CN104198427A

CN104198427A - 一种采用径向结构的光声光谱检测装置

Info

Publication number: CN104198427A
Application number: CN201410455935.9A
Authority: CN
Inventors: 张国强; 李康; 邱宗甲; 林涛
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2014-09-09
Filing date: 2014-09-09
Publication date: 2014-12-10

Abstract

一种采用径向多层结构的光声光谱检测装置，主要包括：光源、光源调节支架、驱动电机、机械斩光器、斩光器控制器、滤光片盘及滤光片、光声池、循环气泵、过滤装置、电磁阀、出光口抛物面反光镜、高灵敏度传声器、锁相放大器，以及嵌入式主机。所述光源安装在光源调节支架上，可由驱动电机驱动上下移动。所述的光声池有两个或多个光声腔，每个光声腔的进气口、出气口位于光声腔轴向垂直的侧壁上，靠近两端，且为渐扩孔结构；所述的滤光片盘绕中心具有两层或多层开孔，开孔上装有滤光片，所述光声池在滤光片盘及滤光片后端，两个或多个光声腔分别的位置分别与滤光片盘的开孔位置对应。

Description

一种采用径向结构的光声光谱检测装置

技术领域

本发明涉及一种气体检测装置，特别涉及一种能够检测多种电气设备故障下气体分解产物的装置。

背景技术

气体检测技术在工业化生产及日常生活中有着极其广泛的应用，诸如油气管道的泄漏检测、电力系统中的变压器油中溶解气体检测、化工企业的排放废气检测以及空气中的痕量污染气体检测、人体疾病与医疗诊断方面的呼出气体检测等。

如目前电力行业积极应用在线监测技术，开展状态维修，加强设备的常规测试和综合分析，及时消除了一些设备隐患，但与发达国家的供电可靠性相比还有一些差距。电气设备故障，如电力变压器故障，SF6、氟碳混合气体等气体绝缘电气设备故障等一直是危害电网安全稳定运行的重要因素，因此，对这些电气设备的运行状态进行检测尤为重要。

对于充油式电力变压器，需要检测的特征气体有CH4，C2H4，H2，CO，CO2，C2H2，C2H6等。目前对该类气体的检测方法较多；如专利200910046340.7提到一种采用光声光谱技术的在线监测电力变压器的系统，该光声光谱检测仪器采用可调谐级联二极管激光器作为光源。

以六氟化硫气体(SF6)为绝缘和灭弧介质的电气设备，如GIS(气体绝缘开关设备，Gas-Insulated Switchgear)、断路器、变压器、开关柜等，以其可靠性高、维护量小、占地面积小等优点迅速发展，并广泛应用于电力系统的高压和超高压领域，逐渐成为现代变电站的首选设备之一。然而SF气体对电场不均匀性非常敏感，对设备加工要求高；而且SF6气体的放电分解物，如SO2F2、SOF2、SF4、SF2、H2S、SOF4等，均为剧毒物质，对人员健康威胁很大；同时SF6气体的温室效应非常大，它的全球温暖化潜能值(GWP)大约是CO2气体的23900倍，且在大气中寿命约3200年，联合国气候变化公约缔约方在1997年签订的《京都议定书》中，将SF6气体列为六种限制使用的温室气体之一。因此国内外的科研人员进行了大量的研究，希望寻找到能替代SF6气体用于电气设备的新介质。

专利CN200610160462.5提到采用N2、O2、干燥空气、CO2、CF4、c-C4F8、C2F6、C3F8或CF3I之中的任一种单体气体、或将这气体中的任意2种及以上的气体混合而成的混合气体，作为绝缘气体，用于气体绝缘电气设备。一些人已经在进行应用尝试。

目前对于使用SF6气体的电气设备，通过检测SF6气体故障分解物进行故障监测和诊断的技术已有一些；专利CN2747583Y“六氟化硫电气设备故障检测仪的检测机构”通过一个四通接头连接压力传感器、SO₂电化学气体传感器和H₂S电化学气体传感器，检测SO₂和H₂S的含量并对设备内部故障进行诊断。但是该专利只能检测SO₂和H₂S气体，检测多种气体组分时会受到结构的限制。类似的还有专利CN101464671A“一种六氟化硫气体及其分解物监测监控的装置及方法”。

专利CN101644670A“六氟化硫气体放电微量组分的红外检测装置及方法”利用傅立叶红外光谱的方法对GIS在局部放电下的SF₆分解气体进行检测。还有，专利CN10151496A“基于光声光谱技术的SF₆检测系统”，专利CN101982759A“局放下六氟化硫分解组分的红外光声光谱检测装置及方法”，专利CN102661918A“非共振光声光谱检测分析装置”，但都是针对SF6分解气体的某一或者某几个组分设计的装置，对于其他绝缘介质的检测无能为力。同时对于不同气体的转换速度很慢，不利于快速检测不同组分的气体。

同时针对新型绝缘气体的基于故障分解物的诊断、检测技术和方法还很少。专利CN201110160224.5提出通过检测电气设备中CF4、C2F6、C2F4、C3F8及C3F6气体含量，来判断c-C4F8及其与N2、CF4等气体混合气体绝缘电气设备内部的故障情况，但没有提及各气体组分的检测方法，特别是在线监测的方法。

此外还有厂矿企业、大气环境、人体呼出气体等场合的气体检测也有越来越多的需求。而现有的基于光声光谱技术的气体检测方法所用的光声池，在检测前需要对光声池抽真空，或者需要用纯气进行冲洗，增加了复杂度，降低了检测效率。同时也没有一种通用的装置，能适用于所有电气设备故障分解气体的检测。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、灵敏度高、稳定性好同时效率高的通用型检测装置，能够适用于各种绝缘介质的电气设备。

光声光谱技术基于光声效应。光声效应由气体分子吸收电磁波而产生，气体分子吸收特定波长的电磁波后至激发态，随即以释放热能的方式退激，释放出的热能在气体中产生压力波，压力波的强度与气体分子的浓度成比例，通过检测吸收不同波长而产生的压力波的强度，可得到不同气体组分的浓度。

本发明的气体绝缘电气设备分解气体检测装置主要包括：光源、光源调节支架、驱动电机、机械斩光器、斩光器控制器、滤光片盘及滤光片、光声池、循环气泵、过滤装置、电磁阀、出光口抛物面反光镜、高灵敏度传声器、锁相放大器以及嵌入式主机。

所述的光源安装在光源调节支架上，所述光源可根据需要沿光源调节支架上下滑动。所述光源调节支架为不锈钢或铝合金材质的丝杠结构，由驱动电机带动丝杠旋转进而驱动光源上下运动；驱动电机正向旋转时，所述的光源向上滑动到固定位置，驱动电机反向旋转时，光源向下滑动到固定位置。

所述的光源也可以是两个，且性能相同，即采用同一型号的光源，光源功率相同，固定安装在光源调节支架的上部和下部，上部和下部的光源中心线分别与光声池的两个光声腔的中心线重合；此时不需要安装驱动光源移动的电机。

所述的光声池包括两个光声腔，用来测量油中溶解气体、SF6类的分解产物、氟碳气体类的分解产物，以及N2、CO2等气体。油中溶解气体如H2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2等，SF6类的分解产物有SO₂F₂、SOF₂、SOF₄、SO₂、SF₄、CF₄、CO₂以及H₂O，氟碳气体类的分解产物有CF4、C2F6、C2F4、C3F8及C3F6、C3F6N2。所述光声池的制作材料为铝合金、铝、黄铜或不锈钢。所述光声池的两个光声腔上下排列。每个光声腔都包括进气口、出气口、入光口、出光口、传声器安装口。光声腔的直径Φ为3～100mm、长度L为20～500mm，且满足直径Φ小于长度L；光声腔的轴向两端开有圆形通孔，分别为入光口和出光口。所述入光口安装有高透光率的玻璃窗；所述出光口安装有出光口抛物面反光镜。垂直于光声腔轴向的光声池相向的两个侧壁上开有进气口和出气口。所述进气口和出气口位于光声腔同一侧，且沿光声腔轴线方向分布；所述进气口在入光口一侧，所述出气口在出光口一侧。所述进气口和出气口为渐扩孔结构即孔的口径大小由外向内逐渐扩大，采用渐扩孔结构可以消除光声腔内部气体循环时的死气区。在检测时，光声腔内部气体在几个循环内即全部替换为需要检测的新气，减少了上次检测的影响，同时降低了对循环气泵的流量需求，特别适用于在线安装，此外该结构还适用于样品量很少的场合。同时在光声池侧壁中部与中心线垂直对应每个光声腔的位置处开有传声器安装口，高灵敏度传声器安装在所述传声器安装口。

所述光声腔对应的进气口和出气口分别接气体管路，气体管路上装有电磁阀，控制管路的通断。两个光声腔连接的管路用三通合为一路，由循环气泵驱动被检测气体经管路从进气口进入，从出气口返回。在所述循环气泵之前还装有过滤装置，用于过滤气体中的固体颗粒。检测未知类型的气体时，两个光声腔同时进入被检测气体；对于已知类型的检测气体，如为SF6类的绝缘介质，则利用电磁阀控制气体只进入位于上部的第一光声腔；对于氟碳类绝缘气体，则利用电磁阀控制气体只进入位于下部的第二光声腔，采用该方式可避免不必要的检测，减少检测时间。对于其他检测也可以进行类似操作。

工作时，根据检测绝缘设备的不同，控制气体回路，使被检测气体进入不同的光声腔进行检测。嵌入式主机控制驱动电机将光源驱动到所需位置。

所述的滤光片盘为圆形结构，其上开有滤光片安装孔，滤光片安装孔围绕滤光片盘的圆心由内向外布置为两层，内层和外层的滤光片盘各有8个安装孔；安装孔上安装有窄带滤光片。滤光片盘安装在转轴上，由电机带动绕转轴旋转。所述外层的滤光片安装孔装有检测SF6类的分解产物SO₂F₂、SOF₂、SOF₄、SO₂、SF₄、CF₄、CO₂、H₂O的滤光片，所述内层的滤光片安装孔装有检测氟碳气体类的分解产物CF4、C2F6、C2F4、C3F8、C3F6、C3F6N2以及N2、CO2气体的滤光片。所述外层或内层的滤光片安装孔也可装设检测油中溶解气体H2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2的滤光片。

上述的光声池也可以包括三个或更多光声腔；光声腔从上到下排列在光声池上；对应的，滤光片盘上围绕中心对称布置三层或多层滤光片，分别检测多种气体。

所述机械斩光器放置在光源的出口端。滤光片盘及滤光片放置在机械斩光器后，光声池位于滤光片盘及滤光片之后。光源位于光源调节支架的上部位置时，光源的中心线与滤光片盘上的外层圆孔中心线对应；光源位于光源调节支架的下部位置时，光源的中心线与滤光片盘上的内层圆孔中心线对应。所述光声池的第一光声腔与滤光片盘上的外层圆孔对应，使得透过滤光片的平行光的中心线正好与第一光声腔的中心线对应；所述的第二光声腔与滤光片盘的内层圆孔对应，使得透过滤光片的平行光的中心线正好与第二光声腔的中心线对应。

机械斩光器经由信号线缆与斩光器控制器连接，机械斩波器的斩光调制频率由斩光器控制器控制，并通过BNC信号线将斩光调制频率信号传输给锁相放大器。滤光片盘及滤光片放置在机械斩光器后，对调制过的红外光进行滤波，透射过滤光片的红外光经过光声池的入光口射入光声腔，经光声池的出光口射出，光声腔的出光口安装有出光口抛物面反光镜，出光口抛物面反光镜把红外光反射回光声腔，并聚焦于光声腔的几何中心。在光声腔中产生的光声信号由安装在光声池侧壁上的高灵敏度传声器接收，并通过抗干扰信号线传输至锁相放大器处理，处理后再经过RS485/232电缆传输至嵌入式主机。

所述高灵敏度传声器的频率响应范围是0.1Hz～30kHz，灵敏度大于20mV/Pa。所述锁相放大器的频率范围为1mHz～102.4kHz，灵敏度为2nV～1V，增益精确度为±1％，动态存储>100dB，具有GPIB和RS232两种接口。斩光器控制器的输出端口与所述的锁相放大器通过BNC信号线相连，斩光器的调制频率作为参考频率由斩光器控制器的输出端口传送到锁相放大器，锁相放大器的输出信号经RS485/232传输到嵌入式主机处理得到绝缘介质分解气体种类、浓度等信息。

附图说明

图1为本发明采用径向多层结构光声光谱检测装置示意图；

图2为本发明中的光声池7的结构示意图；

图3为本发明中的滤光片盘及滤光片6的结构示意图；

图4为本发明中的光声池7另一种实施方式结构示意图；

图中：1光源调节支架、2光源、3机械斩光器、4信号线缆、5斩光器控制器、6滤光片盘及滤光片、7光声池、8出光口抛物面反光镜、9高灵敏度传声器、10抗干扰信号线、11BNC信号线、12锁相放大器、13RS485/232电缆、14嵌入式主机、15驱动电机、16控制线、17循环气泵、21第一电磁阀、22第二电磁阀、23第三电磁阀、24第四电磁阀。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为本发明径向多层结构的光声光谱检测装置结构示意图。如图1所示，本发明装置主要包括光源2、光源调节支架1、机械斩光器3、斩光器控制器5、滤光片盘及滤光片6、光声池7、出光口抛物面反光镜8、高灵敏度传声器9、锁相放大器12、嵌入式主机14、驱动电机15、循环气泵17、过滤装置18、第一电磁阀21、第二电磁阀22、第三电磁阀23，以及第四电磁阀24。

被测气体从图1所示的进气口进入，由循环气泵17驱动沿管路流动，经过滤装置18过滤，经第二三通26分为两路，一路经第一电磁阀21，从第一进气口711进入第一光声腔710，再从第一出气口712流出，经第二电磁阀22，进入第一三通25；另一路经第三电磁阀23进入，从第二进气口721进入第二光声腔720，再从第二出气口722流出，经第四电磁阀24，进入第一三通25；而后两路气体在第一三通25合为一路流出。

所述第一电磁阀21、第二电磁阀22、第三电磁阀23、第四电磁阀24由嵌入式主机14控制通断；所述循环气泵17由嵌入式主机14控制启停。

图2为本发明的光声池7的结构示意图；如图2所示，主要包括第一光声腔710、第一进气口711、第一出气口712、第一入光口713、第一出光口714；以及第二光声腔720、第二进气口721、第二出气口722、第二入光口723、第二出光口724。所述的第一光声腔710和第二光声腔720为圆柱腔形结构，且上下平行布置在光声池7上。

位于上部的第一光声腔710的轴向两端开有圆形通孔，分别为第一入光口713和第一出光口714；垂直于第一光声腔710轴向的侧壁上开有第一进气口711和第一出气口712；所述第一进气口711和第一出气口712位于第一光声腔710同一侧且沿第一光声腔710轴线方向分布；所述第一进气口711在第一入光口713一侧，所述第一出气口712在第一出光口714一侧；所述第一进气口711和第一出气口712都为渐扩孔结构，孔的口径从外向内逐渐扩大。

位于下部的第二光声腔720的轴向两端开有圆形通孔，分别为第二入光口723和第二出光口724；垂直于第二光声腔720轴向的侧壁上开有第二进气口721和第二出气口722；所述第二进气口721和第二出气口722位于第二光声腔720同一侧且沿第二光声腔720轴线方向分布；所述第二进气口721在第二入光口723一侧，所述第二出气口722在第二出光口724一侧；所述第二进气口721和第二出气口722都为渐扩孔结构，孔的口径从外向内逐渐扩大。

图3为本发明的滤光片盘及滤光片6的结构示意图；如图3所示，滤光片盘及滤光片6包括圆盘状的滤光片盘63，窄带滤光片61及转轴62；所述滤光片盘63为圆形结构，绕转轴62由内向外开有两层圆孔，每层8个，共16个；所述滤光片盘63可以绕转轴62旋转；所述的滤光片盘63上的圆孔为安装孔，窄带滤光片61安装在滤光片盘63的圆孔内。

图4为本发明中的光声池7另一种实施方式示意图，如图4所示，光声池7包括三个光声腔：第一光声腔710、第三光声腔730、第二光声腔720；第一、第三、第二三个光声腔从上到下顺序排列；每个光声腔分别有对应的进气口、出气口，进光口、出光口，以及对应的高灵敏度传声器。

如图1、图2和图3所示，所述光源2通过连接件固定在光源调节支架1上，用于斩光调制的机械斩光器3放置在光源2的出口端。滤光片盘及滤光片6放置在机械斩光器3后，光声池7位于滤光片盘及滤光片6之后，且所述光声池7的第一光声腔710与滤光片盘63上的外层圆孔对应，使得透过窄带滤光片61的平行光的中心线正好与第一光声腔710的中心线对应；所述的第二光声腔720与滤光片盘63的内层圆孔对应，使得透过窄带滤光片61的平行光的中心线正好与第二光声腔720的中心线对应。

光源2在处于光源调节支架1的上部时，光源的中心线与第一光声腔710的中心线重合，光源2在处于光源调节支架1的下部时，光源的中心线与第二光声腔720的中心线重合。光源2受驱动电机15驱动沿光源调节支架1上下移动，驱动电机15经控制线16由嵌入式主机14控制。

光源2发出的光经过机械斩光器3斩光后，连续的平行红外光被调制为具有特定调制频率的平行红外光。之后，宽谱平行红外光经过滤光片盘及滤光片6中的窄带滤光片滤波后，仅有窄带滤光片61允许通过的特定波长范围的红外光透过滤光片，原有的宽谱平行红外光变为具有特定波长范围的窄带平行红外光。机械斩光器3执行的斩光调制频率由斩光器控制器5发出，通过信号线缆4传输给机械斩光器3，并通过BNC信号线11传输给锁相放大器12作为锁相放大器的参考频率。

光源2处于光源调节支架1的上部时，透过滤光片盘及滤光片6的窄带平行红外光通过第一入光口713进入第一光声腔710，沿第一光声腔710轴向穿过，通过第一出光口714射出，经过第一出光口抛物面反光镜81的反射回第一光声腔710，并聚焦于第一光声腔710几何中心，光程倍增的红外光被绝缘气体分解气体吸收产生光声效应，产生的光声信号由安装在第一光声腔710上的第一高灵敏度传声器91接收转化为电信号，经过抗干扰信号线10，进入锁相放大器12，进一步通过RS485/232电缆13传输至嵌入式主机14，最终得到被检测的绝缘气体分解气体的组分信息，包括种类、含量等。

光源2处于光源调节支架1的下部时，透过滤光片盘及滤光片6的平行光通过第二入光口723进入第二光声腔720，沿第二光声腔720轴向穿过，通过第二出光口724射出，经过第二出光口抛物面反光镜82的反射回第二光声腔720，并聚焦于第二光声腔720几何中心，光程倍增的红外光被绝缘气体分解气体吸收产生光声效应，产生的光声信号由安装在第二光声腔720上的第二高灵敏度传声器92接收转化为电信号，经过抗干扰信号线10，进入锁相放大器12，进一步通过RS485/232电缆13传输至嵌入式主机14，最终得到被检测的绝缘气体分解气体的组分信息，包括种类、含量等。

第一出光口抛物面反光镜81、第二出光口抛物面反光镜82的形状尺寸与光声池7配合，抛物面焦点分别在对应第一光声腔710、第二光声腔720的几何中心处。

Claims

1.一种采用径向多层结构的光声光谱检测装置，其特征在于：所述的检测装置包括光源调节支架(1)、光源(2)、机械斩光器(3)、斩光器控制器(5)、滤光片盘及滤光片(6)、光声池(7)、出光口抛物面反光镜(8)、高灵敏度传声器(91、92)、锁相放大器(12)、嵌入式主机(14)、驱动电机(15)、循环气泵(17)、过滤装置(18)，以及电磁阀(21、22、23、24)；所述机械斩光器(3)放置在光源(2)的出口端，滤光片盘及滤光片(6)放置在机械斩光器(3)后且两者共轴；光声池(7)位于滤光片盘及滤光片(6)之后；所述的光源(2)安装在光源调节支架(1)上，光源(2)能够沿光源调节支架(1)上下滑动；所述光源调节支架(1)由驱动电机(15)带动旋转，嵌入式主机(14)控制驱动电机(15)将光源(2)驱动到所需位置；所述的光声池(7)包括两个或多个光声腔，两个或多个光声腔上下排列；每个光声腔均包括进气口、出气口、入光口、出光口，以及传声器安装口；每个光声腔的轴向两端开有圆形通孔，分别为入光口和出光口；所述入光口安装有玻璃窗；光声腔的出光口端安装有出光口抛物面反光镜；垂直于光声腔轴向的光声池相向的两个侧壁上开有进气口和出气口；所述进气口和出气口位于光声腔的同一侧，且沿光声腔轴线方向分布；所述进气口在入光口一侧，所述出气口在出光口一侧；所述进气口和出气口从外到内为渐扩孔结构；在光声池侧壁对应每个光声腔的位置处开有传声器安装口，高灵敏度传声器安装在所述传声器安装口上；所述光声腔的进气口和出气口分别接气体管路，气体管路上装有电磁阀；两个或多个光声腔连接的管路合为一路，由循环气泵(17)驱动被检测气体经管路从进气口进入，从出气口返回；在所述循环气泵之前还装有过滤装置(18)，用于过滤气体中的固体颗粒；所述的滤光片盘(63)为圆形结构，其上开有滤光片安装孔，滤光片安装孔围绕滤光片盘(63)的圆心由内向外布置为两层，内层和外层的滤光片盘各有8个安装孔；安装孔上安装有窄带滤光片，滤光片盘(63)安装在转轴上，由电机带动绕转轴旋转；机械斩光器经由信号线缆与斩光器控制器连接，机械斩波器的斩光调制频率由斩光器控制器控制，并通过BNC信号线将斩光调制频率信号传输给锁相放大器；在光声腔中产生的光声信号由安装在光声池侧壁上的高灵敏度传声器接收，并通过抗干扰信号线传输至锁相放大器处理，处理后再经过RS485/232电缆传输至嵌入式主机。

2.按照权利要求1所述的光声光谱检测装置，其特征在于：所述的光声池(7)由第一光声腔(710)和第二光声腔(720)构成，所述第一光声腔(710)轴向两端的圆形通孔，分别为第一入光口(713)和第一出光口(714)；垂直于第一光声腔(710)轴向的侧壁上开有第一进气口(711)和第一出气口(712)，所述第一进气口(711)和第一出气口(712)位于第一光声腔(710)同一侧且沿第一光声腔(710)轴线方向分布；所述第一进气口(711)在第一入光口(713)一侧，所述第一出气口(712)在第一出光口(714)一侧；所述第一进气口(711)和第一出气口(712)为从外到内的渐扩孔结构；所述第二光声腔(720)轴向两端开有圆形通孔，分别为第二入光口(723)和第二出光口(724)；垂直于第二光声腔(720)轴向的侧壁上开有第二进气口(721)和第二出气口(722)，所述第二进气口(721)和第二出气口(722)位于第二光声腔(720)同一侧且沿第二光声腔(720)轴线方向分布；所述第二进气口(721)在第二入光口(723)一侧，所述第二出气口(722)在第二出光口(724)一侧；所述第二进气口(721)和第二出气口(722)为从外到内的渐扩孔结构；所述的高灵敏度传声器(91、92)分别安装在第一光声腔(710)和第二光声腔(720)与轴线垂直的侧壁上。

3.按照权利要求2所述的光声光谱检测装置，其特征在于：所述的第一光声腔(710)和第二光声腔(720)为圆柱形腔体，直径Φ为3～100mm、长度L为20～500mm，且满足直径Φ小于长度L；所述第一出光口(714)处固定有第一出口抛物面反光镜(81)，第二出光口(724)处固定有第二出口抛物面反光镜(82)。

4.按照权利要求1所述的光声光谱检测装置，其特征在于：所述的光源(2)位于光源调节支架(1)的上部时，所述光源的中心线与光声腔(710)的中心线、滤光片盘(63)上的外层圆孔中心线重合；光源(2)在光源调节支架(1)的下部时，光源(2)的中心线与光声腔(720)的中心线、滤光片盘(63)上的内层圆孔中心线重合。

5.按照权利要求1所述的光声光谱检测装置，其特征在于：所述的光源(2)为两个，且同一型号，光源功率相同，两个光源(2)分别固定在光源调节支架(1)的上部和下部，位于上部的光源的中心线与第一光声腔(710)的中心线重合；位于下部的光源的中心线与第二光声腔(720)的中心线重合。