CN110702611A - 一种激光光声光谱油气在线监测系统 - Google Patents

一种激光光声光谱油气在线监测系统 Download PDF

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耿俊秋
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马锋
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Abstract

本发明涉及一种激光光声光谱油气在线监测系统，包括：油气分离单元，对变压器油中溶解气体进行采样和油气分离；气路单元，与所述的油气分离单元连接，输送油气分离后的样气；光声检测单元，与所述的气路单元连接，通过调制激光光源产生脉冲光，样气吸收脉冲光后产生声波，通过微音器检测声波强度，并储存声波数据；现场控制单元，与所述的油气分离单元和光声检测单元连接，将现场数据输送至工作站。与现有技术相比，本发明将激光半导体技术与光声光谱技术相结合，运用到变压器绝缘油故障气体在线监测中，可避开传统油色谱在线监测设备中耗材等大量人工维护量，也可避免传统红外宽谱光源光声光谱设备检测运用中气体之间交叉干扰。

Description

一种激光光声光谱油气在线监测系统
技术领域
本发明涉及一种油气在线监测系统，尤其是涉及一种激光光声光谱油气在线监测系统。
背景技术
充油式电力变压器主要采用油纸绝缘，在放电和过热运行过程中，油和纸将裂解，产生C2H2、CO、CO2、H2、CH4、C2H4、C2H6等各种气体，这些气体部分溶解于油中，分析油中溶解气体的成分和比例，可以判断变压器潜伏性故障和类型，并建立起一系列国际国内标准。因此，对于微弱的故障气体含量的检测具有重要的意义。
当前，检测变压器油中溶解气体含量比较成熟的是气相色谱法，它在变压器中应用很普遍，但其试验环节多、操作手续繁琐、检测周期长，不能及时快速的反映变压器的故障。针对此现象，又衍生出了光声光谱检测方案，此方案与气相色谱法相比，具有诸多优点①非接触性测量、不消耗任何标准气体；②不需要分离气体、直接确定气体的成分和含量、检测速度快、可实现连续测量；③直接测量气体吸收光能大小，探测灵敏度高，气室体积小。但市面上见到的光声光谱油中气体检测设备以红外宽谱光源、窄带滤光片与机械斩光器的技术方案，在实际应用上因滤光带宽较宽，特征气体交叉干扰明显，而机械斩光带来的震动和机械损耗，会导致设备测试性能逐渐下降。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种激光光声光谱油气在线监测系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种激光光声光谱油气在线监测系统，包括：
油气分离单元，对变压器油中溶解气体进行采样和油气分离；
气路单元，与所述的油气分离单元连接，输送油气分离后的样气；
光声检测单元，与所述的气路单元连接，通过调制激光光源产生脉冲光，样气吸收脉冲光后产生声波，通过微音器检测声波强度，并储存声波数据；
现场控制单元，与所述的油气分离单元和光声检测单元连接，将现场数据输送至工作站。
所述的油气分离单元采用真空定量脱气方法进行脱气。
所述的光声检测单元包括依次连接的光声池、前置放大器、锁相放大器、A/D转换器和DSP，还包括激光光源、调制器和微音器，所述的调制器设置在激光光源和光声池之间，所述的锁相放大器与调制器连接，所述的微音器与光声池连接。
所述的激光光源为半导体激光器。
所述的微音器为电容式或驻极体式微音器。
所述的油气分离单元包括与变压器油阀门连接的真空脱气油气分离装置。
所述的系统还包括与工作站连接的APP，APP用于设置系统启停、检测周期、读取油样检测时间与故障气体浓度、油气浓度超限报警信息，支持账号与权限设置。
所述的现场控制单元与油气分离单元和光声检测单元之间通过隔离式485总线通信。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)将激光半导体技术与光声光谱技术相结合，运用到变压器绝缘油故障气体在线监测研究中，此方案可避开传统油色谱在线监测设备中耗材等大量人工维护量，也可避免传统红外宽谱光源光声光谱设备检测运用中气体之间交叉干扰，激光稳定性好，单色性等优势，决定了激光光声光谱油气在线监测方案的可行性与突出优势。
(2)采用不与空气接触，油样“0”污染、“0”损耗的真空定量脱气方法进行脱气，其脱气率高，脱气时间短，解决了以往油气分离装置脱气时间长，可重复性差的缺点。
(3)激光光源为半导体激光器，具有带宽窄、连续可调、体积小、重量轻、可在室温工作和能与光纤耦合的优点。
(4)将电力物联网技术引入到系统中，用于油气浓度检测数据实时随时随地查看与读取，同时软件支持账号与权限设置，方便油气设备管理。
附图说明
图1为本发明激光光声光谱油气在线监测系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，一种激光光声光谱油气在线监测系统，包括：
油气分离单元1，对变压器油中溶解气体进行采样和油气分离，采用真空定量脱气方法进行脱气。
气路单元2，与油气分离单元连接，输送油气分离后的样气至光声检测单元的光声池。
光声检测单元3，与气路单元连接，通过调制激光光源产生脉冲光，样气吸收脉冲光后产生声波，通过微音器检测声波强度，并储存声波数据；
光声检测单元3包括依次连接的光声池31、前置放大器32、锁相放大器33、A/D转换器34和DSP35，还包括激光光源36、调制器37和微音器38，调制器37设置在激光光源36和光声池31之间，锁相放大器33与调制器37连接，微音器38与光声池31连接；
光声检测单元3检测工作原理是，当把样气送入光声池31后，调制激光光源产生脉冲光，光辐射到光声池31，气体通过吸收光脉冲，产生声波，通过高灵敏度微音器检测其强度，然后信号通过前置放大、锁相放大后，用高精度AD和高速DSP采集其数据，并储存；
光声池有谐振式和非谐振式两种，谐振式的光声池可以利用自身的特殊结构，对噪音信号进行抑制，另外也可以避免因池壁和池窗等结构产生光声光谱信号；其缺点是：谐振腔需要闭环电路控制调制频率来保持探测器的校正，这使得系统复杂程度提高，稳定谐振频率的温度稳定系统也使得谐振池体积和重量大大增加。非谐振式的光声池，其结构简单，体积可以做得很小，但噪声抑制能力差，不能连续流动式采样。因而需要综合考虑油中溶解气光声测量系统的技术要求和测量环境等多方面的因素优化设计光声池；
油气分析通常需要对甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳、氢气等多种气体成分进行测量和分析，研究各种气体的红外光谱(氢气为对称极性分子，无吸收谱线)吸收特征和其它物理特征，结合光源和滤光片的工作特性，对这些气体进行高分辨的光谱识别和定量浓度计算。通过理论和实验上对各种气体的红外光谱特性研究，建立准确的数学模型，编制能够快速在线计算分析的计算机软件程序。
现场控制单元4，与油气分离单元和光声检测单元连接，该单元实现对整个现场监测系统的控制和实现数据通信功能。现场的控制包括油气分离装置的样气采集控制、气路控制系统的控制、光声测量系统的气体浓度测量控制、数据通信将现场数据输送至工作站5。
其中，激光光源36为半导体激光器，半导体激光器凭借其带宽窄、连续可调、体积小、重量轻、可在室温工作和能与光纤藕合等优点，近年来成为光声光谱系统光源的理想选择。通过特定半导体激光器的组合，可以满足变压器油中溶解气体的测试要求。光声池的设计是决定气体测量灵敏度的关键。设计方向：1)、需要尽量做好良好的声屏蔽，没有外界噪音的干扰，2)、提高光声池的常数而抑制背景噪声以需要获得高灵敏度3)、必须获得小的光声池容积实现微量气体测量和快速连续测量；4)、尽可能增强样本的辐射光强，或池内的声音共振，提高信噪比。
微音器38为电容式或驻极体式微音器。
油气分离单元1包括与变压器油阀门11连接的真空脱气油气分离装置12，油气分离方法从原理上区分主要有膜脱气法、溶解平衡法和真空法，真空脱气法具有脱气率较高、重复性好，无污染等优点。
系统还包括与工作站连接的APP，APP用于设置系统启停、检测周期、读取油样检测时间与故障气体浓度、油气浓度超限报警信息，支持账号与权限设置。
现场控制单元4与油气分离单元1和光声检测单元3之间通过隔离式485总线通信。

Claims (8)

1.一种激光光声光谱油气在线监测系统，其特征在于，包括：
油气分离单元，对变压器油中溶解气体进行采样和油气分离；
气路单元，与所述的油气分离单元连接，输送油气分离后的样气；
光声检测单元，与所述的气路单元连接，通过调制激光光源产生脉冲光，样气吸收脉冲光后产生声波，通过微音器检测声波强度，并储存声波数据；
现场控制单元，与所述的油气分离单元和光声检测单元连接，将现场数据输送至工作站。
2.根据权利要求1所述的一种激光光声光谱油气在线监测系统，其特征在于，所述的油气分离单元采用真空定量脱气方法进行脱气。
3.根据权利要求1所述的一种激光光声光谱油气在线监测系统，其特征在于，所述的光声检测单元包括依次连接的光声池、前置放大器、锁相放大器、A/D转换器和DSP，还包括激光光源、调制器和微音器，所述的调制器设置在激光光源和光声池之间，所述的锁相放大器与调制器连接，所述的微音器与光声池连接。
4.根据权利要求3所述的一种激光光声光谱油气在线监测系统，其特征在于，所述的激光光源为半导体激光器。
5.根据权利要求3所述的一种激光光声光谱油气在线监测系统，其特征在于，所述的微音器为电容式或驻极体式微音器。
6.根据权利要求1所述的一种激光光声光谱油气在线监测系统，其特征在于，所述的油气分离单元包括与变压器油阀门连接的真空脱气油气分离装置。
7.根据权利要求1所述的一种激光光声光谱油气在线监测系统，其特征在于，所述的系统还包括与工作站连接的APP，APP用于设置系统启停、检测周期、读取油样检测时间与故障气体浓度、油气浓度超限报警信息，支持账号与权限设置。
8.根据权利要求1所述的一种激光光声光谱油气在线监测系统，其特征在于，所述的现场控制单元与油气分离单元和光声检测单元之间通过隔离式485总线通信。
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