CN101451901B - 红外线六氟化硫检漏摄像仪 - Google Patents
红外线六氟化硫检漏摄像仪 Download PDFInfo
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Abstract
一种红外线六氟化硫检漏摄像仪，属于气体泄漏检测仪器技术领域，其特征是，所述红外线六氟化硫检漏摄像仪包括电气连接的VT红外线辐射发生器、光谱鉴别选择器和红外摄像机；所述VT红外线辐射发生器能产生对应六氟化硫分子典型吸收波长的红外线，用来作为检测六氟化硫气体的辐照源。本发明无须使用此前国内外所有同类仪器都必不可少的激光器，结构简单，成本低且实现了SF6泄漏的可视检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测气体泄漏的仪器，更确切地说是一种针对电力系统常用的六氟化硫(SF6)气体发生泄漏时，采用红外线技术及时发现其泄漏位置、并且用可见的图像直接显示出来的仪器。
六氟化硫(SF6)气体是一种用于高压断路器和开关设备中的绝缘介质，在电力输变系统中得到日益广泛的应用；而一旦发生泄漏，将对环境和人员造成危害；及时发现SF6泄漏对于电力系统的正常稳定运行具有极重要的意义。六氟化硫(SF6)气体本身无色无臭，传统的检漏方法无法直接判定泄漏位置；较新的技术是采用激光照射红外成像，但激光器价格高昂、体积笨重。本发明用与SF6分子光谱匹配的红外辐射源和窄带鉴别器件替代激光器，实现了对SF6泄漏的检测；SF6气体和泄漏所在的部位的映像，能清晰地显示在摄像机监视器的屏幕上，即用可见的图像直接显示出来。
背景技术
六氟化硫气体(SF6)由法国化学家Moissan和Lebeau于1900年合成，大约从20世纪60年代起，SF6气体作为优秀的绝缘和灭弧介质成功用于高压开关及其设备。SF6设备大量应用，一方面使电力生产更安全、更可靠，但另一方面，SF6作为一种气体绝缘介质，一旦发生泄漏事故，不仅会迅速降低电器的绝缘性能，而且还会危及到现场人员的人身安全。有资料统计表明，SF6电力设备事故中，本体SF6气体泄漏引起的事故占38％。因此，对密封有SF6介质的电器设备经常检漏十分重要。
已有传统的SF6气体泄漏检测方法包括：气体水分含量测量方法、卤素检漏仪、紫外线电离、激光光声光谱法等；先定性或定量确定气体检漏区域或范围；然后停运设备，再用分段包扎，涂复皂液进行逐段的确定泄漏点的确切位置。这些方法既费时又需将电器设备停运，造成人力财力的浪费。
SF6检漏摄像仪用于检测在线的、SF6气体绝缘的变电站电器设备上SF6气体的泄漏，能精确地观察和确定泄漏位置，将被检电器设备SF6气体和泄漏所在的确切位置的映像，清晰地显示在摄像机监视器的屏幕上。
美国专利(US4,555,627)“背向散射吸收成像系统”中描述了关于这种系统的现有专利技术。该专利使用红外激光照明为红外摄像机提供一个红外视野场景作为激光照亮的现场。如果被激光照明的气体，吸收的是激光的波长；那么这种气体在视频图像上会造成阴影，恰好使气体变为可视化的烟雾状。背向散射吸收成像系统已经利用激光成像使系统走向商业化，提供这种系统正常运作的波长是CO2激光器发出的9-11μm的波长。
美国电力研究院(EPRI)最早支持开发这种用于电力公司的新技术，原来是由美国海军的劳伦斯-利物莫尔国家实验室开发研究的；利用激光反向散射技术作鉴别检测发现来自遇难船可能有危害的气体泄漏。从上世纪末到本世纪初，EPRI支持开发了名为GasVue的激光照相机，已经在国外几十家电力公司的变电站使用。例如：采用这种SF6激光成像泄漏系统使伊利诺斯电力公司和南非的ESKOM公司及时发现SF6泄漏，避免了故障发生，还节省了购买替补的SF6气体的费用，获得了显著的成本节约。不理想的是GasVue激光照相机结构复杂笨重，体积大，耗电多。其售价也高达20万美元。
2004年2月10日获准的美国专利(US6,690,472B2)“脉冲激光行扫描在散射吸收成像系统中的应用”记述了它使用激光脉冲作为照明光源，用行扫描生成图像。该发明描述与原来的美国专利(4,555,627)不同在于：原有专利中描述它使用一种单一频率、连续发光的激光光源，没有使用脉冲或连续波动式激光器。此项新的专利是使用高重复频率脉冲激光器在一个行扫描模式运行；所描述使用的激光有几个kHz的重复率，这是一个比较常见的晶体二极管泵浦固体激光器。二极管泵浦的固体激光器可能会有一些优点，包括体积小，功耗小。该发明如同在所有背向反射系统，都采用了激光器。
我国南京顺泰科技有限公司2007年9月19日公告的专利(公告号CN200950119)“一种六氟化硫气体检测仪”描述：“其特征在于发射装置由可调稳频CO2激光发射器和设在其顶部的半导体二极管激光发射器组成，接收装置由接收可调稳频CO2激光发射器信号的接收器、接收半导体二极管激光发射器信号接收器及支架组成”。该公司2008年5.月14日公告的专利(公告号CN201060091)“六氟化硫气体泄漏激光成像仪”描述：“一种六氟化硫气体泄漏激光成像仪，包括电源模块、激光发射器和冷却系统”。两项专利的原理如同美国专利(US4,555,627)，采用背向散射吸收成像系统，也都采用了激光器。
另一家浙江红相科技有限公司，其研究方向参考EPRI(美国电力科学研究院)，组装了HX-1型SF6激光成像检漏仪，关键部件全部原装进口，比如：激光发射器采用美国TNK公司；焦平面探测器采用美国勒克希德公司；晶体锗镜头采用法国LS公司；CPU处理中心采用美国INTEL公司。该公司2008年4月2日公开一项相关专利(CN101153822)“红外窗口及生产方法和在电气设备红外成像检测上的应用”描述的是：“在电气设备红外成像检测上的应用的”“红外窗口及生产方法”。
所有国内外的这类产品和技术，无一例外的都必须使用专用的激光器，体积笨重，操作不便；每套设备的重量高达12公斤或以上，售价也达到或超过人民币80万元。
发明内容
本发明针对现有技术中都必须使用体积笨重，价格昂贵的激光器，从而造成在某些情况下使用不便的问题；首先根据SF6红外吸收光谱特征谱带的典型吸收波长；设计制作了能产生对应SF6分子典型吸收波长的红外辐射的红外线发生器，用来替代激光器。红外线发生器发射的红外辐射照亮了被检测的设备；同时用一套光谱匹配、并具备窄带光谱鉴别器的的红外摄像系统实时摄像；其反射的红外辐射形成为背景，是被检测的设备的图像；而被检测的设备发生SF6泄漏时，泄漏的SF6吸收了发射的红外辐射，红外成像系统拍摄从而在电视显示屏上显示出被检设备背景衬托的一团类似烟雾状SF6泄漏轮廓。这样，通常是看不见的SF6气体和泄漏所在的部位的映像，同时清晰地显示在摄像机监视器的屏幕上。本发明无须使用激光器，实现了SF6泄漏的可视检测。
本发明具体采用如下技术方案，即：
一种红外线六氟化硫检漏摄像仪，其特征是，所述红外线六氟化硫检漏摄像仪包括VT红外线辐射发生器、光谱鉴别选择器和红外摄像机，三者电气连接；所述VT红外线辐射发生器能产生对应六氟化硫分子典型吸收波长的红外线，用来作为检测六氟化硫气体的辐照源。
所述VT红外线辐射发生器包括辐射体，所述辐射体是圆锥形、金字塔形、球形、半球形的薄壳或平板形的陶瓷远红外辐射器。所述的VT红外线辐射发生器，通过在其内壁喷涂或真空蒸镀碳化硅或氮化硼电热膜；或者采用电热丝通电加热，产生所需要的红外线。
根据权利要求1所述的红外线六氟化硫检漏摄像仪，其特征是，产生本发明所需要对应SF6分子特征吸收光谱的红外辐射材料包括钒或氧化钒，钛或氧化钛，碳酸镁及其三者复合物；上述红外辐射材料作为基料与硅酸盐类无机物载体粘结剂组成可以涂复于耐热陶瓷基体的表面或者直接成型。
优选的技术方案是：所述辐射体由耐热陶瓷基体、高辐射率的红外辐射材料涂层、导电加热膜、电源引出导线构成，所述导电加热膜和高辐射率的红外辐射材料涂层由里到外复合在一起。
为了汇聚辐射器发射的红外辐射，所述VT红外线辐射发生器还包括反射式聚光罩，所述聚光罩形状是双曲线型、抛物线型、半圆形或锥形中的一种，其材质是铝或镀铝、镀金材料。
所述的光谱鉴别选择器是一个以对应SF6分子特征吸收波长为中心、带宽在50—200nm、由一或两片多层介质膜制作的红外滤光片组成的窄带光谱选择器。
所述的红外摄像机是一套红外热像仪摄像仪系统，热像仪对红外图像传感器的数字输出信号进行处理，转换成所需视频；既可以直接显示单色的图像，也可以通过按键操作，使显示屏呈现伪彩色图形；系统带有硬盘数字存储设备，包括完成图像信号的实时记录存储的模拟/数字图像存储部件，不必通过电脑就能执行存储、拷贝任务，还支持定时录制、分时录制及录像品质选择，系统备有USB接口可以再连接机外的其它电脑设备，存储录像文件或再进一步整理、自由编辑。
本发明建立在下述理论基础上：
物质分子的红外光谱选择性辐射与吸收是本项目的重要理论根据。
红外光谱与分子的结构密切相关，是研究表征分子结构的一种有效手段，分子在低波数区的许多简正振动往往涉及分子中全部原子，不同的分子的振动方式彼此不同，这使得红外光谱具有像指纹一样高度的特征性。使物质分子的红外光谱选择性辐射与吸收，成为区分或鉴别某一种物质—如气体分子，在某一个确定区域是否存在的一种重要分析工具。近年来，激光技术为人们提供了一种单色性好，亮度高，波长连续可调的新型红外光源，使分子的红外光谱检测技术无论是在分辨率和灵敏度两方面皆得到有效提高。
美国电力研究院(EPRI)最早开发这种SF6激光成像检测仪用于电力公司的新技术，检测发现可能有危害的气体泄漏。从上世纪末到本世纪初，EPRI支持开发了名为GasVue的激光照相机，已经在国外几十家电力公司的变电站使用。我国现在有浙江红相科技有限公司组装了HX-1型SF6激光成像捡漏仪，关键部件全部原装进口，南京顺泰科技有限公司的专利和产品是“一种六氟化硫气体检测仪”“其特征在于发射装置由可调稳频CO2激光发射器和设在其顶部的半导体二极管激光发射器组成”。所有国内外的这一产品和技术的设计依据建立在只有激光器才可能产生对应SF6分子吸收光谱的谱线。因此，他们无一例外的都必须使用专用的激光器。
物质分子的红外光谱理论指出：任何气体分子的红外光谱都包括了许多条特征谱线和谱带。研究SF6分子的红外吸收光谱；就可以发现SF6分子存在着不止一条特征谱线和谱带。
请参见附表。
附表：SF6分子的红外光谱与拉曼光谱
(根据Eucken and Ahrens，[310]和Yost，Steffens，and Gross，[914]编制)
只要能产生对应特征吸收光谱的辐射源，不局限于只能使用产生对应那一条SF6吸收谱线的二氧化碳激光器。可以在SF6分子其它的特征谱线和谱带上重新选择；对应研究可能产生SF6分子特征波长的红外辐射的其它红外线发生器，再解决相关技术问题；笨重、昂贵的激光器就可能被替代。
本发明的结构确比现有的六氟化硫气体泄漏激光摄像仪更具技术进步性，且其独特的结构特征及功能较现有六氟化硫气体泄漏激光摄像仪具有技术上进步，并具有增进的多项功效，而确实具有创造性。
本发明在结构设计、使用的实用性及成本效益上，确实完全符合产业发展所需，并且所揭露的结构是前所未有的创新设计，其未见于任何刊物，在申请前更未见有相同的结构特征公知、公用在先，且市面上亦未见有类似的产品，而确实具有新颖性。
本发明的设计人研究此类产品已有十数年的经验。对于现有的六氟化硫气体泄漏激光摄像仪问题及缺陷了解清楚；而本发明既是根据上述缺陷研究开发而创设的，其确实能达到预期的目的及功效，不但在空间型态上确属创新，且较现有已知产品更具有技术进步性及实用性，并产生了好用及实用的优良功效，而确实具有实用性。
综上所述，本发明在空间型态上确属创新，并较现有产品具有增进的多项功效，且结构简单，适于实用，具有产业的广泛利用价值。其在技术发展空间有限的领域中，不论在结构上或功能上皆有较大的改进，且在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，而确实具有增进的功效，从而更加适于实用，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅为本发明技术方案特征部份的概述，为使专业技术人员能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
图1本发明红外线六氟化硫检漏摄像仪的工作原理示意图
图2VT红外线辐射发生器辐照源1的结构图
图3本发明采用的高辐射率红外辐射材料的发射光谱。
图4光谱鉴别选择器2的光谱特性曲线
图5红外摄像机3的光谱响应特性实测的曲线
图6红外摄像机3整体结构示意图
图7本发明红外线六氟化硫检漏摄像仪整体结构示意图。
图1是本发明的工作原理示意图。图中1是VT红外线辐射发生器辐照源，2是光谱鉴别选择器，3是红外摄像机，4是需要检漏的电器设备，5是泄漏的六氟化硫气体，6是电视监视器，7是在电视监视器屏幕上显示出的图像，8是图像上SF6气体泄漏对应部分。VT红外线辐射发生器辐照源1发射对应SF6分子特征吸收光谱的红外辐射，照亮需要检漏的电器设备4；红外摄像机3对被VT红外线辐射发生器辐照源照亮的所需要检漏的电器设备4摄像；光谱鉴别选择器2允许对应SF6分子特征吸收光谱的的红外线通过，在电视监视器6屏幕上只会显示红外热像仪摄制转换成的被检电器设备对应SF6分子特征吸收光谱的图像7；当出现SF6气体泄漏5时，因为SF6气体强烈吸收辐照源所产生的红外线，在泄漏的部分辐照被消弱，从而在电器设备的图像7上SF6气体泄漏对应部分形成了一个烟雾状的反差阴影带8。
图2是本发明VT红外线辐射发生器辐照源1的结构图。图中11是制作成圆锥形薄壳的耐热陶瓷基体，12是高辐射率的红外辐射材料涂层，13是导电加热膜，14是将电热膜连接到电源的引出导线，这四部分构成了红外线辐射发生器的辐射体；15是铝制内反射表面镀金的反射式聚光罩，16是固定辐射体的绝热支架，17是通风散热良好的红外线辐射发生器外壳。
图3是产生本发明采用的高辐射率红外辐射材料的发射光谱。图中可见在对应SF6分子 特征吸收波长的光谱段其辐射率高达0.9以上。
高辐射率的红外辐射材料作为基料与硅酸盐类无机物载体粘结剂组成涂料涂复于耐热陶瓷基体11的表面(或者直接与高温陶瓷粉料混合烧制成型)形成红外辐射涂层12；外接电源通过导线14连接到在其内壁喷涂(或用真空蒸镀)碳化硅(SiC)或氮化硼(BN)制作的电热膜13(或者用电热丝)通电加热；陶瓷基体11温度达到200℃左右时，被加热的红外辐射材料涂层12，依照其光谱特性图3，以高达0.9以上的辐射率，产生大量包括SF6分子特征吸收光谱的红外线；铝制内反射表面镀金的反射式聚光罩15汇聚红外线集中照射需要检漏的电器设备；固定辐射体的绝热支架16和通风散热良好的红外线辐射发生器外壳一起，将此VT红外线辐射发生器1与红外摄像仪等其它部分固定联结成一个结构紧凑的整体。
图4是本发明光谱鉴别选择器2的光谱特性曲线。光谱鉴别选择器以对应SF6分子特征吸收波长为中心、中心带宽在100nm左右。该光谱选择器只允许对应SF6分子特征吸收光谱的的红外线通过而阻挡了其它环境因素包括杂散的气体干扰。
图5是本发明红外摄像机3的光谱响应特性实测的曲线。在摄制被VT红外线辐射发生器辐照源照亮的电器设备和对应SF6分子特征吸收的红外光谱范围内，相对响应度高达0.9以上；具有足够高的灵敏度。；
图6是本发明红外摄像机3整体结构示意图。。图中31是红外透镜，32是红外摄像器，33是红外摄像器控制模块，34是模拟/数字转换和图像存储部件，35是液晶显示器驱动电路，36是液晶显示器，37是USB接口，38是外接电源插座，39是系统电源模块，40是连接VT红外线辐射发生器2的电源插座，41是电源控制开关，42是视频信号输出接口，43是功能控制按钮。
红外摄像机系统3的红外透镜31和红外摄像器32对前述所需要检漏的电器设备摄像；红外摄像器32内置的红外图像传感器的数字信号处理电路将红外透镜31接收的红外图像转换成视频信号，经过液晶显示器驱动电路35，在液晶显示器36上显示；红外图像传感器的数字信号处理电路与红外摄像器控制模块33连接并受其控制，可以通过显示功能控制按钮43按键操作，使显示屏呈现黑白或伪彩色图形；视频信号内部连接到模拟/数字转换和图像存储部件34，34内置120G硬盘，通过控制按钮43可以操作完成图像信号的随即实时记录存储，还支持定时录制、分时录制及录像品质选择。本系统具备视频信号输出接口42和USB接口37；通过接口42输出视频信号可外接通用的彩色或黑白的电视监视器；USB接口37可以使本机再连接机外的其它电脑设备，存储录像文件或再进一步整理、编辑。本系统电源模块39将交流市电转换成本机各个部件所需要的直流低压电源；通过电源插座40连 接VT红外线辐射发生器；控制开关41实施电源控制。
图7是本发明红外线六氟化硫检漏摄像仪整体结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图7本红外线六氟化硫检漏摄像仪整体结构作为一个较佳实施例，对依据本发明提出的其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
实施例
本红外线六氟化硫检漏摄像仪整体结构由VT红外线辐射发生器辐照源1、光谱鉴别选择器2、和红外摄像机3等三部分组成。
本红外线六氟化硫检漏摄像仪工作过程描述如下：首先是红外摄像机3控制开关41开启通电后，外接电源通过电源插座40、VT红外线辐射发生器的导线14连接到VT红外线辐射发生器辐照源内层的电热膜13，通电加热；陶瓷基体11温度达到200℃左右时，被加热的高辐射率的红外辐射材料涂层12，依照其光谱特性图3，以高达0.9以上的辐射率，产生大量包括SF6分子特征吸收光谱的红外线；铝制内反射表面镀金的反射式聚光罩15汇聚红外线集中照射需要检漏的电器设备。被检测目标反射回来的红外线，经过光谱鉴别选择器2阻挡了其它环境因素包括杂散的气体干扰，只允许由VT红外线辐射发生器发射的和对应SF6分子特征吸收光谱的的红外线通过。红外摄像机系统3的红外透镜31收集此红外线，并在红外摄像器32内置的红外图像传感器上成像，数字信号处理电路将红外图像转换成视频信号，经过液晶显示器驱动电路35，在液晶显示器36上显示；完成了本机的基本红外线六氟化硫检漏摄像检测功能。
红外摄像器32，红外摄像器控制模块33，模拟/数字转换和图像存储部件34，液晶显示器驱动电路35，电源模块39等在充分考虑保证其电路连接正确、可靠，科学的采取屏蔽和电磁兼容、防止相互干扰以及通风散热等措施的设计原则下，紧凑、合理的安置固定在专门设计、铝合金制作的机箱内。考虑到红外线辐射发生器2本身是一个热源，一方面采取了必要的通风隔热措施，采用绝热支架16和通风散热良好的外壳17；另一方面采取使此VT红外线辐射发生器1与红外摄像仪等其它部分能保持一定的隔热空间，设计为方便组装和调整的可拆卸分体组合结构。在外出现场应用时，既便于携带，使用时又可以很方便的组装成一个结构紧凑的整体。
本发明在用摄像方式实现六氟化硫检漏的基本功能基础上，还增加了以微处理器为基础的红外图像信号处理、模/数转换、存储、定时等功能。通过功能控制按钮43按键操作，可以使单色图像呈现伪彩色图形以提高视觉鉴别能力；可以自动或手动调节对比度和分色等级； 可以一键操作就完成图像信号的随即实时记录，还支持定时录制、分时录制及录像品质选择；内置120G硬盘，能直接执行存储、拷贝任务。本系统具备了视频信号输出接口42和USB接口37；通过接口42输出视频信号可外接其它的电视监视器；USB接口37可以使本机再连接机外的其它电脑设备，进一步实施更高级的处理功能。
综上所述：本发明全部系统结构没有采用此前用摄像方式实现六氟化硫检漏的国内外所有产品和所有公开的设计中都必须采用的激光器。不仅制作了能产生对应SF6分子典型吸收波长的红外辐射的红外线发生器，用来替代激光器。同时用一套光谱匹配、并具备窄带光谱鉴别器的的红外摄像系统实时摄像；实现了SF6泄漏的可视检测。而且更进一步设计完成了一套功能更加完备的红外线六氟化硫检漏摄像仪。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种红外线六氟化硫检漏摄像仪，其特征是，所述红外线六氟化硫检漏摄像仪包括电气连接的VT红外线辐射发生器、光谱鉴别选择器和红外摄像机；所述VT红外线辐射发生器能产生对应六氟化硫分子典型吸收波长的红外线，用来作为检测六氟化硫气体的辐照源；产生本发明所需要对应SF6分子特征吸收光谱的红外辐射材料包括钒或氧化钒，钛或氧化钛，碳酸镁及其三者复合物；上述红外辐射材料作为基料与硅酸盐类无机物载体粘结剂，涂复于耐热陶瓷基体的表面或者直接成型构成所述VT红外线辐射发生器。
2.根据权利要求1所述的红外线六氟化硫检漏摄像仪，其特征是，所述VT红外线辐射发生器包括辐射体，所述辐射体是圆锥形、金字塔形、球形、半球形的薄壳或平板形的陶瓷远红外辐射器。
3.根据权利要求1所述的SF6检漏摄像仪，其特征在于：其中所述的VT红外线辐射发生器，通过在其内壁喷涂或用真空蒸镀碳化硅或氮化硼电热膜；或者用电热丝通电加热，产生所需要的红外线。
4.根据权利要求2所述的红外线六氟化硫检漏摄像仪，其特征是，所述辐射体由耐热陶瓷基体、高辐射率的红外辐射材料涂层、导电加热膜、电源引出导线构成，所述导电加热膜和高辐射率的红外辐射材料涂层由里到外复合在一起。
5.根据权利要求1所述的红外线六氟化硫检漏摄像仪，其特征是，所述VT红外线辐射发生器还包括反射式聚光罩，所述聚光罩形状是双曲线型、抛物线型、半圆形或锥形中的一种，其材质是铝或镀铝、镀金材料。
6.根据权利要求1所述的红外线六氟化硫检漏摄像仪，其特征是，所述的光谱鉴别选择器是一个以对应SF6分子特征吸收波长为中心、带宽在50-200nm、由一或两片多层介质膜制作的红外滤光片组成的窄带光谱选择器。
7.根据权利要求1所述的红外线六氟化硫检漏摄像仪，其特征是，所述的红外摄像机是一套红外热像仪摄像仪系统，热像仪对红外图像传感器的数字输出信号进行处理，转换成所需视频；既可以直接显示单色的图像，也可以通过按键操作，使显示屏呈现伪彩色图形；系统带有硬盘数字存储设备，包括完成图像信号的实时记录存储的模拟/数字图像存储部件，不必通过电脑就能执行存储、拷贝任务，还支持定时录制、分时录制及录像品质选择，系统备有USB接口可以再连接机外的其它电脑设备，存储录像文件或再进一步整理、自由编辑。
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