CN109655445B - 一种提高气体拉曼检测灵敏度的多段圆形多通气室 - Google Patents

一种提高气体拉曼检测灵敏度的多段圆形多通气室 Download PDF

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Abstract

一种提高气体拉曼检测灵敏度的多段圆形多通气室,包括分段圆形多通道增强腔与检测气体池。所述气体池为立方体，所述气体池配有2个窗口镜、进气孔、出气孔以及与所述进气孔和所述出气孔分别相对应的与外部连接的接口通过让激光；分段圆形多通道增强腔内表面分为71段圆弧，第1段与第37段圆弧上分别开一个孔洞作为激光的入射孔与出射孔。本发明通过在多段圆形多通气室中沿着一定的几何规则多次反射，本发明通过让激光在多段圆形多通气室中沿着一定的几何规则多次反射，达到大大提升激光光路的效果，使拉曼散射激光强度增大，从而提高气体拉曼检测灵敏度。

Description

一种提高气体拉曼检测灵敏度的多段圆形多通气室
技术领域
本发明属于电力设备状态特征气体检测技术领域，具体涉及一种通过提高气体拉曼检测灵敏度的电力设备检测装置及方法。
背景技术
电力系统的安全、稳定、可靠与经济运行是经济快速发展及社会稳定的基础之一。电力变压器是电力系统中承担不同等级电压转换、电能分配的枢纽设备，它在电力系统输电、变电、配电过程中起着极其重要的作用，其安全运行是保障电力系统安全与稳定的核心。越来越多的大容量、高等级大型电力变压器在超特高压电网中投入使用，一旦发生故障，不仅损坏昂贵的电气设备，还会导致电网瘫痪，对人民日常生活及国家经济造成难以估计的损失。
目前国内外大型电力变压器主要采用油浸式变压器，其内绝缘系统为绝缘油及绝缘纸(板)构成的复合绝缘结构。当变压器存在早期潜伏性故障或故障形成过程中，热、电、氧化及局部电弧等多种因素作用会加速运行变压器油、绝缘纸(板)等绝缘材料的老化甚至裂解，产气量变大和产气速率增快，生成的低分子气体经扩散、对流等过程而不断溶解于变压器油中，直至达到饱和状态，进而以气泡的形式析出。通过检测变压器存在早期潜伏性故障或故障形成过程中的故障特征气体可以在故障早期或者形成过程中时就确定故障并提前采取措施，从而可以大大减少因为变压器故障而造成的损失。
拉曼光谱法是基于拉曼散射效应，通过直接测量物质因激光照射产生的拉曼散射光，进而推断物质性质和含量的一种光谱分析方法：频率为V0的入射光会激发样品分子产生一系列频率为V0±Vvib的拉曼散射光，依据Vvib的拉曼频移及强度可同时定性与定量分析样品中多种不同物质。相比传统检测方法，应用激光拉曼光谱技术分析油中溶解的故障特征气体具有以下优势：①单一波长激光能同时激发混合气体的拉曼散射，可实现其同时检测分析；②采用激光作为检测手段，不与气体样品接触，能实现原位检测；③对混合气体样品可直接进行拉曼检测，无需进行组分分离，检测周期短，也不需要消耗载气；④拉曼检测一般不会对气体样品造成破坏，对同一气体样品可进行多次重复检测，检测重复性好。然而，现有技术中的拉曼光谱法存在最小检测浓度受限、检测准确度不高等技术瓶颈，导致现有技术还远远达不到实际应用的要求。
发明内容
为了克服上述缺点，本发明基于拉曼散射效应，提出了一种提高气体拉曼检测灵敏度的装置，设计了多段圆形多通气室来增强微量气体的拉曼信号强度，实现了复杂故障特征气体的拉曼光谱微量检测。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种提高气体拉曼检测灵敏度的多段圆形多通气室，其特征在于：
包括分段圆形多通道增强腔1与检测气体池2，所述分段圆形多通道增强腔1设置在检测气体池2内；
所述多段圆形多通气室配置成使激光沿着一定的几何规则多次反射，以提升激光光路，增大散射激光强度。
本发明进一步包括以下优选方案。
所述气体池为2为立方体，所述气体池2配有2个窗口镜5、进气孔3、出气孔4以及与所述进气孔3和所述出气孔4分别相对应的与外部连接的接口。
所述气体池2由殷钢制作，壁厚为1cm，长宽高都为50cm，压强范围为0bar-2bar。
所述分段圆形多通道增强腔1整体成圆环结构，内表面设置连续相邻的多段激光反射圆弧，在第1段激光反射圆弧与其相对面设置的激光反射圆弧上各开设一个贯穿分段圆形多通道增强腔内外表面的孔洞，分别作为激光的入射孔6与出射孔7；
并且所述入射孔6与出射孔7分别与配置在所述气体池两个相对侧面上的窗口镜5在空间上相对；
两段相对设置的激光反射圆弧为共焦结构，满足R＞L/2；
其中，R为两相对设置的激光反射圆弧的曲率半径，L为两相对设置的激光反射圆弧之间的距离。在分段圆形多通道增强腔1内表面设置的多段激光反射圆弧共71段，第1段与第37段激光反射圆弧相对设置，分别开一个孔洞作为激光的入射孔6与出射孔7。
所述入射孔6和所述出射孔7半径均为1mm。
第1段圆弧至第70段激光反射圆弧的曲率半径均为43.5cm，第71段激光反射圆弧的曲率半径为78.5cm；
空间上相对的两段激光反射圆弧之间的距离均为43.5cm。
所述分段圆形多通道增强腔的内表面即各激光反射圆弧为电镀金膜。
所述进气孔3与所述出气孔4在所述气体池2的一个侧面上，所述2个窗口镜5分别安装在与气孔所在侧面相邻的两个侧面上，2个窗口镜5正好安装在气体池2相对的两个侧面上，2个窗口镜5的中心在空间上呈一条直线。
所述进气孔3与所述出气孔4的直径大小均为0.5cm，所述2个窗口镜5的直径均为10±0.1mm。
所述分段圆形多通道增强腔1安装在所述气体池2内时应该满足以下位置关系：第1段与第37段圆弧上的激光的入射孔6与出射孔7分别与所述气体池两个相对侧面上的所述窗口镜5在空间上相对，激光通过窗口镜5进入气体池后通过所述入射孔6射入所述分段圆形多通道增强腔1，通过所述出射孔7射出所述分段圆形多通道增强腔1的激光通过另一块窗口镜5射出气体池2。
本发明相对于现有技术具有以下有益的技术效果：
本发明通过让激光在多段圆形多通气室中沿着一定的几何规则多次反射，达到大大提升激光光路的效果，使拉曼散射激光强度增大，从而提高气体拉曼检测灵敏度。
附图说明
下面结合附图对本技术方案作进一步说明。
图1是本发明的一种提高气体拉曼检测灵敏度的多段圆形多通气室的结构示意图。
图2是分段圆形多通道增强腔的实物图。
图3是气体池的结构示意图。
图中数字所表示的相应部件名称：
1.分段圆形多通道增强腔 2.检测气体池 3.进气孔 4.出气孔 5.窗口镜 6.入射孔 7.出射孔
具体实施方式
下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细介绍。
如图1所示，本实施例中的增强拉曼光谱的一种提高气体拉曼检测灵敏度的多段圆形多通气室包括分段圆形多通道增强腔1与检测气体池2。增强腔1放置于气体池2中。
如图2所示，本实施例中分段圆形多通道增强腔1内表面一共分为71段圆弧，第1段与第37段圆弧上分别开一个半径为1mm的孔洞作为激光的入射孔6与出射孔7。空间上相对的两段圆弧之间的距离均为43.5cm，第1段圆弧至第70段圆弧的曲率半径均为43.5cm，第71段圆弧的曲率半径为78.5cm，增强腔1的内表面为电镀金膜。
如图3所示，本实施例中气体池为立方体，由殷钢制作，壁厚为1cm，长宽高都为50cm，压强范围为0bar-2bar。分段圆形多通道增强腔1配有2个窗口镜5，进气孔3，出气孔4以及与进气孔3、出气孔4分别相对应的与外部连接的接口。所述进气孔3与出气孔4在气体池2的侧面一个上，两个气孔的直径大小均为0.5cm，所述2个窗口镜5分别安装在与气孔的相邻的两个侧面上，所以2个窗口镜5正好安装在气体池相对的两个侧面上，2个窗口镜5的中心在空间上呈一条直线，窗口镜的直径均为10±0.1mm。
本实施例中分段圆形多通道增强腔1安装在气体池2内时应该满足以下位置关系：第1段与第37段圆弧上的激光的入射孔6与出射孔7分别与气体池两个相对侧面上的窗口镜5在空间上相对。激光在通过窗口镜进入气体池后通过入射孔6射入分段圆形多通道增强腔1，通过出射孔7射出分段圆形多通道增强腔1的激光通过另一块窗口镜5射出气体池。
本申请多段圆形多通气室在50cm2的空间范围内使激光反射了70次，达到了约30m的激光光路长度。能够检测出最低浓度为40ppm的故障气体，相对于其他现有的拉曼气体检测技术其检测下限提高了约10倍。
申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种提高气体拉曼检测灵敏度的多段圆形多通气室，其特征在于：
包括分段圆形多通道增强腔（1）与检测气体池（2），所述分段圆形多通道增强腔（1）设置在检测气体池（2）内；
所述分段圆形多通道增强腔（1）整体成圆环结构，内表面设置连续相邻的多段激光反射圆弧，所述多段圆形多通气室配置成使激光沿着一定的几何规则多次反射，以提升激光光路，增大散射激光强度；
在分段圆形多通道增强腔（1）内表面设置的多段激光反射圆弧共71段，第1段与第37段激光反射圆弧相对设置，各开设一个贯穿分段圆形多通道增强腔内外表面的孔洞，分别作为激光的入射孔（6）与出射孔（7），所述入射孔（6）与出射孔（7）分别与配置在所述气体池两个相对侧面上的窗口镜（5）在空间上相对；
第1段圆弧至第70段激光反射圆弧的曲率半径均为43.5cm，第71段激光反射圆弧的曲率半径为78.5cm；空间上相对的两段激光反射圆弧之间的距离均为43.5cm。
2.根据权利要求1所述的一种提高气体拉曼检测灵敏度的多段圆形多通气室，其特征在于：
所述气体池（2）为立方体，所述气体池（2）配有2个窗口镜（5）、进气孔（3）、出气孔（4）以及与所述进气孔（3）和所述出气孔（4）分别相对应的与外部连接的接口。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高气体拉曼检测灵敏度的多段圆形多通气室，其特征在于：
所述气体池（2）由殷钢制作，壁厚为1cm，长宽高都为50cm，压强范围为0bar-2bar。
4.根据权利要求1所述的一种提高气体拉曼检测灵敏度的多段圆形多通气室，其特征在于：
两段相对设置的激光反射圆弧为共焦结构，满足R＞L/2；
其中，R为两相对设置的激光反射圆弧的曲率半径，L为两相对设置的激光反射圆弧之间的距离。
5.根据权利要求1所述的一种提高气体拉曼检测灵敏度的多段圆形多通气室，其特征在于：
所述入射孔（6）和所述出射孔（7）半径均为1mm。
6.根据权利要求1所述的一种提高气体拉曼检测灵敏度的多段圆形多通气室，其特征在于：
所述分段圆形多通道增强腔的内表面即各激光反射圆弧为电镀金膜。
7.根据权利要求2所述的一种提高气体拉曼检测灵敏度的多段圆形多通气室，其特征在于：
所述进气孔（3）与所述出气孔（4）在所述气体池（2）的一个侧面上，所述2个窗口镜（5）分别安装在与气孔所在侧面相邻的两个侧面上，2个窗口镜（5）正好安装在气体池（2）相对的两个侧面上，2个窗口镜（5）的中心在空间上呈一条直线。
8.根据权利要求7所述的一种提高气体拉曼检测灵敏度的多段圆形多通气室，其特征在于：
所述进气孔（3）与所述出气孔（4）的直径大小均为0.5cm，所述2个窗口镜（5）的直径均为10±0.1mm。
9.根据权利要求1所述的一种提高气体拉曼检测灵敏度的多段圆形多通气室，其特征在于：
所述分段圆形多通道增强腔（1）安装在所述气体池（2）内时应该满足以下位置关系：第1段与第37段圆弧上的激光的入射孔（6）与出射孔（7）分别与所述气体池两个相对侧面上的所述窗口镜（5）在空间上相对，激光通过窗口镜（5）进入气体池后通过所述入射孔（6）射入所述分段圆形多通道增强腔（1），通过所述出射孔（7）射出所述分段圆形多通道增强腔（1）的激光通过另一块窗口镜（5）射出气体池（2）。
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