CN105548024A - 一种基于脉冲红外光源的光声光谱气体检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲红外光源的光声光谱气体检测装置，采用红外光源作为发射光源，并对光源进行脉冲调制，能对所有红外光源发射光谱范围内有较大吸收的气体进行浓度检测。本发明使用滤光轮+滤光片来实现对特定气体的浓度进行检测，滤光轮可安装六个滤光片，通过串口控制滤光轮旋转来选择不同的滤光片可实现最多六种气体的同时检测。光声池内腔的待测气体吸收特定波长的光信号后产生的光声效应通过微音器转换为电信号，输入带通滤波放大电路，再经过数据采集及控制模块进行分析计算得到各种气体的浓度。本发明可定量检测CO、CO₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆等六种气体，适用于变压器油中气体现场检测。

Description

一种基于脉冲红外光源的光声光谱气体检测装置

技术领域

本发明属于光谱检测领域，更具体地，涉及一种基于脉冲红外光源的用于变压器油中CO、CO₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆等多种气体浓度检测的光声光谱气体检测装置。

背景技术

变压器是电力系统的重要设备，其运行是否可靠，直接决定着供电系统的可靠性。油中溶解气体分析是诊断变压器潜伏性故障最有效的方法之一。通过对变压器油中气体的浓度检测，可以实时的监测变压器的运行状况，诊断变压器内部存在的故障性质、类型、严重程度并预测故障发展的趋势，实现变压器的状态检修。

对于大型电力变压器，目前几乎都是用油来绝缘和散热。变压器油与油中的固体有机绝缘材料(纸和纸板等)，在运行电压下随运行时间的增加，因放电和热的作用会逐渐老化和分解，产生少量的各种低分子烃类及CO、CO₂气体，变压器的内部绝缘故障常常伴随着局部过热和局部放电现象，会使油或纸分解产生CO、CO₂、CH₄、C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆等气体。当故障不太严重、产生气量较少时，所产生的气体形成的气泡会在油里经对流、扩散、不断地溶解于绝缘油中；当设备内部存在潜伏性过热或放电故障时，就会加快这些气体的产生速度，产生速率大于溶解速率时，在变压器里会有一部分气体进入气体继电器。此外，发热和放电的产生程度不同，所产生的气体种类、油中溶解气体的浓度、各种气体的比例关系也不相同，而与绝缘油的种类与牌号无关。因此，油中溶解气体的组分和含量在一定程度上反映出变压器绝缘老化或故障的程度，通过对油中溶解气体进行在线监测，便可发现变压器内部的发热和放电性故障。

变压器油中气体检测目前主要采用的是气相色谱技术，其采用载气将油气分离设备分离出的气体样本带入到色谱柱中，由于各组分在色谱柱中的气相和固定液液相间的分配系数不同，因此各组份在色谱柱的运行速度也就不同，经过一定的柱长后，顺序离开色谱柱进入检测器，经检测后转换为电信号再经过一定的算法最终得到各种气体的浓度值。这种检测方法存在较为明显的缺点：其需要载气来带入气体样本，而载气为消耗品；色谱柱使用后存在老化、污染和饱和等多种问题。这些缺点使得基于气相色谱技术的变压器油中气体检测设备存在后期维护工作量大、维护成本高的问题，不符合当前电网“无人值守式变电站”的建设趋势。

发明内容

针对现有技术中变压器油中气体检测存在后期维护工作量大、维护成本高的缺陷，本发明的目的在于解决以上技术的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于脉冲红外光源的光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述装置包括红外光源、滤光轮、光声池、微音器、带通滤波放大电路和数据采集及控制模块；

所述的滤光轮安装多组不同的滤光片，可控制滤光轮选择任意一组滤光片；

所述红外光源发出的脉冲信号经过所述滤光轮后进入所述光声池，所述光声池中的样品气体吸收该信号后受到激发产生压力波；

所述微音器设置在所述光声池中，将所述压力波转换为电信号；

所述电信号通过所述放大电路放大后被所述数据采集及控制模块采集并处理，由此完成气体检测。

优选地，发射光源为脉冲红外光源。

优选地，所述光声池采用非共振式光声池，其材质为铜材质，并且所述光声池的入射口放置宽谱滤光片。

优选地，所述气体检测装置还包括电磁阀和真空泵，所述电磁阀用于控制所述光声池进气口和出气口的开关；所述真空泵用于将所述光声池中的样品气体抽出；所述电池阀和所述真空泵均与所述数据采集和控制模块连接。

优选地，所述微音器由带通滤波放大电路提供的24V,4mA恒流源驱动。

优选地，所述带通滤波放大电路由二阶高通和低通滤波电路组成带通滤波电路，放大倍数动态可调。

优选地，所述的微音器包含压力场传声器和前置放大器。。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)与气相色谱技术相比，不需要载气，不需要容易老化、污染色谱柱，后期维护工作量小，维护成本低；光声池内腔(一般仅2-3mL)容积较小，意味着仅需少量样品即可进行测试，且便于迅速清理光声室以满足快速、连续测量的要求；

(2)与采用DFB激光器的光声光谱气体检测装置相比，前者只能对1种气体进行浓度检测。而本发明的检测装置采用脉冲红外光源配合安装了6中滤光片的滤光轮使用，可同时对CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4和C2H6等多种气体同时进行浓度检测；

(3)与其他红外光源光声光谱气体检测装置相比，本发明采用PWM电信号调制产生脉冲红外光信号，大大提高了红外光源的工作稳定性和寿命，同时避免了光学斩波器的使用，有效降低了系统成本。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；

图2是带通滤波放大电路的结构图；

附图标记如下：红外光源1、滤光轮2、滤光片3、宽谱玻片4、进气口5、出气口6、光声池7、微音器8、1#电磁阀9、2#电磁阀10、真空泵11、带通滤波放大电路12、数据采集及控制模块13、恒流源电路121、一级放大电路122、高通滤波电路123、低通滤波电路124、二级放大电路125、放大倍数控制电路126、低通滤波电路127。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，红外光源1、滤光轮2、滤光片3构成本发明的光学模块。红外光源1采用HawkEye公司IR-75型脉冲调制红外光光源，输出波长覆盖1000-20000nm，最大可调制频率为70Hz。其脉冲调制信号由数据采集及控制模块13提供，调制频率3Hz。红外脉冲光源输出的光信号经滤光轮2中的6组滤光片3进行波长调制。滤光轮采用ThorLabs公司FW102C型，其具有6个滤光片镶嵌孔，数据采集及控制模块13通过RS232接口与滤光轮连接并控制滤光轮旋转来选择不同的滤光片以实现对不同气体浓度进行检测，并可通过串口读取滤光轮当前所处状态。

光学模块输出的脉冲红外光信号经光声池入光口上的宽谱玻片4入射到光声池7内腔中，光声池7内腔中的样本气体吸收该光信号后受到激发，随即以热能释放的方式退激，释放出的热能使气体产生压力波，压力波的强弱与气体浓度成正比。通过微音器8对压力波信号进行探测，再经前置放大器输出为电信号。本发明所采用的微音器8是G.R.A.S公司的40AD型压力场传声器和26CA型恒流源前置放大器组成。数据采集及控制模块13与恒流源前置放大器12连接，负责提供24V,4mA恒流驱动信号。

所述的光声光谱检测模块包括光声池、微音器(含前置放大器)及带通滤波放大电路。光声池为非共振式采用铜材质，由一个18厘米长、直径12厘米的圆柱和一个17.5厘米长、直径13厘米的圆柱组成L型内腔。直径12厘米的圆柱开孔处安装有宽谱玻片，作为脉冲红外光源的入光口，直径13厘米圆柱用于安装微音器和前置放大器。如图2所示，带通滤波放大电路12包含恒流源电路121、一级放大电路122、高通滤波电路123、低通滤波电路124、二级放大电路125、放大倍数控制电路126、低通滤波电路127组成。恒流源电路与前置放大器连接提供24V、4mA恒流驱动信号，前置放大器的输出信号经过一级放大电路、高通滤波电路、低通滤波电路和二级放大电路进行带通放大滤波，带通频率为1-10Hz。数据采集及控制电路13与放大倍数控制电路12设定二级放大电路的放大倍数，从而实现对电路总的放大倍数的动态调节。带通滤波放大电路12的输出与数据采集及控制电路连接，由数据采集及控制电路进行数据采集及处理。具体地，低通滤波电路127将信号输出给数据采集及控制模块13，数据采集及控制模块13根据滤光轮2具体选择的滤光片3来确定相对应的放大倍数，通过放大倍数控制电路126来控制实施。

微音器的输出与带通滤波放大电路连接，数据采集及控制模块通过连接到放大倍数控制电路的I/O口动态调节放大倍数，经过滤波放大后的信号输入到数据采集及控制模块进行数据采集及处理。

光声池7的进气口5通过气管与1#电池阀9的输出口连接，1#电磁阀9的输入与气管连接用于输入待测气体样本；光声池7的出气口6与2#电磁阀的输入口通过气管连接，2#电磁阀的输出口与真空泵的输入口用气管连接。开始检测时，数据采集及控制模块13通过打开1#电磁阀9，将待测气体样本引入到光声池内腔，然后关闭1#电磁阀9，待光声池7内腔气体稳定后，开始一次测量。完成测量后，数据采集及控制模块打开2#电磁阀10，启动真空泵11，将光声池内腔中的气体样本抽出，然后关闭2#电磁阀与真空泵，即完成一次测量周期。所述的数据采集及控制模块与带通滤波放大电路的输出连接，进行模数转换、数据处理最终得到被测气体的浓度值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于脉冲红外光源的光声光谱气体检测装置，其特征在于，所述装置包括红外光源、滤光轮、光声池、微音器、带通滤波放大电路和数据采集及控制模块；

所述的滤光轮安装多组不同的滤光片，可控制滤光轮选择任意一组滤光片；

所述红外光源发出的脉冲信号经过所述滤光轮后进入所述光声池，所述光声池中的样品气体吸收该信号后受到激发产生压力波；

所述微音器设置在所述光声池中，将所述压力波转换为电信号；

所述电信号通过所述放大电路放大后被所述数据采集及控制模块采集并处理，由此完成气体检测。

2.根据权利要求1所述的基于脉冲红外光源的光声光谱气体检测装置，其特征在于滤光轮中安装的滤光片均为中红外滤光片。

3.根据权利要求1所述的基于脉冲红外光源的光声光谱气体检测装置，其特征在于光声池中安装的为压力场型微音传感器。