CN108387527B - 可消除交叉干扰的光声光谱油气检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了可消除交叉干扰的光声光谱油气检测装置，包括脱气模块和光声光谱检测模块，其中光声光谱检测模块主要包括光声池、红外热辐射脉冲光源、滤光片轮、半导体激光器、光电探测器以及微音器；该装置将脱气模块脱出的油气送入光声光谱检测模块，利用光声光谱原理，采用半导体激光器检测甲烷浓度，采用红外热辐射脉冲光源检测其他几种故障气体；该装置可以消除由于甲烷、乙烷吸收谱段重叠引起的交叉干扰，提高甲烷、乙烷的测量准确度。
Description
技术领域
本发明涉及电气设备在线监测技术领域，具体涉及到一种基于光声光谱的电力变压器油中溶解气体在线检测装置，可实现油中多组分气体同时测量，特别可以消除其中甲烷和乙烷两种气体的交叉干扰。
背景技术
油浸式电力变压器在长期运行中可能会发生内部过热、局部放电等潜伏性故障，过热、放电等会导致绝缘油发生裂解，从而产生氢气、甲烷、乙烷、乙炔、乙烯、一氧化碳、二氧化碳等溶解气体；不同的故障类型产生的气体组分和浓度不同；通过在线监测油中溶解气体的浓度，可以及时了解变压器运行状况，预警潜伏性故障，从而避免灾难性事故发生；因此，变压器油气在线监测有着十分重要的意义。
变压器油中溶解气体在线监测装置一般安装在变压器边上或者挂在变压器上，通过油管和变压器相连；目前，变压器油气在线监测主要有气相色谱和光声光谱两种方法；基于气相色谱的在线监测装置通过脱气模块把油中溶解气体析出后，利用载气将其送入色谱柱分离出不同组分，再依次通过气体传感器检测各组分浓度；这种方法需要消耗载气，后期维护麻烦；基于光声光谱的在线监测装置通过脱气模块把油气析出后直接送入光声光谱检测单元；检测单元的红外光源分别透过不同滤光片后变成具有一定带宽的特定波段的红外光，再照射混合气体，分别得到各组分气体的光声信号，从而可以反演出各种组分气体的浓度；但是由于甲烷和乙烷的吸收光谱高度重叠，而滤光片的透射光谱存在一定宽度，至少为40nm，无法完全区别开两种气体的吸收光谱，测量上存在交叉干扰；这导致传统的光声光谱油气检测装置对这两种气体的测量精度不高，误差大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有的光声光谱油气检测装置无法完全避免甲烷乙烷交叉干扰的不足，提供一种窄线宽激光光源和传统红外光源联用的可消除交叉干扰的光声光谱油气检测装置。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
可消除交叉干扰的光声光谱油气检测装置，检测装置包括：
油罐，油罐的底部设有进油管和出油管，进油管和出油管与变压器相连，油罐的内部设有液位传感器，液位传感器用以探测油罐中变压器油的液位高低；油罐的顶部设有进气管和出气管，进气管与外部接通，出气管通过真空泵分为两路，一路与外部接通，用于油罐抽真空；一路通过过滤器连接至光声池的进气口，用于将油罐内气体转移至光声池；光声池的底部设有出气口，出气口与外部接通，光声池的中部设有一小孔，小孔内设有微音器，微音器用于采集声波信号；
红外热辐射脉冲光源和半导体激光器，红外热辐射脉冲光源设置在光声池的正上方，滤光片轮设置在光声池和红外热辐射脉冲光源之间，光声池的上下两端设有蓝宝石窗片，滤光片轮上的滤光片平面与蓝宝石窗片平行，光声池下方安装透反镜，透反镜平面与光声池下端蓝宝石窗片平面成45°，光声池和透反镜之间装有机械式斩波器；透反镜右侧是半导体激光器，半导体激光器的光轴与透反镜平面成45°；透反镜左侧是光电探测器，光电探测器的光敏面对半导体激光器的光轴。
在本发明的一个实施例中，所述检测装置还包括一信号处理与控制电路，信号处理与控制电路用于接收微音器采集的声波信号，并对其进行处理计算。
在本发明的一个实施例中，所述检测装置还包括一工控机，工控机用于接收信号处理与控制电路的计算结果，并对其进行存储、展示。
在本发明的一个实施例中，所述液位传感器为浮球式液位传感器。
在本发明的一个实施例中，所述油罐的顶部设有压力传感器，压力传感器用以测量油罐内部气压。
在本发明的一个实施例中，所述红外热辐射脉冲光源配有一抛物面反光罩，可以将红外热辐射脉冲光源发出的光汇聚成平行光，垂直照射通过滤光片后进入光声池内。
在本发明的一个实施例中，所述滤光片轮上共装有五块滤光片，五块滤光片透射波段的中心波长分别为1530nm、3050nm、3350nm、4350nm、4640nm，带宽均为50nm，对应检测乙炔、乙烯、乙烷、一氧化碳、二氧化碳五种气体。
在本发明的一个实施例中，所述半导体激光器发射的激光中心波长为1651nm，线宽1nm。
在本发明的一个实施例中，所述光电探测器采用InGaAs型光电二极管。
在本发明的一个实施例中，所述过滤器采用聚四氟乙烯膜型的过滤器，孔径为0.2微米。
通过上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明光声光谱油气检测装置可以避免甲烷、乙烷的光谱重叠，获得不受乙烷干扰的单一甲烷光声信号，提高了甲烷、乙烷测量结果的准确性。
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为本发明系统结构示意图；
图2为本发明甲烷、乙烷在3350nm处的吸收光谱图；
图3为本发明甲烷、乙烷在1651nm处的吸收光谱图；
图中数字和字母所表示的相应部件名称：
10、油罐 11、进油管 12、出油管 13、第一油阀 14、第二油阀 15、磁力泵 16、液位传感器 17、进气管 18、出气管 19、第一电磁阀 20、真空泵 21、第二电磁阀 22、过滤器23、第三电磁阀 24、压力传感器 30、光声池 31、进气口 32、蓝宝石窗片 33、出气口 34、第四电磁阀 35、微音器 40、红外热辐射脉冲光源 50、滤光片轮 60、透反镜 70、机械式斩波器 80、半导体激光器90、光电探测器 100、信号处理与控制电路 110、工控机。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参见图1至图3所述，本发明公开了可消除交叉干扰的光声光谱油气检测装置，检测装置包括油罐10，油罐由不锈钢制成，体积200mL，油罐10的底部设有进油管11和出油管12，进油管11和出油管12与变压器相连，进油管11上设有第一油阀13，出油管12上设有第二油阀14和磁力泵15，磁力泵15用于将油罐10内的变压器油排回至变压器；油罐10的内部设有液位传感器16，液位传感器16为浮球式液位传感器，液位传感器16用以探测油罐中变压器油的液位高低；油罐10的顶部设有不锈钢制成的进气管17和出气管18，进气管17通过第一电磁阀19与外部接通，出气管18通过真空泵20后分为两路，一路通过第二电磁阀21与外界环境相通，用于油罐10抽真空；另一路依次通过过滤器22、第三电磁阀23连接至光声池30的进气口31，用于将油罐10内气体转移至光声池30；油罐10的顶部还设有压力传感器24，压力传感器24用以测量油罐10内部气压。
光声池30由黄铜加工而成，内部腔体成圆柱状，内腔表面经过抛光处理，表面粗糙度为0.2微米，光声池30的上下两端设有蓝宝石窗片32，光声池30的腔体底部设有出气口33，出气口33通过第四电磁阀34和外界相连，光声池30的腔体中部设有一小孔，小孔与腔体内部相联通，小孔内设有微音器35，用来测量光声池30内激发的声波信号，微音器35的灵敏度不低于50mV/Pa，气体检测时，电磁阀关闭，光声池呈气密状态。
红外热辐射脉冲光源40设置在光声池30的正上方，滤光片轮50设置在光声池30和红外热辐射脉冲光源40之间，滤光片轮50上的滤光片平面与蓝宝石窗片32平行，红外热辐射脉冲光源40配有一抛物面反光罩，可以将红外热辐射脉冲光源发出的光汇聚成平行光，垂直照射通过滤光片后进入光声池内；光声池30下方安装透反镜60，透反镜60平面与光声池30下端蓝宝石窗片平面成45°，光声池30和透反镜60之间装有机械式斩波器70，用于将连续激光调制为脉冲激光；透反镜60右侧是半导体激光器80，半导体激光器80的光轴与透反镜60平面成45°角；透反镜60左侧是光电探测器90，光电探测器90的光敏面对半导体激光器80的光轴；透反镜60对45°角入射的近红外光透射率是10％，反射率是90％；微音器35输出的信号进入信号处理与控制电路100进行处理计算，计算结果送入工控机110进行存储、展示。
光声池30上方的红外热辐射脉冲光源40发出的光被反光罩汇聚形成平行光束，光束截面等于光声池内腔直径，光束光轴与光声池内腔轴线重合，红外光通过上端的蓝宝石窗片32射入光声池30；光声池30下方的透反镜60与蓝宝石窗片32成45°角，其反射的激光脉冲从光声池下端的蓝宝石窗片32射入光声池30。
滤光片轮50上共装有五块滤光片，五块滤光片透射波段的中心波长分别为1530nm、3050nm、3350nm、4350nm、4640nm，带宽均为50nm，对应检测乙炔、乙烯、乙烷、一氧化碳、二氧化碳五种气体；其中乙炔、乙烯、一氧化碳、二氧化碳对应的滤光片透射波段内均不存在其他气体的吸收峰，可以获得独立的光声信号；但是由于甲烷、乙烷的吸收光谱谱带存在重叠，而滤光片的带宽至少在40nm以上，很难通过滤光片将两者的吸收谱区分开；用于检测乙烷的滤光片透射波段内同时存在甲烷和乙烷的吸收谱线，如图2所示，所以乙烷的光声信号中包含着甲烷的交叉干扰；所以中心波长4350nm的乙烷滤光片对应的光声信号实际上甲烷和乙烷产生的光声信号之和；通过半导体激光器测出甲烷浓度后，从乙烷光声信号中扣除甲烷的影响，便可计算出乙烷的浓度。
半导体激光器80发射的激光中心波长为1651nm，线宽1nm，其辐射功率由供电电流决定，额定辐射功率200mW；1651nm恰好是甲烷的一条吸收线，在此波长处不存在乙烷的吸收峰，也不存在其他气体的吸收峰，如图3所示。所以，根据激光激发的光声信号可以准确反演计算出甲烷的浓度；有了甲烷的浓度后，再从乙烷的光声信号中扣除甲烷引起的干扰信号，便可反演计算出乙烷的浓度；如此，便消除了甲烷乙烷的交叉干扰，准确获得各组分浓度。
甲烷浓度按下式计算，其中C1表示甲烷浓度，S1表示半导体激光器激发的光声信号，b1表示半导体激光器引起的背景噪声，k1是激光激励下的甲烷响应灵敏度；
乙烷浓度按下式计算，其中C2表示乙烷浓度，S2表示红外热辐射脉冲光源透过3350nm滤光片激发的光声信号，b2表示红外热辐射脉冲光源透过3350nm滤光片激励下的背景噪声，k2表示红外热辐射脉冲光源透过3350nm滤光片激励下的乙烷响应灵敏度，α是红外热辐射脉冲光源透过3350nm滤光片激励下的甲烷响应灵敏度；
实施例中光电探测器90的光谱响应范围应覆盖1651nm，采用InGaAs型光电二极管，激光开启时，10％的激光能量进入光电探测器中被实时监控，其输出用于负反馈闭环控制半导体激光器的供电电流，以保证激光输出功率的稳定性。
实施例中红外热辐射脉冲光源40采用电调制的方式发出脉冲光，调制频率为120Hz，占空比为50％；所述的斩波器斩波频率与红外热辐射脉冲光重复频率相同，占空比为50％；半导体激光器发出的连续激光经过斩波器后变成重复频率与红外热辐射脉冲光重复频率相同的脉冲激光。
实施例中微音器35选用丹麦BK公司的电容式驻极体微音器，灵敏度为50mV/Pa。
实施例中过滤器22采用聚四氟乙烯膜型的过滤器，其孔径为0.2微米，可以有效滤除油雾、液滴等，防止光声池被污染。
实施例中的信号处理与控制电路100包含锁相放大电路，微音器35输出的信号中包含大量噪声，锁相放大的功能是在大量噪声中提出特定频率的目标信号；锁相放大的参考频率设置为与目标信号相同的频率；锁相放大电路的输出信号经过数模转换，送入信号处理与控制电路100处理计算，得出的各组分浓度信息再送入后台工控机110展示。
本实施例中，系统工作流程如下：初始状态下各个油阀、电磁阀均为关闭状态；设备启动后，第二电磁阀14打开，启动真空泵20，将油罐10内空气往外排；等到压力传感器24测出油罐10内压力达到2kPa以下时，关闭第二电磁阀14，关闭真空泵20，打开第一油阀11，变压器油在压力作用下进入油罐10，油罐10内液位上升；等到液位传感器16显示液位达到油罐10中间时，关闭第一油阀11；此时变压器油中溶解气体开始析出，静置10分钟后，汽液平衡，脱气完成；打开第三电磁阀23和第四电磁阀34，启动真空泵20，将油罐10中气体向光声池30转移；当压力传感器24显示油罐10内压力达到2kPa时，关闭第三电磁阀23和第四电磁阀34，关闭真空泵20；这时光声池30中充满了待测的油气；先启动半导体激光器80和机械式斩波器70，连续激光经过透反镜60和机械式斩波器70后，变为重复频率为120Hz的脉冲激光，射入光声池30；光声池30中的的甲烷气体吸收了激光能量，激发出声波，微音器35测出此光声信号送入信号处理与控制电路100进行处理分析；激光检测甲烷持续十秒的时间，随后关闭半导体激光器80和机械式斩波器70，打开红外热辐射光源40，光源稳定一分钟后开始进行检测；初始滤光片轮50上的乙炔滤光片停留在光源正下方，微音器35记录乙炔的光声信号并送入信号处理与控制电路100；检测十秒后，转动滤光片轮50，依次检测乙烯、乙烷、一氧化碳、二氧化碳；全部气体组分检测完毕后，关闭红外热辐射光源；最后，打开第一电磁阀19，打开第二油阀14，启动磁力泵15，将油罐10内脱气后的变压器油送回变压器再利用；待液位传感器16显示液位到达油罐10底部时，停止磁力泵15，关闭第二油阀14和第一电磁阀19；信号处理与控制电路100将检测结果送至后台工控机110，一个检测周期结束。
本发明的有益效果是：基于光声光谱原理，采用窄线宽激光器和红外热辐射脉冲光源共同作为光源，对变压器绝缘油中溶解气体进行检测，可以有效消除由于甲烷、乙烷吸收谱带重叠引起的信号交叉干扰，从而提高油气中甲烷和乙烷测量结果的准确度。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.可消除交叉干扰的光声光谱油气检测装置，其特征在于，检测装置包括：
油罐，油罐的底部设有进油管和出油管，进油管和出油管与变压器相连，油罐的内部设有液位传感器，液位传感器用以探测油罐中变压器油的液位高低；油罐的顶部设有进气管和出气管，进气管与外部接通，出气管通过真空泵分为两路，一路与外部接通，用于油罐抽真空；一路通过过滤器连接至光声池的进气口，用于将油罐内气体转移至光声池；光声池的底部设有出气口，出气口与外部接通，光声池的中部设有一小孔，小孔内设有微音器，微音器用于采集声波信号；
红外热辐射脉冲光源和半导体激光器，红外热辐射脉冲光源设置在光声池的正上方，滤光片轮设置在光声池和红外热辐射脉冲光源之间，光声池的上下两端设有蓝宝石窗片，滤光片轮上的滤光片平面与蓝宝石窗片平行，光声池下方安装透反镜，透反镜平面与光声池下端蓝宝石窗片平面成45°，光声池和透反镜之间装有机械式斩波器；透反镜右侧是半导体激光器，半导体激光器的光轴与透反镜平面成45°；透反镜左侧是光电探测器，光电探测器的光敏面对半导体激光器的光轴；
所述滤光片轮上共装有五块滤光片，五块滤光片透射波段的中心波长分别为1530nm、3050nm、3350nm、4350nm、4640nm，带宽均为50nm，对应检测乙炔、乙烯、乙烷、一氧化碳、二氧化碳五种气体；
半导体激光器发射的激光中心波长为1651nm，线宽1nm；
中心波长4350nm的乙烷滤光片对应的光声信号实际上甲烷和乙烷产生的光声信号之和；通过半导体激光器测出甲烷浓度后，从乙烷光声信号中扣除甲烷的影响，便可计算出乙烷的浓度。
2.根据权利要求1所述的可消除交叉干扰的光声光谱油气检测装置，其特征在于，所述液位传感器为浮球式液位传感器。
3.根据权利要求1所述的可消除交叉干扰的光声光谱油气检测装置，其特征在于，所述油罐的顶部设有压力传感器，压力传感器用以测量油罐内部气压。
4.根据权利要求1所述的可消除交叉干扰的光声光谱油气检测装置，其特征在于，所述红外热辐射脉冲光源配有一抛物面反光罩，可以将红外热辐射脉冲光源发出的光汇聚成平行光，垂直照射通过滤光片后进入光声池内。
5.根据权利要求1所述的可消除交叉干扰的光声光谱油气检测装置，其特征在于，所述光电探测器采用InGaAs型光电二极管。
6.根据权利要求1所述的可消除交叉干扰的光声光谱油气检测装置，其特征在于，所述过滤器采用聚四氟乙烯膜型的过滤器，孔径为0.2微米。
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