CN105334188A - 气体湿度检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体湿度检测装置。该气体湿度检测装置包括：主机，包括用于发射光信号的可调谐半导体激光器；探测气室，与所述主机连接，所述探测气室内设置有多个用于对光信号进行反射的反射单元，所述反射单元接收并反射所述可调谐半导体激光器发射的光信号；密封连接件，密封连接在所述探测气室与待探测气体之间，用于将所述待探测气体引入所述探测气室内。根据本发明的气体湿度检测装置，能够精确测量电力系统微水环境中的气体湿度。

Description

气体湿度检测装置

技术领域

本发明涉及一种湿度测量技术，具体而言，涉及一种用于电力系统微水环境检测的气体湿度检测装置。

背景技术

目前，各种SF6气体绝缘设备的技术参数已达到了很高的水平。在中压领域，SF6开关同真空开关已成为并驾齐驱的两大支柱；在高压、超高压及特高压领域，SF6气体几乎成为断路器和SF6气体全封闭组合电器(GIS)的唯一绝缘和灭弧介质。

SF6气体本身极稳定，具有很高的绝缘强度和灭弧能力。但是，SF6电气设备的稳定性及可靠性完全取决于SF6气体的纯洁度。在很多情况下，现场电气设备中的SF6气体并非总是纯净的，如果SF6气体中混有杂质，达不到规定的标准，那么它的灭弧和绝缘特性就会大大下降。虽然SF6气体绝缘性能优越，但是若其含有水分，则电气强度就会显著降低。在高温、强烈放电条件下，SF6气体中的水分可与其分解产物发生水解反应产生有害物质，这可能影响设备性能并危及运行人员的安全。

目前国内使用的SF6气体的湿度测试设备的测量原理主要分为电化学式和露点式测量方法，电化学测量精度较差，无法满足测试SF6中水汽含量的精确测量(体积比需要为ppm，即10^-6)；而高精度露点式测量仪器多为国外进口，对测量环境要求较严格，且目前价格都在几十万左右，价格较高，难以适应现阶段对高压断路器和全封闭组合电器性能测量的需求。

发明内容

本发明的目的是提出一种气体湿度检测装置，能够精确测量电力系统微水环境中的气体湿度。

根据本发明的一个方面，提供了一种气体湿度检测装置，包括：主机，包括用于发射光信号的可调谐半导体激光器；探测气室，与主机连接，探测气室内设置有多个用于对光信号进行反射的反射单元，反射单元接收并反射可调谐半导体激光器发射的光信号；密封连接件，密封连接在探测气室与待探测气体之间，用于将待探测气体引入探测气室内。

优选地，探测气室内设置有用于探测待探测气体的温度的温度探测模块。

优选地，探测气室内设置有用于探测待探测气体的气压的气压探测模块。

优选地，气体湿度检测装置中的各部件之间通过高压法兰连接。

优选地，主机与探测气室之间连接有电缆和光纤，光信号经由光纤传输至探测气室。

优选地，主机还包括对可调谐半导体激光器进行供电的供电模块。

优选地，主机还包括可调谐半导体激光器波长调谐模块，可调谐半导体激光器波长调谐模块分别连接至供电模块和可调谐半导体激光器。

优选地，主机还包括可调谐半导体激光器温度控制模块，可调谐半导体激光器温度控制模块分别连接至供电模块和可调谐半导体激光器。

优选地，主机还包括可调谐半导体激光器波长吸收模块和可调谐半导体激光器波长筛选模块，可调谐半导体激光器波长吸收模块分别连接至供电模块和探测气室，可调谐半导体激光器波长筛选模块连接至供电模块和可调谐半导体激光器波长筛选模块。

本发明的气体湿度检测装置，在探测气室内设置多个反射单元，使得激光器发射的光信号经过反射单元多次反射后，携带待探测气体的湿度信息返回至主机内，经主机分析计算之后获取待探测气体的湿度数据。在探测过程中，由于光信号经过多个反射单元多次反射，因此可以在不增加探测气室的长度的基础上，可以有效增加光信号在探测气室内的光程，从而增加气体湿度检测装置对待探测气体的湿度检测的灵敏度，提高测量精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例的主机的结构原理图；

图2是本发明实施例的湿度检测装置的结构原理图。

具体实施方式

在以下详细描述中，提出大量特定细节，以便于提供对本发明的透彻理解。但是，本领域的技术人员会理解，即使没有这些特定细节也可实施本发明。在其它情况下，没有详细描述众所周知的方法、过程、组件和电路，以免影响对本发明的理解。

TDLAS(可调谐半导体激光吸收光谱)技术主要是利用可调谐半导体激光器的窄线宽和波长随注入电流改变的特性实现对分子的单个或几个距离很近很难分辨的吸收线进行测量。该技术通常是用单一窄带的激光频率扫描一条独立的气体吸收线。为了实现最高的选择性，分析一般在低压下进行，这时吸收线不会因为压力而加宽。这种测量方法是Hinkley和Reid提出的，现在已经发展成为了非常灵敏和常用的大气中痕量气体的监测技术。

它的主要特点包括：

(1)高选择性，高分辨率的光谱技术，由于分子光谱的“指纹”特征，它不受其它气体的干扰。这一特性与其它方法相比有明显的优势。

(2)它是一种对所有在红外有吸收的活跃分子都有效的通用技术，同样的仪器可以方便的改成测量其它组分的仪器，只需要改变激光器和标准气。由于这个特点，很容易就能将其改成同时测量多组分的仪器。

(3)它具有速度快，灵敏度高的优点。在不失灵敏度的情况下，其时间分辨率可以在ms量级。应用该技术的主要领域有：分子光谱研究、工业过程监测控制、燃烧过程诊断分析、发动机效率和机动车尾气测量、爆炸检测、大气中痕量污染气体监测等。

基于上述优点，本申请采用TDLAS技术来进行高压断路器和全封闭组合电器内的SF6等气体的湿度检测，以便很好地满足现阶段对高压断路器和全封闭组合电器性能测量的需求。

本发明的下述各实施例以高压断路器和全封闭组合电器等绝缘开关内的SF6气体的湿度检测为例进行说明。

结合参见图1和图2所示，根据本发明的实施例，气体湿度检测装置包括：主机，包括用于发射光信号的可调谐半导体激光器；探测气室，与主机连接，探测气室内设置有多个用于对光信号进行反射的反射单元，反射单元接收并反射可调谐半导体激光器发射的光信号；密封连接件，密封连接在探测气室与待探测气体之间，用于将待探测气体引入探测气室内。在本实施例中，密封连接件密封连接在探测气室与绝缘开关之间，从而将绝缘开关内的SF6气体引入到探测气室内进行测量，密封连接件可以有效防止在气体引入过程中发生气体泄漏，提高气体湿度检测的安全性。

优选地，激光器选用分布式反馈激光器。

DFB(DistributedFeedbackLaser)，即分布式反馈激光器，其与一般的激光器的不同之处是内置了布拉格光栅(BraggGrating)，属于侧面发射的半导体激光器。目前，DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓(GaSb)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性(即光谱纯度)，它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边模抑制比(SMSR)，目前可高达40-50dB以上，因此可以有效保证对待探测气体湿度的精确测量。

探测气室内设置有用于探测待探测气体的温度的温度探测模块。该温度探测模块能够获取待探测气体的温度，从而为可调谐半导体激光器的波长调整提供温度依据。

探测气室内设置有用于探测待探测气体的气压的气压探测模块。该温度探测模块能够获取待探测气体的气压，从而为可调谐半导体激光器的波长调整提供气压依据。

通过对位于探测气室内的待探测气体的温度和压力进行测量，可以获取待探测气体的参数，从而依据这些参数对激光器的波长进行精确调整，可以进一步提高气体湿度检测的精度。

优选地，气体湿度检测装置中的各部件之间通过高压法兰连接。高压法兰具有较好的密封作用，应用于气体湿度检测装置中的各部件之间的连接，不仅可以起到快速连接的作用，而且可以进一步保证各部件之间连接的密封性，避免发生气体泄漏问题。

主机与探测气室之间连接有电缆和光纤，光信号经由光纤传输至探测气室，主机与气压探测模块和温度探测模块之间则通过电缆进行连接。由于主机与气压探测模块和温度探测模块之间主要传递电信号，而主机与探测气室的反射镜之间主要传输光信号，因此将光信号通过光纤进行，将电信号通过电缆进行传输，可以保证信号的快速准确传输。

主机还包括对可调谐半导体激光器进行供电的供电模块。该供电模块可以为其他的模块提供电源，保证其他部件正常工作。在本实施例中，供电模块为其他部件提供3V-12V的直流电源。

主机还包括可调谐半导体激光器波长调谐模块，可调谐半导体激光器波长调谐模块分别连接至供电模块和可调谐半导体激光器。激光器波长调谐模块主要为可调谐半导体激光器提供一个稳定且在不断随时间周期性变化的电流，从而可以保证激光器能够提供与待探测气体相匹配波长的光信号，进而保证对待探测气体的湿度测量的精度。

主机还包括可调谐半导体激光器温度控制模块，可调谐半导体激光器温度控制模块分别连接至供电模块和可调谐半导体激光器。激光器温度控制模块主要为待测激光器提供一个固定的温度，使激光器工作在一个不至于对激光器本身有损坏的温度环境，并保证激光器发射稳定的光信号，从而保证对待探测气体的湿度测量精度。

主机还包括可调谐半导体激光器波长吸收模块和可调谐半导体激光器波长筛选模块，可调谐半导体激光器波长吸收模块分别连接至供电模块和探测气室，可调谐半导体激光器波长筛选模块连接至供电模块和可调谐半导体激光器波长筛选模块。

待探测气体本身的性质可以为待测激光器的波长筛选制定一个基准的范围，待探测气体的选定决定了激光器需要筛选的波长范围。

在确定待探测气体之后，激光器波长吸收模块可以对激光器发出的光信号经标准浓度气体后的波长信号进行测量，测量结果为激光器的本身能量指标和经过标准浓度气体后的能量指标。

激光器波长筛选模块用于对激光器波长吸收模块测量后的结果进行计算，从而进行激光器波长的最终筛选，激光器波长筛选模块筛选出的波长范围为激光器的光信号中心波长范围。

在确定激光器的光信号波长范围后，就可以根据该范围对可调谐半导体激光器波长调谐模块进行调节，使激光器发射的光信号满足波长要求，以便对待探测气体进行快速准确的湿度测量。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种气体湿度检测装置，其特征在于，包括：

主机，包括用于发射光信号的可调谐半导体激光器；

探测气室，与所述主机连接，所述探测气室内设置有多个用于对光信号进行反射的反射单元，所述反射单元接收并反射所述可调谐半导体激光器发射的光信号；

密封连接件，密封连接在所述探测气室与待探测气体之间，用于将所述待探测气体引入所述探测气室内。

2.根据权利要求1所述的气体湿度检测装置，其特征在于，所述探测气室内设置有用于探测所述待探测气体的温度的温度探测模块。

3.根据权利要求1所述的气体湿度检测装置，其特征在于，所述探测气室内设置有用于探测所述待探测气体的气压的气压探测模块。

4.根据权利要求1所述的气体湿度检测装置，其特征在于，所述气体湿度检测装置中的各部件之间通过高压法兰连接。

5.根据权利要求1所述的气体湿度检测装置，其特征在于，所述主机与所述探测气室之间连接有电缆和光纤，所述光信号经由所述光纤传输至所述探测气室。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的气体湿度检测装置，其特征在于，所述主机还包括对可调谐半导体激光器进行供电的供电模块。

7.根据权利要求6所述的气体湿度检测装置，其特征在于，所述主机还包括可调谐半导体激光器波长调谐模块，所述可调谐半导体激光器波长调谐模块分别连接至所述供电模块和所述可调谐半导体激光器。

8.根据权利要求6所述的气体湿度检测装置，其特征在于，所述主机还包括可调谐半导体激光器温度控制模块，所述可调谐半导体激光器温度控制模块分别连接至所述供电模块和所述可调谐半导体激光器。

9.根据权利要求6所述的气体湿度检测装置，其特征在于，所述主机还包括可调谐半导体激光器波长吸收模块和可调谐半导体激光器波长筛选模块，所述可调谐半导体激光器波长吸收模块分别连接至所述供电模块和所述探测气室，所述可调谐半导体激光器波长筛选模块连接至所述供电模块和所述可调谐半导体激光器波长筛选模块。