CN113218906A - 一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测装置，其特征在于，所述空心光子带隙光纤，一端与所述超连续谱激光器连接，另一端与所述光纤滤波器连接，内部为蜂窝状空心结构，用于吸收待测气体；所述超连续谱激光器，用于向空心光子带隙光纤的一端输入红外激光；所述光纤滤波器，用于接收所述空心光子带隙光纤的另一端输出的与待测气体中一种或多种分解组分相应波长的红外激光；所述接收器，用于接收来自所述光纤滤波器输出的红外激光；所述信号单元，用于基于所述接收器输出的红外激光获取所述待测气体的分解情况。基于本发明中的方法，无需切换激光器即可实现对六氟化硫分解组分的检测，操作简便、节省时间、结果准确。
Description
技术领域
本发明涉及气体监测，更具体地，涉及一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测装置及方法。
背景技术
目前，六氟化硫作为电气设备中的绝缘介质，被广泛应用于高压电气设备以及其他各类电气设备中。然而，若电气设备内部出现早期潜伏性的绝缘故障时，常会伴随着不同形式和强度的电位差或者局部过热等等的物理现象。当六氟化硫应用在电气设备中时，这些现象会导致六氟化硫出现不同程度的分解现象，同时生成硫化氢、一氧化碳、二氧化硫等多种分解物。为了确保使用了六氟化硫的电气设备在使用过程中安全可靠，延长电气设备的生命周期，避免电气设备的潜在故障，而对六氟化硫气体进行定期巡检或在线实时监测是十分必要的。
现有技术中，通常会采用红外激光监测技术对于电气设备中六氟化硫气体进行监测。然而现有技术中的监测方法，监测对象单一，通常只能够对六氟化硫气体的一种分解组分进行监测。若要实现多种分解组分的监测则需要多次切换激光器，这也导致监测操作复杂，耗时长，监测效果差等问题。
因此，亟需一种新的红外激光监测方法对六氟化硫气体的分解组分进行监测。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测装置及方法，能够同时对六氟化硫气体的多种气态分解组分进行监测。
本发明采用如下的技术方案。一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测装置，装置包括超连续谱激光器、空心光子带隙光纤、光纤滤波器、接收器和信号单元，空心光子带隙光纤，一端与所述超连续谱激光器连接，另一端与光纤滤波器连接，内部为蜂窝状空心结构，用于吸收待测气体；超连续谱激光器，用于向空心光子带隙光纤的一端输入红外激光；光纤滤波器，用于接收空心光子带隙光纤的另一端输出的与待测气体中一种或多种分解组分相应波长的红外激光；接收器，用于接收来自光纤滤波器输出的红外激光；信号单元，用于基于接收器输出的红外激光获取待测气体的分解情况。
优选地，装置还包括检测池，检测池中密封放置部分空心光子带隙光纤、一个套管连接器和部分用于连接光纤滤波器的普通光纤；套管连接器用于连接空心光子带隙光纤和普通光纤；套管连接器上设置有至少一个通气孔，使得检测池的内部与空心光子带隙光纤内部联通。
优选地，装置还包括抽气设备，检测池还包括第一进气口、第二进气口、出气口，出气口与抽气设备相连；其中，第一进气口用于向检测池中通入洗气气体，第二进气口用于向所述检测池中通入待测气体六氟化硫及其分解组分，出气口用于从检测池中抽取气体。
优选地，出气口与所述抽气设备之间使用PTFE管进行连接。
优选地，装置还包括控制单元，进气口和出气口上安装有阀门，控制单元用于控制阀门的开启与闭合，同时控制抽气设备经过出气口从检测池中抽取气体。
优选地，控制单元分别与超连续谱激光器、光纤滤波器、接收器和信号单元相连接；并且，控制单元控制装置的状态，并基于装置的状态控制超连续谱激光器、光纤滤波器、接收器和信号单元的工作。
优选地，检测池内部还包括压力传感器，压力传感器与控制单元相连接，用于测量检测池内的气体压强，并将测量到的气体压强发送至控制单元。
优选地，检测池由玻璃钢制成，洗气气体为氮气。
优选地，装置还包括保护外壳，保护外壳内设置有除抽气设备外的其他所有装置中的元件。
本发明第二方面涉及一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测方法，包括以下步骤：步骤1，向空心光子带隙光纤中通入待测气体；步骤2，基于超连续谱激光器向空心光子带隙光纤的一端输入红外激光，并基于光纤滤波器接收空心光子带隙光纤的另一端输出的红外激光；步骤3，接收来自空心光子带隙光纤输出的红外激光，并基于输出的红外激光获取待测气体的分解情况。
优选地，当控制单元控制所述装置处于气密性检测状态时，基于气密性检测状态开启第一进气口的阀门，关闭出气口的阀门；当接收到压力传感器测量到的气体压强在预定时间内处于稳定状态，则判断装置的气密性合格。
优选地，步骤1.1，当判断出装置的气密性合格后，控制单元控制装置处于洗气操作状态；步骤1.2，基于洗气操作状态关闭所述第一进气口的阀门，开启出气口的阀门，启动抽气设备；步骤1.3，当接收到压力传感器测量到的气体压强低于-0.1MPa时，关闭出气口的阀门，停止抽气设备，打开第一进气口的阀门；步骤1.4，当接收到压力传感器测量到的气体压强高于0MPa时，重复步骤1.2至步骤1.4三次，从而完成洗气操作。
优选地，当完成洗气操作后，控制单元控制装置处于待测准备状态；基于待测准备状态开启第二进气口的阀门，关闭出气口的阀门，向检测池中通入待测气体六氟化硫及其分解组分；当接收到压力传感器测量到的气体压强等于标准大气压后，关闭第二进气口的阀门并静置所述检测气体直至完成待测准备。
优选地，当完成待测准备后，控制单元控制装置处于检测状态；基于检测状态开启超连续谱激光器、光纤滤波器、接收器、信号单元开启直至获取到待测气体的分解情况。
优选地，当完成检测操作后，控制单元控制装置处于排气状态；基于排气状态关闭第一与第二进气口阀门，开启出气口阀门，启动抽气设备进行排气。
优选地，光纤滤波器接收到的空心光子带隙光纤的另一端输出的红外激光为待测气体中六氟化硫分解组分吸收的红外激光；基于输出的红外激光，接收器将红外激光信号转换为电信号；基于电信号，信号单元计算出待测气体中六氟化硫分解组分的含量。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测装置及方法利用激光器和光纤滤波器获取到六氟化硫气态分解组分的吸收的光波，同时将所述不同波长的光信号转换为电信号，并基于所述电信号计算出六氟化硫中多种气态组分的含量。因此，本发明能够通过一台装置同时一次检测出多种六氟化硫的分解产物，提高对电气设备的检测精度，以及对电气设备的运检效率。
附图说明
图1为本发明一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测装置的装置结构示意图；
图2为本发明中一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测方法的方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
图1为本发明一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测装置的装置结构示意图。如图1所示，一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测装置，其特征在于，装置包括超连续谱激光器1、空心光子带隙光纤2、光纤滤波器3、接收器4和信号单元5。
其中，空心光子带隙光纤2，一端与超连续谱激光器1连接，另一端与光纤滤波器3连接，内部为蜂窝状空心结构，用于吸收待测气体；超连续谱激光器1，用于向空心光子带隙光纤2的一端输入红外激光；光纤滤波器2，用于接收空心光子带隙光纤2的另一端输出的与待测气体中一种或多种分解组分相应波长的红外激光；接收器4，用于接收来自光纤滤波器3输出的红外激光；信号单元5，用于基于接收器4输出的红外激光获取待测气体的分解情况。
空心光子带隙光纤是一种经过特殊工艺制造而成的光纤，该光纤的横截面为圆形。该光纤的外部为一层实心结构，内部具有蜂窝状的空心结构。由于光纤内部具有蜂窝状的空心结构，则该光纤内部可以被充入气体。本发明中，可以在光纤内部充入待测气体六氟化硫及其分解组分。待测气体可能是从使用六氟化硫作为绝缘介质的电气设备当中取出的，同时，由于取出的待测气体可能已经被分解，因此，待测气体中除了六氟化硫气体之外，还可能包括六氟化硫的分解组分，例如硫化氢和一氧化碳等等。
由于不同气体成分在接收到超连续谱的红外激光照射后会表现出不同的光学特性，这会导致其吸收的波长不同，从而导致光纤滤波器会滤出不同波长的光信号，并根据不同波长光信号计算出不同分解组分的含量。
本发明一实施例中，可以设置光纤滤波器2用于过滤出待测气体中六氟化硫分解组分所吸收的光谱波段。例如，使用现有技术中的多波长光纤滤波器，同时设置光纤滤波器用于过滤出硫化氢和一氧化碳的吸收光谱波段。如此，接收器就可以接收到基于硫化氢和一氧化碳这两种气体的吸收光谱波段的红外激光了。
优选地，装置还包括检测池6，检测池6中密封放置部分空心光子带隙光纤2、一个套管连接器7和部分用于连接光纤滤波器3的普通光纤；这一套管连接器7用于连接空心光子带隙光纤2和普通光纤；这一套管连接器7上设置有至少一个通气孔8，使得检测池6的内部与空心光子带隙光纤2内部联通。
本发明一实施例中，可以将检测池6设置为圆柱体，并在检测池的内部贴附陶瓷片，同时检测池6的两端可以留有孔洞，该孔洞可以用于空心光子带隙光纤2以及与光纤滤波器3连接的普通光纤穿过检测池的两端。为了将检测池密封，可以在孔洞穿过光纤后，采用环氧树脂对孔洞进行密封。另外，基于套管连接普通光纤与空心光子带隙光纤2，可以使得光纤之间进行精密的连接，提高光纤之间的耦合效率，使得通过光纤进行传输的红外激光不会发生过多损耗，以保证光纤滤波器3和接收器4接收到的输出的红外激光的损耗处于偏差范围以内。
具体的，放置在检测池内部的这一套管连接器7上设置有多个小型的通气孔8。
通常来说，该装置还包括另一个套管连接器7，这一套管连接器7位于检测池的外部，并与来自超连续谱激光器1的普通光纤连接，同时与空心光子带隙光纤2的一端连接。
优选地，装置还包括抽气设备9，检测池6还包括第一进气口11、第二进气口12、出气口13，出气口13与抽气设备9相连；其中，第一进气口11用于向检测池6中通入洗气气体，第二进气口12用于向检测池6中通入待测气体六氟化硫及其分解组分，出气口用于从检测池6中抽取气体。
优选地，出气口与抽气设备之间使用PTFE(聚四氟乙烯，Polytetrafluoroethylene)管10进行连接。
优选地，装置还包括控制单元，所述进气口和出气口上安装有阀门，所述控制单元用于控制所述阀门的开启与闭合，同时控制所述抽气设备经过所述出气口从检测池中抽取气体。具体的，进气口和出气口上安装的阀门可以为自动调节阀门，当阀门关闭时，可以用于隔绝检测池的内外环境。
优选地，控制单元分别与超连续谱激光器、光纤滤波器、接收器和信号单元相连接；并且，控制单元控制装置的状态，并基于装置的状态控制超连续谱激光器、光纤滤波器、接收器和信号单元的工作。
优选地，检测池内部还包括压力传感器，压力传感器与控制单元相连接，用于测量检测池内的气体压强，并将测量到的气体压强发送至控制单元。具体的，压力传感器可以实时地监控检测池中气体的压力变化，从而防止检测池内部检测环境的变化与安全事故的发生。
优选地，检测池由玻璃钢制成，洗气气体为氮气。具体的，通入洗气操作时所使用的洗气气体可以为氮气，是因为氮气与待测气体六氟化硫的稳定特性相似。同时，由于在检测的过程中需要进行洗气操作，而洗气操作会利用检测池进行真空处理。这就对检测池的强度结构、稳定性以及抗干扰能力提出较高的要求。因此，可以选用强度较高的玻璃钢作为检测池的制造材料。
优选地，装置还包括保护外壳，保护外壳内设置有除抽气设备外的其他所有装置中的元件。保护外壳可以用于保护其内部的检测设备，以免该检测设备在安装与运行检修的过程中对内部单元造成损害。同时，还可以采用紧凑式的合理布局放置各个元件从而缩小装置的整体体积，并将装置放置于电气设备的内部。
本发明第二方面涉及一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测方法。图2为本发明中一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测方法的方法流程示意图。如图2所示，该方法可以包括步骤1至步骤3。步骤1，向空心光子带隙光纤中通入待测气体；步骤2，基于超连续谱激光器向空心光子带隙光纤的一端输入红外激光，并基于光纤滤波器接收空心光子带隙光纤的另一端输出的红外激光；步骤3，接收来自空心光子带隙光纤输出的红外激光，并基于输出的红外激光获取待测气体的分解情况。
优选地，当控制单元控制所述装置处于气密性检测状态时，基于气密性检测状态开启第一进气口的阀门，关闭出气口的阀门；当接收到压力传感器测量到的气体压强在预定时间内处于稳定状态，则判断装置的气密性合格。通常可以在气体压强大于标准大气压后，将装置静置一分钟，以对气密性进行检测。若在一分钟内，压力传感器的读数趋于稳定状态，则可以判断装置的气密性良好。
优选地，步骤1.1，当判断出装置的气密性合格后，控制单元控制装置处于洗气操作状态；步骤1.2，基于洗气操作状态关闭第一进气口的阀门，开启出气口的阀门，启动抽气设备；步骤1.3，当接收到压力传感器测量到的气体压强低于-0.1MPa时，关闭出气口的阀门，停止抽气设备，打开第一进气口的阀门；步骤1.4，当接收到压力传感器测量到的气体压强高于0MPa时，重复步骤1.2至步骤1.4三次，从而完成洗气操作。
通常，当压力传感器测量到的气体压强低于-0.1MPa时，可以近似认为密封的检测池处于抽真空状态。此时，可以继续输入洗气。
优选地，当完成洗气操作后，控制单元控制所述装置处于待测准备状态；基于待测准备状态开启第二进气口的阀门，关闭出气口的阀门，向检测池中通入待测气体六氟化硫及其分解组分；当接收到压力传感器测量到的气体压强等于标准大气压后，关闭第二进气口的阀门并静置检测气体直至完成待测准备。
通常，可以静置10秒，以使得检测池中的多种气体充分混合均匀。
优选地，当完成待测准备后，控制单元控制装置处于检测状态；
基于检测状态开启超连续谱激光器、光纤滤波器、接收器、信号单元开启直至获取到待测气体的分解情况。
此时可以红外激光对待测气体进行测试。可以打开超连续谱激光器、接收器、信号单元，红外激光通过光纤传输至空心光子带隙光纤，吸收后的红外激光由光纤传输至光纤滤波器，光纤滤波器将被硫化氢与一氧化碳吸收的红外激光传输至接收器，接收器将红外激光的光强信号转换为电信号传输至信号单元，信号单元中的信号处理单元将转换后的电信号进行比较处理得出硫化氢和一氧化碳的情况由无线传输单元将检测结果传输至用户端。
优选地，当完成检测操作后，控制单元控制装置处于排气状态；基于排气状态关闭第一与第二进气口阀门，开启出气口阀门，启动抽气设备进行排气。
优选地，光纤滤波器接收到的空心光子带隙光纤的另一端输出的红外激光为所述待测气体中六氟化硫分解组分吸收的红外激光；基于输出的红外激光，所述接收器将红外激光信号转换为电信号；基于所述电信号，所述信号单元计算出所述待测气体中六氟化硫分解组分的含量。
值得说明的是，信号单元中包括信号处理单元与无线传输单元。信号处理单元用于将硫化氢和一氧化碳吸收的红外激光光强信号变化进行对比处理得出六氟化硫分解组分情况，信号单元中的无线传输单元将硫化氢和一氧化碳的情况传送至用户端。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测装置及方法利用激光器和光纤滤波器获取到六氟化硫气态分解组分的吸收的光波，同时将所述不同波长的光信号转换为电信号，并基于所述电信号计算出六氟化硫中多种气态组分的含量。因此，本发明能够通过一台装置同时一次检测出多种六氟化硫的分解产物，提高对电气设备的检测精度，以及对电气设备的运检效率。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示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 (16)
1.一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测装置，其特征在于，所述装置包括超连续谱激光器、空心光子带隙光纤、光纤滤波器、接收器和信号单元，
所述空心光子带隙光纤，一端与所述超连续谱激光器连接，另一端与所述光纤滤波器连接，内部为蜂窝状空心结构，用于吸收待测气体；
所述超连续谱激光器，用于向空心光子带隙光纤的一端输入红外激光；
所述光纤滤波器，用于接收所述空心光子带隙光纤的另一端输出的与待测气体中一种或多种分解组分相应波长的红外激光；
所述接收器，用于接收来自所述光纤滤波器输出的红外激光；
所述信号单元，用于基于所述接收器输出的红外激光获取所述待测气体的分解情况。
2.根据权利要求1中所述的一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测装置，其特征在于：
所述装置还包括检测池，所述检测池中密封放置部分空心光子带隙光纤、一个套管连接器和部分用于连接光纤滤波器的普通光纤；
所述套管连接器用于连接空心光子带隙光纤和所述普通光纤；
所述套管连接器上设置有至少一个通气孔，使得所述检测池的内部与所述空心光子带隙光纤内部联通。
3.根据权利要求2中所述的一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测装置，其特征在于：
所述装置还包括抽气设备，所述检测池还包括第一进气口、第二进气口、出气口，所述出气口与所述抽气设备相连；
其中，所述第一进气口用于向所述检测池中通入洗气气体，所述第二进气口用于向所述检测池中通入待测气体六氟化硫及其分解组分，所述出气口用于从所述检测池中抽取气体。
4.根据权利要求3中所述的一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测装置，其特征在于：
所述出气口与所述抽气设备之间使用PTFE管进行连接。
5.根据权利要求2或3中所述的一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测装置，其特征在于：
所述装置还包括控制单元，所述进气口和出气口上安装有阀门，所述控制单元用于控制所述阀门的开启与闭合，同时控制所述抽气设备经过所述出气口从检测池中抽取气体。
6.根据权利要求5中所述的一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测装置，其特征在于：
所述控制单元分别与所述超连续谱激光器、光纤滤波器、接收器和信号单元相连接；并且，
所述控制单元控制所述装置的状态，并基于所述装置的状态控制所述超连续谱激光器、光纤滤波器、接收器和信号单元的工作。
7.根据权利要求6中所述的一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测装置，其特征在于：
所述检测池内部还包括压力传感器，所述压力传感器与所述控制单元相连接，用于测量检测池内的气体压强，并将测量到的气体压强发送至所述控制单元。
8.根据权利要求2-7中所述的一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测装置，其特征在于：
所述检测池由玻璃钢制成，所述洗气气体为氮气。
9.根据权利要求1中所述的一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测装置，其特征在于：
所述装置还包括保护外壳，所述保护外壳内设置有除抽气设备外的其他所有装置中的元件。
10.一种如权利要求1-0中所述的基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，向所述空心光子带隙光纤中通入待测气体；
步骤2，基于超连续谱激光器向空心光子带隙光纤的一端输入红外激光，并基于光纤滤波器接收所述空心光子带隙光纤的另一端输出的红外激光；
步骤3，接收来自所述空心光子带隙光纤输出的红外激光，并基于所述输出的红外激光获取所述待测气体的分解情况。
11.根据权利要求10中所述的一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测方法，其特征在于：
当所述控制单元控制所述装置处于气密性检测状态时，基于所述气密性检测状态开启所述第一进气口的阀门，关闭出气口的阀门；
当接收到所述压力传感器测量到的气体压强在预定时间内处于稳定状态，则判断所述装置的气密性合格。
12.根据权利要求11中所述的一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测方法，其特征在于：
步骤1.1，当判断出所述装置的气密性合格后，所述控制单元控制所述装置处于洗气操作状态；
步骤1.2，基于所述洗气操作状态关闭所述第一进气口的阀门，开启出气口的阀门，启动抽气设备；
步骤1.3，当接收到所述压力传感器测量到的气体压强低于-0.1MPa时，关闭出气口的阀门，停止抽气设备，打开第一进气口的阀门；
步骤1.4，当接收到所述压力传感器测量到的气体压强高于0MPa时，重复步骤1.2至步骤1.4三次，从而完成洗气操作。
13.根据权利要求12中所述的一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测方法，其特征在于：
当完成所述洗气操作后，所述控制单元控制所述装置处于待测准备状态；
基于所述待测准备状态开启第二进气口的阀门，关闭出气口的阀门，向所述检测池中通入所述待测气体六氟化硫及其分解组分；
当接收到所述压力传感器测量到的气体压强等于标准大气压后，关闭第二进气口的阀门并静置所述检测气体直至完成待测准备。
14.根据权利要求13中所述的一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测方法，其特征在于：
当完成所述待测准备后，所述控制单元控制所述装置处于检测状态；
基于所述检测状态开启超连续谱激光器、光纤滤波器、接收器、信号单元开启直至获取到所述待测气体的分解情况。
15.根据权利要求14中所述的一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测方法，其特征在于：
当完成所述检测操作后，所述控制单元控制所述装置处于排气状态；
基于所述排气状态关闭第一与第二进气口阀门，开启出气口阀门，启动抽气设备进行排气。
16.根据权利要求10中所述的一种基于激光传输信号的六氟化硫分解组分监测方法，其特征在于：
所述光纤滤波器接收到的空心光子带隙光纤的另一端输出的红外激光为所述待测气体中六氟化硫分解组分吸收的红外激光；
基于输出的红外激光，所述接收器将红外激光信号转换为电信号；
基于所述电信号，所述信号单元计算出所述待测气体中六氟化硫分解组分的含量。
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