CN108956957A - 一种用于油中溶解气体检测的氢气传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于油中溶解气体检测的氢气传感器，包含氢敏芯片、转换电路、加热器、温度传感器、适配器及密封圈。氢敏芯片采用基于固态催化钯镍合金膜技术，安设在Φ9.5氢浓度测试探头前端，应用中氢浓度测试探头及氢敏芯片直接浸入油中，深入到充油设备的螺纹孔内，一端通过信号传输线与信号调理单元相连，适配器的一端与充油设备取油孔相连，另外一端与基座相连，密封圈用于适配器与充油设备取油孔之间的密封。本发明可以直接将传感器探头置于变压器油中，无需油气分离装置，无可移动部件并简化了传感器结构，大大降低了维护成本，延长了氢气传感器的使用寿命。与传统离线监测手段相比，本发明具有与传统的在线油色谱相比，该产品具有无油气分离膜、无氢气消耗、选择性高等优势。
Description
技术领域
本发明属于变电站充油设备绝缘状态监测技术领域，尤其涉及一种用于油中溶解气体检测的氢气传感器。
背景技术
充油设备如变压器套管、油浸式电流互感器、电压互感器、少油式断路器等是电力系统的主要设备之一，在电力系统中起着举足轻重的作用。充油设备故障或损坏不仅会造成停电事故，而且会引起变电站设备爆炸甚至酿成火灾，进一步扩大事故范围。充油设备的安全、稳定运行直接影响着整个电网的稳定，对其绝缘状态的诊断与评估意义重大。
理论和实践都证明，充油电气设备内部放电(局放、火花、电弧)，氢气是主要的特征气体，氢气检测也是被IEEE(IEEEC57.104-1991)认可的电力变压器早期故障监测方法，已获得国际许多著名企业的认可，广泛应用于监测充油电气设备的早期故障。因此，通过在油浸式电流互感器取油阀处加装油中溶解氢在线检测装置，实时、在线监测互感器油中溶解氢，当油中溶解氢的浓度和变化率超出一定限值时发出报警信号，及时采取有效措施，可以避免油浸式电流互感器故障的发生。而现有的氢气传感器主要采用燃料电池气体传感器，传感原理是传感部分需要发生化学反应，使用寿命有有限制，需要定期更换。当前市场上现有的多数单一氢气监测装置存在对CO、C2H2和C2H4等气体的交叉敏感，由于变压器中CO体积分数高于H2，传感器对CO的交叉敏感而使得其掩盖了H2浓度的变化，从而延迟了对设备故障的识别和诊断。
发明内容
本发明的目的在于提供用于油中溶解气体检测的氢气传感器，可以直接将传感器探头置于变压器油中，传感部分不发生化学反应，无需定期更换，降低了维护成本。
为达到上述目的，一种用于油中溶解气体检测的氢气传感器，包括适配器接口、取油阀、氢气传感模块和转换电路模块，氢气传感模块和转换电路模块通过插接件连接；氢气传感模块包括封装在第一壳体中的氢敏芯片，氢敏芯片中封装有固态催化钯镍合金薄膜；第一壳体上设置有适配器接口，且开设有用于与取油阀连通的通孔；转换电路模块包括封装在第二壳体中的处理器模块和传输模块，处理器模块用于实时采集固态催化钯镍合金薄膜电阻、计算电阻的变化率，将电阻的变化率转化为氢气浓度；传输模块用于实现转换电路模块和后级采集装置的信号传递。
进一步的，第一壳体中设置有温度控制器，温度控制器包括温度传感器以及加热器，温度传感器用于实时测量氢敏芯片的温度，当温度低于低温设定值时，温度传感器向加热器发出加热信号，加热器收到加热信号后，开始加热；当温度达到高温设定值时，温度传感器向加热器发出停止信号，加热器收到停止信号后，停止工作。
进一步的，温度传感器采用A级Pt100铂电阻，精度为0.1度。
进一步的，处理器模块采用32位DSP+ARM双处理器。
进一步的，适配器接口与第一壳体螺纹连接。
进一步的，第一壳体和第二壳体均采用铜制成。
进一步的，第二壳体的底盖中心设置有用于与采集装置相连的电连接接口，顶盖上固定有支架，支架一侧安装转换电路模块，另一侧安装有为转换电路模块)供电的电池。
进一步的，第二壳体顶盖与第一壳体之间通过密封垫密封。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果，与传统的在线油色谱检测相比，在检测过程中不消耗氢气，无氢气消耗，基于薄膜技术的氢气传感器检测氢气的过程中没有氢气消耗，可用于ppm级氢气检测。同时，钯合金产品具有高选择性，薄膜氢气传感器具有对氢气的绝对选择性，对油中其他气体无敏感性，可以通过监测变压器油中氢气浓度的变化而准确反应出充油电气设备的运行状况。
进一步的，固态催化钯镍合金薄膜设计尺寸长与宽均不超过0.5cm，封装后氢敏芯片的设计尺寸长与宽均不超过1cm，可接置于变压器油中，而无需采用油气分离膜，提高了装置运行的可靠性。
进一步的，第一壳体中设置有温度控制器，温度控制器确保氢敏芯片的工作温度保持在一定范围内，降低环境温度或气体温度波动，以及气流流速所造成的影响，提高传感器的测量精度。
进一步的，第一壳体和第二壳体为铜质材料，铜质材料提供了可靠的屏蔽性能，且具有防腐性能。
附图说明
图1是本发明立体结构图；
图2是本发明的主视图；
图3是图2的左视图；
图4是氢气传感核膜和转换电路模块的连接示意图；
附图中：1—适配器接口；2—取油阀；3—氢气传感模块；4—转换电路模块；5—电连接接口。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本专利的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本专利的保护范围之内。
如图1至图4所示，一种用于油中溶解气体检测的氢气传感器，包括适配器接口1、取油阀2、氢气传感模块3和转换电路模块4，氢气传感模块3和转换电路模块4通过插接件连接。
氢气传感模块3包括封装在第一壳体中的氢敏芯片和温度控制器，氢敏芯片和转换电路模块4的处理器模块连接，温度控制器包括温度传感器以及加热器，氢敏芯片中封装有固态催化钯镍合金薄膜，固态催化钯镍合金薄膜长与宽均不超过0.5cm，封装后氢敏芯片的长与宽均不超过1cm。温度传感器用于实时测量氢敏芯片的温度，当温度低于低温设定值时，温度传感器向加热器发出加热信号，加热器收到加热信号后，开始工作，提高氢敏芯片的温度；当温度达到高温设定值时，温度传感器向加热器发出停止信号，加热器收到停止信号后，停止工作；如此反复循环，确保氢敏芯片的工作温度保持在一定范围内，降低环境温度或气体温度波动，以及气流流速所造成的影响，提高传感器的测量精度。第一壳体顶部螺纹连接有适配器接口1，第一壳体侧壁开设有用于与取油阀2连通的通孔，取油阀2可直接固定安装在套管取油孔或取油阀上，具有取油样及排气功能。
参照图4，转换电路模块4包括封装在第二壳体中的处理器模块和无线传输模块，处理器模块采用32位高性能的DSP+ARM双处理器，DSP处理器完成氢气采样实时计算及变化率计算，ARM处理器负责通讯及显示。装置硬件配置灵活，无线传输模块具备1路无线LoRa通讯接口，无线通讯接口支持Modbus、MQTT通讯协议。无线传输模块用于实现氢气传感模块3和后级采集装置的无线连接。
参照图1，第二壳体的底部和顶部分别安装有底盖和顶部安装顶盖，底盖中心设置有用于与采集装置相连的电连接接口5，顶盖与第一壳体之间通过密封垫密封；转换电路模块4的壳体内部安装有固定在顶盖上的L型的支架，L型的支架一侧安装转换电路模块4，另一侧安装有用于为转换电路模块4和氢气传感器供电的电池。
氢气传感模块3通过适配器与现场不同结构的充油设备连接，密封圈用于适配器与充油设备取油孔之间的密封，通过转换电路4将氢气浓度转换为电信号用于后级处理。
优选的，第一壳体和第二壳体为铜质材料。铜质材料提供了可靠的屏蔽性能，且具有防腐性能。
优选的，温度传感器采用A级Pt100铂电阻，精度为0.1度。
优选的，传感器探头小型化，最小安装接口螺纹M12，能够适应小型充油设备的氢含量、油温及油压采集需求。
密封圈用于适配器与充油设备取油孔之间的密封，可采用“O型”圈来实现。
本装置的工作原理为：使用基于固态催化钯镍合金薄膜作为氢敏芯片的敏感元件，薄膜电阻型氢敏芯片利用金属薄膜对气体的催化分解作用，将H2分子吸附至合金薄膜表面，在钯合金薄膜的催化作用下，氢气分子分解成两个氢原子，氢原子扩散至钯合金晶格内部。扩散至钯合金晶格内部的H原子吸附在Pd-Ni合金的晶格中，引发电阻变化，配套的转换电路模块4将电阻或电容的变化量转化为氢气浓度，从而实现氢气的测量。
本装置的使用过程为：氢敏芯片采用基于固态催化钯镍合金薄膜技术，安设在Φ9.5氢浓度测试探头前端，应用中，氢浓度测试探头及氢敏芯片直接浸入油中，使用时，将取油阀2及氢敏芯片深入到充油设备的螺纹孔内，氢敏芯片通过信号传输线与转换电路模块4相连，适配器主要起固定传感器的作用，适配器一端与包含氢敏芯片的氢气传感器的适配器接口1连接，另外一端与被测的充油设备的取油孔相连。适配器的安装接口1可根据现场充油设备的取油孔结构进行设计和和改变。
本发明可以直接将传感器探头置于变压器油中，无需油气分离装置，无可移动部件并简化了传感器结构，大大降低了维护成本，延长了氢气传感器的使用寿命。与传统离线监测手段相比，本发明具有与传统的在线油色谱相比，该产品具有无油气分离膜、无氢气消耗、选择性高等优势。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本专利的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本专利的保护范围，凡未脱离本专利技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本专利的保护范围之内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种用于油中溶解气体检测的氢气传感器，其特征在于，包括适配器接口(1)、取油阀(2)、氢气传感模块(3)和转换电路模块(4)，氢气传感模块(3)和转换电路模块(4)通过插接件连接；氢气传感模块(3)包括封装在第一壳体中的氢敏芯片，氢敏芯片中封装有固态催化钯镍合金薄膜；第一壳体上设置有适配器接口(1)，且开设有用于与取油阀(2)连通的通孔；转换电路模块(4)包括封装在第二壳体中的处理器模块和传输模块，处理器模块用于实时采集固态催化钯镍合金薄膜电阻、计算电阻的变化率，将电阻的变化率转化为氢气浓度；传输模块用于实现转换电路模块(4)和后级采集装置的信号传递。
2.根据权利要求1所述的一种用于油中溶解气体检测的氢气传感器，其特征在于，第一壳体中设置有温度控制器，温度控制器包括温度传感器以及加热器，温度传感器用于实时测量氢敏芯片的温度，当温度低于低温设定值时，温度传感器向加热器发出加热信号，加热器收到加热信号后，开始加热；当温度达到高温设定值时，温度传感器向加热器发出停止信号，加热器收到停止信号后，停止工作。
3.根据权利要求2所述的一种用于油中溶解气体检测的氢气传感器，其特征在于，温度传感器采用A级Pt100铂电阻，精度为0.1度。
4.根据权利要求1所述的一种用于油中溶解气体检测的氢气传感器，其特征在于，固态催化钯镍合金薄膜长与宽均不超过0.5cm，后氢敏芯片的长与宽均不超过1cm。
5.根据权利要求1所述的一种用于油中溶解气体检测的氢气传感器，其特征在于，处理器模块采用32位DSP+ARM双处理器。
6.根据权利要求1所述的一种用于油中溶解气体检测的氢气传感器，其特征在于，适配器接口(1)与第一壳体螺纹连接。
7.根据权利要求1所述的一种用于油中溶解气体检测的氢气传感器，其特征在于，第一壳体和第二壳体均采用铜制成。
8.根据权利要求1所述的一种用于油中溶解气体检测的氢气传感器，其特征在于，第二壳体的底盖中心设置有用于与采集装置相连的电连接接口，顶盖上固定有支架，支架一侧安装转换电路模块(4)，另一侧安装有为转换电路模块(4)供电的电池。
9.根据权利要求1所述的一种用于油中溶解气体检测的氢气传感器，其特征在于，第二壳体顶盖与第一壳体之间通过密封垫密封。
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