CN110945353A - 用阻抗式气体感测器的溶解气体分析 - Google Patents

用阻抗式气体感测器的溶解气体分析 Download PDF

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Abstract

一种用于分析变压器的绝缘流体(112)中存在的气体的系统(100)，包括与所述气体操作接触的气体感测器(114)，以在不同频率提供多个阻抗响应。处理器(116)构造成接收所述多个阻抗响应，并从中选择一个或多个阻抗响应，以与来自感测器的未选择响应相比，提供：排除干扰气体，在气体之间分辨，改善分析物气体的低检测范围，改善分析物气体的高检测范围，改善分析物气体的响应线性度，改善分析物气体测定的动态范围，或它们的一种或多种组合。

Description

用阻抗式气体感测器的溶解气体分析
领域
本公开了涉及用于感测气体的系统和方法的一个或多个实施方案。
背景
变压器油的溶解气体分析(DGA)用于变压器健康和预后的诊断测定。油中溶解气体的浓度以百万分率(ppm)的水平测定，目标气体如一氧化碳CO、二氧化碳CO2、氢气H2、甲烷CH4、乙炔C2H2、乙烯C2H4、乙烷C2H6等。当前的DGA系统用一种方法从油提取气体(例如，顶部空间或膜)，然后在气相中测定，以推断油中的ppm浓度。用于气体测定和感测的关键现有技术的实例是气相色谱法和红外光谱法。为了选择性测定所需的故障气体，提取和气体感测器组件可能昂贵且复杂，具有许多移动部件，可能具有宽范围的故障模式或性能挑战等。
用于例如工业气体的工业流体的常规感测器是非选择性装置，它显示显著的气体交叉灵敏度，因此具有低的气体选择性。常规感测器的这种非选择性的限制的起因是感测器选择性与可逆性的矛盾要求。感测器响应的完全和快速可逆性通过分析物和感测膜之间的弱相互作用实现，而感测器响应的高选择性通过分析物气体与感测膜之间的强相互作用实现。
简述
在一个实施方案中，一种用于分析变压器的绝缘流体中存在的至少一种分析物气体的系统包括气体感测器，气体感测器构造成要与来自绝缘流体的至少一种分析物气体操作接触，并从感测器提供多个响应。系统包括一个或多个处理器，处理器构造成在感测器暴露于来自绝缘流体的至少一种分析物气体期间从感测器接收多个响应。多个响应代表绝缘流体中存在的至少一种分析物气体的浓度。一个或多个处理器构造成选择来自感测器的多个响应中的一个或多个响应，与来自感测器的未选择响应相比，所述一个或多个响应提供：排除一种或多种干扰气体，在至少两种气体之间分辨，改善至少一种分析物气体的低检测范围，改善至少一种分析物气体的高检测范围，改善至少一种分析物气体的响应线性度，改善至少一种分析物气体测定的动态范围，或它们的一种或多种组合。
在一个实施方案中，一种用于分析变压器的绝缘流体中存在的至少一种分析物气体的方法包括从多变量气体感测器提供多个响应，多变量气体感测器构造成要与具有至少一种分析物气体的绝缘流体操作接触。方法包括在感测器暴露于绝缘流体期间用一个或多个处理器从感测器接收多个响应。多个响应代表绝缘流体中存在的至少一种分析物气体的浓度。方法包括用一个或多个处理器选择来自感测器的多个响应中的一个或多个响应，与来自感测器的未选择响应相比，所述一个或多个响应提供：排除一种或多种干扰气体，在至少两种气体之间分辨，改善至少一种分析物气体的低检测范围，改善至少一种分析物气体的高检测范围，改善至少一种分析物气体的响应线性度，改善至少一种分析物气体测定的动态范围，或它们的一种或多种组合。
在一个实施方案中，系统包括构造成要与其中具有一种或多种分析物气体的样品接触的阻抗气体感测器。阻抗感测器包括电极和具有感测材料的感测区电路。电极构造成对感测材料以一种或多种不同频率施加电刺激。系统包括一个或多个处理器，处理器构造成从感测器接收电信号，电信号代表在一种或多种不同频率下感测材料暴露于样品期间感测材料的阻抗。阻抗代表样品中一种或多种分析物气体中的关注分析物气体的浓度。一个或多个处理器构造成基于要由感测器感测的关注分析物气体，选择感测器的电极对感测材料施加电刺激的一种或多种不同频率的频率。一个或多个处理器构造成选择来自感测器的一个或多个响应，与来自感测器的未选择响应相比，所述一个或多个响应提供以下之一或更多：排除一种或多种干扰气体，在至少两种气体之间分辨，改善一种或多种分析物气体的低检测范围，改善一种或多种分析物气体的高检测范围，改善一种或多种分析物气体的响应线性度，改善一种或多种分析物气体测定的动态范围，或它们的一种或多种组合。
在一个实施方案中，方法包括用一个或多个处理器从阻抗气体感测器接收电信号，阻抗气体感测器与其中具有一种或多种分析物气体的样品接触。阻抗感测器包括电极和具有感测材料的感测区电路，感测材料从电极接收一种或多种不同频率的电刺激。感测器的电极对感测材料施加电刺激的一种或多种不同频率的频率基于一种或多种分析物气体中的要由感测器感测的关注分析物气体。方法包括基于从感测器接收的电信号测定样品中一种或多种分析物气体中的关注分析物气体的浓度。电信号代表在一种或多种频率下感测材料暴露于样品期间感测材料的阻抗。感测材料的阻抗指示样品中关注分析物气体的浓度。
在一个实施方案中，系统包括构造成要与其中具有一种或多种分析物气体的样品接触的阻抗气体感测器。阻抗感测器包括接收一种或多种频率的电刺激的感测材料。系统包括一个或多个处理器，处理器构造成从感测器接收电信号，电信号代表在一种或多种不同频率下感测材料暴露于样品期间感测材料的阻抗。阻抗代表样品中一种或多种分析物气体中的关注分析物气体的浓度。一个或多个处理器构造成改变对感测材料施加电刺激的一种或多种频率，以改变感测材料对一种或多种分析物气体中不同气体的灵敏度。一个或多个处理器构造成选择来自感测器的一个或多个响应，与来自感测器的未选择响应相比，所述一个或多个响应提供以下之一或更多：排除一种或多种干扰气体，在至少两种气体之间分辨，改善一种或多种分析物气体的低检测范围，改善一种或多种分析物气体的高检测范围，改善一种或多种分析物气体的响应线性度，改善一种或多种分析物气体测定的动态范围，或它们的一种或多种组合。
附图简述
图1示出根据一个实施方案的感测系统的一个实施方案；
图2示出根据一个实施方案的图1所示感测器设计的非限制实例；
图3示出根据一个实施方案的感测器的一个实施方案；
图4示出根据一个实施方案的本文所述感测器的实和虚阻抗响应相对应的测定响应的图解说明；
图5示出根据一个实施方案的常规感测器的测定电阻响应的图解说明；
图6示出根据一个实施方案具有第一激励和测定条件的感测器的测定电阻响应的图解说明；
图7示出根据一个实施方案具有第二激励和测定条件的感测器的测定电阻响应的图解说明；
图8示出根据一个实施方案具有第三激励和测定条件的感测器的测定电阻响应的图解说明；
图9示出根据一个实施方案显示交叉灵敏度的常规感测器的测定电阻响应的图解说明；
图10A示出根据一个实施方案具有第一激励条件的感测器的实阻抗响应相对应的测定响应的图解说明；
图10B示出根据一个实施方案具有第二激励条件的感测器的实阻抗响应相对应的测定响应的图解说明；
图10C示出根据一个实施方案具有第三激励条件的感测器的实阻抗响应相对应的测定响应的图解说明；
图11A示出根据一个实施方案具有第一激励条件的感测器的虚阻抗响应相对应的测定响应的图解说明；
图11B示出根据一个实施方案具有第二激励条件的感测器的虚阻抗响应相对应的测定响应的图解说明；
图11C示出根据一个实施方案具有第三激励条件的感测器的虚阻抗响应相对应的测定响应的图解说明；
图12示出根据一个实施方案的感测器的归一化虚阻抗响应相对应的测定响应的图解说明；
图13示出根据一个实施方案的感测器响应的比率的图解说明；
图14示出根据一个实施方案用于感测一种或多种关注分析物气体的方法的一个实施方案的流程图；
图15示出根据一个实施方案用于测定溶解于绝缘流体的气体的系统；
图16示出根据一个实施方案用阻抗感测器检测低ppm水平乙炔的图解说明；
图17示出根据一个实施方案的多个检测乙炔的周期的图解说明；
图18A示出根据一个实施方案用以电阻模式操作的感测器检测高浓度氢的图解说明；
图18B示出根据一个实施方案用以阻抗模式操作的感测器检测高浓度氢的图解说明；
图19示出根据一个实施方案检测高浓度甲烷的图解说明；
图20A示出根据一个实施方案用以电阻模式操作的感测器检测甲烷和乙烷的图解说明；
图20B示出根据一个实施方案用感测器经感测器周期性暴露于甲烷和乙烷的多个周期使用开发的传递函数检测甲烷和乙烷的图解说明，其中感测器以阻抗模式操作；
图21A示出根据一个实施方案在感测器的第一操作频率下感测器对不同浓度氢气的测定阻抗响应的图解说明；
图21B示出根据一个实施方案的图21A的感测器的计算阻抗响应的图解说明；
图22A示出根据一个实施方案在感测器的第二操作频率下感测器对不同浓度氢气的测定阻抗响应的图解说明；
图22B示出根据一个实施方案的图22A的感测器的计算阻抗响应的图解说明；
图23A示出根据一个实施方案在感测器的第三操作频率下感测器对不同浓度氢气的测定阻抗响应的图解说明；
图23B示出根据一个实施方案的图23A的感测器的计算阻抗响应的图解说明；
图24示出根据一个实施方案的频率相关响应模型的图解说明；
图25A示出根据一个实施方案的频率相关响应模型的主成分分析的二维结果；并且
图25B示出根据一个实施方案的频率相关响应模型的主成分分析的三维结果。
详述
本文所述发明主题的一个或多个实施方案提供了感测系统和方法，该系统和方法在暴露于不同气体时在不同的分析物检测灵敏度范围以受控感测器响应选择性和灵敏度执行感测器操作。响应选择性代表通过适当选择频率扫描和/或分析，用单个感测器区分不同气体的能力。这些感测系统和方法可感测并区分绝缘变压器油或环境空气中的不同分析物气体。而且，感测系统和方法提供了具有受控感测器响应线性度的气体感测器操作。响应线性度代表多变量分析，该多变量分析可(在某些频率)提高气体感测器检测的线性度，使校准更简单，并改善测定范围。例如，感测器校准可以指分析物气体浓度和用于确定感测器性能特性(例如线性度、动态范围、响应线性度、低检测范围、高检测范围等)的感测器响应信号之间的关系。分析物气体(例如，关注分析物气体)的感测器响应线性度可包括实验测定的校准线与理想直线目标线的偏差。另外，分析物气体测定的感测器动态范围可以为在可由感测器量化的分析物气体的最低浓度和分析物气体的最高浓度之间、并且包括该最低浓度和最高浓度的分析物气体浓度范围。
装油变压器的绝缘油用于绝缘和抑制电晕和电弧，并用作冷却剂。然而，在变压器的寿命期间，绝缘油在电、热和环境应力的影响下逐渐变质。根据变质过程，在绝缘油中产生不同类型的气体。这些气体的实例包括氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯和乙炔。例如，矿物油的热分解产生氢气和甲烷。纤维素和其它固体绝缘材料的热分解产生一氧化碳、二氧化碳和水蒸气。此类气体用多变量感测器实时检测和监测，如下更详细描述。
在本文所述发明主题的一个或多个实施方案中，感测材料为金属氧化物，然而，电流感测器的公认限制是遵循幂律的非线性响应和对不同气体的非选择性响应。这些限制源于金属氧化物(MOX)感测器的常规电阻测定。与来自感测器的常规电阻响应相比，本文所述发明主题的一个或多个实施方案出乎意料地发现这种感测器对其选择性的频率相关性，对分析物气体的响应线性度，改善分析物气体的低检测范围，改善分析物气体的高检测范围，改善分析物气体测定的动态范围。
这些感测系统和方法提供低成本、高选择性感测方法和系统，并且简化或消除气体提取。多变量感测的相关特征包括线性度、选择性和上限扩展、灵敏度/检测限改善。上限扩展表示通过适当选择频率扫描，可将感测器采集能力扩展到用已知电阻方法可获得的常规范围之外。这可为放气变压器和有载分接头转换机构带来明显的好处。通过频率扫描或频率选择，感测器系统和方法可解锁改善的低检测限(LDL)能力，从而克服对常规电阻分析的信号/噪声限制，产生比通过已知电阻方法常规获得的更低的检测限。例如，感测器低检测限(LDL)可以指可由感测器以指定置信限与没有该分析物气体区分的分析物气体的最低量(例如，浓度)，指定置信限例如为在暴露于没有分析物气体且干扰极小的洁净样品时，感测器响应信号的三个标准偏差。感测器LDL也可称为检测限、检测下限、检测的界限等。或者，感测器高检测限可以指可由感测器在指定置信限内与较少分析物气体量区分的分析物气体的最高量(例如，浓度)，指定置信限例如为在暴露于最高量(例如，浓度)的分析物气体时，感测器响应信号的三个标准偏差。
本文各种实施方案的至少一种技术效果可用单个感测器系统或感测器选择性测定一种或多种烃的量或浓度，以检测潜在的灾难性故障。例如，该系统和方法可感测变压器油中一氧化碳CO、二氧化碳CO2、氢气H2、甲烷CH4、乙炔C2H2、乙烯C2H4、乙烷C2H6和其它气体的存在和/或量。感测到的分析物气体的量可指示该有动力的系统的潜在灾难性故障或另一种异常系统状况。作为附加的技术效果，这些感测系统和方法出乎意料地发现了基于半导体金属氧化物的感测器的选择性和线性度的频率相关性。
图1示出感测系统100的一个实施方案。系统100检查与系统100接触的流体。流体中有一种或多种分析物气体。这种流体可以为变压器油或变压器的任何绝缘流体，变压器安装和/或布置在地平面之下、地平面之上、接近地平面或任何其它位置。流体的另一个实例为环境空气。流体的另一个实例为具有相对较小浓度分析物气体的环境空气。
系统100可包括用于保持流体的流体储器112和至少部分布置在流体储器112中、上或内的一个多变量气体感测器114。或者，感测器114可设在储器112外流体的流体流路中，例如，联结到与流体储器流体连通的串接接头，其限定流路。在一个实施方案中，感测器114可对储器或流路内的流体提供连续监测。在一个或多个实施方案中，感测器114可以为阻抗气体感测器、光子感测器、电子感测器、混合感测器或另一种类型的感测器。多变量气体感测器可任选地为感测器阵列。
感测器114可通过谐振或非谐振阻抗谱响应来检测流体的特性或性质。一个或多个电感器-电容器-电阻器谐振电路(LCR谐振器)可检测感测器的谐振阻抗谱响应。当电路不包含电感器时，测定非谐振阻抗谱响应。在流体附近的感测器114的谐振或非谐振阻抗谱基于样品组成和/或组分和/或温度而变化。测定的谐振或非谐振阻抗值Z'(可为谐振阻抗的实部Zre)和Z"(可为谐振阻抗的虚部Zim)反映感测器114对流体的响应。
除谐振和非谐振阻抗感测器外，本文所述发明主题的其它实施方案还包括感测器的其它设计。其它感测器可以为电容器感测器、机电谐振器感测器(例如音叉、悬臂感测器、声学器件感测器)、热感测器、光学感测器、声学感测器、光声感测器、近红外感测器、紫外感测器、红外感测器、可见光感测器、光纤感测器、反射感测器、多变量感测器或单输出感测器。感测器可响应变压器油或绝缘流体(isolating fluid)中的测定气体产生电刺激或光刺激。变压器的绝缘流体可以为绝缘油、矿物油、合成油、植物油及任何其它适合的绝缘流体。
可通过电极对感测器114的感测材料或感测膜施加电场。电极之间的距离和电极几何形状以及施加到电极的周期性电压可限定施加到感测器114(例如，施加到感测材料或膜)的电场的大小。电极可与感测材料直接接触。例如，感测器114可以为感测区和相关电路的组合，和/或感测区可涂覆有感测材料。感测材料可以为半导体材料或金属氧化物材料。
适合的感测器可包括单次使用或多次使用的感测器。适合的多次使用的感测器可以为可再用感测器，其可在该感测器可并入的系统的寿命期间使用。在一个实施方案中，感测器可以为可在反应或过程的全部或部分期间使用的单次使用的感测器。
来自感测器114的数据可通过数据采集电路系统116采集，数据采集电路系统116可与感测器相关联，或者可与控制系统相关联，控制系统例如包括数据处理电路的控制器或工作站122，在此可进行附加处理和分析。控制器或工作站122可包括一个或多个无线或有线组件，并且还可与系统100的其它组件通信。适合的通信模型包括无线或有线。至少一种适合的无线模型包括射频装置，例如射频识别(RFID)无线通信。可基于专用的参数使用其它无线通信模态。非限制性实例包括蓝牙、Wi-Fi、3G、4G、5G等。例如，在可能有电磁场(EMF)干扰的地方，某些模态可能起作用，其它模态则可能不起作用。数据采集电路系统116可任选布置在感测器114内。其它适合的位置可包括位于工作站122内的布置。另外，工作站122可用整个过程的控制系统替换，在此，感测器及其数据采集电路系统可连接到过程的控制系统。
数据采集电路系统116可以为感测器读取器的形式，它可构造成与流体储器112和/或工作站122无线或有线通信。例如，感测器读取器可以为电池-操作装置，和/或可用能从主控制系统获得的能量或通过用从周围源收获能量(光、振动、热或电磁能)来提供动力。数据采集电路系统为阻抗分析器，该阻抗分析器可提供扫描能力，以测定跨预定频率范围的感测器阻抗，例如，0.001Hz至10GHz、0.1Hz至1GHz、1Hz至100MHZ、10Hz至10MHz或1000Hz至100kHz。阻抗分析器可提供在离散预定频率下测定感测器阻抗的能力，例如，在1Hz、10Hz、100Hz、1kHz、10kHz、100kHz、1MHz、10MHz或100MHz。
另外，数据采集电路系统可从一个或多个感测器114(例如，位于流体储器中或周围不同位置的多个感测器)接收数据。数据可存储在短期或长期记忆存储装置中，例如，归档通信系统，它们可位于系统内或远离系统，和/或为操作员重建和显示，例如在操作员工作站。感测器114可位于油流体储器、相关联的管道组件、接头、流通组件以及任何其它相关的过程组件之上或之中。数据采集电路系统116可包括一个或多个处理器，用于分析从感测器114接收的数据。例如，一个或多个处理器可以为一个或多个计算机处理器、控制器(例如，微控制器)或基于一组或多组指令(例如软件)执行操作的其它基于逻辑的装置。一个或多个处理器操作所基于的指令可存储在有形且非暂时的计算机可读存储介质上，例如记忆装置。记忆装置可包括硬盘驱动器、闪存驱动器、RAM、ROM、EEPROM和/或类似物。或者，可以将引导一个或多个处理器操作的指令组中的一个或多个硬连线到一个或多个处理器的逻辑中，例如，通过在一个或多个处理器的硬件中形成和/或存储的硬连线逻辑。
除了显示数据外，操作员工作站122还可控制系统100的上述操作和功能。操作员工作站122可包括一个或多个基于处理器的组件，例如通用或专用计算机或处理器124。除了基于处理器的组件外，计算机还可包括各种记忆和/或存储组件，包括磁性和光学大容量存储装置、内存(例如RAM芯片)。记忆和/或存储组件可用于存储可由操作员工作站122或由系统100的相关组件执行的实行本文所述技术的程序和例程。或者，程序和例程可存储在远离操作员工作站122但可通过计算机124上存在的网络和/或通信接口访问的计算机可访问的存储和/或记忆装置上。计算机124还可包括各种输入/输出(I/O)接口以及各种网络或通信接口。各种I/O接口可允许与用户接口装置通信，用户接口装置例如为显示器126、键盘128、电子鼠标130和打印机132，它们可用于查看和输入配置信息和/或用于操作成像系统。其它装置(未显示)可能可用于接口连接，例如触摸板、平视显示器、麦克风等。各种网络和通信接口可允许连接到局域和广域内联网及存储网络和互联网。在适当或期望时，各种I/O和通信接口可利用线、线路或适合的无线接口。
图2示出感测器114设计的非限制实例。感测器114的感测电极结构234可连接到数据采集电路系统116。感测电极结构234可涂覆有感测膜236。具有感测膜236的感测电极结构234形成感测区电路238。形成感测区电路238的具有感测膜236的感测电极结构234可以操作接触流体。流体中包含一种或多种分析物气体。
用于探测流体样品的适合叉指式电极结构包括二电极和四电极结构。用于电极的适合材料包括不锈钢、铂、金、贵金属等。衬底的适合材料可包括二氧化硅、氮化硅、氧化铝、陶瓷等。感测材料或感测膜的适合实例包括金属氧化物材料、复合材料、半导体材料、n型半导体材料、p型半导体材料、纳米复合材料、无机材料、有机材料、聚合物材料、配制材料等。可用金属蚀刻、丝网印刷、喷墨印刷和基于掩模的金属沉积技术形成适合的电极。在基板上制造的电极的厚度可在约10纳米至约1000微米的范围内。可至少部分基于专用参数选择用于叉指式电极结构、衬底、感测层和电极形成方法的材料。
图3示出多变量气体感测器114的一个实施方案。感测器114可代表本文所述感测器或感测系统的另一种形式。感测器114包括衬底302，例如介电材料。一个或几个加热元件304，例如高电阻体，联结到衬底302的一侧。加热元件304从加热器控制器306接收电流，加热器控制器306代表硬件电路系统，该硬件电路系统将加热器电流或电压传导到加热元件304，以加热衬底302，并加热与衬底302的另一侧以及电极310和312联结的感测材料或感测膜308。例如，在本文所述发明主题的一个或多个实施方案中，感测材料利用金属氧化物感测膜。感测材料308可包括沉积在衬底302上的一种或多种材料，以在与环境相互作用时执行可预测和可再现地影响阻抗感测器响应的功能。例如，可沉积诸如SnO2的金属氧化物作为感测材料308。
在所示的实施方案中，感测电极310, 312与感测材料308联结或布置在感测材料308中，并且与衬底302连接。感测电极310, 312为与阻抗分析器电路314导电联结的导电体，阻抗分析器电路314具有一个或多个处理器，所述处理器包括一个或多个微处理器、现场可编程门阵列和/或集成电路。在一个或多个实施方案中，感测电极310, 312可涂覆有响应于一种或多种关注分析物气体的感测材料。阻抗分析器电路314的一个或多个处理器从感测器114接收电信号，电信号代表在感测材料308暴露于流体样品期间感测材料308的阻抗。阻抗分析器电路314检查感测材料308的阻抗响应，以测定在感测材料308所暴露的环境中一种或多种分析物气体的存在和/或量(例如浓度)，如本文所述。
阻抗分析器电路314可提供扫描能力，以跨预定频率范围测定感测器阻抗。或者，阻抗分析器电路314可提供在离散的测定频率或单个频率下测定感测器阻抗的能力。感测器系统控制器316指示阻抗分析器电路314应用什么频率(一种或多种)询问感测材料或感测膜308，和应用什么积分时间在每个频率测定感测器响应。感测器系统控制器316也指示加热器控制器306什么电压或功率应用于加热元件304，或使加热元件304达到什么温度。在一个或多个实施方案中，多变量气体感测器114在高于环境温度至少50°的温度操作。感测器114可任选在高于和/或低于环境温度大于和/或小于50°的温度操作。
在一个实施方案中，在用电刺激激励并加热感测材料或感测膜时，系统可测定感测器的感测材料或感测膜暴露于流体样品的阻抗Ž(f)(由公式(1)表示)：
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公式(1)
其中Zre(f)可为阻抗的实部，而Zim(f)可为阻抗的虚部。在一个实施方案中，阻抗的实部Zre(f)和阻抗的虚部Zim(f)可为非谐振阻抗Ž(f)的两个分量。在一个实施方案中，阻抗的实部Zre(f)和阻抗的虚部Zim(f)可为谐振阻抗Ž(f)的两个分量。
在一些实施方案中，可在跨预定频率范围的多个频率测定非谐振阻抗感测器响应，例如，0.001Hz至10GHz、0.1Hz至1GHz、1Hz至100MHz、10Hz至10MHz或1000Hz至100kHz。可通过多元分析来分析这种非谐振阻抗感测器响应。
在一个实施方案中，感测器的谐振阻抗谱响应可以为多变量谐振响应，因为可用超过一种频率测定跨感测器谐振的感测器响应。在一些实施方案中，感测器的谐振阻抗响应可以为多变量谐振响应，因为可用超过一种频率测定感测器谐振峰外的感测器响应。在一些实施方案中，可在跨感测器谐振的多个频率下测定感测器响应。例如，如果具有涂覆有感测膜的电极的感测器在约10MHz谐振，则可从约8MHz至约12MHz测定所测定的频率和相关的感测器响应。可通过多元分析来分析这种谐振阻抗感测器响应。
本文所述感测器系统的一个或多个实施方案可结合感测器114，其中感测器114连接到阻抗分析器电路314。阻抗分析器电路314测定感测器对不同气体的响应，其中选择用于气体分析的频率范围，使其处于感测器阻抗谱的虚部的拐点附近的频率。阻抗谱的虚部的拐点也称为感测材料的阻抗谱的虚部的驰豫区的驰豫峰或驰豫点。在本文所述的一个或多个实施方案中，阻抗分析器电路314选择来自感测器114的多个响应中的一个或多个响应，与感测器的常规非选择和/或电阻测定相比，且在感测器包括一种或多种感测材料308时，所述一个或多个响应提供：排除一种或多种干扰气体，在至少两种分析物气体之间分辨，改善感测器响应选择性，改善对分析物气体的响应线性度，改善分析物气体的低检测范围，改善分析物气体的高检测范围，改善分析物气体测定的动态范围，或它们的一种或多种组合。感测材料308可以为一种或多种介电聚合物、导电聚合物、金属氧化物、催化金属、大环化合物、笼型化合物、碳同素异形体、离子性液体、复合材料、半导体纳米线、功能化金属纳米颗粒等。
图4示出根据一个实施方案的本文所述感测器的实和虚阻抗响应402, 404相对应的测定响应400的图解说明。例如，阻抗响应400可代表基于由电路系统116产生的刺激波形作为非谐振感测器构造的感测器114的阻抗感测器响应。阻抗响应400由电路系统116基于测定信号测定。例如，电路系统116可从与感测材料308接触的电极310, 312接收测定信号。测定信号为由感测材料308响应刺激波形和感测材料308所暴露的周围环境产生的电信号。测定信号代表感测材料308的阻抗响应。例如，测定信号可具有电特征(例如，电压、电流、频率和/或类似物)，其可由电路系统116用来计算阻抗响应400。将阻抗响应400分成对应于阻抗响应400的实阻抗Zre(f)的实部402和虚阻抗Zim(f)的虚部404。
阻抗响应400的实阻抗Zre(f)相对应的实部402和虚阻抗Zim(f)的虚部404的阻抗测定在虚部404的拐点附近的频率进行。例如，在频谱范围406内进行阻抗测定，与来自相同感测器暴露于不同分析物气体时的电阻响应相比，这提供：控制感测器响应选择性，响应线性度，改善低检测范围，改善高检测范围，改善测定的动态范围。
电极310, 312对感测材料308以在频谱范围406中和周围的一种或多种不同频率施加电刺激。频谱范围406可代表几个频率，例如小于1,000Hz，在1,000Hz和100,000Hz之间且包括1,000Hz和100,000Hz，大于100,000Hz等。例如，在一个实施方案中，感测系统100包括感测器114，其中感测器114连接到阻抗分析器电路314，其中阻抗分析器电路314测定感测器114对不同分析物气体的响应，其中选择用于气体分析的频率范围，使其处于感测器阻抗谱的虚部的拐点附近的频率，并且其中阻抗分析器电路选择来自多变量感测器多个响应中的一个或多个响应，与来自相同感测器暴露于不同分析物气体的电阻响应相比，所述一个或多个响应提供：排除一种或多种干扰气体，分辨至少两种分析物气体，改善感测器响应选择性，改善分析物气体的响应线性度，改善分析物气体的低检测范围，改善分析物气体的高检测范围，改善分析物气体测定的动态范围；或与来自感测器114的非选择响应相比，提供它们的一种或多种组合。
可用本文所述感测器和感测器系统的一个或多个实施方案测定溶解于油并从油提取的气体混合物，类似于普通变压器溶解气体分析(DGA)方法。感测器和感测器系统结合感测元件，其中感测元件连接到阻抗分析器电路，其中阻抗分析器电路在暴露于油中存在(且可能已从油提取)的气体混合物时测定感测元件的响应。例如，图5-8示出执行示例性气体分析的感测器114的非限制实例。在本实例中，流体的关注分析物气体可以为氢气(H2)。关注分析物气体可任选为CO、CO2、CH4、CH4、C2H2、C2H4、C2H6等。作为附加或替代，分析物气体可包括一种或多种用于变压器诊断的故障气体。感测器114借助于电极310, 312改变对感测材料308施加电刺激的频率，以从感测器114接收电信号，电信号表示代表关注H2分析物气体浓度的感测材料的阻抗。以下将一起详细讨论图5-8。
图5示出感测器114对H2浓度变化的常规电阻响应500，H2浓度范围为0百万分率(ppm)至1000ppm，步长为100ppm。例如，图5示出对暴露于包含H2的样品的电阻感测器的常规非线性电阻响应500。在代表时间的水平轴502和代表感测器响应大小的垂直轴504旁边显示电阻响应500。例如，垂直轴504可代表感测器的电阻。响应500代表感测器对氢气(例如，关注分析物气体)测定的电阻。
图6示出具有第一激励和测定条件的感测器114对图5 H2浓度的相同步长变化的阻抗响应Zre 600，H2浓度范围为0ppm至1000ppm，步长为100ppm。第一激励和测定条件包括在频率14,000Hz、15,000Hz、16,000Hz和17,000Hz进行感测材料308气体响应的激励和测定。可任选用大于或小于1,000Hz间隔的多于四个或少于四个不同频率对感测材料308施加电刺激。例如，基于要由感测器114感测的关注分析物气体(例如，H2)，阻抗分析器314选择电极310, 312对感测材料308施加电刺激的一种或多种不同频率的频率、频率范围等。在代表时间的水平轴502和代表感测器阻抗响应大小的垂直轴504旁边显示阻抗响应600。在第一激励和测定条件下，感测器114显示在H2的低浓度水平对H2的存在提高的灵敏度。例如，在对感测材料308施加第一激励和测定条件的低频电刺激时，与图5中所示相同感测材料的电阻响应相比，感测器114显示在或基本在0ppm和500ppm的浓度水平之间对H2气体提高的灵敏度。在相同水平的感测器噪声下，在H2的低浓度水平对H2的存在提高的灵敏度表明H2的感测器低检测范围改善。
图7示出具有第二激励和测定条件的感测器114对图5 H2浓度的相同步长变化的阻抗响应Zre 700，H2浓度范围为0ppm至1000ppm，步长为100ppm。第二激励和测定条件包括在频率80,000Hz、85,000Hz、90,000Hz和95,000Hz进行感测材料308气体响应的激励和测定。可任选用大于或小于1,000Hz间隔的多于四个或少于四个不同频率对感测材料308施加电刺激。在代表时间的水平轴502和代表感测器阻抗响应大小的垂直轴504旁边显示阻抗响应700。在第二激励和测定条件下，感测器114显示在H2的高浓度水平对H2的存在提高的灵敏度。例如，在对感测材料308施加第二激励条件的高频电刺激时，与图5中所示相同感测材料的电阻响应相比，感测器114显示在或基本在500ppm和1,000ppm的浓度水平之间对H2气体提高的灵敏度。在相同水平的感测器噪声下，在H2的高浓度水平对H2的存在提高的灵敏度也表明H2的感测器高检测范围改善。
图8示出具有第三激励和测定条件的感测器114对图5 H2浓度的相同步长变化的阻抗响应Zim 800，H2浓度范围为0ppm至1000ppm，步长为100ppm。第三激励和测定条件包括在频率45,000Hz、47,000Hz、49,000Hz和51,000Hz进行感测材料308气体响应的激励和测定。可任选用大于或小于1,000Hz间隔的多于四个或少于四个不同频率对感测材料308施加电刺激。在代表时间的水平轴502和代表感测器阻抗响应大小的垂直轴504旁边显示阻抗响应800。在第三激励和测定条件下，与图5中所示相同感测材料的电阻响应相比，感测器114显示在H2的中浓度水平对H2的存在提高的灵敏度。
感测材料308的Zre和Zim阻抗响应600、700、800代表在不同频率在不同浓度水平H2下提高的灵敏度。感测材料的灵敏度根据用哪个不同频率施加电刺激而变化。例如，系统100构造成通过改变电极310, 312对感测材料308施加电刺激的频率来改善感测器114的低检测范围。
在较低频率范围(例如，图6的第一激励和测定条件)，与中或高浓度水平H2相比，感测器114对低浓度水平H2的灵敏度提高。例如，感测器114可提高感测材料308对关注分析物气体H2的灵敏度，以将感测器114的低检测范围提高到至少1百万分率(1ppm)的检测水平。感测器可任选将低检测范围提高到小于1ppm的检测水平。在较高频率范围(例如，图7的第二激励和测定条件)，与低或中浓度水平H2相比，感测器对高浓度水平H2的灵敏度提高。例如，感测器114可提高感测材料308对关注分析物气体H2的灵敏度。在中频率范围(例如，图8的第三激励和测定条件)，与低或高浓度水平H2相比，感测器对中浓度水平H2的灵敏度提高。
与一些已知感测器的操作大不相同，本文所述一个或多个感测器可构造成改变感测器114的电极310, 312对感测材料308施加电刺激的频率，以提高感测材料308对不同分析物气体的灵敏度。例如，阻抗分析器电路314可对感测材料施加一种或多种不同频率，以接收代表一种或多种供选关注分析物气体的感测材料的阻抗响应。阻抗响应可代表气体CO、CO2、CH4、CH4、C2H2、C2H4或C2H6中一种或多种的浓度。分析物气体可任选包括一种或多种用于变压器诊断的故障气体。与一些已知感测器的常规测定大不相同，系统100在暴露于更高浓度的气体时提供改善感测器动态测定范围和分辨。
可用本文所述感测器系统的一个或多个实施方案检验已从变压器油等中提取的气体样品。感测器114连接到阻抗分析器电路314，阻抗分析器电路314在不同的频率扫描感测材料308，其中阻抗分析器电路314提供数据输出，使得能够改善跨多种气体的感测器选择性。感测器选择性可包括感测器对关注分析物气体响应、而对单独(例如，与关注分析物气体分开)或与关注分析物气体混合地对感测器存在的不同分析物气体不响应或显示最小响应的能力。例如，已知的感测器可设计成检测一种分析物气体，然而可呈现出对第二种分析物气体的交叉灵敏度。第一分析物气体与第二分析物气体的交叉灵敏度阻止已知的感测器区分第一分析物气体和第二分析物气体。例如，流体样品中包括多种不同的分析物气体。感测材料308可在通过感测器114的电极310, 312 对感测材料308施加电刺激的不同相应频率对不同浓度的不同分析物气体灵敏。
图9-13示出对其中具有一种或多种分析物气体的流体储器112的流体样品(例如，变压器油)进行溶解气体分析(DGA)的系统100的非限制实例。在本实例中，关注分析物气体可以为氢气(H2)，并且感测器114可以为H2阻抗气体感测器。然而，常规的金属氧化物电阻H2感测器对C2H2具有已知的高交叉灵敏度。因此，这些已知感测器无法区分C2H2和H2。在本实施方案中，H2感测器114(例如，处理器124)借助于电极310, 312改变对感测材料308施加电刺激的频率，以从H2感测器114接收电信号，电信号表示代表关注H2分析物气体浓度的感测材料的阻抗。以下将一起详细讨论图9-13。
图9示出常规电阻金属氧化物H2感测器114的电阻响应900。然而，H2感测器114可能无法区分两种气体，即H2和C2H2。图9示出暴露于不同浓度H2和C2H2气体的常规电阻感测器的响应901, 903。在代表时间的水平轴902和代表感测器响应大小的垂直轴904旁边显示电阻响应901, 903。例如，垂直轴904可代表常规电阻金属氧化物H2感测器的响应。响应901表示存在C2H2，响应903表示存在H2。响应901包括指示三种不同浓度C2H2的响应，响应903包括指示三种不同浓度H2的响应。可任选以图形指示多于三个或少于三个不同浓度的C2H2或H2之一或更多。响应901包括代表100ppm浓度C2H2的响应906，代表300ppm浓度C2H2的响应908，和代表500ppm浓度C2H2的响应910。响应903包括代表20ppm浓度H2的响应912，代表40ppm浓度H2的响应914，和代表60ppm浓度H2的响应916。如图9中所示，H2感测器无法区分响应910(500ppm C2H2)和响应912(20ppm H2)。例如，图9示出熟知的C2H2对H2的交叉灵敏度，这由对C2H2的强响应明显看出，尽管感测器设计成H2感测器。
图10A、图10B和图10C示出在三个不同频率下H2感测器114的阻抗响应的实部Zre1000A, 1000B, 1000C。可任选用少于三个或多于三个不同频率作为不同的激励条件。阻抗响应1001代表对存在C2H2的阻抗响应，阻抗响应1003代表对存在H2的阻抗响应。
图10A示出阻抗响应的实部Zre 1001, 1003，伴有感测材料308经历第一激励和测定条件。第一激励和测定条件包括在频率1,000Hz询问感测材料308。响应1001包括阻抗响应1006(100ppm C2H2)、阻抗响应1008(300ppm C2H2)和阻抗响应1010(500ppm C2H2)。响应1003包括阻抗响应1012(20ppm H2)、阻抗响应1014(40ppm H2)和阻抗响应1016(60ppmH2)。在图10A 1,000Hz的第一激励和测定条件下，与C2H2相比，H2感测器显示对H2的选择性改善。例如，阻抗响应1010(500ppm C2H2)在图形上可与响应1012(20ppm H2)区分开。
图10B示出阻抗响应的实部Zre 1001, 1003，伴有感测材料308经历第二激励和测定条件。第二激励和测定条件包括在频率10,000Hz询问感测材料308。响应1001包括阻抗响应1017(100ppm C2H2)、阻抗响应1018(300ppm C2H2)和阻抗响应1020(500ppm C2H2)。响应1003包括阻抗响应1022(20ppm H2)、阻抗响应1024(40ppm H2)和阻抗响应1026(60ppmH2)。在图10B 10,000Hz的第二激励和测定条件下，与C2H2相比，H2感测器显示对H2的选择性改善。例如，与对图10A 激励条件的阻抗响应相比，响应1020(500ppm C2H2)甚至更可在图形上与响应1022(20ppm H2)区分开。
图10C示出阻抗响应的实部Zre 1001, 1003，伴有感测材料308经历第三激励和测定条件。第三激励和测定条件包括在频率79,000Hz询问感测材料308。响应1001包括阻抗响应1027(100ppm C2H2)、阻抗响应1028(300ppm C2H2)和阻抗响应1030(500ppm C2H2)。响应1003包括阻抗响应1032(20ppm H2)、响应1034(40ppm H2)和响应1036(60ppm H2)。在图10C79,000Hz的第三激励和测定条件下，与C2H2相比，H2感测器显示对H2的选择性甚至更加改善。例如，与对图10A和10B激励条件的阻抗响应相比，响应1030(500ppm C2H2)甚至更可在图形上与响应1032(20ppm H2)区分开。
在图10A、10B和10C的第一、第二和第三激励和测定条件下，与C2H2响应相比，H2感测器显示对H2的选择性显著提高。
类似地，图11A、11B和11C示出在三个不同频率下H2感测器114的阻抗响应的虚部Zim 1100A, 1100B, 1100C。可任选用少于三个或多于三个不同频率作为不同的激励条件。阻抗响应1101(对应于响应1001)表示对C2H2存在的阻抗响应，阻抗响应1103(对应于响应1003)表示对H2存在的阻抗响应。
图11A示出阻抗响应的虚部Zim 1101, 1103，伴有感测材料308经历第一激励和测定条件。第一激励和测定条件包括在频率1,000Hz询问感测材料308。响应1101包括阻抗响应1106(100ppm C2H2)、阻抗响应1108(300ppm C2H2)和阻抗响应1110(500ppm C2H2)。响应1103包括阻抗响应1112(20ppm H2)、阻抗响应1114(40ppm H2)和阻抗响应1116(60ppmH2)。在图11A 1,000Hz的第一激励和测定条件下，与C2H2相比，H2感测器显示对H2的选择性改善。例如，阻抗响应1110(500ppm C2H2)在图形上可与响应1112(20ppm H2)区分开。
图11B示出阻抗响应的虚部Zim 1101, 1103，伴有感测材料308经历第二激励和测定条件。第二激励和测定条件包括在频率10,000Hz询问感测材料308。响应1101包括阻抗响应1116(100ppm C2H2)、阻抗响应1118(300ppm C2H2)和阻抗响应1120(500ppm C2H2)。响应1103包括阻抗响应1122(20ppm H2)、阻抗响应1124(40ppm H2)和阻抗响应1126(60ppmH2)。在图11B 10,000Hz的第二激励和测定条件下，与C2H2相比，H2感测器显示对H2的选择性改善。例如，与对图11A 激励条件的阻抗响应相比，响应1120(500ppm C2H2)甚至更可在图形上与响应1122(20ppm H2)区分开。
图11C示出阻抗响应的虚部Zim 1101, 1103，伴有感测材料308经历第三激励和测定条件。第三激励和测定条件包括在频率79,000Hz询问感测材料308。响应1101包括阻抗响应1126(100ppm C2H2)、阻抗响应1128(300ppm C2H2)和阻抗响应1130(500ppm C2H2)。响应1103包括阻抗响应1132(20ppm H2)、响应1134(40ppm H2)和响应1136(60ppm H2)。在图11C79,000Hz的第三激励和测定条件下，与C2H2相比，H2感测器显示对H2的选择性甚至更加改善。例如，与对图11A和11B激励条件的阻抗响应相比，响应1130(500ppm C2H2)甚至更可在图形上与响应1132(20ppm H2)区分开。
在图11A、11B和11C的第一、第二和第三激励和测定条件下，与C2H2响应相比，H2感测器显示对H2的选择性显著提高。另外，对H2的阻抗虚响应1103显示在H2的小浓度下对H2具有高灵敏度的线性响应。
图12示出归一化的虚部阻抗响应Zim 1201, 1203(对应于图11A、11B和11C的响应1100A, 1100B, 1100C)，图解说明对60ppm H2的H2感测器响应(例如，图11A-C的响应1116,1126, 1136)的强度归一化的第一、第二和第三激励和测定条件(1,000Hz、10,000Hz和79,000Hz)。响应1201包括代表100ppm浓度C2H2的阻抗响应1206，代表300ppm浓度C2H2的阻抗响应1208，和代表500ppm浓度C2H2的阻抗响应1210。响应1103包括代表20ppm浓度H2的阻抗响应1212，代表40ppm浓度H2的阻抗响应1214，和代表60ppm浓度H2的阻抗响应1216。阻抗响应的虚部Zim表明，随着频率激励和测定条件的提高，对C2H2干扰的排除改善。例如，阻抗响应1210(500ppm C2H2)在图形上可与阻抗响应1212(20ppm H2)辨别开。
回到图9并关于图12回顾，图12说明，虚部阻抗响应Zim 1210(500ppm C2H2)可与虚部阻抗响应1212(20ppm H2)辨别开。例如，H2感测器的阻抗响应说明，在不同的激励条件下，H2感测器可将样品中C2H2的存在与H2的存在区分开。或者，图9的电阻响应901, 903说明，电阻器响应910(500ppm C2H2)与电阻器响应912(20ppm H2)在图形上不可辨别开。例如，电阻感测器显示，对500ppm C2H2干扰的响应910与对20ppm H2的响应912相同。
图13示出对500ppm浓度水平C2H2的阻抗感测器响应(例如，图10A、B、C和11A、B、C的阻抗响应1010, 1020, 1030, 1110, 1120, 1130)和对60ppm浓度水平H2的阻抗感测器响应(例如，图10A、B、C和11A、B、C的阻抗响应1016, 1026, 1036, 1116, 1126, 1136)之间比率的图解说明。在以DC模式(例如，作为电阻)并且在激励和测定条件1,000Hz、10,000Hz和79,000Hz进行测定时，水平轴1302代表操作频率(例如，激励和测定条件)，垂直轴1304代表500ppm C2H2的感测器响应与60ppm H2的感测器响应之间的比率。随着工作频率增加，对500ppm C2H2和60ppm H2浓度的感测器响应之间的比率减小。随着比率减小，H2感测器变得对C2H2不太灵敏。例如，随着对500ppm C2H2和60ppm H2浓度的感测器响应之间的比率减小，C2H2的干扰减小，并且H2感测器更容易将C2H2与H2区分开。例如，对C2H2干扰的排除改善。
图9-13示出H2阻抗气体感测器的一个实例，其显示在不同频率的阻抗响应，以改善对H2的感测器灵敏度，并减小C2H2干扰。例如，感测器灵敏度可包括每个分析物浓度单位的测定的感测器响应信号，也可定义为测定的感测器响应信号与测定的分析物浓度之比。作为附加或替代，感测器可以为用于一种或多种不同分析物气体的阻抗感测器。例如，感测器可改善感测材料对关注第二分析物气体的灵敏度，同时减小一种或多种另外的分析物气体的干扰。
图14示出用于改善感测灵敏度的方法1400的一个实施方案的流程图。方法1400通过本文所述阻抗气体感测系统的一个或多个实施方案进行。在1402，由一个或多个处理器接收来自阻抗气体感测器的电信号。感测器包括电极和具有感测材料的感测区电路，并且与其中具有一种或多种分析物气体的样品接触。例如，样品可以为在油中具有不同浓度溶解气体的变压器油。溶解气体可以为CO、CO2、H2、CH4、C2H2、C2H4或C2H6中的一种或多种。在1404，对与样品操作接触的感测材料施加具有一种或多种不同频率的电刺激。例如，通过使感测器浸入绝缘流体，将感测器放入绝缘流体的顶部空间，或通过替代方法，感测器114可与绝缘流体操作接触。在感测器与油操作接触时，油中的溶解气体与感测器相互作用，并产生可预测的多变量感测器响应。在油润湿感测材料时通过感测器直接浸入油中，或在油不润湿感测材料时通过可允许油中的溶解气体通过膜扩散到感测材料的透气膜，或通过将感测器放入顶部空间，可实现操作接触。当将感测器放入气相样品中时，也可实现操作接触，其中气相样品为从绝缘流体中的溶解气体内容物提取或代表绝缘流体中的溶解气体内容物。例如，通过使气体感测器浸入油中，或将感测器放入从油中的溶解气体内容物提取或代表油中的溶解气体内容物的气相样品，感测器可与油(例如，绝缘流体)操作接触。一种或多种不同频率的频率基于感测器的感测材料和要由感测器感测的关注分析物气体。例如，关注分析物气体可以为H2。电极施加电刺激的频率基于关注的分析物气体H2。或者，不同的频率可基于不同的关注分析物气体，例如C2H2。
在1406，基于从感测器接收的电信号以及在感测器的多变量响应和分析物浓度之间的先前开发和存储的传递函数，测定关注分析物气体的浓度。例如，感测器传递函数可包括用于在感测器的不同应用中测定分析物气体浓度的感测器响应信号和分析物气体浓度之间的关系。电信号代表在一种或多种不同频率下感测材料暴露于样品期间感测材料的阻抗，其中感测材料的阻抗指示关注分析物气体的浓度。例如，电信号可以为第一阻抗响应，其中第一阻抗响应可指示样品中存在的H2的第一浓度。
在1408，确定所测定的关注分析物气体的浓度是否不同于一个或多个指定阈值。例如，关注分析物气体可以为H2。如果变压器油样品中测定的H2浓度小于或大于H2的指定阈值浓度或量，则太低或太高浓度的H2可能表明变压器先前和/或潜在的故障。作为另一个实例，如果测定的甲烷CH4浓度超过指定的阈值，则可能需要停用或停止变压器，以避免潜在的火花。作为另一个实例，如果乙烯C2H4、一氧化碳CO或二氧化碳CO2中一种或多种的测定浓度超过指定的阈值，则可能需要停用或停止变压器，以避免严重的过热。
如果关注分析物气体的测定量和/或浓度不同于指定的阈值(例如，超过较大、较高的指定阈值或低于较小、较低的指定阈值)，则方法1400的流程可进行到1410。否则，方法1400的流程可返回到1402，以继续测定分析物气体的量和/或浓度，或者可以终止。
在1410，执行一个或多个响应动作。例如，如果变压器油中一种或多种气体的量超过指定的阈值，则自动停用变压器。
图15示出根据一个实施方案用于测定溶解于变压器油1502或变压器1504的任何绝缘流体的气体的系统1500。用至少一个多变量感测器1506进行溶解气体的测定，其中感测器1506与油1502或已用一种方法从绝缘流体释放并暴露于感测器气体操作接触，该方法例如膜界面、顶部空间法、真空提取或任何替代方法。例如，感测器1506可与来自变压器油1502(例如，绝缘流体)的至少一种分析物气体操作接触。多变量感测器可以指能够产生彼此基本不相关的多个响应(例如响应信号)的单个感测器，其中用多元分析工具进一步分析来自多变量感测器的这些各个的响应信号，以构建感测器暴露于不同浓度下不同分析物的响应模型。来自感测器的多个响应可根据感测器操作频率、感测器操作波长、感测器操作温度、感测器操作电压、感测器操作功率、感测器操作极化等而不同。多变量感测器可以为任何感测器。通过测定彼此基本不相关的多于一个响应(例如响应信号)，可使常规感测器转换成多变量感测器，其中用多元分析工具进一步分析来自感测器的各个响应信号。
在一个或多个实施方案中，用多元分析工具对多个响应信号进行多变量和/或多元信号转换，以构建多变量感测器响应。多元分析可以指一种数学过程，该过程可用于分析来自感测器响应的两个或更多个变量，并从测定的感测器参数提供至少一种气体类型的信息，和/或从测定的感测器参数提供关于至少一种气体浓度的定量信息。例如，多元分析工具可包括规范相关分析、回归分析、非线性回归分析、主成分分析、判别函数分析、多维缩放、线性判别分析、逻辑回归、神经网络分析或其它工具。多元分析可在线、联机和/或离线进行。
在一个或多个实施方案中，油1502中的溶解气体与感测器1506相互作用，或从油释放并暴露于感测器1506，并产生可预测的多变量感测器响应。在油润湿感测器1506时通过感测器1506直接浸入油1502中，或在油1502不润湿感测器1506时通过可允许油1502中的溶解气体通过膜扩散到感测器1506的透气膜，可实现操作接触1508。当感测器1506布置在油1502和感测器1506之间的气隙中时，也可以实现操作接触1508。通过使用膜和在膜与感测器1506之间的间隙，或者通过将感测器1506布置在未完全充满储器的油最高位上方，可形成这种气隙。从绝缘流体通过供选的气体提取方法，如顶部空间或真空提取，并使提取的气体暴露于感测器1506，也可实现操作接触。
感测器1506为能够产生彼此基本不相关的多个响应信号的多变量感测器，其中用多元分析工具进一步分析来自多变量感测器1506的这些各个的响应信号，以构建感测器暴露于以不同浓度溶解于油的不同分析物的响应模型。
在图15中使用的多变量感测器的非限制实例包括阻抗感测器、谐振阻抗感测器、非谐振阻抗感测器、电子感测器、机电谐振器感测器(例如音叉、悬臂感测器、声学器件感测器等)、光学感测器、声学感测器、光声感测器、近红外感测器、紫外感测器、红外感测器、可见光感测器、光纤感测器、反射感测器等。
多变量感测器1506可产生多个响应信号，其可由决策单元1510用于控制目的。多变量感测器1506的多个响应信号可由感测器电子装置本身分析，并且可基于多个响应信号的多元分析来产生复合输出。例如，在感测器1506暴露于来自变压器油1502(例如，绝缘流体)的分析物气体期间，决策单元1510可从感测器1506接收多个响应。多个响应信号可代表变压器油1502(例如，绝缘流体)中存在的分析物气体的浓度。
图16示出使用本发明的感测器对用空气稀释的低ppm水平乙炔C2H2的示例性检测。感测器利用半导体金属氧化物作为感测材料。半导体金属氧化物为二氧化锡SnO2。用计算机控制的气体稀释和混合系统，在亚ppm和低ppm的水平产生C2H2的浓度，例如0.86、1.72、2.59、3.45、4.31、5.17、6.03和6.90ppm。感测器放在低死体积的气体流动池中。具有半导体金属氧化物SnO2作为感测材料的感测器以AC阻抗模式操作。感测器阻抗的测定用阻抗分析器进行。在图16中所绘的结果表明，以阻抗模式操作的感测器检测到低至0.86ppm的亚ppm水平的C2H2浓度。
图17描绘了使用本发明的感测器检测十亿分率(ppb)水平乙炔C2H2的多个周期的实例。感测器利用半导体金属氧化物作为感测材料。半导体金属氧化物为二氧化锡SnO2。用计算机控制的气体稀释和混合系统，在ppb水平产生C2H2浓度的多个周期，例如0、362、725、1090和1450ppb。感测器放在低死体积的气体流动池中。具有半导体金属氧化物SnO2作为感测材料的这种感测器以阻抗模式操作。感测器阻抗的测定用阻抗分析器进行。在图17中所绘的结果表明，以阻抗模式操作的感测器在多个操作周期内检测到低至362ppb水平的C2H2浓度。
图18A和18B描绘感测器的示例性时间响应，感测器具有半导体金属氧化物作为感测材料，用于检测用空气稀释的不同浓度的氢气H2。图18A示出以DC电阻模式操作的感测器，图18B示出以AC阻抗模式操作的感测器。半导体金属氧化物为二氧化锡SnO2。用计算机控制的气体稀释和混合系统，在空气中以百分数水平产生H2的浓度，例如0、0.3125、0.6250、0.9375、1.2500、1.5625、1.8750、2.1875和2.5000%体积。感测器布置在低死体积的气体流动池中。在图18A中所绘的结果表明，以电阻模式(利用电阻读数)操作的感测器显示响应大小作为H2浓度的函数快速饱和。当以电阻模式操作用于检测相对较高浓度的H2时，此限制导致感测器的灵敏度相对较差。与以电阻模式操作的感测器(例如，图18A)大不相同，如图18B中所绘以阻抗模式操作相同的感测器改善感测器检测相对较高浓度H2的灵敏度。
图19描绘了示例性校准曲线，用于使用具有半导体金属氧化物作为感测材料的感测器并在以DC电阻模式和以AC阻抗模式操作时检测用空气稀释的甲烷CH4。半导体金属氧化物为二氧化锡SnO2。用计算机控制的气体稀释和混合系统，在空气中以百分数水平产生CH4的浓度，例如0、1.54、3.08、4.62、6.15、7.69、9.23、10.8、12.3、13.8、15.4、16.9、18.5、20.0、21.5、23.1、24.6、26.2、27.7、29.2和30.8%体积。感测器布置在低死体积的气体流动池中。在图19中所绘的结果表明，以电阻模式操作的感测器显示响应大小作为甲烷CH4浓度的函数快速饱和。当以电阻模式操作用于检测相对较高浓度的甲烷CH4时，此限制导致感测器的灵敏度相对较差。与以电阻模式操作的感测器大不相同，以阻抗模式操作相同的感测器改善感测器检测较高浓度CH4的灵敏度。
图20A和20B描绘了用空气稀释的甲烷CH4和乙烷C2H6的示例性检测，检测使用具有半导体金属氧化物作为感测材料的感测器。半导体金属氧化物为二氧化锡SnO2。感测器布置在低死体积的气体流动池中。具有半导体金属氧化物SnO2作为感测材料的感测器以DC电阻模式和以AC阻抗模式操作。在进行的实验中，用计算机控制的气体稀释和混合系统产生不同的甲烷和乙烷浓度。作为非限制实例，甲烷和乙烷的浓度为0、56、112和169ppm，在图20A和20B上标为0、1、2和3。也可任选检测其它浓度的甲烷和乙烷。如所预料的那样，当感测器以电阻模式操作时，如图20A中所示，感测器未区分甲烷和乙烷。
在具有半导体金属氧化物SnO2作为感测材料的感测器以阻抗模式操作时，实现甲烷和乙烷的独立定量。使用GE的Six Sigma Toolbox的DFSS处理工具进行甲烷和乙烷的分开独立定量。对于该定量，将单个感测器在几个频率的响应与已知的甲烷和乙烷浓度一起输入DFSS处理工具中。DFSS处理工具计算传递函数，传递函数选择性预测甲烷和乙烷的浓度。
将为了甲烷选择性定量而开发的传递函数和为了乙烷选择性定量而开发的传递函数应用于感测器暴露于甲烷和乙烷的多个周期。图20B描绘了经多个周期使用这些传递函数只对甲烷和只对乙烷的独立定量。对甲烷的预测感测器输出不受对乙烷的强原始感测器响应的影响，且只显示甲烷的预测浓度。对乙烷的预测感测器输出不受对甲烷的原始感测器响应的影响，且只显示乙烷的预测浓度。
图21A、21B、22A、22B、23A和23B示出具有本文所述主题的感测器阻抗响应的不同形状的三个实施方案。作为一个实例，感测器为对氢气H2浓度步长变化响应的二氧化锡SnO2金属氧化物感测器，氢气H2浓度范围为0至1000ppm，步长为100ppm，且在暴露于H2之间暴露于清洁空气。
图21A示出感测器对在感测器的第一操作频率获得的不同H2气体浓度的实验测定阻抗响应。例如，第一操作频率为约20kHz。感测器阻抗响应的形状类似于在感测器暴露于空气中渐增浓度H2气体时半导体金属氧化物的电阻响应。可通过金属氧化物感测器的电阻和H2浓度之间的常用关系来预测对H2气体的电阻响应的形状。金属氧化物感测器(例如，具有二氧化锡SnO2或其它半导体金属氧化物)对空气中渐增H2浓度的阻抗响应的计算电阻可用公式(2)表示的幂律描述：
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公式(2)
其中Ro可以为对清洁空气的感测器电阻，KH2可以为感测器对H2气体的电阻或阻抗灵敏度，[H2]可以为对感测器呈现的H2气体浓度，β可以为感测器响应的幂律系数。
图21B示出图21A的感测器的阻抗响应的计算电阻。图21B中所示的响应与图5中所示的电阻感测器的响应相似。比较图21A和21B中响应的形状表明与图5中所示的响应相似，从而证明以上公式(2)的有效性。
本文所述主题的感测器在其它频率的阻抗响应具有与电阻感测器的常规响应(例如，图5的电阻响应)的形状不同的形状，后者是在H2气体渐增浓度下已知感测器灵敏度损失的形状。图22A、22B、23A和23B示出在其它频率下阻抗响应的不同形状。
图22A示出感测器对在感测器的第二操作频率获得的不同H2气体浓度的测定阻抗响应。例如，第二操作频率可以为约45kHz。感测器阻抗响应的形状近似为S形，并且在视觉上与相同的半导体金属氧化物在暴露于空气中渐增浓度H2气体时的电阻响应不同，如图5中所示。另外，阻抗响应的S形可替代地通过幂律公式(2)描述。例如，图22A的金属氧化物感测器对空气中渐增H2浓度的阻抗响应的计算电阻也可用公式(2)表示的幂律描述，但具有代表感测器对H2气体的电阻灵敏度的不同系数KH2。例如，图22A中幂律计算的系数KH2的值可小于图21A的阻抗响应的幂律计算的系数KH2的值。
图22B示出图22A的感测器的阻抗响应的计算电阻。图22A和图22B中所示响应形状的视觉比较证明与感测器的测定阻抗响应的S形的相似性。例如，不同的系数KH2影响感测器阻抗响应的形状。
图23A示出感测器对在感测器的第三操作频率获得的不同H2气体浓度的测定阻抗响应。例如，第三操作频率可以为约99kHz。感测器阻抗响应的形状近似为指数形状，它在视觉上与相同的半导体金属氧化物在暴露于空气中渐增浓度H2气体时的电阻响应不同，如图5中所示。另外，阻抗响应的指数形状可替代地通过幂律公式(2)描述。例如，图23A的金属氧化物感测器对空气中渐增H2浓度的电阻响应也可用公式(2)表示的幂律描述，但具有代表感测器对H2气体的电阻灵敏度的不同系数KH2。例如，图23A中幂律计算的系数KH2的值可小于图22A的阻抗响应的幂律计算的系数KH2的值，也小于图21A中幂律计算的系数KH2的值。
图23B示出图23A的感测器的阻抗响应的计算电阻。图23A和图23B中所示响应形状的视觉比较证明感测器的测定阻抗响应的指数形状。例如，不同的系数KH2影响感测器阻抗响应的形状。
图24示出使用本发明的阻抗感测器对用空气稀释的氢气H2和乙炔C2H2的示例性检测。感测器利用半导体金属氧化物作为感测材料(例如，感测材料308)。半导体金属氧化物为二氧化锡SnO2。用计算机控制的气体稀释和混合系统，在百万分率(ppm)水平产生H2的浓度，例如10ppm(1)、15ppm(2)和20ppm(3)，也在ppm水平产生C2H2的浓度，例如1000ppm(1)、3000ppm(2)和5000ppm(3)。气体浓度顺序呈现给感测器，在暴露于气体之间有空白(洁净的空气)。感测器放在低死体积的气体流动池中。图24中所绘的结果说明在不同的频率下氢气H2和乙炔C2H2的检测。例如，图A说明在8kHz的感测器响应，图B说明在20kHz的感测器响应，图C说明在50kHz的感测器响应，图D说明在70kHz的感测器响应，图E说明在80kHz的感测器响应。
各图A-E包括两条水平虚线 2402, 2404。线2402突出显示感测器对最低检验H2浓度10ppm(1)的响应大小，并将此响应大小与感测器对检验C2H2浓度的响应大小比较。线2404突出显示感测器对最高检验H2浓度20ppm(3)的响应大小，并将此响应大小与感测器对检验C2H2浓度的响应大小比较。图A展示，在一个所示频率(8kHz)，感测器响应具有对H2和C2H2相似的大小，如两条线2402, 2404突出显示。然而，如图B-E中所示，在其它所示频率，对C2H2的响应大小相对于对H2的响应大小逐步减小。因此，阻抗感测器在不同频率的操作对H2和C2H2提供了不同的响应模型，其中对H2和C2H2的相对响应大小依检测频率而变。在一个实施方案中，响应模型的差异允许选择适当优化的单一频率，其相对于选择替代的频率，在测定另一种气体时一种气体的影响相对较小。这样的单一优化频率还用于使用常规感测器或多变量感测器进行感测。在另一个实施方案中，响应模型的差异允许选择适当的几种频率，其在测定另一种气体时具有一种气体的多种影响，以进一步进行多元分析，并且完全区分两种气体。
图25A和25B示出阻抗感测器对不同浓度下H2和C2H2暴露的频率相关响应模型的主成分分析(PCA)的结果。图25A示出第一主成分(PC1)相对于第二主成分(PC2)的二维图。PC的得分图将感测器对不同气体的响应模型可视化。这些图说明，基于SnO2感测材料的单个阻抗感测器的PCA响应从对空白(洁净的空气)的响应开始，并进一步指向取决于检测的气体类型的不同方向。图25B示出PC1相对于PC2相对于第三主成分(PC3)的三维图。图25B示出基于SnO2感测材料的单个阻抗感测器的PCA响应具有高响应维度，例如三维。响应维度越高，相对于较低响应维度，气体之间的差异越有所改善。
在本文所述主题的一个实施方案中，一种用于分析变压器的绝缘流体中存在的至少一种分析物气体的系统包括气体感测器，气体感测器构造成要与来自绝缘流体的至少一种分析物气体操作接触，并从感测器提供多个响应。系统包括一个或多个处理器，处理器构造成在感测器暴露于来自绝缘流体的至少一种分析物气体期间从感测器接收多个响应。多个响应代表绝缘流体中存在的至少一种分析物气体的浓度。一个或多个处理器构造成选择来自感测器的多个响应中的一个或多个响应，与来自感测器的未选择响应相比，所述一个或多个响应提供：排除一种或多种干扰气体，在至少两种气体之间分辨，改善至少一种分析物气体的低检测范围，改善至少一种分析物气体的高检测范围，改善至少一种分析物气体的响应线性度，改善至少一种分析物气体测定的动态范围，或它们的一种或多种组合。
任选绝缘流体为变压器油。
任选气体感测器为多变量气体感测器。
任选气体感测器包括阻抗感测器、光子感测器、电子感测器或混合感测器中的一种或多种。
任选气体感测器具有感测材料，感测材料包括金属氧化物材料、复合材料、半导体材料、无机材料、有机材料、聚合物材料、纳米复合材料或配制材料中的一种或多种。
任选感测器构造成要通过使气体感测器浸入绝缘流体或将感测器放入气相样品中的一者或更多来与绝缘流体操作接触，其中气相样品为以下之一或更多：从绝缘流体中的溶解气体内容物提取或代表绝缘流体中的溶解气体内容物。
任选气体感测器为感测器阵列。
任选至少一种分析物气体包括H2、C2H2、CH4、C2H6、C2H4、CO或CO2中的一种或多种。
任选至少一种分析物气体包括一种或多种用于变压器诊断的故障气体。
任选来自感测器的多个响应根据感测器操作频率、感测器操作波长、感测器操作温度、感测器操作电压、感测器操作功率或感测器操作极化中的一种或多种而不同。
任选由在线、联机或离线中的一种或多种对变压器绝缘流体中存在的至少一种分析物气体进行分析。
任选感测器构造成在变压器油中进行溶解气体分析(DGA)。
任选变压器安装在地平面之下、地平面之上或接近地平面之一或更多。
任选气体感测器构造成在高于环境温度至少50℃的温度操作。
在本文所述主题的一个实施方案中，一种用于分析变压器的绝缘流体中存在的至少一种分析物气体的方法包括从多变量气体感测器提供多个响应，感测器构造成要与具有至少一种分析物气体的绝缘流体操作接触。方法包括在感测器暴露于绝缘流体期间用一个或多个处理器从感测器接收多个响应。多个响应代表绝缘流体中存在的至少一种分析物气体的浓度。方法包括用一个或多个处理器选择来自感测器的多个响应中的一个或多个响应，与来自感测器的未选择响应相比，所述一个或多个响应提供：排除一种或多种干扰气体，在至少两种气体之间分辨，改善至少一种分析物气体的低检测范围，改善至少一种分析物气体的高检测范围，改善至少一种分析物气体的响应线性度，改善至少一种分析物气体测定的动态范围，或它们的一种或多种组合。
任选绝缘流体为变压器油。
任选多变量气体感测器包括阻抗感测器、光子感测器、电子感测器或混合感测器中的一种或多种。
任选多变量气体感测器具有感测材料，感测材料包括金属氧化物材料、复合材料、半导体材料、无机材料、有机材料、聚合物材料、纳米复合材料或配制材料中的一种或多种。
任选感测器构造成要通过使多变量气体感测器浸入绝缘流体或将感测器放入绝缘流体的顶部空间中的一者或更多来与绝缘流体操作接触。
任选多变量气体感测器为感测器阵列。
任选至少一种分析物气体包括H2、C2H2、CH4、C2H6、C2H4、CO或CO2中的一种或多种。
任选至少一种分析物气体包括一种或多种要用于变压器诊断的故障气体。
任选来自感测器的多个响应根据感测器操作频率、感测器操作波长、感测器操作温度、感测器操作电压、感测器操作功率或感测器操作极化中的一种或多种而不同。
任选由在线、联机或离线中的一种或多种对变压器绝缘流体中存在的至少一种分析物气体进行分析。
任选感测器构造成在变压器油中进行溶解气体分析(DGA)。
任选方法还包括将变压器安装在地平面之下、地平面之上或接近地平面之一或更多。
任选方法还包括在高于环境温度至少50℃的温度操作多变量气体感测器。
在本文所述主题的一个实施方案中，系统包括构造成要与其中具有一种或多种分析物气体的样品接触的阻抗气体感测器。阻抗感测器包括电极和具有感测材料的感测区电路。电极构造成对感测材料以一种或多种不同频率施加电刺激。系统包括一个或多个处理器，处理器构造成从感测器接收电信号，电信号代表在一种或多种不同频率下感测材料暴露于样品期间感测材料的阻抗。阻抗代表样品中一种或多种分析物气体中的关注分析物气体的浓度。一个或多个处理器构造成基于要由感测器感测的关注分析物气体，选择感测器的电极对感测材料施加电刺激的一种或多种不同频率的频率。一个或多个处理器构造成选择来自感测器的一个或多个响应，与来自感测器的未选择响应相比，所述一个或多个响应提供以下之一或更多：排除一种或多种干扰气体，在至少两种气体之间分辨，改善一种或多种分析物气体的低检测范围，改善一种或多种分析物气体的高检测范围，改善一种或多种分析物气体的响应线性度，改善一种或多种分析物气体测定的动态范围，或它们的一种或多种组合。
在本文所述主题的一个实施方案中，方法包括用一个或多个处理器从阻抗气体感测器接收电信号，阻抗气体感测器与其中具有一种或多种分析物气体的样品接触。阻抗感测器包括电极和具有感测材料的感测区电路，感测材料从电极接收一种或多种不同频率的电刺激。感测器的电极对感测材料施加电刺激的一种或多种不同频率的频率基于一种或多种分析物气体中要由感测器感测的关注分析物气体。方法包括基于从感测器接收的电信号测定样品中一种或多种分析物气体中的关注分析物气体的浓度。电信号代表在一种或多种不同频率下感测材料暴露于样品期间感测材料的阻抗。感测材料的阻抗指示样品中关注分析物气体的浓度。
在本文所述主题的一个实施方案中，系统包括构造成要与其中具有一种或多种分析物气体的样品接触的阻抗气体感测器。阻抗感测器包括接收一种或多种频率的电刺激的感测材料。系统包括一个或多个处理器，处理器构造成从感测器接收电信号，电信号代表在一种或多种不同频率下感测材料暴露于样品期间感测材料的阻抗。阻抗代表样品中一种或多种分析物气体中的关注分析物气体的浓度。一个或多个处理器构造成改变对感测材料施加电刺激的一种或多种频率，以改变感测材料对一种或多种分析物气体中不同气体的灵敏度。一个或多个处理器构造成选择来自感测器的一个或多个响应，与来自感测器的未选择响应相比，所述一个或多个响应提供以下之一或更多：排除一种或多种干扰气体，在至少两种气体之间分辨，改善一种或多种分析物气体的低检测范围，改善一种或多种分析物气体的高检测范围，改善一种或多种分析物气体的响应线性度，改善一种或多种分析物气体测定的动态范围，或它们的一种或多种组合。
如本文所用，以单数叙述并且在前面有词“一”或“一个”的元素或步骤应理解为不排除复数个所述元素或步骤，除非明确叙述这样的排除。另外，对当前所述发明主题的“一个实施方案”的提及不旨在解释为排除也并入所述特征的另外实施方案的存在。另外，除非明确叙述为相反情况，“包含”(comprising)、“包括”(including)或“具有”(having)(或类似术语)有特定性质的一个元素或有特定性质的多个元素的实施方案可包括没有该特定性质的另外的此类元素。
本文所用诸如“系统”或“控制器”之类的术语可包括操作以执行一种或多种功能的硬件和/或软件。例如，系统或控制器可包括基于在有形且非暂时的计算机可读存储介质(例如，计算机存储器)上存储的指令执行操作的计算机处理器或其它基于逻辑的装置。或者，系统或控制器可包括基于装置硬连线逻辑执行操作的硬连线装置。附图中所示的系统和控制器可代表基于软件或硬连线指令操作的硬件、引导硬件执行操作的软件或其组合。
本文所用例如“操作连接”、“操作性连接”、“操作联结”、“操作性联结”、“操作接触”、“操作性接触”等术语表示两个或更多个组件以使得或允许至少一个组件完成指定功能的方式连接。例如，当两个或更多个组件操作连接时，可存在一个或多个连接(电和/或无线连接)，该连接允许组件彼此通信，允许一个组件控制另一个组件，允许每个组件控制另一个组件，和/或使至少一个组件能够以指定方式操作。
应理解，本文所述主题在其应用中不限于本文描述中阐述或其附图中示出的构造细节和元件布置。本文所述主题能够有其它实施方案且能够以各种方式实践或完成。还应了解，本文所用用语和术语是为了描述目的，不应认作为限制。本文中“包括”、“包含”或“具有”及其变体的使用旨在包括随后列出的项目及其等同物以及另外的项目。
应了解，以上描述旨在为说明性，不为限制性。例如，上述实施方案(和/或其方面)可相互组合使用。另外，可作出很多修改，以使具体情况或材料适应当前所述主题的教导，而不脱离其范围。虽然本文所述材料和涂层的尺寸、类型旨在限定所公开主题的参数，但它们决不为限制性，而是为示例性实施方案。通过查看以上描述，很多其它实施方案将对本领域的技术人员显而易见。因此，发明主题的范围应参照附加权利要求与这些权利要求给予权利的等同物的全范围来确定。在附加权利要求中，术语“包括”(including)和“其中”(inwhich)作为相应术语“包含”(comprising)和“其中”(wherein)的简单英语等同物使用。另外，在所附权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等只作为标记使用，不旨在对它们的对象加上数字需要。另外，所附权利要求的限制未以功能限定(means-plus-function)方式书写，并且不旨在根据35 U.S.C. § 112(f)进行解释，除非并且直至这些权利要求限制明确使用短语“用于…的手段”，随后说明功能而没有进一步的结构。
本书面描述用实例公开发明主题的数个实施方案，也用实例使本领域的技术人员能够实践发明主题的实施方案，包括制造和使用任何装置或系统并执行任何结合的方法。发明主题的可取得专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员想到的其它实例。这些其它实例旨在处于权利要求的范围内，如果它们具有不有别于权利要求字面语言的结构元素，或者如果它们包括与权利要求字面语言无实质差异的等同结构元素。

Claims (20)

1. 一种用于分析变压器的绝缘流体中存在的至少一种分析物气体的系统，所述系统包括：
气体感测器，构造成要与来自绝缘流体的至少一种分析物气体操作接触，并从感测器提供多个响应；和
一个或多个处理器，构造成在感测器暴露于来自绝缘流体的至少一种分析物气体期间从感测器接收多个响应，所述多个响应代表绝缘流体中存在的至少一种分析物气体的浓度，
其中一个或多个处理器构造成选择来自感测器的多个响应中的一个或多个响应，与来自感测器的未选择响应相比，所述一个或多个响应提供：排除一种或多种干扰气体，在至少两种气体之间分辨，改善至少一种分析物气体的低检测范围，改善至少一种分析物气体的高检测范围，改善至少一种分析物气体的响应线性度，改善至少一种分析物气体测定的动态范围，或它们的一种或多种组合。
2.权利要求1的系统，其中绝缘流体为变压器油。
3.权利要求1的系统，其中气体感测器为多变量气体感测器。
4.权利要求1的系统，其中气体感测器包括阻抗感测器、光子感测器、电子感测器或混合感测器中的一种或多种。
5.权利要求1的系统，其中气体感测器具有感测材料，感测材料包括金属氧化物材料、复合材料、半导体材料、无机材料、有机材料、聚合物材料、纳米复合材料或配制材料中的一种或多种。
6.权利要求1的系统，其中感测器构造成要通过使气体感测器浸入绝缘流体或将感测器放入气相样品中的一者或更多来与绝缘流体操作接触，其中气相样品为以下之一或更多：从绝缘流体中的溶解气体内容物提取或代表绝缘流体中的溶解气体内容物。
7.权利要求1的系统，其中气体感测器为感测器阵列。
8.权利要求1的系统，其中至少一种分析物气体包括H2、C2H2、CH4、C2H6、C2H4、CO或CO2中的一种或多种。
9.权利要求1的系统，其中至少一种分析物气体包括一种或多种要用于变压器诊断的故障气体。
10.权利要求1的系统，其中来自感测器的多个响应根据感测器操作频率、感测器操作波长、感测器操作温度、感测器操作电压、感测器操作功率或感测器操作极化中的一种或多种而不同。
11.权利要求1的系统，其中由在线、联机和/或离线中的一种或多种对变压器绝缘流体中存在的至少一种分析物气体进行分析。
12.权利要求1的系统，其中感测器构造成在变压器油中进行溶解气体分析(DGA)。
13.权利要求1的系统，其中变压器安装在地平面之下、地平面之上或接近地平面之一或更多。
14.权利要求1的系统，其中气体感测器构造成在高于环境温度至少50℃的温度操作。
15.一种用于分析变压器的绝缘流体中存在的至少一种分析物气体的方法，所述方法包括：
从多变量气体感测器提供多个响应，多变量气体感测器构造成要与具有至少一种分析物气体的绝缘流体操作接触；
在感测器暴露于绝缘流体期间用一个或多个处理器从感测器接收多个响应，所述多个响应代表绝缘流体中存在的至少一种分析物气体的浓度；并且
用一个或多个处理器选择来自感测器的多个响应中的一个或多个响应，与来自感测器的未选择响应相比，所述一个或多个响应提供：排除一种或多种干扰气体，在至少两种气体之间分辨，改善至少一种分析物气体的低检测范围，改善至少一种分析物气体的高检测范围，改善至少一种分析物气体的响应线性度，改善至少一种分析物气体测定的动态范围，或它们的一种或多种组合。
16.权利要求15的方法，其中多变量气体感测器包括阻抗感测器、光子感测器、电子感测器或混合感测器中的一种或多种。
17.权利要求15的方法，其中感测器构造成要通过使多变量气体感测器浸入绝缘流体或将感测器放入绝缘流体的顶部空间中的一者或更多来与绝缘流体操作接触。
18. 一种系统，所述系统包括：
阻抗气体感测器，构造成要与其中具有一种或多种分析物气体的样品接触，阻抗感测器包括电极和具有感测材料的感测区电路，电极构造成对感测材料以一种或多种不同频率施加电刺激；和
一个或多个处理器，构造成从感测器接收电信号，所述电信号代表在一种或多种不同频率下感测材料暴露于样品期间感测材料的阻抗，所述阻抗代表样品中一种或多种分析物气体中的关注分析物气体的浓度，
其中一个或多个处理器构造成基于要由感测器感测的关注分析物气体，选择感测器的电极对感测材料施加电刺激的一种或多种不同频率的频率；并且
其中一个或多个处理器构造成选择来自感测器的一个或多个响应，与来自感测器的未选择响应相比，所述一个或多个响应提供以下之一或更多：排除一种或多种干扰气体，在至少两种气体之间分辨，改善一种或多种分析物气体的低检测范围，改善一种或多种分析物气体的高检测范围，改善一种或多种分析物气体的响应线性度，改善一种或多种分析物气体测定的动态范围，或它们的一种或多种组合。
19. 一种方法，所述方法包括：
用一个或多个处理器从阻抗气体感测器接收电信号，所述阻抗气体感测器与其中具有一种或多种分析物气体的样品接触，阻抗感测器包括电极和具有感测材料的感测区电路，感测材料从电极接收一种或多种不同频率的电刺激，其中感测器的电极对感测材料施加电刺激的一种或多种不同频率的频率基于一种或多种分析物气体中要由感测器感测的关注分析物气体；并且
基于从感测器接收的电信号，测定样品中一种或多种分析物气体中的关注分析物气体的浓度，所述电信号代表在一种或多种不同频率下感测材料暴露于样品期间感测材料的阻抗，
其中感测材料的阻抗指示样品中关注分析物气体的浓度。
20. 一种系统，所述系统包括：
阻抗气体感测器，构造成要与其中具有一种或多种分析物气体的样品接触，阻抗感测器包括接收一种或多种频率的电刺激的感测材料；和
一个或多个处理器，构造成从感测器接收电信号，所述电信号代表在一种或多种不同频率下感测材料暴露于样品期间感测材料的阻抗，所述阻抗代表样品中一种或多种分析物气体中的关注分析物气体的浓度，
其中一个或多个处理器构造成改变对感测材料施加电刺激的一种或多种频率，以改变感测材料对一种或多种分析物气体中不同气体的灵敏度；并且
其中一个或多个处理器构造成选择来自感测器的一个或多个响应，与来自感测器的未选择响应相比，所述一个或多个响应提供以下之一或更多：排除一种或多种干扰气体，在至少两种气体之间分辨，改善一种或多种分析物气体的低检测范围，改善一种或多种分析物气体的高检测范围，改善一种或多种分析物气体的响应线性度，改善一种或多种分析物气体测定的动态范围，或它们的一种或多种组合。
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