CN113447776A - Sf6分解组分气体光声探测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

SF6分解组分气体光声探测装置及方法，装置包括：近红外光激光器、斩波器、光声池、麦克风、悬臂梁、锁相放大器、氦氖激光器，四象限探测器；变压器油中气体在光声池中发生光声效应让悬臂梁振动产生声信号；同时红外光先射至振动的悬臂梁后再射入至四象限探测器；由四象限探测器四个独立的像元产生各不相同的电压信号；锁相放大器，将各像元的电压信号变频为直流信号，该直流信号为四象限探测器上光斑位置的偏移量，即悬臂梁的振幅。本发明采用光声光谱技术检测变压器绝缘油的分解气体产物，为电力工程现场提供一种体积小、响应迅速的变压器绝缘状态检测装置，提高变压器绝缘状态检测的稳定性和灵敏度。

Description

SF6分解组分气体光声探测装置及方法
技术领域
本发明涉及电力设备绝缘状态检测技术领域，更具体地，涉及SF6分解组分气体光声探测装置及方法。
背景技术
随着长期运行条件下电和热的联合影响下，变压器的绝缘油会发生劣化，产生一些低分子的烃类、CO2、CO等气体，当前用于电力设备内部分解气体产物的检测方法有气相色谱法、电化学传感法、光谱法等。
现有技术中，气相色谱法需要用到的气相色谱仪价格昂贵，色谱柱需要经常清洗，不利于实现在线监测；电化学传感法存在交叉干扰和传感器中毒等技术问题。近年来，基于红外光谱对组分气体进行检测的技术取得飞速发展，并被使用在电力设备状态检测中，然而，传统吸收光谱技术的光强探测器对光的波长具有选择性，因此在检测稳定性和灵敏度方面存在一定欠缺。
随着以探测光声信号的光声光谱技术的不断推进，该技术展示出一些传统吸收光谱技术所不具备的优势：光声信号的强弱与气体分子吸收的光能有关，若没有发生吸收作用则不存在光声信号，因此该技术是一种无背景技术；光声光谱技术中探测器的选用不依赖波长；光声光谱技术具有较好的稳定性，且灵敏度高，通过采用激光光源和高灵敏度传声器，理论上的检测极限可达ppb量级；光声光谱检测系统体积较小，响应迅速，便于现场监测。因此，将光声光谱技术应用在电力设备内部分解气体产物，尤其是变压器绝缘油的分解气体产物的检测上，具有积极的意义。
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SF6分解组分气体光声探测装置及方法，采用光声光谱技术检测变压器绝缘油的分解气体产物，为电力工程现场提供一种体积小、响应迅速的变压器绝缘状态检测装置，提高变压器绝缘状态检测的稳定性和灵敏度。
本发明采用如下的技术方案。
SF6分解组分气体光声探测装置包括：近红外光激光器、斩波器、光声池、麦克风、悬臂梁、锁相放大器、氦氖激光器，四象限探测器。
近红外光激光器发射出预设波长的连续近红外光，经由斩波器进行频率调制后得到周期性近红外光，射入至光声池中；待测的变压器油中气体在光声池中与周期性近红外光发生光声效应，光声效应引起气压变化从而让悬臂梁振动；麦克风接收悬臂梁振动产生的声信号，并将声信号转换为电信号。
同时，氦氖激光器发射的连续红外光，经由斩波器进行频率调制后得到周期性红外光；其中，周期性近红外光与周期性红外光的频率相同。
周期性红外光先反射至处于振动状态的悬臂梁上后，再射入至四象限探测器；其中，四象限探测器有四个独立的像元，每个像元均能基于光电效应而产生各不相同的电压信号。
电压信号经过锁相放大器解调得到悬臂梁振幅的电信号；根据悬臂梁振幅的电信号计算得到气体浓度。
优选地，连续近红外光的预设波长，是变压器油中气体任一组分的红外光吸收峰对应的波长，或者变压器油中气体多个组分的红外光吸收峰对应的波长。
周期性红外光射入至四象限探测器上形成光斑，由于悬臂梁的振动使得光斑在四个像元上的占用面积不同，四个像元基于光电效应而产生的电压信号不同；四个像元产生的电压信号的波形由示波器进行显示。
锁相放大器以四象限探测器中每个像元产生的电压信号为输入信号，通过将各电压信号与振荡器进行混频，将混频后的电压信号转换为悬臂梁振幅电信号；其中，所述振荡器是自激正弦波振荡器，用于产生一个比接收信号高一个中频率的高频等幅正弦波信号，并把这个高频等幅正弦波信号与高频信号进行混频后获得中频信号。
优选地，装置还包括合束器，合束器将近红外光激光器发射出的连续波数光聚集在一起。
优选地，装置还包括斩波控制单元；斩波控制单元根据调制频率信号，控制斩波器分别将近红外光激光器发射出的连续近红外光和氦氖激光器发射出的连续红外光中断，以调制成频率相同的周期性近红外光和周期性红外光；其中，调制频率信号由锁相放大器提供，是悬臂梁振动的频率。
优选地，装置还包括A/D转换器和PC终端；锁相放大器发出的光声信号通过A/D转换器转换成数字信号后发送至PC终端，通过PC终端的显示器输出混合气体的浓度信息。
悬臂梁布置在光声池内的玻璃基板中心的圆形开口上，并且在安装空间内能够自由悬臂；悬臂梁的周围由玻璃刀片进行分隔，悬臂梁与圆形开口边缘的距离小于100μm。
优选地，周期性红外光经由反射镜反射至处于振动状态的悬臂梁上，再经由棱镜将发散的周期性红外光聚集后射入至四象限探测器。
SF6分解组分气体光声探测方法包括：
步骤1，根据变压器油中气体的红外光吸收峰，确定连续近红外光的预设波长；
步骤2，对连续的近红外光进行频率调制，得到周期性的近红外光；同时，将连续的红外光进行频率调制得到周期性的红外光；并且周期性近红外光与周期性红外光的频率相同；
步骤3，利用周期性的近红外光与待检测的变压器油中气体发生光声效应，在光声效应下引起悬臂梁振动而产生声信号，利用麦克风接收该声信号并转换为电信号；
步骤4，同时将周期性红外光入射在处于振动状态的悬臂梁上，利用四象限探测器和锁相放大器获得悬臂梁振幅电信号；
步骤5，利用如下关系式计算气体浓度c：
Figure BDA0003133459060000031
式中，
PAS为锁相放大器获得的悬臂梁振幅电信号，
S为电信号到光声信号的转换率，
α为待测气体的红外吸收系数，
PS为光声池中光的功率，
Ccell为光声池常数。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
1、斩波控制单元结合锁相放大器的参考信号，探测器通过对经过斩波器光强的探测，斩波器将激光束中断，调制成周期性的红外光；
2、悬臂梁被粘在放置在光声池内的玻璃基板，安装在一个圆形的玻璃开口上，使所在的空间自由悬臂，周围由玻璃刀片分隔，并进行调整悬臂量与边缘的距离小于100μm的距离，以允许其自由移动，同时最大限度地减小波的压力。这种安排使悬臂梁易于改变。悬臂梁能同时检测出多种声信号，从而能实现多组分气体的同时检测；
3、采用氦氖激光器和四象限探测器检测悬臂梁的运动情况。当光照射四象限探测器的光敏面上后，因探测器有四个像元，四个像元是独立的，光斑因为离四个像元的远近不同，占用的每个像元的面积也有所不同，这样四个像元因为光电效应产生的电压也有所不同，根据这些电压差别可换算出光斑在探测器上的相对位置。通过锁相放大器的解调，得到悬臂梁的振幅信息。
附图说明
图1是本发明SF6分解组分气体光声探测装置的整体结构图；
其中附图标记说明如下：
1-近红外光激光器；
2-合束器；
3-斩波器；
4-斩波控制单元；
5-麦克风；
6-光声池；
7-出气口；
8-进气口；
9-悬臂梁；
10-氦氖激光器；
11-四象限探测器；
12-锁相放大器；
13-A/D转换器
14-PC端；
15-示波器；
图2是本发明SF6分解组分气体光声探测装置中悬臂梁运动检测装置的连接示意图；
图3是本发明SF6分解组分气体光声探测装置中悬臂梁的安装示意图。
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。
如图1，SF6分解组分气体光声探测装置包括：近红外光激光器1、斩波器3、光声池6、麦克风5、悬臂梁9、锁相放大器12、氦氖激光器10，四象限探测器11。
近红外光激光器1发射出预设波长的连续近红外光，经由斩波器3进行频率调制后得到周期性近红外光，射入至光声池6中；待测的变压器油中气体在光声池6中与周期性近红外光发生光声效应，光声效应引起气压变化从而让悬臂梁9振动；麦克风5接收悬臂梁9振动产生的声信号，并将声信号转换为电信号。
本优选实施例中，麦克风5和悬臂梁9在光声池6上要稳定布置，尽可能减少系统噪声对麦克风和悬臂梁的干扰。
此外，近红外光源相对于中远红外光源价格成本较低，并且能适应多种变压油中气体，如C2H2气体，CO气体等的检测，因此本优选实施例中，将用于发生光声效应的光源取为近红外光。
进一步，光声池6包括一个进气口8和一个出气口7。
同时，如图2，氦氖激光器10发射的连续红外光，经由斩波器3进行频率调制后得到周期性红外光；其中，周期性近红外光与周期性红外光的频率相同。
本优选实施例中，通过多次实验，对周期性近红外光与周期性红外光的最优频率进行标定，在频率为20Hz时，检测的信噪比最低，因此该调制频率优选为20Hz。
周期性红外光先反射至处于振动状态的悬臂梁9上后，再射入至四象限探测器11；其中，四象限探测器11有四个独立的像元，每个像元均能基于光电效应而产生各不相同的电压信号。
进一步，如图2，周期性红外光经由反射镜反射至处于振动状态的悬臂梁上，再经由棱镜将发散的周期性红外光聚集后射入至四象限探测器。
电压信号经过锁相放大器12解调得到悬臂梁振幅的电信号；根据悬臂梁振幅的电信号计算得到气体浓度。
本优选实施例中，锁相放大器12，将各像元的电压信号变频为直流信号，该直流信号为四象限探测器11上光斑位置的偏移量，即悬臂梁的振幅。
具体地，连续近红外光的预设波长，是变压器油中气体任一组分的红外光吸收峰对应的波长，或者变压器油中气体多个组分的红外光吸收峰对应的波长。
变压器油中气体是多组分的混合气体，各组分对于光的吸收强弱不同，比如变压器油中溶解的乙炔气体，在波数1570cm-1时具有较好的吸收峰，因此在该波数的近红外光下，检测乙炔气体的光声信号强度最强。因此，对于变压器油中气体任一组分，可以通过调整每次检测时入射近红外光的不同波段，使得各次检测时得到的光声信号强度各不相同，从而得出混合气体中各组分的浓度信息。
本发明优选实施例中，近红外光激光器可以同时发出20Hz和40Hz的近红外光光，这两种不同频率的近红外光分别对应H2S气体和CO气体的检测；此时光声池内H2S气体分子和CO气体分子，会在不同脉冲激光的激发下，产生不同频率的声信号，由悬臂梁对多种频率的声信号进行探测，转化为悬臂梁不同幅度的振动信号。
周期性红外光入射在四象限探测器11上形成光斑，由于悬臂梁的振动使得光斑在四个像元上的占用面积不同，四个像元基于光电效应而产生的电压信号不同；四个像元产生的电压信号的波形由示波器15进行显示。
具体来说，四象限探测器11的各像元中，光斑投射在像元表面分别产生的光生电流为IA、IB、IC、ID；在光斑投射至像元表面的能量服从均匀分布的前提下，各像元上的光生功率与光斑在各像元上的分布面积成正比，因此，可以根据各像元之间电流或电压差值的大小计算出光斑到各像元的距离，由这些距离得到光斑在坐标系中的相位位置，从而得到因为悬臂梁振动而引起的光斑位置的偏移量，该偏移量就是悬臂梁的振幅。
锁相放大器12以四象限探测器11中每个像元产生的电压信号为输入信号，通过将各电压信号与振荡器进行混频，将混频后的电压信号转换为悬臂梁振幅电信号；其中，振荡器是自激正弦波振荡器，用于产生一个比接收信号高一个中频率的高频等幅正弦波信号，并把这个高频等幅正弦波信号与高频信号进行混频后获得中频信号。
本发明优选实施例中，还使用一个低通滤波器对直流信号进行滤波处理。
本发明优选实施例中，待测变压器油中气体与近红外光发生光声效应、与锁相放大器得到的光声信号几乎是同时进行，因此光声信号可推算出气体的浓度信息。
具体地，光声探测装置还包括合束器2，合束器2将近红外光激光器1发射出的连续波数光聚集在一起。
具体地，光声探测装置还包括斩波控制单元4；斩波控制单元4根据调制频率信号，控制斩波器3分别将近红外光激光器发射出的连续近红外光和氦氖激光器发射出的连续红外光中断，以调制成频率相同的周期性近红外光和周期性红外光；其中，调制频率信号由锁相放大器12提供，是悬臂梁振动的频率。
本发明优选实施例中，进入光声池的光必须具有固定频率，因此需要给斩波控制单元4设置一个固定频率的指令，并且保证该固定频率与锁相放大器12的调制频率是一致的，可以理解的是，通过锁相放大器12的频率反馈来调制入射光声池的近红外光的频率。
进一步，斩波控制单元4还包括光强探测器，用于对经过斩波器的近红外光光强进行探测。
具体地，装置还包括A/D转换器13和PC终端14；锁相放大器12发出的光声信号通过A/D转换器13转换成数字信号后发送至PC终端14，通过PC终端14的显示器输出混合气体的浓度信息。
如图3，悬臂梁9布置在光声池内的玻璃基板中心的圆形开口上，并且在安装空间内能够自由悬臂；悬臂梁9的周围由玻璃刀片进行分隔，悬臂梁9与圆形开口边缘的距离小于100μm。
SF6分解组分气体光声探测方法包括：
步骤1，根据变压器油中气体的红外光吸收峰，确定连续近红外光的预设波长；
步骤2，对连续的近红外光进行频率调制，得到周期性的近红外光；同时，将连续的红外光进行频率调制得到周期性的红外光；并且周期性近红外光与周期性红外光的频率相同；
步骤3，利用周期性的近红外光与待检测的变压器油中气体发生光声效应，在光声效应下引起悬臂梁振动而产生声信号，利用麦克风接收该声信号并转换为电信号；
步骤4，同时将周期性红外光入射在处于振动状态的悬臂梁上，利用四象限探测器和锁相放大器获得悬臂梁振幅电信号；
步骤5，利用如下关系式计算气体浓度c：
Figure BDA0003133459060000081
式中，
PAS为锁相放大器获得的悬臂梁振幅电信号，
S为电信号到光声信号的转换率，
α为待测气体的红外吸收系数，
PS为光声池中光的功率，
Ccell为光声池常数。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
1、斩波控制单元结合锁相放大器的参考信号，探测器通过对经过斩波器光强的探测，斩波器将激光束中断，调制成周期性的红外光；
2、悬臂梁被粘在放置在光声池内的玻璃基板，安装在一个圆形的玻璃开口上，使所在的空间自由悬臂，周围由玻璃刀片分隔，并进行调整悬臂量与边缘的距离小于100μm的距离，以允许其自由移动，同时最大限度地减小波的压力。这种安排使悬臂梁易于改变。悬臂梁能同时检测出多种声信号，从而能实现多组分气体的同时检测；
3、采用氦氖激光器和四象限探测器检测悬臂梁的运动情况。当光照射四象限探测器的光敏面上后，因探测器有四个像元，四个像元是独立的，光斑因为离四个像元的远近不同，占用的每个像元的面积也有所不同，这样四个像元因为光电效应产生的电压也有所不同，根据这些电压差别可换算出光斑在探测器上的相对位置。通过锁相放大器的解调，得到悬臂梁的振幅信息。
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 (10)

1.SF6分解组分气体光声探测装置，其特征在于，
所述装置包括：近红外光激光器、斩波器、光声池、麦克风、悬臂梁、锁相放大器、氦氖激光器，四象限探测器；
所述近红外光激光器发射出预设波长的连续近红外光，经由斩波器进行频率调制后得到周期性近红外光，射入至光声池中；待测的变压器油中气体在光声池中与周期性近红外光发生光声效应，光声效应引起气压变化从而让悬臂梁振动；所述麦克风接收悬臂梁振动产生的声信号，并将声信号转换为电信号；
同时，所述氦氖激光器发射的连续红外光，经由斩波器进行频率调制后得到周期性红外光；其中，所述周期性近红外光与周期性红外光的频率相同；
周期性红外光先反射至处于振动状态的悬臂梁上后，再射入至四象限探测器；其中，所述四象限探测器有四个独立的像元，每个像元均能基于光电效应而产生各不相同的电压信号；
所述电压信号经过锁相放大器解调得到悬臂梁振幅的电信号；根据悬臂梁振幅的电信号计算得到气体浓度。
2.根据权利要求1所述的SF6分解组分气体光声探测装置，其特征在于，
所述连续近红外光的预设波长，是变压器油中气体任一组分的红外光吸收峰对应的波长，或者变压器油中气体多个组分的红外光吸收峰对应的波长。
3.根据权利要求1所述的SF6分解组分气体光声探测装置，其特征在于，
周期性红外光射入至四象限探测器上形成光斑，由于悬臂梁的振动使得光斑在四个像元上的占用面积不同，四个像元基于光电效应而产生的电压信号不同；所述四个像元产生的电压信号的波形由示波器进行显示。
4.根据权利要求3所述的SF6分解组分气体光声探测装置，其特征在于，
锁相放大器以四象限探测器中每个像元产生的电压信号为输入信号，通过将各电压信号与振荡器进行混频，将混频后的电压信号转换为悬臂梁振幅电信号；其中，所述振荡器是自激正弦波振荡器，用于产生一个比接收信号高一个中频率的高频等幅正弦波信号，并把这个高频等幅正弦波信号与高频信号进行混频后获得中频信号。
5.根据权利要求1所述的SF6分解组分气体光声探测装置，其特征在于，
所述装置还包括合束器，所述合束器将近红外光激光器发射出的连续波数光聚集在一起。
6.根据权利要求1所述的SF6分解组分气体光声探测装置，其特征在于，
所述装置还包括斩波控制单元；所述斩波控制单元根据调制频率信号，控制斩波器分别将近红外光激光器发射出的连续近红外光和氦氖激光器发射出的连续红外光中断，以调制成频率相同的周期性近红外光和周期性红外光；
其中，所述调制频率信号由锁相放大器提供，是悬臂梁振动的频率。
7.根据权利要求1所述的SF6分解组分气体光声探测装置，其特征在于，
所述装置还包括A/D转换器和PC终端；
所述锁相放大器发出的光声信号通过A/D转换器转换成数字信号后发送至PC终端，通过PC终端的显示器输出混合气体的浓度信息。
8.根据权利要求1所述的SF6分解组分气体光声探测装置，其特征在于，
所述悬臂梁布置在光声池内的玻璃基板中心的圆形开口上，并且在安装空间内能够自由悬臂；
悬臂梁的周围由玻璃刀片进行分隔，悬臂梁与圆形开口边缘的距离小于100μm。
9.根据权利要求1所述的SF6分解组分气体光声探测装置，其特征在于，
所述周期性红外光经由反射镜反射至处于振动状态的悬臂梁上，再经由棱镜将发散的周期性红外光聚集后射入至四象限探测器。
10.适用于权利要求1至9任一项所述的SF6分解组分气体光声探测装置的SF6分解组分气体光声探测方法，其特征在于，
所述方法包括：
步骤1，根据变压器油中气体的红外光吸收峰，确定连续近红外光的预设波长；
步骤2，对连续的近红外光进行频率调制，得到周期性的近红外光；同时，将连续的红外光进行频率调制得到周期性的红外光；并且周期性近红外光与周期性红外光的频率相同；
步骤3，利用周期性的近红外光与待检测的变压器油中气体发生光声效应，在光声效应下引起悬臂梁振动而产生声信号，利用麦克风接收该声信号并转换为电信号；
步骤4，同时将周期性红外光入射在处于振动状态的悬臂梁上，利用四象限探测器和锁相放大器获得悬臂梁振幅电信号；
步骤5，利用如下关系式计算气体浓度c：
Figure FDA0003133459050000031
式中，
PAS为锁相放大器获得的悬臂梁振幅电信号，
S为电信号到光声信号的转换率，
α为待测气体的红外吸收系数，
PS为光声池中光的功率，
Ccell为光声池常数。
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