CN111855583A - 一种检测电气设备六氟化硫分解气体的光声光谱检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种检测电气设备六氟化硫分解气体的光声光谱检测装置，包括：预处理模块、第一三通阀、循环气泵、第二三通阀、气体取样模块、光声检测核心模块、锁相放大器、主控制电路以及交互主机。气体取样模块通过气体管路与被测电气设备的气体取样口连接，同时通过气体管路、第一三通阀、第二三通阀、循环气泵与预处理模块、光声检测核心模块联通；控制第一三通阀、第二三通阀可以控制气体取样模块与预处理模块或光声检测核心模块联通；各模块受主控制电路控制；锁相放大器与光声检测核心模块通过数据线相连，获取检测数据处理后传输给主控制电路；主控制电路与交互主机通过信号线相连，接收交互主机的命令并向交互主机发送检测结果。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体检测装置，特别涉及一种检测电气设备六氟化硫分解气体的光声光谱检测装置。
背景技术
气体检测技术在工业化生产及日常生活中有着极其广泛的应用，诸如油气管道的泄漏检测、电力系统中的变压器油中溶解气体检测、化工企业的排放废气检测以及空气中的痕量污染气体检测、人体疾病与医疗诊断方面的呼出气体检测等。
在电力行业中，通过检测六氟化硫气体绝缘电气设备的故障分解气体可以实现对该类设备的运行状态及早期故障预警，是一种十分有效的故障检测方法。针对六氟化硫分解气体，目前已经开发了气相色谱法等高灵敏度的离线检测方法，但气相色谱法需要消耗载气，同时样品气使用后不能回充，导致无法实现在线监测。此外还有采用电化学传感器检测六氟化硫分解气体，但化学传感器一方面在使用中会产生基线漂移，需要频繁校准，另一方面传感器可能会发生中毒，导致检测结果不可靠。针对这些问题一些研究机构研究了基于光声光谱的六氟化硫分解气体监测技术，光声光谱技术基于光声效应。光声效应由气体分子吸收电磁波而产生，气体分子吸收特定波长的电磁波后至激发态，随即以释放热能的方式退激，释放出的热能在气体中产生压力波，压力波的强度与气体分子的浓度成比例，通过检测吸收不同波长而产生的压力波的强度，可得到不同气体组分的浓度。如专利CN10151496A“基于光声光谱技术的六氟化硫检测系统”，专利CN101982759A“局放下六氟化硫分解组分的红外光声光谱检测装置及方法”，专利CN102661918A“非共振光声光谱检测分析装置”，这些专利提出了采用光声光谱检测技术检测气体浓度，具有不需要载气同时不污染样品气等有点，但由于六氟化硫气体本身红外吸收光谱范围宽，在气体中浓度大背景吸收强，使得六氟化硫分解气体的检测灵敏度难以提高，目前一些重要气体组分如SO2、H2S等还难以满足电力行业应用的需求，同时由于检测灵敏度低，必须到故障发展较长时间分解产物较多后才能检测到气体组分。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提出一种可提高检测灵敏度的光声光谱检测装置。本发明通过样品预处理技术结合数据后处理，实现对低浓度气体的高灵敏检测，效果显著，对六氟化硫分解气体的检测灵敏度可提高近一个数量级，实现在故障产生的初期即能检测到分解气体组分。
本发明的一种检测电气设备六氟化硫分解气体的光声光谱检测装置，包括：预处理模块、第一三通阀、循环气泵、第二三通阀、气体取样模块、光声检测核心模块、锁相放大器、主控制电路以及交互主机。
所述气体取样模块通过气体管路与被测电气设备的气体取样口连接，同时通过进气管与第一三通阀的第一接口连接，通过排气管与第二三通阀的第一接口连接。所述预处理模块通过气体管路分别与第一三通阀的第二接口、循环气泵的第一接口连接；循环气泵的第二接口与第二三通阀的第二接口相连。所述光声检测核心模块通过气体管路分别与第一三通阀的第三接口、第二三通阀的第三接口相连。所述气体取样模块、预处理模块、第一三通阀、第二三通阀、循环气泵及光声检测核心模块分别通过控制线与主控制电路连接，受主控制电路控制。所述锁相放大器与光声检测核心模块通过数据线相连，获取光声检测核心模块检测数据，处理后再传输给主控制电路。所述主控制电路与交互主机通过信号线相连，接收交互主机的命令，并向交互主机发送检测结果。
所述预处理模块包括高导热结构、半导体制热制冷片、蛇形管、吸附材料及气体接口。所述吸附材料填充在蛇形管内部，蛇形管两端设置有气体接口，气体通过气体接口流过蛇形管。所述蛇形管被高导热结构包裹，所述半导体制热制冷片包裹在高导热结构外部；工作时根据主控制电路的控制，半导体制热制冷片可对蛇形管及吸附材料的加热或制冷，实现温度控制，控制气体组分的吸附和解吸。所述的吸附材料优选活性氧化铝，也可以是分子筛及活性氧化铝与分子筛的混合物。
所述预处理模块还可包括超声换能器，所述超声换能器与高导热结构紧密耦合，超声换能器工作时可向蛇形管及内部的吸附材料激发超声信号，增强气体解吸过程。
所述检测装置检测气体组分时，按如下步骤顺序工作：
A、主控制电路控制第一三通阀和第二三通阀动作，第一三通阀的第一接口与第三接口联通，第二三通阀的第一接口与第三接口联通，使得光声检测核心模块只与气体取样模块联通，并控制气体取样模块从被测电气设备获取气体样品，将气体样品注入光声检测核心模块；
B、主控制电路控制第一三通阀和第二三通阀动作，第一三通阀的第二接口与第三接口联通，第二三通阀的第二接口与第三接口联通，使得光声检测核心模块只与预处理模块联通，控制预处理模块处于低温状态，而后控制循环气泵，使得气体在光声检测核心模块与预处理模块之间循环，循环T1时间后停止循环气泵，并控制第一三通阀和第二三通阀动作，第一三通阀的第一接口与第三接口联通，第二三通阀的第一接口与第三接口联通，使得光声检测核心模块只与气体取样模块联通，并利用气体取样模块将光声检测核心模块中气体排回被测电气设备。
所述预处理模块中吸附材料对不同气体组分的吸附率定义为Oi，i代表第i个气体组分，为气体组分的序号，吸附材料体积为Vo，每次吸附的分解气体组分为Vo*Oi。
C、重复上述A、B两个步骤N次，N为2～15。
D、主控制电路控制第一三通阀和第二三通阀动作，第一三通阀的第二接口与第三接口联通，第二三通阀的第二接口与第三接口联通，使得光声检测核心模块只与预处理模块联通，控制循环气泵使得气体在光声检测核心模块与预处理模块之间循环，同时将预处理模块加热至高温，循环T2时间后停止循环气泵。
E、主控制电路控制光声检测核心模块检测气体组分浓度，并将检测信号利用锁相放大器放大，并传输给主控制电路，经交互主机处理获得实际气体检测结果Cai。
F、最后，交互主机根据实际气体检测结果Cai，A、B步骤的循环次数N，每次吸附气体组分量Vo*Oi，光声检测核心模块及预处理模块气体体积等参数获得被测电气设备中的真实气体浓度Cri。
采用发明装置实现多次样品获取，组分吸附，而后一次解吸附获得高浓度样品气体的循环，使得最终被检测模块检测的气体组分浓度增大，易于检测；如真实气体浓度为0.1ppm的分解气体组分，在经过本装置预处理模块处理后浓度变为1ppm的被测气体，采用同一光声检测核心模块可极大的提高六氟化硫分解气体的检测灵敏度。
附图说明
图1为本发明检测六氟化硫分解气体的光声光谱检测装置结构组成示意图；
图2为本发明预处理模块实施例一的结构示意图；
图3为本发明预处理模块实施例二的结构示意图。
具体实施方式
下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1为本发明检测六氟化硫分解气体的光声光谱检测装置结构组成示意图。如图1所示，本发明光声光谱检测装置1包括预处理模块15、第一三通阀17、循环气泵18、第二三通阀19、气体取样模块13、光声检测核心模块11、锁相放大器12、主控制电路14，以及交互主机16。
所述气体取样模块13通过气体管路与被测电气设备2的气体取样口21连接；同时气体取样模块13通过进气管与第一三通阀17的第一接口连接，通过排气管与第二三通阀19的第一接口连接。所述预处理模块15的两个气路接口分别通过气体管路与第一三通阀17的第二接口、循环气泵18的第一接口连接；所述循环气泵18的第二接口与第二三通阀19的第二接口相连；所述光声检测核心模块13通过气体管路分别与第一三通阀17的第三接口、第二三通阀19的第三接口相连。所述气体取样模块13、预处理模块15、第一三通阀17、第二三通阀19、循环气泵18及光声检测核心模块11分别通过控制线与主控制电路14连接，受主控制电路14控制。所述锁相放大器12与光声检测核心模块11通过数据线相连，获取光声检测核心模块11检测数据，处理后再传输给主控制电路14。所述主控制电路14与交互主机16通过信号线相连，接收交互主机16的命令，并向交互主机16发送检测结果。
图2为本发明预处理模块实施例一的结构示意图。如图2所示，所述预处理模块包括高导热结构151、半导体制热制冷片152、蛇形管154、吸附材料153及气体接口155。气体接口155装设在蛇形管154两端，蛇形管154内部填充有吸附材料153，样品气体可通过气体接口155流过蛇形管154，并与内部的吸附材料153充分接触。蛇形管154被高导热结构151包裹，所述半导体制热制冷片152装设在高导热结构151外部。半导体制热制冷片152对蛇形管154及吸附材料153的加热或制冷。
图3为本发明预处理模块实施例二的结构示意图。如图3所示，所述预处理模块包括高导热结构151、半导体制热制冷片152、蛇形管154、吸附材料153、气体接口155及超声换能器156；气体接口155装设在蛇形管154两端，吸附材料153填充在蛇形管154内部，样品气体通过气体接口155流过蛇形管154，并与内部的吸附材料153充分接触。蛇形管154被高导热结构151包裹，半导体制热制冷片152装设在高导热结构151外部。超声换能器156通过半导体制热制冷片152与高导热结构151紧密耦合，超声换能器156工作时激发超声信号激励蛇形管154及内部的吸附材料153，加速被吸附气体的解吸附。
Claims (5)
1.一种检测电气设备六氟化硫分解气体的光声光谱检测装置，其特征在于：所述的检测装置(1)包括预处理模块(15)、第一三通阀(17)、循环气泵(18)、第二三通阀(19)、气体取样模块(13)、光声检测核心模块(11)、锁相放大器(12)、主控制电路(14)以及交互主机(16)；所述气体取样模块(13)通过气体管路与被测电气设备(2)的气体取样口(21)连接，同时通过气体进气管与第一三通阀(17)的第一接口连接，通过排气管与第二三通阀(19)的第一接口连接；所述预处理模块(15)的两个气路接口分别通过气体管路与第一三通阀(17)的第二接口、循环气泵(18)的第一接口连接；所述循环气泵(18)的第二接口与第二三通阀(19)的第二接口相连；所述光声检测核心模块(13)通过气体管路分别与第一三通阀(17)的第三接口、第二三通阀(19)的第三接口相连；所述气体取样模块(13)、预处理模块(15)、第一三通阀(17)、第二三通阀(19)、循环气泵(18)及光声检测核心模块(11)分别通过控制线与主控制电路(14)连接，受主控制电路(14)控制；所述锁相放大器(12)与光声检测核心模块(11)通过数据线相连，获取光声检测核心模块(11)检测数据，处理后再传输给主控制电路(14)；所述主控制电路(14)与交互主机(16)通过信号线相连，接收交互主机(16)的命令，并向交互主机(16)发送检测结果。
2.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述的预处理模块(15)包括高导热结构(151)、半导体制热制冷片(152)、蛇形管(154)、吸附材料(153)及气体接口(155)；所述吸附材料(153)填充在蛇形管(154)内部，所述气体接口(155)装设在蛇形管(154)两端，气体通过气体接口(155)流过蛇形管(154)；所述蛇形管(154)被高导热结构(151)包裹，所述半导体制热制冷片(152)包裹在高导热结构(151)外部；工作时根据主控制电路(14)的控制，半导体制热制冷片(152)对蛇形管(154)及吸附材料(153)加热或制冷，实现温度控制，控制气体组分的吸附和解吸。
3.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述预处理模块(15)还包括超声换能器(156)；所述超声换能器(156)与高导热结构(151)紧密耦合；工作时，超声换能器(156)向蛇形管(154)内部的吸附材料(153)激发超声信号，增强气体解吸过程。
4.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述的吸附材料(153)为活性氧化铝，或分子筛或活性氧化铝与分子筛的混合物。
5.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于：所述检测装置检测气体组分的工作流程顺序如下：
A、主控制电路(14)控制第一三通阀(17)和第二三通阀(19)动作，第一三通阀(17)的第一接口与第三接口联通，第二三通阀(19)的第一接口与第三接口联通，使得光声检测核心模块(11)只与气体取样模块(13)联通，并控制气体取样模块(13)从被测电气设备(2)获取气体样品并注入光声检测核心模块(11)；
B、主控制电路(14)控制第一三通阀(17)和第二三通阀(19)动作，第一三通阀(17)的第二接口与第三接口联通，第二三通阀(19)的第二接口与第三接口联通，使得光声检测核心模块(11)只与预处理模块(15)联通，控制预处理模块(15)处于低温状态，而后控制循环气泵(18)使得气体在光声检测核心模块(11)与预处理模块(15)之间循环，循环T1时间后停止循环气泵，并控制第一三通阀(17)和第二三通阀(19)动作，第一三通阀(17)的第一接口与第三接口联通，第二三通阀(19)的第一接口与第三接口联通，使得光声检测核心模块(11)再次只与气体取样模块(13)联通，并利用气体取样模块(13)将光声检测核心模块(11)中气体排回被测电气设备(2)；
C、重复上述A、B两个步骤N次，N的值为2～15；
D、主控制电路(14)控制第一三通阀(17)和第二三通阀(19)动作，第一三通阀(17)的第二接口与第三接口联通，第二三通阀(19)的第二接口与第三接口联通，使得光声检测核心模块(11)只与预处理模块(15)联通，控制循环气泵(18)使得气体在光声检测核心模块(11)与预处理模块(15)之间循环，同时将预处理模块(15)加热至高温，循环T2时间后停止循环气泵；
E、主控制电路(14)控制光声检测核心模块(11)检测气体组分浓度，并将检测信号利用锁相放大器(12)放大，并传输给主控制电路(14)，经交互主机(16)处理获得实际气体检测结果Cai；
F、最后，交互主机根据实际气体检测结果，A、B步骤的循环次数N，光声检测核心模块(11)及预处理模块(15)气体体积等参数获得被测电气设备(2)中的真实气体浓度Cri。
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