CN104422658A - 检测流体中的组分的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于检测样本流体中的组分的系统和方法，该系统包括具有样本流体的第一腔室和连接到该第一腔室的第二腔室，其中该第二腔室具有参考流体。该系统包括调制光源，用于向该样本流体和该参考流体发射调制光束，以在该第一腔室中产生第一声学信号并且在该第二腔室中产生第二声学信号。该系统进一步包括设置在该第一腔室与该第二腔室之间的压力传感器，用于检测该第一声学信号与该第二声学信号之间的差异。该系统包括基于处理器的模块，该模块可通信地连接到该压力传感器，并且配置成接收指示该差异的信号且确定该样本流体中的组分和该组分的浓度这两项中的至少一项。

Description

检测流体中的组分的方法和系统
技术领域
本发明实施例总体上涉及一种检测系统，具体来说，涉及一种使用光声光谱(PAS)技术测量以下项中的至少一项的检测系统：流体中的组分和该组分的浓度。
背景技术
电气设备，例如变压器，使用具有热学和绝缘性质良好的流体来将电气设备的部件封装在密闭壳中，以便散逸线圈产生的热量。该流体可以是油，例如蓖麻油、矿物油、氯化二苯基硅油等合成油或者类似的油。
如果电气设备或者电气设备的部件发生故障，例如变压器的线圈故障，则可能导致运行中断。因此需要监控电气设备，以通过检测早期故障来预测潜在故障。监控电气设备的公知方法包括分析围绕该设备循环的流体的多个参数。
流体中存在的可燃气体总量(TCG)被公知为提供有关浸入流体中的电气设备的运行状态的信息。为尽早检测故障，分析流体中的溶解气体。例如，诸如一氧化碳、二氧化碳或者类似气体等气体组分的存在及其浓度可以指示设备的热力老化。类似地，诸如氢气、碳氢化合物或者类似气体等气体组分可以指示介电击穿等故障。
诸如气体色谱法(GC)、光学光谱法和光声光谱法(PAS)等用于分析溶解气体的已知方法需要从流体中提取气体。诸如真空提取和顶部空间提取法等已知的提取技术存在各种缺点，例如重现性问题和复杂性提高的问题。
因此，需要做出技术改进，以便测量用于电器设备中的流体中的组分和该组分的浓度这两项中的至少一项。
发明内容
根据本发明的一个方面公开了一种用于检测样本流体中的组分的系统。该系统包括第一腔室，该第一腔室具有该样本流体，以及第二腔室，该第二腔室连接到该第一腔室，其中该第二腔室具有参考流体。该系统还包括调制光源，用于向该样本流体和该参考流体发射调制光束，以在该第一腔室中产生第一声学信号并且在该第二腔室中产生第二声学信号。该系统进一步包括设置在该第一腔室与该第二腔室之间的压力传感器，用于检测该第一声学信号与该第二声学信号之间的差异。该系统包括基于处理器的模块，该模块可通信地连接到该压力传感器并且配置成从该压力传感器接收指示该差异的该信号并且基于指示该差异的该信号确定该样本流体中的组分和该组分的浓度这两项中的至少一项。
根据本发明的另一个方面公开了一种用于检测样本流体中的组分的方法。该方法包括向第一腔室中的样本流体以及第二腔室中的参考流体发射调制光束，其中该第二腔室连接到该第一腔室。该方法还包括响应于发射的调制光束，在该第一腔室中产生第一声学信号以及在该第二腔室中产生第二声学信号。该方法进一步包括通过设置在该第一腔室与该第二腔室之间的压力传感器来检测该第一声学信号与该第二声学信号之间的差异。该方法还包括将指示该差异的信号从该压力传感器传输到基于处理器的模块，并且通过该基于处理器的模块，基于指示该差异的该信号而确定该样本流体中的组分和该组分的浓度这两项中的至少一项。
优选的，其中所述发射调制光束包括产生光束波长在所述组分的吸收光谱波长范围内的所述调制光束。
优选的，其中所述发射调制光束包括调制以下项中的至少一项：所述光束的强度和所述光束的波长。
优选的，其中产生所述第一声学信号包括产生对应于所述样本流体的样本液体的第三声学信号以及对应于所述样本流体的所述组分的第四声学信号。
优选的，其中所述第二声学信号对应于所述参考流体，所述参考流体包括参考液体。
优选的，其中所述检测该第一声学信号与该第二声学信号之间的差异包括通过所述第二声学信号中和或大体上中和所述第三声学信号，所述第三声学信号传输到所述压力传感器的第一侧，所述第二声学信号传输到所述压力传感器的与所述第一侧相对的第二侧。
优选的，其中指示所述差异的所述信号包括以下项中的一项：光信号、电信号和压力信号。
优选的，其中所述确定该样本流体中的组分和该组分的浓度这两项中的至少一项包括测量指示所述差异的所述信号的振幅值。
优选的，其中所述确定该样本流体中的组分和该组分的浓度这两项中的至少一项包括基于所测量的振幅值而测量所述组分的所述浓度。
附图说明
在参考附图阅读以下详细说明后，将更好地理解本发明实施例的这些和其他特征以及方面，在附图中，类似的符号代表所有附图中类似的部分，其中：
图1是根据示例性实施例监控的电气设施的示意图；
图2示出了根据示例性实施例的检测系统；
图3示出了根据示例性实施例的压力波前中心以及压力传感器的相对位置；
图4示出了根据示例性实施例的曲线图，该图示出了通过压力传感器检测的压力波形的变化；
图5示出了根据示例性实施例的检测系统的并排布置；
图6示出了根据示例性实施例的检测系统的并排布置的俯视图；
图7示出了根据示例性实施例的检测系统的同心布置；
图8示出了检测系统，该检测系统具有分为两个腔室的单个外壳；
图9示出了根据示例性实施例的曲线图，该图示出了与参考液体对应的光声压力波的振幅的变化；
图10示出了根据示例性实施例的曲线图，该图示出了与样本流体中的组分对应的光声压力波的振幅的变化；
图11是根据示例性实施例的参考液体的吸收光谱的示意图；
图12是根据示例性实施例，与多个气体组分对应的吸收光谱的示意图；以及
图13是根据示例性实施例检测溶解在液体中的组分的示例性步骤的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例涉及一种用于使用光谱分析法检测流体中的组分的存在的系统和方法。具体来说，技术效果是在特定实施例中，使用光声光谱(PAS)技术确定液体中的溶解气体的成分和浓度。从调制光源向第一腔室中的样本流体以及第二腔室中的参考流体发射光束，其中该第二腔室连接到该第一腔室。设置在第一腔室与第二腔室之间的压力传感器用于测量第一腔室中产生的第一声学信号与第二腔室中产生的第二声学信号之间的差异。可通信地连接到该压力传感器的基于处理器的模块从该压力传感器接收指示该差异的信号并且基于指示该差异的该信号确定该样本流体中的组分和该组分的浓度这两项中的至少一项。
图1示出了电气设施100，该电气设施设有用于检查此处公开的设备的示例性系统。电气设施100具有电气基础设施102，该电气基础设施具有待检查的设备104、106。在图示的实施例中，设备104、106是变压器。设备104通过示例性检查系统108监控，而设备106通过另一个示例性检查系统110监控。此外，移动操作员112可以使用便携式诊断子系统114来迅速准确地诊断设备104、106的健康状况。此外，电气设施100还可以配备远程监控和诊断子系统116，以提供连续资产监控功能。在本实例中，远程监控包括在线故障监控和故障趋势分析，以预测设备104、106的故障。在此处应注意，图示的电气设施100不得视为限制性的。换言之，示例性检查系统适用于需要检测流体中组分存在的其他应用。
图2示出了根据示例性实施例用于检查系统108、110中的至少一个检查系统中的检测系统200。检测系统200包括调制光源202，该调制光源用于向装入第一腔室218中的样本流体232发射调制光束220，以产生“第一声学信号”238。此处该“第一声学信号”238是由样本流体232的温度波动产生的压力信号，其中该温度波动是由调制光束220引起的。调制光源202进一步向装入第二腔室216中的参考流体234发射调制光束222，以产生“第二声学信号”240。此处该“第二声学信号”240是由参考流体234的温度波动产生的压力信号，其中该温度波动是由调制光束222引起的。在图示的实施例中，设有单个光源206，该光源使用光学器件204、214、215来产生调制光束220、222。在替代实施例中，调制光源202包括用于发射调制光束220的第一调制光源以及用于发射调制光束222的第二调制光源。
在图示的实施例中，调制光源202包括光源206，用于产生光束254，以及调制装置208，用于产生调制光束220、222。在一个实施例中，光源206是激光源。在替代实施例中，光源206可以是宽带光源、可调谐二极管(TD)激光或者量子级联激光源。在图示的实施例中，调制光源202包括反射器204，用于从光源206反射光束254。
调制装置208通过控制以下项中的至少一项来通过反射器204调制光源206发出的光束254：该光束的强度、该光束的波长、光源206的参数以及/或者反射器204的特性。在图示的实施例中，调制装置208包括带有多个槽位210的可旋转盘209。可旋转盘209用于通过槽位210产生光脉冲形式的调制光束。在替代实施例中，调制装置208可以用于通过其他适当技术调制光源206发出的光束254的强度。在一个特定实施例中，调制装置208可以用于调制光束的波长。在一些实施例中，调制装置208还可以是光源206的一部分。在特定实施例中，可以通过改变光源206的一个或多个参数来调制光源206发出的光束254。在一个实施例中，可以改变光源206的温度以产生调制光束。在另一个实施例中，可以改变用于驱动光源206的电流以产生调制光束。调制光束具有适用于检测流体中的一个或多个组分的存在的波长范围。
在图示的实施例中，调制光源202包括反射器204和光源206。光源206产生冲击反射器204的光束并且产生反射光束254。调制光源202还包括滤光器212，用于过滤对应于所需波长的光束254。在特定实施例中，滤光器212包括波长不同的多个滤光器透镜。此外，分束器214和反射器215用于从滤光器212的滤光输入产生调制光束220、222。在图示的实施例中，从单个调制光源202产生两个调制光束220、222。在另一个实施例中，可以使用两个激光源产生两个调制光束。
在图示的实施例中，样本流体232包括溶解在样本液体242中的组分230并且参考流体234包括参考液体244。在另一个实施例中，样本流体可以是悬浮液，该悬浮液具有该样本液体中的组分。在示例性实施例中，样本液体242和参考液体244可以是用于待检查部件，例如变压器中的绝缘油。组分230可以是诸如乙炔、氢气、甲烷、乙烷、乙烯、二氧化碳、一氧化碳、水分或类似气体等气体组分中的至少一个。在一个实施例中，样本液体242的构成可以与参考液体244的构成完全相同。在另一个实施例中，样本液体242的构成可以与参考液体244的构成大致相同。
第一声学信号238产生在第一腔室218中，包括由于存在样本液体242产生的第三声学信号246以及由于存在组分230产生的第四声学信号248。此处的“第三声学信号”246是由于调制光束220使样本液体242发生温度波动而产生的压力信号。“第四声学信号”248是由于调制光束220使组分230发生温度波动而产生的压力信号。此处的“第二声学信号”240是由于调制光束222使参考液体244发生温度波动而产生的压力信号。在图示的实施例中，对应于样本液体242的光吸收谱与对应于参考液体244的光吸收谱相同。对应于组分230的光吸收谱与对应于样本液体242的光吸收谱不同。
在图示的实施例中，第一腔室218连接到第二腔室216并且通过隔膜224彼此隔开。压力传感器236设置在第一腔室218与第二腔室216之间的隔膜224中。第一声学信号238传输到压力传感器236的第一侧250，而第二声学信号240传输到与压力传感器236的第一侧250相对的第二侧252。对应于样本液体242的第三声学信号246传输到压力传感器236的第一侧250。在样本液体242的构成与参考液体244的构成相同的实施例中，第三声学信号246中和或取消对应于参考液体244的第二声学信号240。在样本液体242的构成与参考液体244的构成大致相同的另一个实施例中，第三声学信号246大致中和第二声学信号240。在一个实例中，第三声学信号246减小约80dB。在其他实施例中，减小值可以在约40dB到100dB的范围内。
压力传感器236检测第一声学信号238与第二声学信号240之间的差异并且产生指示该差异的信号。换言之，该压力传感器236检测指示组分230的压力信号。
在一个实施例中，压力传感器236位于隔膜224中。在替代实施例中，隔膜224可以是将第一腔室218与第二腔室216隔开的压力传感器。在一个实施例中，压力传感器236是压电式压力传感器。在此类实施例中，压力传感器236可以使用压电效应或压阻效应来检测第一声学信号238与第二声学信号240之间的差异。在特定其他实施例中，压力传感器236可以是悬臂式压力传感器或基于薄膜的压力传感器、传声器、水听器或者基于电容的传感器。
基于处理器的模块228连接到压力传感器236，并且配置成从压力传感器236接收指示第一声学信号238与第二声学信号240之间的差异的信号。该基于处理器的模块228还配置成基于该指示第一声学信号238与第二声学信号240之间的差异的信号而确定样本流体232中的至少一种组分以及组分230的浓度。
基于处理器的模块228可以包括控制器、通用处理器或者嵌入式系统、基于处理器的模块228可以通过诸如键盘或控制板等输入装置从用户接收额外的输入。基于处理器的模块228还能够可通信地连接到存储模块，例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存或其他类型的计算机可读介质。此类存储模块可以使用程序编码，以指示基于处理器的模块228执行一系列步骤来确定组分以及组分230的浓度这两项中的至少一项。在替代实施例中，示例性检测系统200的所有部件可以用作与检查系统108、110(如图1所示)一体成形的单个独立模块。
图3是示意图300，示出了根据示例性实施例的压力波前中心以及用于测量音响(或压力)信号的压力传感器的相对位置。在图示的实施例中，矩形302表示腔室，而点304表示用矩形302表示的腔室中的流体接收调制光束的腔室中的位置。具体来说，点304指示流体中由于调制光束产生的压力波前的中心。在一个实施例中，矩形302可以表示第一腔室，而点304指示代表第一声学信号的压力波的中心。在另一个实施例中，矩形302可以表示第二腔室，而点304指示代表第二声学信号的压力波的中心。在图示的实施例中，压力传感器306设置在相对于矩形302的位置。尽管在图示的实施例中，压力波的中心表示为点304，但是在其他实施例中，通过沿直线向装入腔室中的流体发射调制光束，还可以沿该直线产生压力波。
图4示出了根据图3所示的示例性实施的曲线图400，该图示出了压力波前的变化。该曲线图的x轴402表示时间，以微秒为单位，而图400的y轴404表示压力，以帕斯卡为单位。波形406指示压力传感器检测的压力波。
图5示出了根据示例性实施例的检测系统500的并排布置。在图示的实施例中，第一腔室502连接到第二腔室504并且并排设置。压力传感器506沿第一腔室502与第二腔室504之间的垂直面设置。调制光束508、510沿纵向分别发射到第一腔室502和第二腔室504中。在另一个实施例中，调制光束508、510可以沿水平方向设置并且压力传感器506可以沿第一腔室502与第二腔室504之间的水平面设置。
图6示出了示例性检测系统600的俯视图。在图示的实施例中，检测系统600包括连接到圆形第二腔室604的圆形第一腔室602。压力传感器606设置在圆形第一腔室602与圆形第二腔室604之间。此处讨论的实施例不是限定性的并且第一腔室602和第二腔室604可以任何方式设置，以便大致移除第一声学信号与第二声学信号之间的公共信号(也称为“公共模式信号”)。尽管此处的实施例仅图示了两个腔室，但是示例性技术适用于具有两个以上腔室的系统。使用多个腔室可以提供冗余以及多种组分检测。
图7示出了根据示例性实施例的检测系统700的同心布置的俯视图。检测系统700包括第一腔室702和第二腔室704，该第二腔室以同心方式设置在第一腔室702中。第一腔室702和第二腔室704呈圆柱形。在图示实施例中，隔膜706设置在第一腔室702与第二腔室704之间。压力传感器708设置在隔膜706内。或者，隔膜706本身可以是压力传感器。
图8示出了检测系统800的另一个示例性实施例。检测系统800包括单个外壳802，该外壳被隔膜804分割以形成第一腔室806和第二腔室808。隔膜804包括压力传感器810，用于测量第一腔室806中产生的第一压力波与第二腔室808中产生的第二压力波之间的差异。在其他实施例中，隔膜804本身可以是压力传感器。
图9示出了根据示例性实施例的曲线图900，该图示出了与参考液体对应的光声压力波的振幅的变化。在图900中，x轴902表示浓度，以ppm(百万分率)为单位，而y轴904表示峰值压力，以帕斯卡为单位。曲线906表示由于存在参考液体而产生的光声压力波的振幅。此处应注意，根据接下来的图10所示的实施例，振幅值4.7×105Pa大于由于存在溶解在液体中的组分而产生的光声压力波的振幅。
图10示出了根据示例性实施例的曲线图1000，该图示出了与溶解在样本液体中的组分对应的光声压力波的振幅。在图1000中，x轴1002表示浓度，以ppm(百万分率)为单位，而y轴1004表示峰值压力，以帕斯卡为单位。曲线1006表示由于存在溶解在样本液体中的组分而产生的光声压力波的振幅。在图示的实施例中，曲线1006的振幅值在0Pa到12Pa的范围内，该振幅值小于图9中所示的参考液体的振幅值。
图11示出了根据示例性实施例的曲线图1100，例如，该图示出了与变压器系统的绝缘油(路径长度为0.5mm)对应的吸收光谱。图1100的x轴1102表示波数(用cm-1表示)，而图1100的y轴1104表示吸光率，用百分数值表示。曲线1106表示绝缘油的吸收光谱，其在波数2000cm-1和3500cm-1处的最小吸光率值为约50％，分别用数字1108、1110表示。
图12是根据示例性实施例，与多个气体组分(500ppm和1mm路径长度)对应的吸收光谱的示意图1200。图1200的x轴1202表示波数(用cm-1表示)，而图1200的y轴1204表示吸光率，用百分数值表示。曲线1206表示二氧化碳的吸收光谱，曲线1208表示甲烷的吸收光谱，而曲线1210表示乙炔的吸收光谱。在图1200中，乙炔呈现对应于波数3300cm-1的吸光率峰值0.05％，用参考数字1212表示，甲烷呈现对应于波数3100cm-1的吸光率峰值0.2％，用参考数字1214表示，而二氧化碳呈现对应于波数2300cm-1的吸光率峰值1.4％(图中未图示)。此处应注意，与图12中所示的气体组分对应的吸光率峰值小于绝缘油的吸光率峰值。此处应注意，此处该的多个实施例中的所有值不得视作对本发明的限制。
图13是根据示例性实施例的检测方法中包括的示例性步骤的流程图1300。该方法包括通过调制光束254的强度和该光束的波长这两项中的至少一项来产生1302调制光束。通过诸如激光源等光源产生该光束。向第一腔室中的样本流体发射1304调制光束。该样本流体包括样本液体和溶解在该样本液体中的组分。该调制光束的光束波长在样本流体中的该组分的吸收光谱波长范围内。在此处讨论的方法中，在一个实施例中，该样本流体中的该样本液体可以是变压器系统中的绝缘油。发射的调制光在样本流体内产生热通量。调制热通量的传播在样本流体中的产生压力波。在第一腔室中产生1306第一声学信号。该第一声学信号包括对应于样本液体的第三声学信号以及对应于样本流体中的组分的第四声学信号。
还向第二腔室中的参考流体发射1308调制光束。在一个实施例中，该参考流体包括变压器系统的绝缘油，作为参考液体。在第二腔室中产生1310第二声学信号，该第二声学信号表示对应于参考液体的压力信号。将第一声学信号传输到设置在第一腔室与第二腔室之间的压力传感器的第一侧。将第二声学信号传输到压力传感器的第二侧，该第二侧与第一侧相对。对应于样本液体的第三声学信号完全中和或大致中和1312对应于参考液体的第二声学信号。该压力传感器检测第一声学信号与第二声学信号之间的差异1314。
指示该差异的信号可以包括光信号、电信号和压力信号中的一种信号，具体取决于所用的压力传感器的类型。将指示该差异的该信号从该压力传感器传输1316到基于处理器的模块。该基于处理器的模块测量指示该差异的该信号的振幅值。在一个实施例中，测量的振幅值可以是指示该差异的该信号的峰值。在一个实施例中，可以使用指示该差异的该信号的相位信息来确定该振幅值。
该基于处理器的模块基于调制光束的波长范围确定1320该组分。在一些实施例中，可以使用查询表来确定该组分，该查询表中包含与气体组分及其对应吸收光谱范围对应的数据。在一个实例中，如果调制光束的波长与2200cm-1到2400cm-1范围内的波数对应，则该基于处理器的模块确定该组分为二氧化碳。在另一个实例中，如果调制光束的波长与2900cm-1到3100cm-1范围内的波数对应，则该组分被检测为甲烷。在另一个实例中，如果调制光束的波长与3200cm-1到3400cm-1范围内的波数对应，则该组分被检测为乙炔。
在一个实施例中，可以使用预定校准图表，基于测量的振幅值确定1322组分的浓度。在一个实施例中，可以基于传递函数确定该校准图表。在另一个实施例中，可以基于模拟结果确定该校准图表。该校准图表可以是查询表，其中包括与每个气体组分对应的振幅值范围的浓度值的数据条目。
该示例性检查系统和方法能够使用光声光谱(PAS)确定流体中的组分的浓度。该技术在与样本液体对应的相对较大振幅的光声压力波中检测与该组分对应的较小振幅的光声压力波。例如，对于电力变压器而言，该示例性技术分析溶解气体，而不从绝缘油提取气体组分。
应理解，无需根据任意特定实施例来实现上述所有此类目标或优点。因此，例如，所属领域的技术人员会认识到，本说明书所描述的系统和技术可以按照实现或改进本说明书所教示的一个优点或一组优点的方式来实施或执行，而不必实现可能由本说明书所教示或建议的其他目标或优点。
尽管仅结合有限数量的实施例来详细描述该技术，但可以轻易地了解到，本发明不限于此类公开的实施例。相反，可以修改该技术以包括此处未描述但与权利要求书的精神和范围一致的任意数量的变型、改变、替代或等效布置。此外，尽管已描述了该技术的多个实施例，但应了解，本发明的各个方面可以只包括该实施例中的一些实施例。因此，本发明不视作受前述说明限制，而是仅受限于随附的权利要求书的范围。

Claims (10)

1.一种系统，包括：
第一腔室，所述第一腔室具有样本流体；
第二腔室，所述第二腔室连接到所述第一腔室，其中所述第二腔室具有参考流体；
调制光源，用于向所述样本流体和所述参考流体发射调制光束，以在该第一腔室中产生第一声学信号并且在该第二腔室中产生第二声学信号；
设置在该第一腔室与该第二腔室之间的压力传感器，用于检测该第一声学信号与该第二声学信号之间的差异；以及
基于处理器的模块，所述模块可通信地连接到所述压力传感器，并且配置成从所述压力传感器接收指示所述差异的信号且基于指示所述差异的所述信号确定所述样本流体中的组分和所述组分的浓度这两项中的至少一项。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述样本流体进一步包括样本液体，并且其中所述组分是溶解在所述样本液体中的气体组分。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述气体组分包括乙炔、氢气、甲烷、乙烷、乙烯、二氧化碳、水分以及一氧化碳以及这些项的组合。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述参考流体包括参考液体。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述调制光源包括激光源，用于发射所述调制光束，所述调制光束的光束波长在所述组分的吸收光谱波长范围内。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述调制光源包括光源和调制装置，用于控制以下项中的至少一项：所述光束的强度、所述光束的波长以及所述光源的参数。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述压力传感器包括压电式传感器、悬臂式传感器、水听器、基于电容的传感器或者基于薄膜的传感器。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一腔室和所述第二腔室以并排布置。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一腔室和所述第二腔室以同心布置。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一腔室和所述第二腔室被压力传感器分隔。
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