(shí)，Δl跳變?yōu)?，數(shù)字相位計(jì)算器22-6-2使Δθ由π弧度跳變至0弧度，同時(shí)程序內(nèi)的計(jì)數(shù)變量n加1，n的初始值為0；而Δl和Δθ繼續(xù)隨著泄漏的六氟化硫氣體濃度的增加而增大，當(dāng)再次有Δθ＝π弧度時(shí)，Δθ即跳變?yōu)?弧度，同時(shí)數(shù)字相位計(jì)算器22-6-2內(nèi)的周期計(jì)數(shù)變量n再加1，以此類推；最后數(shù)字相位計(jì)算器22-6-2根據(jù)公式θ＝πn+Δθ得到θ值。
比較及測(cè)量濾波器22-6將上述相位差θ的信號(hào)傳輸至單片機(jī)21的超聲測(cè)量信號(hào)數(shù)據(jù)及控制端；單片機(jī)21將該相位差θ的信號(hào)存儲(chǔ)在單片機(jī)21中相應(yīng)的寄存器內(nèi)，如圖2所示。
⑤單片機(jī)21根據(jù)其寄存器中的上述相位差θ的信號(hào)和上述環(huán)境溫度值的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，得出六氟化硫氣體的濃度值。
⑥單片機(jī)21對(duì)上述計(jì)算出的六氟化硫氣體濃度值進(jìn)行判斷，若六氟化硫氣體濃度值超過(guò)預(yù)設(shè)的超標(biāo)濃度值1000PPM時(shí)，則單片機(jī)21輸出控制信號(hào)和/或報(bào)警信號(hào)。
(應(yīng)用例1)見圖3，本應(yīng)用例是將實(shí)施例2的變送器用于六氟化硫氣體濃度監(jiān)控系統(tǒng)。具體來(lái)說(shuō)是應(yīng)用RS-485網(wǎng)絡(luò)，將主控制器1、上位機(jī)3和各變送器進(jìn)行連接而形成一個(gè)對(duì)六氟化硫氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的系統(tǒng)。
仍見圖3，主控制器1具有用于接收和處理連接在RS-485網(wǎng)絡(luò)上的各變送器所采集的數(shù)據(jù)的主控單片機(jī)11、通過(guò)RS-485網(wǎng)絡(luò)與各變送器進(jìn)行通訊及數(shù)據(jù)傳輸?shù)腞S-485串口12、用于與上位機(jī)3進(jìn)行通訊及數(shù)據(jù)傳輸?shù)腞S-232串口13、用戶控制用的鍵盤電路14和用于顯示各變送器所采集的數(shù)據(jù)的LCD液晶顯示器15。
見圖9，標(biāo)號(hào)為U1的主控單片機(jī)11為ATMEL公司的89S52，該芯片運(yùn)算速度較快，性能穩(wěn)定，且價(jià)格便宜。X1端、X2端為時(shí)鐘信號(hào)輸入端；RXD端、TXD端為來(lái)自RS-485串口12的串行數(shù)據(jù)輸入端；INT1端、INT2端、T1端和T0端為鍵盤電路14的輸入端；端口P00、P01、P02、P03、P04、P05、P06和P07為數(shù)據(jù)輸出端，分別接LCD液晶顯示器15的BD0端至BD7端。
仍見圖9，RS-485串口12由型號(hào)為MAX485DS的RS-485串行通訊接口芯片U5、電阻R7和RS-485接頭J1組成。
仍見圖9，RS-232串口13由信號(hào)為MAX232ACPE的RS-232串行通訊接口芯片U4、RS-232接頭和電容C80、C81、C82和C83組成。其中，上位機(jī)3是一臺(tái)PC機(jī)，該P(yáng)C機(jī)具有RS-232接口。
仍見圖9，鍵盤電路14由標(biāo)號(hào)為U2的鍵盤控制芯片74HC148，按鍵S1、S2、S3、S4、S5、S6及復(fù)位鍵，上拉電阻R1、R2、R3、R4、R5及R6組成。其中，連接在主控單片機(jī)11的RESET端上的復(fù)位鍵在原理圖中未畫出。鍵盤包括復(fù)位鍵、查詢選擇鍵、向上翻頁(yè)鍵、向下翻頁(yè)鍵、顯示切換鍵，打印鍵和軟件調(diào)零鍵這7個(gè)按鍵。
仍見圖9，LCD液晶顯示器15由標(biāo)號(hào)為U3的液晶顯示模塊HD44780和3個(gè)型號(hào)為74ALS00的與非門U2A、U2B和U2C組成。
仍見圖9，鍵盤電路14的輸出端即鍵盤控制芯片U2的EO端、C端、B端、A端分別接主控單片機(jī)U1的INT1端、INT0端、X1端、X2端；LCD液晶顯示器15的輸入端即液晶顯示模塊U3的BD0至BD7端分別接主控單片機(jī)U1的P00至P07端；主控單片機(jī)U1的P23端、P24端、RXD端、TXD端分別接RS-485串口12中的串行通訊接口芯片U5的DE端、RE端、RO端、DI端；RS-485串口12中的接頭J1與圖7中的接頭J4相接。主控單片機(jī)U1的RXD端、TXD端分別接RS-232串口13中的串行通訊接口芯片U4的T1 IN端、R1 OUT端；RS-232串口13接上位機(jī)3即PC機(jī)的RS-232接口。
在本應(yīng)用例中，與主控制器1雙向電連接的變送器2的個(gè)數(shù)有32個(gè)。
主控單片機(jī)11通過(guò)485網(wǎng)絡(luò)接收到變送器發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)后，用戶可通過(guò)鍵盤電路14將某個(gè)變送器檢測(cè)的氣體濃度的數(shù)據(jù)在LCD液晶顯示屏15中顯示出來(lái)。
見圖4和圖5，上述基于RS-485網(wǎng)絡(luò)的六氟化硫氣體濃度監(jiān)控系統(tǒng)的主控制器與變送器之間進(jìn)行通訊時(shí)所采用的方法具有以下步驟①主控制器1呼叫用戶指定的從機(jī)即變送器時(shí)，主控制器1發(fā)送串行中斷信息至所有連在RS-485網(wǎng)絡(luò)上的變送器，該中斷信息包含該變送器的地址信息，然后主控制器等待用戶指定的變送器的單片機(jī)21的應(yīng)答信號(hào)。
②所有連在RS-485網(wǎng)絡(luò)上的變送器對(duì)所在監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行六氟化硫氣體濃度數(shù)據(jù)的采集、環(huán)境中的濕度值的采集及氧氣含量值的采集；同時(shí)變送器的RS-485串口24處于接收主控制器1發(fā)出的外部中斷信息的狀態(tài)。
③所有連在RS-485網(wǎng)絡(luò)上的變送器的單片機(jī)21接收到該中斷信號(hào)后，停止正在執(zhí)行的主程序轉(zhuǎn)而執(zhí)行該中斷，即中斷入口；再執(zhí)行關(guān)串行中斷，即不再執(zhí)行其它較低優(yōu)先級(jí)或同等優(yōu)先級(jí)的外部中斷；之后，各變送器的單片機(jī)21開始判斷上述中斷信號(hào)中所包含的地址信息是否與本機(jī)地址相符，若不相符，則該變送器的單片機(jī)21執(zhí)行開串行中斷，即使變送器的RS-485串口24重新處于接收主控制器1發(fā)出的外部中斷信息的狀態(tài)，而變送器的單片機(jī)21的運(yùn)算器回到在上述中斷前所執(zhí)行主程序的地方繼續(xù)執(zhí)行，即中斷出口；若相符，則該變送器的單片機(jī)21經(jīng)RS-485串口24向主控制器1發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，之后該變送器的單片機(jī)21進(jìn)入等待接收主控制器1的監(jiān)控命令的狀態(tài)。
④若主控制器1沒收到應(yīng)答信號(hào)或收到的應(yīng)答信號(hào)不正確，則主控制器1再次發(fā)送同一串行中斷信息至所有連在RS-485串口的網(wǎng)絡(luò)線路上的變送器；對(duì)同一變送器完成兩次呼叫且在設(shè)定時(shí)間內(nèi)均無(wú)應(yīng)答信號(hào)或應(yīng)答信號(hào)均不正確，則主控制器1提示錯(cuò)誤信息，進(jìn)入等待用戶處理的狀態(tài)；若主控制器1收到來(lái)自指定的變送器的單片機(jī)21的應(yīng)答信號(hào)且該應(yīng)答信號(hào)正確，則該主控制器1開始發(fā)送監(jiān)控命令至該變送器的單片機(jī)21。
⑤該變送器的單片機(jī)21接收上述監(jiān)控命令后，開始判斷該命令是否為控制字，若不是，則變送器的單片機(jī)21執(zhí)行開串行中斷，之后跳出中斷程序；若是，則該變送器的單片機(jī)21開始根據(jù)該控制字執(zhí)行相應(yīng)的控制命令，并按RS-485串行通信協(xié)議經(jīng)RS-485串口24向主控制器1發(fā)送其所測(cè)得的六氟化硫氣體的濃度值的數(shù)據(jù)、環(huán)境氣體濕度值的數(shù)據(jù)和氧氣含量值的數(shù)據(jù)；之后單片機(jī)21執(zhí)行開串行中斷，最后跳出中斷程序。
⑥主控單片機(jī)11將接受到的各變送器所輸送來(lái)的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行地址編碼并存入其寄存器中的相應(yīng)位置。
⑦主控單片機(jī)11定時(shí)掃描鍵盤電路14的狀態(tài)，若有按鍵閉合，則主控單片機(jī)11響應(yīng)鍵盤電路14的控制；用戶通過(guò)鍵盤控制可以將上述各變速器測(cè)得的六氟化硫氣體的濃度值、環(huán)境氣體濕度值或氧氣含量值逐一顯示在LCD液晶顯示屏15上。
見圖6，上述基于RS-485網(wǎng)絡(luò)的六氟化硫氣體濃度監(jiān)控系統(tǒng)的主控制器與上位機(jī)之間進(jìn)行通訊時(shí)所采用的方法，具有以下步驟①主控單片機(jī)11完成與變速器的單片機(jī)握手程序后，將從RS-485串口12輸入的、連接在主控制器所在RS-485網(wǎng)絡(luò)上的各變送器測(cè)得的SF6氣體的濃度值的數(shù)據(jù)、環(huán)境氣體濕度值的數(shù)據(jù)和氧氣含量值的數(shù)據(jù)進(jìn)行地址編碼并存入其寄存器中的相應(yīng)位置。
②主控單片機(jī)11定時(shí)掃描鍵盤電路14的狀態(tài)，若有按鍵閉合，則主控單片機(jī)11響應(yīng)鍵盤電路14的控制；用戶通過(guò)鍵盤控制可以將上述各變速器測(cè)得的SF6氣體的濃度值、環(huán)境氣體濕度值或氧氣含量值逐一顯示在LCD液晶顯示屏15上。
③主控單片機(jī)11與上位機(jī)3完成握手程序后，主控單片機(jī)11按RS-232串行通信協(xié)議經(jīng)RS-232串口13將上述各變送器測(cè)得的SF6氣體的濃度值的數(shù)據(jù)、環(huán)境氣體濕度值的數(shù)據(jù)和含氧量值的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)3的相應(yīng)輸入端。
④上位機(jī)通過(guò)RS-232串口接收來(lái)自主控制器中的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，根據(jù)各變送器的地址編碼信息而保存各變送器測(cè)得的數(shù)據(jù)，同時(shí)上位機(jī)對(duì)報(bào)警日志進(jìn)行存儲(chǔ)、管理。
⑤響應(yīng)用戶要求，以圖表或圖形的方式實(shí)時(shí)顯示各變送器測(cè)得的數(shù)據(jù)，若發(fā)現(xiàn)某變速器出現(xiàn)問(wèn)題或故障，及時(shí)采取相應(yīng)的措施。
⑥上位機(jī)對(duì)各變送器的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理，同時(shí)用戶也可以對(duì)該軟件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置；當(dāng)發(fā)現(xiàn)某處某待測(cè)氣體接近超標(biāo)時(shí)，可人工啟動(dòng)相應(yīng)的風(fēng)機(jī)或啟動(dòng)相應(yīng)的報(bào)警裝置。
在本實(shí)用新型的變送器的其它實(shí)施例中，參照裝置224也可以采用密閉結(jié)構(gòu)的形式，此時(shí)，只需將其放置在采樣裝置22-3的附近即可，而采樣裝置223則必須采用與外界空氣相通的結(jié)構(gòu)形式，具體采用何種結(jié)構(gòu)，還要看該采樣裝置22-3設(shè)置在所監(jiān)控的相應(yīng)的含有六氟化硫的設(shè)備的相對(duì)位置而定。若是參照裝置224也采用與外界空氣相通的結(jié)構(gòu)形式，則優(yōu)選與采樣裝置22-3具有相同的結(jié)構(gòu)形式，并且設(shè)置在采樣裝置22-3的上方。
權(quán)利要求1.一種測(cè)量六氟化硫氣體濃度的變送器，具有超聲波檢測(cè)裝置(22)，超聲波檢測(cè)裝置(22)具有采樣裝置(22-3)和參照裝置(22-4)；采樣裝置(22-3)和參照裝置(22-4)內(nèi)部的作為發(fā)射端的一端均設(shè)有發(fā)射超聲波的超聲波換能器，作為接收端的另一端均設(shè)有接收超聲波的超聲波換能器；其特征在于還具有單片機(jī)(21)和環(huán)境參數(shù)采集電路(23)；超聲波檢測(cè)裝置(22)還具有波形發(fā)生器(22-1)、放大隔離電路(22-2)、隔離放大整形電路(22-5)、比較及測(cè)量濾波器(226)、分頻器(227)和晶振電路(22-8)；采樣裝置(22-3)與外界空氣相通；晶振電路(22-8)的晶振信號(hào)輸出端接分頻器(22-7)的晶振信號(hào)輸入端；分頻器(22-7)具有兩個(gè)輸出端，分別是使用時(shí)可輸出第一頻率f1的第一頻率輸出端和使用時(shí)可輸出第二頻率f2的第二頻率輸出端，所述的第一頻率f1在超聲波的頻率范圍內(nèi)，所述的第二頻率f2是第一頻率f1的50至300倍；分頻器(22-7)的第一頻率輸出端接波形發(fā)生器(22-1)的輸入端，其第二頻率輸出端接比較及測(cè)量濾波器(22-6)的頻率信號(hào)輸入端；波形發(fā)生器(22-1)的輸出端接放大隔離電路(22-2)的輸入端，放大隔離電路(22-2)的輸出端同時(shí)與采樣裝置(22-3)和參照裝置(22-4)的發(fā)射端處的超聲波換能器的電源端電連接，采樣裝置(22-3)和參照裝置(22-4)的接收端處的超聲波換能器的輸出端各自與相應(yīng)的隔離放大整形電路(22-5)的輸入端電連接；各隔離放大整形電路(22-5)的輸出端與比較及測(cè)量濾波器(22-6)的2個(gè)超聲測(cè)量信號(hào)的相應(yīng)輸入端電連接，比較及測(cè)量濾波器(22-6)的超聲測(cè)量信號(hào)數(shù)據(jù)及控制端與單片機(jī)(21)的超聲測(cè)量信號(hào)數(shù)據(jù)及控制端雙向電連接；環(huán)境參數(shù)采集電路(23)具有溫度采集電路(23-1)；溫度采集電路(23-1)的溫度信號(hào)輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(23-4)的溫度信號(hào)輸入端電相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(23-4)的數(shù)據(jù)及控制端與單片機(jī)(21)的第一環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)及控制端雙向電連接；單片機(jī)(21)在使用時(shí)根據(jù)相應(yīng)的程序算式以超聲測(cè)量信號(hào)和溫度信號(hào)為變量而可計(jì)算出六氟化硫氣體濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量六氟化硫氣體濃度的變送器，其特征在于采樣裝置(22-3)的發(fā)射超聲波的換能器與接收超聲波的換能器之間的距離相等于參照裝置(22-4)的發(fā)射超聲波的換能器與接收超聲波的換能器之間的距離；參照裝置(22-4)和采樣裝置(22-3)均是一個(gè)外殼為管形且通過(guò)設(shè)置在管形外殼上的2至6個(gè)孔與外部空氣相通的裝置；參照裝置(22-4)和采樣裝置(22-3)的發(fā)射超聲波的超聲波換能器分別設(shè)置在相應(yīng)的管形外殼內(nèi)部的一端，參照裝置(22-4)和采樣裝置(22-3)的接收超聲波的超聲波換能器分別設(shè)置在相應(yīng)的管形外殼內(nèi)部的另一端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量六氟化硫氣體濃度的變送器，其特征在于參照裝置(22-4)在采樣裝置(22-3)正上方2至5米處。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量六氟化硫氣體濃度的變送器，其特征在于環(huán)境參數(shù)采集電路(23)還具有含氧量采集電路(23-2)和濕度采集電路(23-3)，含氧量采集電路(23-2)的含氧量信號(hào)輸出端與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(23-4)的含氧量信號(hào)輸入端相連，濕度采集電路(23-3)的濕度信號(hào)輸出端與單片機(jī)(21)的濕度信號(hào)輸入端相連；單片機(jī)(21)還具有控制信號(hào)輸出端，該控制信號(hào)輸出端是使用時(shí)在六氟化硫氣體濃度值超標(biāo)或濕度值超標(biāo)或氧氣含量值不達(dá)標(biāo)的情況下，可輸出風(fēng)機(jī)啟動(dòng)控制信號(hào)和/或報(bào)警控制信號(hào)的端口；本變送器還具有RS-485串口電路(24)，單片機(jī)(21)的串行數(shù)據(jù)及控制端與RS-485串口電路(24)的串行數(shù)據(jù)及控制端雙向電連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量六氟化硫氣體濃度的變送器，其特征在于比較及測(cè)量濾波器(22-6)具有窗口比較器(22-6-1)、數(shù)字相位計(jì)算器(22-6-2)和數(shù)字濾波器(22-6-3)；窗口比較器(22-6-1)的2個(gè)輸入端即為比較及測(cè)量濾波器(22-6)的2個(gè)超聲測(cè)量信號(hào)輸入端，窗口比較器(22-6-1)的輸出端接數(shù)字相位計(jì)算器(22-6-2)的超聲測(cè)量信號(hào)輸入端，數(shù)字相位計(jì)算器(22-6-2)的輸出端接數(shù)字濾波器(22-6-3)的輸入端，數(shù)字濾波器(22-6-3)的超聲測(cè)量信號(hào)數(shù)據(jù)及控制端即為比較及測(cè)量濾波器(22-6)的超聲測(cè)量信號(hào)數(shù)據(jù)及控制端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量六氟化硫氣體濃度的變送器，其特征在于分頻器(22-7)、波形發(fā)生器(22-1)和比較及測(cè)量濾波器(22-6)設(shè)置在一塊復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD(22-10)內(nèi)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種測(cè)量六氟化硫氣體濃度的變送器。該變速器具有超聲波檢測(cè)裝置、單片機(jī)和環(huán)境參數(shù)采集電路。超聲波檢測(cè)裝置具有波形發(fā)生器、放大隔離電路、采樣裝置、參照裝置、隔離放大整形電路、比較及測(cè)量濾波器、分頻器和晶振電路。環(huán)境參數(shù)采集電路具有溫度采集電路。本實(shí)用新型的變送器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用安全，能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，可對(duì)低濃度六氟化硫進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量且精度較高。
文檔編號(hào)G01F1/66GK2779398SQ20052006940
公開日2006年5月10日 申請(qǐng)日期2005年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月28日
發(fā)明者朱昌平, 林善明, 齊本勝, 常興, 王森, 江福椿, 單鳴雷 申請(qǐng)人:河海大學(xué)常州校區(qū)