氣體密度控制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一體式SF6氣體密度控制器，其主要由機組、機芯、儀表度盤及外殼、彈簧管、補償元件、引壓元件、壓力傳感器、溫度傳感器、放大及補償電路、V/I轉換電路、微處理器(單片機)、E2PROM組成，并聯(lián)的機組、壓力傳感器、和溫度傳感器，機組依次與溫度補償電路、度盤指示連接；壓力傳感器通過運算放大和A/D轉換電路后接入微處理器，溫度傳感器接入微處理器；微處理器通過D/A和V/I轉換電路輸出4-20mA電流信號；微處理器根據(jù)壓力、溫度信號利用E2PROM內的壓力—溫度綜合補償獲取該溫度下輸出信號的補償值，輸入放大及補償電路，并通過RS485接口電路直接輸出補償后壓力、補償前壓力及溫度。
【專利說明】一體式SF6氣體密度控制器

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于智能儀器儀表制造【技術領域】，為機電一體化型產(chǎn)品。產(chǎn)品主要采用了 傳感器技術、單片機技術，特定溫度補償技術，使得該產(chǎn)品成為一款功能新穎、完善的復合 型產(chǎn)品。該產(chǎn)品除可以現(xiàn)場指示外還可輸出三種信號：開關控制信號、兩線制4?20mA標 準電流信號和RS485數(shù)字量信號。產(chǎn)品主要應用于智能變電站中SF6高壓電器設備（如斷 路器、互感器、組合電器等）運行狀態(tài)參數(shù)的現(xiàn)場指示、控制及遠程在線監(jiān)測。

【背景技術】
[0002] SF6氣體作為絕緣滅弧介質現(xiàn)被廣泛應用于電網(wǎng)中較高電壓等級變電站所運行的 高壓電器設備（如斷路器、互感器、組合電器等）中。在高壓設備運行過程中，若是由于SF6 氣體泄漏導致SF6氣體密度降低，從而使得分、合閘操作產(chǎn)生電弧，這將嚴重影響該設備的 運行安全。因此對運行設備中的氣體密度進行監(jiān)測非常重要。
[0003] 目前高壓電器設備氣室內的SF6氣體密度主要依靠密度繼電器進行監(jiān)測。它可通 過度盤來指示20°C環(huán)境溫度下的壓力。按照指針的不同位置觸發(fā)報警、閉鎖信號。
[0004] 密度繼電器的工作原理為：彈簧管將感應到的SF6氣體壓力轉換為管端線位移， 感知壓力越大管端線位移就越大，而該位移將通過熱敏雙金屬溫度補償元件傳遞給齒輪傳 動機構，齒輪傳動機構將位移放大并轉換成角位移，帶動指針旋轉，從而完成壓力指示。熱 敏雙金屬溫度補償元件做為重要元件，能夠隨環(huán)境溫度變化產(chǎn)生熱脹冷縮，在傳遞管端位 移時正好消除環(huán)境溫度引起的設備氣室壓力變化在儀表彈簧管管端所產(chǎn)生的位移，從而達 到溫度補償作用，使儀表指示的壓力值及接點輸出的報警、閉鎖壓力值始終為設備氣室內 20°C時的壓力。
[0005] 雖然機械式密度繼電器能夠通過指針方式指示設備氣室內的氣體密度（即20°C 時的氣體壓力），并當氣體發(fā)生泄漏而導致密度下降時也能發(fā)出報警及閉鎖開關量信號，但 這些功能僅僅能夠滿足在現(xiàn)場對設備運行狀態(tài)及參數(shù)進行監(jiān)控的需要，并不具有信號遠傳 和與計算機監(jiān)測系統(tǒng)進行通信等功能，這正是該產(chǎn)品的局限所在。
[0006] 而對于SF6氣體密度變送器來說，其只具有信號遠傳和與計算機監(jiān)測系統(tǒng)進行通 信等功能，而無現(xiàn)場指示監(jiān)控功能，為一些現(xiàn)場的維護工作帶來了麻煩，工作人員無法直觀 了解當前設備的狀態(tài)。
[0007] 目前，國家已經(jīng)開始實施的智能電網(wǎng)工程要求對變電站設備的運行狀態(tài)及參數(shù)進 行遠程在線實時監(jiān)控，這就要求密度儀表具有信號遠傳和與計算機監(jiān)測系統(tǒng)進行通信等功 能；同時，為了方便現(xiàn)場工作人員的維護工作?？捎糜诂F(xiàn)場指示的密度儀表也是必不可少 的。一體式產(chǎn)品能夠同時消除以上兩種產(chǎn)品的弊端，且在成本控制、安裝與維護等方面為客 戶提供了良好的經(jīng)濟效益。


【發(fā)明內容】

[0008] 本發(fā)明目的是設計一種一體式SF6氣體密度控制器，以降低成本，便于維護。
[0009] -體式SF6氣體密度控制器，其主要由機組、機芯、儀表度盤及外殼、彈簧管、補 償元件、引壓元件、壓力傳感器、溫度傳感器、放大及補償電路、V/I轉換電路、微處理器、 E2PROM組成，并聯(lián)的機組、壓力傳感器、和溫度傳感器，機組依次與溫度補償電路、度盤指示 連接；壓力傳感器通過運算放大和A/D轉換電路后接入微處理器，溫度傳感器接入微處理 器；微處理器通過D/A和V/I轉換電路輸出4-20mA電流信號；微處理器根據(jù)壓力、溫度信號 利用E2PROM內的壓力一溫度綜合補償獲取該溫度下輸出信號的補償值，輸入放大及補償電 路，并通過RS485接口電路直接輸出補償后壓力、補償前壓力及溫度。
[0010] 機組、機芯、彈簧管、度盤、補償元件裝配控制器的機械部分并進行調校，引壓元件 為U形結構通過氬弧焊焊接技術從機組下端將壓力引至壓力傳感器端；壓力測量采用小型 硅壓阻壓力傳感器充油隔離芯體，該芯體被放置于焊接好的傳感器殼內，采用端面、側面兩 道0形密封圈密封，配合壓緊螺母將芯體固定于傳感器殼內，溫度測量采用溫度傳感器置 于溫度傳感器殼的腔體內，電路板用螺釘固定在其支座上，用軟導線與壓力傳感器、溫度傳 感器、連接器連接，連接器通過螺釘固定于傳感器外殼上。
[0011] 本發(fā)明在密度繼電器的基礎上，通過結構的再設計，將負責數(shù)據(jù)處理的變送印制 板固定于其后，使之成為一體式產(chǎn)品。該產(chǎn)品依舊沿用了硅壓阻壓力傳感器與溫度傳感器， 分別用于測量SF6氣體的壓力和溫度參數(shù)，并將其轉換成相應電信號，經(jīng)過電路處理后送往 單片機做進一步處理。針對壓力源的設計，專門設計了一套兩端全焊接的引壓元件，在保證 滿足高漏率要求的同時也保證了壓力源的同一性，加之對溫度補償?shù)膬?yōu)化，使得機械表示 數(shù)與變送信號輸出更趨于一致，減少不必要的誤差。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明一體式SF6氣體密度控制器原理框圖，
[0013] 圖2為本發(fā)明一體式SF6氣體密度控制器溫度特性曲線及補償特性曲線示意圖，
[0014] 圖3-6為本發(fā)明結構示意圖。
[0015] 圖號說明：1-機組、2-墊圈螺釘、3-墊圈、4-接點組、5-螺釘、6-罩殼、7-鋼化 玻璃、8-指針組件、9-度盤、10-鋼化玻璃密封圈、11-支撐圈、12-密度控制器固定螺釘、 13-密封控制器密封圈、14-接線盒、15-標簽、16-堵頭、17-傳感器蓋、18-傳感器蓋密封 圈、19-硅壓阻壓力充油芯體、20-電路板蓋、21-電路板、22-螺母、23-密度控制器、24-接 頭。

【具體實施方式】
[0016] 如圖1-6所示，一體式SF6氣體密度控制器主要由機組、機芯、儀表度盤及外殼、彈 簧管、補償元件、引壓元件、壓力傳感器、溫度傳感器、放大及補償電路、V/I轉換電路、微處 理器（單片機）、E2PROM(內含溫度補償程序）等組成。機組、機芯、儀表度盤、外殼、彈簧 管、補償元件等組成控制器的機械部分，用于示數(shù)指示及控制信號輸出；壓力傳感器及溫度 傳感器分別用于檢測SF6高壓電器設備內氣體的壓力和溫度，并將其轉換成相應的電信號 送往單片機，單片機根據(jù)壓力、溫度信號利用E2PROM內的壓力一溫度綜合補償軟件獲取該 溫度下輸出信號的補償值，放大及補償電路接到單片機的補償指令及補償數(shù)據(jù)后對壓力傳 感器的輸出信號進行相應的溫度補償，并將補償后的結果通過RS485接口電路直接輸出補 償后壓力、補償前壓力及溫度。補償后的結果也可通過D/A、V/I電路轉換成與20°C條件下 氣體壓力值相對應的4?20mA的標準電流信號。用戶通過采集器將信號采集并與計算機 遠程監(jiān)測系統(tǒng)進行實時通訊。數(shù)據(jù)/控制中心通過網(wǎng)絡及現(xiàn)場總線隨時監(jiān)視現(xiàn)場各臺設備 的運行狀態(tài)及參數(shù)，了解設備SF6氣體的泄漏情況，以便合理安排設備的維修保養(yǎng)周期，從 而使變電站無人值守將成為現(xiàn)實。
[0017] 本項目設計方案的核心是機電一體相結合的新型元件設計及單片機溫度補償軟 件的修正算法設計。
[0018] 一方面，由于壓力傳感器需要與機械部分感應同源壓力，而用戶普遍對于SF6氣體 的漏率要求（lXl〇iPa*m3/s)較高，因此要在保證漏率要求的基礎上，保證壓力的正常引 導而不至于壓力衰減，需設計相應的引壓元件及編制相關加工工藝。
[0019] 另一方面，由于SF6氣體屬于非理想氣體，因此其壓力一溫度特性不符合理想氣體 狀態(tài)方程。目前市場上的其它的SF6氣體密度控制器溫度補償軟件的算法設計依據(jù)大多采 用Beattie-Bridgman公式
[0020] P= 56. 2(1+B)yT-Ay2
[0021] 其中A= 74. 9(1-0. 727XI(T3Y)
[0022] B= 2. 51XKT3Y(1-0. 846XKT3Y)
[0023] 由于這是一個近似公式，式中氣體壓力與溫度呈線性關系，但是實際上SF6氣體的 壓力一溫度特性存在著不同程度的非線性，因此以此公式作為溫度補償軟件的算法設計依 據(jù)時溫度補償精度會產(chǎn)生一定偏差，另外，溫度補償也無法包括壓力傳感器本身的溫度誤 差。因此本發(fā)明在單片機溫度綜合補償軟件的算法設計時將SF6氣體壓力一溫度特性和 傳感器溫度誤差綜合考慮，用專用試驗裝置模擬現(xiàn)場工作環(huán)境、條件，測試每只控制器的壓 力一溫度特性，并將各個控制器在基準溫度20°C、低溫_20°C和高溫60°C時的壓力、溫度參 數(shù)存儲于各自的單片機數(shù)據(jù)單元中作為溫度補償依據(jù)，從而達到了控制器在低溫_2〇°C和 高溫60°C兩個溫度點的全補償效果。當控制器工作在低于基準溫度20°C的低溫區(qū)時，控制 器輸出壓力信號補償量在算法中用下式計算
[0024]

【權利要求】
1. 一體式SF6氣體密度控制器，其特征是主要由機組、機芯、儀表度盤及外殼、彈簧管、 補償元件、引壓元件、壓力傳感器、溫度傳感器、放大及補償電路、V/I轉換電路、微處理器、 E2PROM組成，并聯(lián)的機組、壓力傳感器、和溫度傳感器，機組依次與溫度補償電路、度盤指示 連接；壓力傳感器通過運算放大和A/D轉換電路后接入微處理器，溫度傳感器接入微處理 器；微處理器通過D/A和V/I轉換電路輸出4-20mA電流信號；微處理器根據(jù)壓力、溫度信號 利用E 2PROM內的壓力一溫度綜合補償獲取該溫度下輸出信號的補償值，輸入放大及補償電 路，并通過RS485接口電路直接輸出補償后壓力、補償前壓力及溫度。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一體式SF6氣體密度控制器，其特征是機組、機芯、彈簧管、度 盤、補償元件裝配控制器的機械部分并進行調校，引壓元件為U形結構通過氬弧焊焊接技 術從機組下端將壓力引至壓力傳感器端；壓力測量采用小型硅壓阻壓力傳感器充油隔離芯 體，該芯體被放置于焊接好的傳感器殼內，采用端面、側面兩道0形密封圈密封，配合壓緊 螺母將芯體固定于傳感器殼內，溫度測量采用溫度傳感器置于溫度傳感器殼的腔體內，電 路板用螺釘固定在其支座上，用軟導線與壓力傳感器、溫度傳感器、連接器連接，連接器通 過螺釘固定于傳感器外殼上。
3. 根據(jù)權利要求2所述的一體式SF6氣體密度控制器，其特征是用于測量SF6氣體壓 力的壓力傳感器感壓腔體采用多道密封措施。
【文檔編號】G05D11/13GK104317319SQ201410546636
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月15日 優(yōu)先權日:2014年10月15日
【發(fā)明者】晁超, 范聯(lián)科, 張少平 申請人:秦川機床集團寶雞儀表有限公司