CN107727585A - 一种应用于高压开关的气体监测装置 - Google Patents

一种应用于高压开关的气体监测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于高压开关的气体监测装置，第一光源用于发出激光；分束元件将第一光源发出的光分出一束作为参考光并引导入射至参考气室，分出另一束作为探测光并引导入射至第一反光元件；第一探测器接收由参考气室出射的光并转换为电信号；第一反光元件将探测光引导入射到高压开关管道；第二反光元件接收探测光入射进入高压开关、经过内部气体后返回的光，并将光汇聚到第三反光元件；第三反光元件将光反射至第二探测器，由第二探测器接收并转换为电信号；信号处理装置对探测信号和参考信号进行处理、对比和分析，得到被探测气体的浓度信息。使用本装置对高压开关内气体监测，不需要改动高压开关结构。

Description

一种应用于高压开关的气体监测装置
技术领域
本发明涉及气体检测领域，特别是涉及一种应用于高压开关的气体监测装置。
背景技术
SF6高压电器设备在运行中，会由于放电等原因而使六氟化硫(SF6)气体不断分解。氟化氢(HF)是这些分解产物中最主要的一种，对这种产物进行分析检测，可了解高压电器设备在运行过程中所处的状态和可能的潜在事故的发生，有助于保证设备的正常运行和人身安全。因为在存在水蒸气的环境下，氟化氢遇水极易形成氢氟酸，腐蚀性加重，危害高压开关设备的安全。
但是，六氟化硫气体中的氟化氢气体非常不容易检测到，这主要是因为：①氟化氢气体在特定事件下的生成量非常少，含量是ppm级别；②氟化氢气体在六氟化硫气体中的存在时间比较短，氟化氢遇水极易形成氢氟酸。因此，在线准确可靠的检测氟化氢仍然是气体绝缘开关设备(Gas Insulated Switchgear，GIS)气体检测中的难点之一。
现有技术中，使用的用于监测高压开关内氟化氢气体含量的传感器，需要安装在高压开关内部。因此，这种类型的检测仪表的安装工作牵涉到对高压开关结构的局部改动，鉴于高压开关的特殊性，事关电力安全，因此在没有十足把握和国家相关部门明确实施细则的情况下，该类产品暂时还无法在电力系统进行推广使用，其在线应用还有一定的难度。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种应用于高压开关的气体监测装置，可实现对高压开关内气体的在线监测，使用本装置可从高压开关外部监测，不需要改动高压开关结构。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种应用于高压开关的气体监测装置，包括第一光源、分束元件、参考气室、第一反光元件、第二反光元件、第三反光元件、第一探测器、第二探测器和信号处理装置；
所述第一光源用于发出激光；
所述分束元件用于将所述第一光源发出的光分出一束作为参考光并将参考光引导入射至所述参考气室，分出另一束作为探测光并将探测光引导入射至所述第一反光元件，所述参考气室内充有包含预设浓度被探测气体的混合气体；
所述第一探测器用于接收由所述参考气室出射的光并转换为电信号；
所述第一反光元件用于将探测光引导入射到高压开关管道；
所述第二反光元件用于接收探测光入射进入高压开关、经过内部气体后返回的光，并将光汇聚到所述第三反光元件；
所述第三反光元件用于将光反射至所述第二探测器，由所述第二探测器接收并转换为电信号；
所述信号处理装置与所述第一探测器和所述第二探测器分别相连，用于对探测信号和参考信号进行处理、对比和分析，得到被探测气体的浓度信息。
可选地，在所述分束元件和所述第一反光元件之间设置有用于将所述分束元件发出的探测光入射到所述第一反光元件的第四反光元件。
可选地，还包括用于发出可见光的第二光源；
所述第二光源发出的可见光入射到所述第一反光元件，所述第一反光元件将可见光引导入射到高压开关管道，所述第二反光元件接收可见光入射进入高压开关、经过内部气体后返回的光，并将光汇聚到所述第三反光元件。
可选地，所述第一反光元件为具有第一直角面和第二直角面的棱镜，且所述第一直角面和所述第二直角面构成同一直角，所述第一直角面和所述第二直角面均为反射面；
由所述分束元件出射的探测光、所述第二光源发出的可见光分别入射到所述第一反光元件的第一直角面和第二直角面。
可选地，在所述分束元件和所述第一反光元件之间设置有用于将所述分束元件发出的探测光入射到所述第一反光元件的第四反光元件；
和/或，在所述第二光源和所述第一反光元件之间设置有用于将所述第二光源发出的可见光入射到所述第一反光元件的第五反光元件。
可选地，所述第四反光元件为斜面为反射面的直角棱镜，所述第五反光元件为斜面为反射面的直角棱镜。
可选地，所述第二反光元件上设有用于通过光的孔，由所述第三反光元件反射的光通过所述孔入射到所述第二探测器。
可选地，在所述第二反光元件的中心设置用于通过光的孔，所述第三反光元件、所述第二反光元件和所述第二探测器的中心线重合。
可选地，在所述分束元件和所述参考气室之间光路上设置有用于将所述分束元件发出的参考光反射进入所述参考气室的反光元件。
可选地，所述第一光源为输出激光的波长和线宽可调的可调谐激光器。
由上述技术方案可知，本发明所提供的应用于高压开关的气体监测装置，包括第一光源、分束元件、参考气室、第一反光元件、第二反光元件、第三反光元件、第一探测器、第二探测器和信号处理装置。由分束元件分出的探测光入射到高压开关管道，进入高压开关经过内部气体后返回，第二反光元件、第三反光元件接收返回光并将返回光引导入射至第二探测器，得到探测信号；由分光元件分出的参考光经过参考气室，被第一探测器接收得到参考信号。信号处理装置对探测信号和参考信号进行处理、对比和分析，得到高压开关内被探测气体的浓度信息。
本发明应用于高压开关的气体监测装置，采用开放式光路设计，可以在高压开关外部对高压开关内气体进行监测，可实现对高压开关内气体的在线监测，使用本装置不需要改动高压开关结构。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种应用于高压开关的气体监测装置的示意图；
图2为本发明又一实施例提供的一种应用于高压开关的气体监测装置的示意图；
图3为应用本发明实施例提供的气体监测装置在一测试实例中得到的吸收光谱曲线图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
请参考图1，本发明实施例提供的一种应用于高压开关的气体监测装置，包括第一光源100、分束元件101、参考气室102、第一反光元件103、第二反光元件104、第三反光元件105、第一探测器106、第二探测器107和信号处理装置108；
所述第一光源100用于发出激光；
所述分束元件101用于将所述第一光源100发出的光分出一束作为参考光并将参考光引导入射至所述参考气室102，分出另一束作为探测光并将探测光引导入射至所述第一反光元件103，所述参考气室102内充有包含预设浓度被探测气体的混合气体；
所述第一探测器106用于接收由所述参考气室102出射的光并转换为电信号；
所述第一反光元件103用于将探测光引导入射到高压开关管道；
所述第二反光元件104用于接收探测光入射进入高压开关、经过内部气体后返回的光，并将光汇聚到所述第三反光元件105；
所述第三反光元件105用于将光反射至所述第二探测器107，由所述第二探测器107接收并转换为电信号；
所述信号处理装置108与所述第一探测器106和所述第二探测器107分别相连，用于对探测信号和参考信号进行处理、对比和分析，得到被探测气体的浓度信息。
本实施例应用于高压开关的气体监测装置，由分束元件分出的一路参考光经过参考气室后，被第一探测器接收得到参考信号；由分束元件分出的一路探测光，经第一反光元件引导入射到高压开关管道，探测光进入高压开关经过内部气体后返回的光，由第二反光元件、第三反光元件接收并引导入射至第二探测器，得到探测信号。信号处理装置对探测信号和参考信号进行处理、对比和分析，得到高压开关内被探测气体的浓度信息。
本实施例应用于高压开关的气体监测装置，采用开放式光路设计，可以在高压开关外部对高压开关内气体进行监测，可实现对高压开关内气体的在线监测，使用本装置不需要改动高压开关结构，在电力系统领域可被推广使用。
本实施例装置中，第一光源100可采用输出激光的波长和线宽可调的可调谐激光器，这样本装置通过改变输出激光的波长和线宽，每种波长对应于特定的气体吸收谱线，可以应用于检测不同的气体成分。优选的，第一光源100可采用可调谐半导体激光器，可调谐半导体激光器具有窄线宽的优点，光谱宽度(小于0.1nm)远小于气体吸收谱线的展宽，能够实现对微弱信号的探测，提高检测精度。
可选的，第一光源100发出红外激光。
可选的，在具体实施时，可在所述分束元件101和所述参考气室102之间光路上设置有用于将所述分束元件101发出的参考光反射进入所述参考气室102的反光元件109。所述反光元件109可以是平面反射镜，平面反射镜以反射面与入射光成45度设置，可参考图1所示。
第一反光元件103可以是各种类型和形状的反光元件，均在本发明保护范围内。可选的，第一反光元件103可以采用具有反射面的棱镜，或者也可采用平面反射镜。
在所述分束元件101和所述第一反光元件103之间可设置有用于将所述分束元件101发出的探测光引导入射到所述第一反光元件103的第四反光元件110。第四反光元件110可以是各种类型和形状的反光元件，比如可以是具有反射面的棱镜，或者也可采用平面反射镜，均在本发明保护范围内。示例性的，第一反光元件109可采用直角面为反射面的直角棱镜，相配合的，第四反光元件110可采用斜面作为反射面的45度直角棱镜，分束元件101发出的探测光以45度入射角照射到第四反光,元件110，第一反光元件103的反射面与第四反光元件110的反射面平行。
第二反光元件104接收返回的光并将光汇聚到第三反光元件105。本实施例装置中，所述第二反光元件104上设有用于通过光的孔，由所述第三反光元件105反射的光通过所述孔入射到第二探测器107。采用这种光路设计，可将第三反光元件105与第二反光元件104相向布置，第二探测器107位于第二反光元件104后方，可使各光学元件布置紧凑。优选的，可设计将第二反光元件104上的孔朝向所述第二探测器107一端收敛，起到汇聚光的作用，有助于将透过的光汇聚到第二探测器。
优选的，在所述第二反光元件104的中心设置用于通过光的孔，所述第三反光元件105、所述第二反光元件104和所述第二探测器107的中心线重合，使光路布置紧凑。所述第二探测器107、所述第二反光元件104和所述第三反光元件105位于所述第一反光元件103背向探测光出射方向一侧。使光路布置紧凑。
其中，第二反光元件104的反射面为凹面，将光汇聚到第三反光元件105。第三反光元件105可采用平面反光元件。
本装置中，参考气室102内充有包含预设浓度被探测气体的混合气体，该混合气体为与高压开关管道内具有相同成分的混合气体，其中被探测气体的浓度为已知的预设浓度，作为参考值。若本装置应用于监测高压开关内氟化氢气体的浓度，则参考气室102内充有包含预设浓度氟化氢气体的混合气体。
第一探测器106获得的参考信号包含参考光经过参考气体后的光谱信息，第二探测器107获得的探测信号包含探测光经过高压开关内气体后的光谱信息，信号处理装置108对参考信号和探测信号进行处理、对比和分析，得到高压开关内被探测气体的浓度信息。
请参考图2，本发明又一实施例提供的一种应用于高压开关的气体监测装置，包括第一光源200、分束元件201、参考气室202、第一反光元件203、第二反光元件204、第三反光元件205、第一探测器206、第二探测器207、第二光源208和信号处理装置209；
所述第一光源200用于发出激光；
所述分束元件201用于将所述第一光源200发出的光分出一束作为参考光并将参考光引导入射至所述参考气室202，分出另一束作为探测光并将探测光引导入射至所述第一反光元件203，所述参考气室202内充有包含预设浓度被探测气体的混合气体；
所述第一探测器206用于接收由所述参考气室202出射的光并转换为电信号；
所述第二光源208用于发出可见光，并将可见光入射到所述第一反光元件203；
所述第一反光元件203用于分别将探测光、可见光引导入射到高压开关管道；
所述第二反光元件204用于分别接收探测光、可见光入射进入高压开关经过内部气体后返回的光，并将光汇聚到所述第三反光元件205；
所述第三反光元件205用于将光反射至所述第二探测器207，由所述第二探测器207接收并转换为电信号；
所述信号处理装置209与所述第一探测器206和所述第二探测器207分别相连，用于对探测信号和参考信号进行处理、对比和分析，得到被探测气体的浓度信息。
本实施例应用于高压开关的气体监测装置，第一反光元件将探测光引导传播出，同时将可见光引导出射，可见光与探测光有相同的传播路径，以可见光作为指示光路，用于指示探测目标的位置。在实际应用过程中，工作人员可根据可见光光路调整各光学元件，使探测光对准被探测目标。
第一光源200的具体实施方式可参考上一实施例描述。
本实施例装置，在具体实施时，可在所述分束元件201和所述参考气室202之间光路上设置有用于将所述分束元件201发出的参考光反射进入所述参考气室202的反光元件210。所述反光元件210可以是平面反射镜，平面反射镜以反射面与入射光成45度设置，可参考图2所示。
第一反光元件203可以是各种类型和形状的反光元件，均在本发明保护范围内。可选的，第一反光元件203可以采用具有反射面的棱镜，或者也可采用平面反射镜。
在一种具体实施方式中，可参考图2，所述第一反光元件203为具有第一直角面和第二直角面的棱镜，且所述第一直角面和所述第二直角面构成同一直角，所述第一直角面和所述第二直角面均为反射面；由所述分束元件201出射的探测光、所述第二光源208发出的可见光分别入射到所述第一反光元件203的第一直角面和第二直角面，分别被反射出，使出射的探测光和可见光传播方向平行。
在分束元件201和第一反光元件203之间可设置用于将所述分束元件201发出的探测光引导入射到所述第一反光元件203的第四反光元件211。第四反光元件211可以是各种类型和形状的反光元件，比如可以是具有反射面的棱镜，或者也可采用平面反射镜，均在本发明保护范围内。
和/或，在所述第二光源208和所述第一反光元件203之间设置有用于将所述第二光源208发出的可见光入射到所述第一反光元件203的第五反光元件212。第五反光元件212可以是各种类型和形状的反光元件，比如可以是具有反射面的棱镜，或者也可采用平面反射镜，均在本发明保护范围内。
可选的，在上述具体实施方式中，在分束元件201和第一反光元件203之间设置有第四反光元件211，在所述第二光源208和所述第一反光元件203之间设置有第五反光元件212，第四反光元件211采用斜面为反射面的45度直角棱镜，其斜面与第一反光元件203的一直角面平行；第五反光元件212采用斜面为反射面的45度直角棱镜，其斜面与第二反光元件203的另一直角面平行,。第四反光元件211、第一反光元件203、第五反光元件212对称设置，使本装置中各光学元件布置匀称。
第二反光元件204接收返回的光，并将光汇聚到第三反光元件205。本实施例装置中，所述第二反光元件204上设有用于通过光的孔，由所述第三反光元件205反射的光通过所述孔入射到第二探测器207。采用这种光路设计，可将第三反光元件205与第二反光元件204相向布置，第二探测器207位于第二反光元件204后方，可使各光学元件布置紧凑。优选的，可设计将第二反光元件204上的孔朝向所述第二探测器一端收敛，起到汇聚光的作用，有助于将透过的光汇聚到第二探测器。
优选的，在所述第二反光元件204的中心设置用于通过光的孔，所述第三反光元件205、所述第二反光元件204和所述第二探测器207的中心线重合，所述第二探测器207、所述第二反光元件204和所述第三反光元件205位于所述第一反光元件203背向探测光出射方向一侧。使光路布置紧凑。
其中，第二反光元件204的反射面为凹面，将光汇聚到第三反光元件205。第三反光元件205可采用平面反光元件。
本装置中，参考气室202内充有包含预设浓度被探测气体的混合气体，该混合气体为与高压开关管道内具有相同成分的混合气体，其中被探测气体的浓度为已知的预设浓度，作为参考值。若本装置应用于监测高压开关内氟化氢气体的浓度，则参考气室202内充有包含预设浓度氟化氢气体的混合气体。
第一探测器206获得的参考信号包含参考光经过参考气体后的光谱信息，第二探测器207获得的探测信号包含探测光经过高压开关内气体后的光谱信息，信号处理装置209对参考信号和探测信号进行处理、对比和分析，得到高压开关内被探测气体的浓度信息。
具体的，信号处理装置209对探测信号和参考信号进行前置放大处理，并经过A/D转换之后，进行二次谐波的处理，最后通过对比和分析光谱信息，得到被探测气体的浓度信息。
进一步，所述信号处理装置209还用于显示对探测信号分析得到的光谱信息、对参考信号分析得到的光谱信息，以及被探测气体的浓度信息。参考图3所示，图3为一种测试实例中得到的吸收光谱曲线图，图3中上方曲线为参考气体经过参考气室后的吸收光谱曲线，下方曲线为探测光透过高压开关内气体后的吸收光谱曲线。
本发明提供的应用于高压开关的气体监测装置，采用开放式光路设计，可以在高压开关外部对高压开关内气体进行监测。另外，本装置采用激光作为探测光，可实现远距离检测，使光学系统可远离高压开关设备，避免电磁干扰影响。
以上对本发明所提供的一种应用于高压开关的气体监测装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，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。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种应用于高压开关的气体监测装置，其特征在于，包括第一光源、分束元件、参考气室、第一反光元件、第二反光元件、第三反光元件、第一探测器、第二探测器和信号处理装置；
所述第一光源用于发出激光；
所述分束元件用于将所述第一光源发出的光分出一束作为参考光并将参考光引导入射至所述参考气室，分出另一束作为探测光并将探测光引导入射至所述第一反光元件，所述参考气室内充有包含预设浓度被探测气体的混合气体；
所述第一探测器用于接收由所述参考气室出射的光并转换为电信号；
所述第一反光元件用于将探测光引导入射到高压开关管道；
所述第二反光元件用于接收探测光入射进入高压开关、经过内部气体后返回的光，并将光汇聚到所述第三反光元件；
所述第三反光元件用于将光反射至所述第二探测器，由所述第二探测器接收并转换为电信号；
所述信号处理装置与所述第一探测器和所述第二探测器分别相连，用于对探测信号和参考信号进行处理、对比和分析，得到被探测气体的浓度信息。
2.根据权利要求1所述的应用于高压开关的气体监测装置，其特征在于，在所述分束元件和所述第一反光元件之间设置有用于将所述分束元件发出的探测光入射到所述第一反光元件的第四反光元件。
3.根据权利要求1所述的应用于高压开关的气体监测装置，其特征在于，还包括用于发出可见光的第二光源；
所述第二光源发出的可见光入射到所述第一反光元件，所述第一反光元件将可见光引导入射到高压开关管道，所述第二反光元件接收可见光入射进入高压开关、经过内部气体后返回的光，并将光汇聚到所述第三反光元件。
4.根据权利要求3所述的应用于高压开关的气体监测装置，其特征在于，所述第一反光元件为具有第一直角面和第二直角面的棱镜，且所述第一直角面和所述第二直角面构成同一直角，所述第一直角面和所述第二直角面均为反射面；
由所述分束元件出射的探测光、所述第二光源发出的可见光分别入射到所述第一反光元件的第一直角面和第二直角面。
5.根据权利要求4所述的应用于高压开关的气体监测装置，其特征在于，在所述分束元件和所述第一反光元件之间设置有用于将所述分束元件发出的探测光入射到所述第一反光元件的第四反光元件；
和/或，在所述第二光源和所述第一反光元件之间设置有用于将所述第二光源发出的可见光入射到所述第一反光元件的第五反光元件。
6.根据权利要求5所述的应用于高压开关的气体监测装置，其特征在于，所述第四反光元件为斜面为反射面的直角棱镜，所述第五反光元件为斜面为反射面的直角棱镜。
7.根据权利要求1-6任一项所述的应用于高压开关的气体监测装置，其特征在于，所述第二反光元件上设有用于通过光的孔，由所述第三反光元件反射的光通过所述孔入射到所述第二探测器。
8.根据权利要求7所述的应用于高压开关的气体监测装置，其特征在于，在所述第二反光元件的中心设置用于通过光的孔，所述第三反光元件、所述第二反光元件和所述第二探测器的中心线重合。
9.根据权利要求1-6任一项所述的应用于高压开关的气体监测装置，其特征在于，在所述分束元件和所述参考气室之间光路上设置有用于将所述分束元件发出的参考光反射进入所述参考气室的反光元件。
10.根据权利要求1所述的应用于高压开关的气体监测装置，其特征在于，所述第一光源为输出激光的波长和线宽可调的可调谐激光器。
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