CN104979078B - 一种免维护吸湿器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种免维护吸湿器，包括依次连接的连接法兰、上连接座、冷凝罩和进出气组件，设置在冷凝罩内的吸湿硅胶和加热装置，以及设置在冷凝罩外的控制盒；吸湿硅胶内设置通过吸湿硅胶与进出气组件的连接端连通的呼吸管；上连接座内设置冷凝腔体，由通气管道围成的冷凝腔体的一端与呼吸管顶端连通，另一端与连接法兰法兰口连通；通气管道外部对称设置有半导体制冷片和散热器；半导体制冷片连接在控制盒的制冷控制端。本发明所述控制方法，实时采集吸湿硅胶的颜色信息；用设定的当日对比时刻位置处的RGB值与设定的RGB值进行比较，若大于则置位夜间脱水控制标志，先开始制冷再加热，吸湿硅胶还原过程结束后，先停止加热再停止制冷；反之清零。
Description
技术领域
本发明涉及变压器储油柜的吸湿器，具体为一种免维护吸湿器及其控制方法。
背景技术
吸湿硅胶作为空气湿度过滤材料应用于变压器储油柜上通气孔的过滤，主要滤除空气中的水分和尘埃。采用变色硅胶靠人眼观察来判断吸湿材料是否失效，过去的做法是，发现1/3的硅胶变色，就要重新更换新的硅胶，失效硅胶只能作废弃处理。
针对上述问题德国的MR公司研制了一种通过在线加热方式自动还原失效硅胶的装置，命名为免维护吸湿器，其采用原理为运用硅胶过滤后空气湿度检测的方法判断硅胶是否失效，如果湿度过大则认为硅胶失效，起动加热装置对硅胶进行加热脱水，以达到硅胶再利用和变废为宝之目的。MR公司的免维护吸湿器存在如下几个问题，1、通过湿度检测判断硅胶失效是一种间接判断方法，存在识别不准的问题，假如外界空气湿度不大时，即便经过失效的硅胶过滤后它的湿度也是很小的，由此设备认为硅胶是有效的，这就是一种错误。2、变压器储油柜通气孔的进气和出气是伴随着油的热胀冷缩而实时变化的，而油的热胀冷缩又是随着变压器负荷在变化，无规律可循。这就会存在着硅胶正在加热脱水时湿热蒸汽被吸入变压器储油柜的可能性，进一步威胁变压器的可靠运行。3、免维护吸湿器的进气出气部分采用了金属烧结网结构形式，起到过滤空气尘埃的作用，但是呼吸状态无法观察，原传统式吸湿器下方配置了油杯，呼气和吸气时会有气泡发生，变压器用户可观测到此现象，利于判断储油柜通气孔是否畅通，因为一旦通气孔堵塞，会导致瓦斯继电器误动，进而发生变压器停电现象。
为解决MR免维护吸湿器存在的两个问题，意大利COMEN公司也研发了一种采用称重原理判断硅胶是否失效的双管式免维护吸湿器，COMEN公司舍弃了通过湿度检测来识别硅胶是否失效的方法，取而代之的是运用硅胶吸湿后重量增加的原理，使用称重传感器来辨别硅胶是否吸湿饱和，进一步开启加热装置对其进行脱水再生。为了避免加热过程中的湿热蒸汽被吸入变压器，他们采用的是一用一备的双管结构，通过电磁阀自动切换方式，确保被吸入的空气是干燥的，以达到真正免维护的目的。经过用户使用后统计分析，COMEN公司的免维护吸湿器也存在几个问题，1、称重传感器的测量精度受限于环境温度和来自于变压器运行时自身的震动，硅胶吸湿后的重量变化是微量等级，硅胶通过称重判断是否吸湿饱和原理仅限于实验室环境。2、双管式结构的免维护吸湿器运用于容量较大变压器时，体积过于庞大，不利于设计安装。3、仍然是呼吸状态无法观察。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种结构简单，检测准确，并且能够避免湿热空气被吸入变压器储油柜的免维护吸湿器及其控制方法。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种免维护吸湿器，包括依次连接的连接法兰、上连接座、冷凝罩和进出气组件，设置在冷凝罩内的吸湿硅胶和用于对吸湿硅胶进行干燥的加热装置，以及设置在冷凝罩外用于控制加热装置的控制盒；吸湿硅胶内设置有呼吸管，呼吸管通过吸湿硅胶与进出气组件的连接端连通；上连接座内设置冷凝腔体，由通气管道围成的冷凝腔体的一端与呼吸管的顶端连通，另一端与连接法兰的法兰口连通；通气管道外部对称设置有半导体制冷片和散热器；半导体制冷片连接在控制盒的制冷控制端。
优选的，进出气组件包括从连接端到自由端依次设置的叶轮腔和过滤腔；叶轮腔内设置有位于进出气气流方向上的叶轮，叶轮腔的外壁上设置有对应叶轮的观察窗；过滤腔内填充过滤填料，其下部侧壁上开设有若干气孔。
进一步，过滤腔的末端连接内部设置加热片的加热腔，加热片由控制盒控制。
优选的，控制盒包括壳体和设置在壳体内的单片机，以及连接在单片机输入端用于检测吸湿硅胶颜色的颜色传感器；单片机用于对比采集的RGB值与设定的RGB值，并根据对比结果向加热装置和半导体制冷片输出相应的控制指令。
优选的，吸湿硅胶内均匀设置采用碳纤维阵列的加热装置，吸湿硅胶外套设有金属滤网。
优选的，通气管道呈变直径设置，对称设置半导体制冷片的两侧之间的距离为最小直径；半导体制冷片和散热器的两端均通过隔热材料分别与上连接座固定。
优选的，冷凝罩和进出气组件之间设置下连接座，下连接座内部上端的外缘设置进出气孔，进出气孔与进出气组件的连接端连通。
一种免维护吸湿器的控制方法，包括如下步骤，
步骤一，通过颜色传感器实时采集吸湿硅胶的颜色信息，并在采集周期内多次读入求平均值后确定当前周期内硅胶的RGB值，并将其存入单片机的RAM中；
步骤二，在变压器的负荷稳定时段内对采集的数据进行比较筛选，得到颜色变化周期曲线，将曲线进行延伸，用设定的当日对比时刻位置处的RGB值与设定的RGB值进行比较，如果大于设定值，则置位夜间脱水控制标志，反之则清零该标志；
步骤三，根据置位的夜间脱水控制标志，先向半导体制冷片发出制冷信号，再向加热装置发出加热信号；吸湿硅胶还原过程结束后，待其温度降到室外温度后再半导体制冷片再停止工作。
优选的，单片机根据设置在吸湿硅胶内的温度传感器的输出信号进行间歇式加热，最高温度不高于110℃。
优选的，单片机根据采集到的室外温度，对设置在进出气组件中的加热腔内的加热片进行控制，当采集到的温度低于设定值时，单片机发出加热片工作信号。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过设置在法兰下方连通设置的冷凝腔体，将在加热再生过程中吸入的湿热蒸汽进行半导体冷凝空气过滤，当湿热空气流经冷凝腔体时，水和气被快速的分离，保证了呼入空气是干燥的，从而在采用单管结构缩小体积的同时，防止了加热再生过程中湿热蒸汽被吸入的问题；通过对半导体制冷片加电后，利用其吸热面产生制冷效果，不仅体积小巧，而且低价环保；使其整体结构简单，设计合理，控制便捷，加工方便，安全可靠。
进一步的，通过设置在过滤腔的过滤填料增加了空气进入的通道长度，能够有效的滤除空气中的灰尘，并且利用设置在叶轮腔中叶轮的正反转与气体的流入和流出的对应，准确的反应出其工作时的呼吸状态。
进一步的，通过设置的加热腔，能够保证其在冬季温度较低的东北地区也能确保过滤腔内不结冰，彻底防止气道堵塞。
进一步的，硅胶饱和检测采用了颜色传感器对可视区内的硅胶变色情况进行分析，以此来判断硅胶是否还可以有效吸湿；通过直接对反应硅胶湿度的颜色参数进行采集，避免了其通过间接检测得到数据的误差，提高了其检测的准确性和工作的效率。
进一步的，通过设置的碳纤维阵列，保证了对吸湿硅胶的均匀加热，以及对硅胶过滤性能的最小影响；同时，利用其外部套设的金属滤网，提高其过滤能效的同时，为其提供了良好的机械强度和结构的稳定性。
进一步的，通过隔热材料的设置能够提高制冷效率，防止外部热能通过传导方式进入制冷区域。
进一步的，通过设置在外缘的进出气孔，保证气流通顺的情况下，便于对冷凝罩上的冷凝水的直接收集，避免其再通过底部吸湿硅胶回吸。
本发明所述的方法，通过多次读入求平均值的方法能够滤除干扰信息，提高检测精度，利用颜色的对比确定吸湿硅胶状态，为后续干燥提高判断依据；同时在负荷稳定时段内进行干燥操作，利于将硅胶中水分析出；并且保证整个加热脱水期间变压器负荷波动较小，几乎不出气也不吸气，即便有呼吸过程，经过冷凝腔体的湿热空气也会将水、气分离，确保含水气体不被吸入变压器。
进一步的，通过间歇性的加热，能够提高其干燥效率，并且保证还原后吸湿硅胶的有效性；同时通过对半导体制冷片和加热片的同步滞后控制，保证了对蒸汽的冷凝和解冻效果。
附图说明
图1为本发明实例中所述的免维护吸湿器的结构示意图。
图2为本发明实例中所述的冷凝腔体的结构示意图。
图3为本发明实例中所述的进出气部件的结构示意图。
图4为本发明实例中所述的控制方法的顺序控制流程图。
图5为本发明实例中所述的冷凝腔的控制时序图。
图6为本发明实例中所述的碳纤维阵列的加热控制时序图。
图7本发明实例中所述的环境温度小于设定值时的防冻控制时序图。
图中：连接法兰1、上连接座2、冷凝罩3、进出气组件4、吸湿硅胶5、控制盒6、呼吸管7、冷凝腔体8、下连接座9、碳纤维阵列10；叶轮腔41、过滤腔42、加热腔43、叶轮44、观察窗45、过滤填料46、气孔47、加热片48；通气管道81、半导体制冷片82、散热器83、隔热材料84；颜色传感器61；进出气孔91。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种免维护吸湿器，如图1所示，包括依次连接的连接法兰1、上连接座2、冷凝罩3和进出气组件4，设置在冷凝罩3内的吸湿硅胶5和用于对吸湿硅胶5进行干燥的加热装置，以及设置在冷凝罩3外用于控制加热装置的控制盒6；吸湿硅胶5内设置有呼吸管7，呼吸管7通过吸湿硅胶5与进出气组件4的连接端连通；如图1和图2所示，上连接座2内设置冷凝腔体8，由通气管道81围成的冷凝腔体8的一端与呼吸管7的顶端连通，另一端与连接法兰1的法兰口连通；通气管道81外部对称设置有半导体制冷片82和散热器83；半导体制冷片82连接在控制盒6的制冷控制端。在冷凝腔体8中采用的半导体制冷片82运用了珀尔贴效应原理，给其加入直流电源时，一面产生吸热，另一面散热，吸热的一面用于制冷，较压缩机加冷媒方式具有体积小、寿命长、造价低、绿色环保等特点。
本优选实例中，如图3所示，进出气组件4包括从连接端到自由端依次设置的叶轮腔41和过滤腔42；叶轮腔41内设置有位于进出气气流方向上的叶轮44，叶轮腔41的外壁上设置有对应叶轮44的观察窗45；过滤腔42内填充过滤填料46，其下部侧壁上开设有若干气孔47；过滤腔42的末端连接内部设置加热片48的加热腔43，加热片48由控制盒6控制。
其中，控制盒6包括壳体和设置在壳体内的单片机，以及连接在单片机输入端用于检测吸湿硅胶5颜色的颜色传感器61；单片机用于对比采集的RGB值与设定的RGB值，并根据对比结果向加热装置和半导体制冷片82输出相应的控制指令。其在整体上实现了单管在线式免维护目的，内部所有引线不外露，颜色传感器布置于控制盒背部，既能防止外力损伤又有较好的测量视角，整体美观；冷凝腔体部件和进出气部件单元式设计，方便组装与检修；标准式法兰接口，保证其通用性。
本优选实例中，如图1所示，吸湿硅胶5内均匀设置采用碳纤维阵列10的加热装置，吸湿硅胶5外套设有金属滤网。中采用的碳纤维加热线具有寿命长、发热均匀、不易断线等优点，提高了整体的使用寿命。通气管道81呈变直径设置，对称设置半导体制冷片82的两侧之间的距离为最小直径；半导体制冷片82和散热器83的两端均通过隔热材料84分别与上连接座2固定。冷凝罩3和进出气组件4之间设置下连接座9，下连接座9内部上端的外缘设置进出气孔91，进出气孔91与进出气组件4的连接端连通。
本发明还提供一种免维护吸湿器的控制方法，包括如下步骤，
步骤一，通过颜色传感器实时采集吸湿硅胶的颜色信息，并在采集周期内多次读入求平均值后确定当前周期内硅胶的RGB值，并将其存入单片机的RAM中；
步骤二，在变压器的负荷稳定时段内对采集的数据进行比较筛选，得到颜色变化周期曲线，将曲线进行延伸，用设定的当日对比时刻位置处的RGB值与设定的RGB值进行比较，如果大于设定值，则置位夜间脱水控制标志，反之则清零该标志；
步骤三，根据置位的夜间脱水控制标志，先向半导体制冷片发出制冷信号，再向加热装置发出加热信号；吸湿硅胶还原过程结束后，待其温度降到室外温度后再半导体制冷片再停止工作。
其中，单片机根据设置在吸湿硅胶内的温度传感器的输出信号进行间歇式加热，最高温度不高于110℃。单片机根据采集到的室外温度，对设置在进出气组件4中的加热腔43内的加热片48进行控制，当采集到的温度低于设定值时，单片机发出加热片工作信号。
具体的，如图1所示，颜色传感器61安装于控制盒6的背部，正对吸湿硅胶5部位，如图4所示，信号输送到控制板的单片机电路，单片机配置颜色传感器操作命令字，读出测试区域的颜色信息，通过多次读入求平均值方法滤除干扰信息，从而得到吸湿硅胶的RGB值，每小时将其存入带电池RAM一次，能够保证存储数据掉电后不会丢失。颜色传感器61利用三原色理论对透过传感器的蓝色光光强进行分析，输出方波频率信号到单片机，再根据定时器数值计算出频率值，从而得到对应的RGB值。
变压器通常在凌晨2点左右进入负荷稳定区，呼吸几乎处于停滞状态，此时对采集的48小时数据进行比较筛选，分析颜色变化曲线，将曲线延长至当日凌晨2点位置，也就是设定的当日对比时刻，此时的RGB值与设定值比较，如果大于设定值，则置位夜间脱水控制标志，反之则清零该标志。
脱水控制采用加热干燥方法实现，根据脱水控制标志位状态，本优选实例中；如图5所示，在开启加热干燥前的2小时即凌晨0点钟冷凝腔体8提前进入工作状态一直延续到12点结束；如图6所示，碳纤维加热采用闭环控制，根据测温传感器PT100反馈值调节PWM占空比，采用PID算法将其温度值控制在110℃，加热时间为3小时，其过程为间歇式加热，即加热40分钟，退出加热20分钟，然后继续加热40分钟后再退出加热20分钟，共计3个加热周期。其中，蓝色的吸湿硅胶5吸湿后会变成淡红色，变色后不再具有吸湿功能，通过加热烘干方式可以还原硅胶的颜色和恢复吸湿性能；加热后的湿热蒸汽遇冷后会凝结成水滴排出。
这样做的目的是：1、夜间户外温度较白天低，有利于湿热空气的冷凝，长时间间歇式加热也是为了尽可能多的将硅胶中水分析出。2、整个加热脱水期间变压器负荷波动较小，几乎不出气也不吸气，即便有呼吸过程，经过冷凝腔体的湿热空气也会将水、气分离，确保含水气体不被吸入变压器。
本发明免维护吸湿器底部的进出气部位，如图3所示，采用了三级腔体结构，分别是叶轮腔41、过滤腔42和加热腔43。叶轮腔41有正对着叶轮44的排气孔，气体的流入和流出会带动叶轮44正传和反转；过滤腔42内填充了采用陶瓷颗粒的过滤填料46，用于增加进出气路径长度，便于滤除空气中的尘埃；加热,43内安装了能够自动控制的PTC恒温加热芯，防止户外温度较低时过滤腔内结冰导致的气道堵塞。防冻控制采用PTC恒温加热片方式实现，单片机根据外界环境温度值和脱水控制标志位决定其控制的投入和退出，本优选实例中，如图7所示，如果外界温度低于设定的1℃且脱水控制标志位为1时，也就是正在进行脱水时，PTC加热在开始碳纤维加热时开启，持续运行22小时结束。
具体进行应用时，本发明中采用的单片机中能够移植Rtx51_Tiny实时操作系统和FreeModbus协议库，提高系统的实时性、稳定性和可靠性；通过选择工业级芯片，输入输出信号量进行光电隔离处理，提高硬件系统的抗干扰性和严酷环境下的稳定性；在控制策略方面，加热温度采用闭环式控制方法；硅胶颜色变化通过颜色传感器实时采集，滤除干扰后进行定时保存，数据保存于带电池的RAM中，断电后数据不丢失，对48小时采集的信息进行统计分析处理，最终识别硅胶的实际状态，为加热脱水控制提供数据支撑；硅胶的脱水再生，选择在负荷相对稳定的夜间进行，再加之冷凝腔体的再次干燥作用，极大限度的减小了含水气体进入变压器的可能；另外，夜间温度较低将会更加高效地促进硅胶加热脱水效率；冷凝腔体的制冷控制伴随硅胶加热脱水同时进行，并滞后退出，硅胶还原过程结束后，温度降到室外温度后再退出半导体冷凝；根据采集的外界环境温度值，自动起停进出气部件中加热腔的PTC加热片，即便使用在冬季温度较低的东北地区也能确保过滤腔内不结冰，彻底防止气道堵塞；完全达到了空气干燥和免维护的目的。
Claims (8)
1.一种免维护吸湿器，其特征在于，包括依次连接的连接法兰(1)、上连接座(2)、冷凝罩(3)和进出气组件(4)，设置在冷凝罩(3)内的吸湿硅胶(5)和用于对吸湿硅胶(5)进行干燥的加热装置，以及设置在冷凝罩(3)外用于控制加热装置的控制盒(6)；
所述的吸湿硅胶(5)内设置有呼吸管(7)，呼吸管(7)通过吸湿硅胶(5)与进出气组件(4)的连接端连通；
所述的上连接座(2)内设置冷凝腔体(8)，由通气管道(81)围成的冷凝腔体(8)的一端与呼吸管(7)的顶端连通，另一端与连接法兰(1)的法兰口连通；通气管道(81)外部对称设置有半导体制冷片(82)和散热器(83)；半导体制冷片(82)连接在控制盒(6)的制冷控制端；
控制盒(6)包括壳体和设置在壳体内的单片机，以及连接在单片机输入端用于检测吸湿硅胶(5)颜色的颜色传感器(61)；单片机用于对比采集的RGB值与设定的RGB值，并根据对比结果向加热装置和半导体制冷片(82)输出相应的控制指令；
冷凝罩(3)和进出气组件(4)之间设置下连接座(9)，下连接座(9)内部上端的外缘设置进出气孔(91)，进出气孔(91)与进出气组件(4)的连接端连通。
2.根据权利要求1所述的一种免维护吸湿器，其特征在于，所述的进出气组件(4)包括从连接端到自由端依次设置的叶轮腔(41)和过滤腔(42)；叶轮腔(41)内设置有位于进出气气流方向上的叶轮(44)，叶轮腔(41)的外壁上设置有对应叶轮(44)的观察窗(45)；过滤腔(42)内填充过滤填料(46)，其下部侧壁上开设有若干气孔(47)。
3.根据权利要求2所述的一种免维护吸湿器，其特征在于，过滤腔(42)的末端连接内部设置加热片(48)的加热腔(43)，加热片(48)由控制盒(6)控制。
4.根据权利要求1所述的一种免维护吸湿器，其特征在于，吸湿硅胶(5)内均匀设置采用碳纤维阵列(10)的加热装置，吸湿硅胶(5)外套设有金属滤网。
5.根据权利要求1所述的一种免维护吸湿器，其特征在于，通气管道(81)呈变直径设置，对称设置半导体制冷片(82)的两侧之间的距离为最小直径；半导体制冷片(82)和散热器(83)的两端均通过隔热材料(84)分别与上连接座(2)固定。
6.一种基于权利要求1所述免维护吸湿器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤一，通过颜色传感器实时采集吸湿硅胶的颜色信息，并在采集周期内多次读入求平均值后确定当前周期内硅胶的RGB值，并将其存入单片机的RAM中；
步骤二，在变压器的负荷稳定时段内对采集的数据进行比较筛选，得到颜色变化周期曲线，将曲线进行延伸，用设定的当日对比时刻位置处的RGB值与设定的RGB值进行比较，如果大于设定的RGB值，则置位夜间脱水控制标志，反之则清零该标志；
步骤三，根据置位的夜间脱水控制标志，先向半导体制冷片发出制冷信号，再向加热装置发出加热信号；吸湿硅胶还原过程结束后，待其温度降到室外温度后再半导体制冷片再停止工作。
7.根据权利要求6所述的一种免维护吸湿器的控制方法，其特征在于，单片机根据设置在吸湿硅胶内的温度传感器的输出信号进行间歇式加热，最高温度不高于110℃。
8.根据权利要求6所述的一种免维护吸湿器的控制方法，其特征在于，单片机根据采集到的室外温度，对设置在进出气组件(4)中的加热腔(43)内的加热片(48)进行控制，当采集到的温度低于设定值时，单片机发出加热片工作信号。
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