高精度电子真空计的研制

2014-12-11田秀先王海伟杨玉青徐润宸崔艳丽

中国科技纵横 2014年24期

关键词：麦氏水银气室

田秀先王海伟杨玉青徐润宸崔艳丽

(合肥供电公司变电检修室,安徽合肥 230021)

高精度电子真空计的研制

田秀先王海伟杨玉青徐润宸崔艳丽

(合肥供电公司变电检修室,安徽合肥 230021)

随着电网的迅速发展,GIS设备在变电站中的使用越来越广泛。真空计在GIS设备检修工作中使用越来越频繁,传统广泛使用的麦氏真空计不仅测量速度慢,测量精度低,水银存在毒性,最重要的是操作不当会使水银倒灌入设备[1],给GIS设备的安全、稳定运行埋下安全隐患。因此,现行的《十八项重大反事故措施》[2]GIS抽真空时,禁止使用麦氏真空计。本文旨在研制高精度电子真空计,以解决这些问题。

高精度电子真空计研制

随着电网的发展,GIS设备数量逐渐增多,GIS故障次数也随之增加。GIS抽真空时以及抽真空后的保压检测都需要频繁使用真空计,以确保检修的气室内水分等杂质含量达到要求,并且气室无漏气现象。传统使用的麦氏真空计,操作步骤复杂,读数精度低,水银毒性较强。GIS气室抽真空过程中,如果发生停电或者麦氏真空计操作错误,都可能使水银倒灌进设备中。水银进入GIS气室会严重降低气室的绝缘性能,而且难以去除。因此国家电网现行《国家电网十八项重大反事故措施》[2]12．1．2．2条规定:为防止真空度计水银倒灌进设备中,禁止使用麦氏真空计。为此,本文研制一种高精度电子真空计,以满足GIS设备检修需求。

1 皮拉尼电阻真空传感器原理

根据变电检修规范的要求,SF6气室抽真空过程中,真空测量范围要求在1～200 Pa,精度要求1Pa。皮拉尼真空传感器能够满足测量要求,并且成本低、测量速度快。故本文采用皮拉尼真空传感器。

假设气体导热模型由两个相互分离的热板和冷板组成,热板的温度高于冷板的温度,即 Tr＞1T。根据傅立叶定律,热量正比于气体的热导率:

式中, As为平行板的面积大小； k为气体热导率；d为冷热板之间的距离。

式中,L是冷、热板系统的特征长度, λ是气体分子的平均自由程,其表达式为:

其中,k为玻耳兹曼常数,d为气体分子直径,T、P分别为气体温度和压强。根据 Kn值,可以将气体的导热划分为3个区域:连续介质区( Kn＜0．01)、转换区(0．01＜ Kn＜1)和分子区( Kn＞1)。

当气体的导热发生于分子区( Kn＞1)时,气体导热量正比于气体压强:

式中, α为碰撞的适应系数, Tg是气体温度,是气体分子的平均速度。

当气体导热发生于连续区( Kn＜0．01)时,气体的导热量为:

图1 高精度电子真空计系统图

m是单个气体分子质量,n是分子数密度, CV是气体的定容比热, γ是气体的定压比热与定容比热的比值。

转换气压tP定义为为:

λ 是气压为1Pa时气体的平均自由程。

在整个气压范围内,气体的导热量可以表示为:

ref在整个气压范围内,气体热导率可表示为:

式中, Q0和k0是1Pa时的气体导热量和气体热导率。

由此可知:当气压小于转折气压时,导热量及热导率与气压成正比,皮拉尼传感器正是利用这一原理,方便、准确的计算出气压,从而计算出真空度。

2 电子真空计系统设计(图1)

功能实现过程是:第一部分是模拟电路,皮拉尼真空传感器及其驱动电路将物理量气压转化为模拟信号。第二部分是数字处理电路,模拟信号通过AD变换后,CPU将通过数字控制、接口电路接收到的数字信号,与EPROM中的数据表进行对比,从而得到真空度值,并定时在液晶屏上刷新显示。

硬件实现时,电源稳压电路选择78L10A,与电脑通信的USB芯片选用TUSB3410,CPU选用德州仪器的M430F 427 16位高精度微处理器,电压基准芯片选用385B12基准IC,电压比较芯片选用1013D,存储芯片选用4L08EPROM。工作时通过VSP841型真空度传感器获得真空度电信号,经处理后由电压比较芯片与基准电压芯片电压值比较,获得的结果送入CPU分析,加入温度补偿及气体修正因子等参数计算获得真空度值,并在液晶屏上显示出来。