CN113702332A - 一种sf6电气设备故障组分co2浓度检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种SF6电气设备故障组分CO2浓度检测装置及方法，它包括DFB激光器，DFB激光器与光纤准直器连接；光纤准直器与长光程多次反射气室连接；光电探测器与前置放大电路和第一低通滤波器连接；第一低通滤波器与锁相放大器连接；锁相放大器与第二低通滤波器连接；第二低通滤波器通过AD模块后与控制器连接；控制器分别与激光器TEC温控电路、DA三角波发生电路和正弦波发生电路连接；激光器TEC温控电路、DA三角波发生电路和正弦波发生电路分别与DFB激光器连接；克服了气相色谱法检测时间过长、气体检测管法精度低，以及光声光谱仪价格昂贵等问题。

Description

一种SF6电气设备故障组分CO2浓度检测装置及方法
技术领域
本发明属于SF6电气设备故障检测技术领域；尤其涉及一种SF6电气设备故障组分CO2浓度检测装置及方法。
背景技术
SF6气体由于其惰性被广泛应用于高压电气设备中，起到绝缘和灭弧的重要作用。通过检测SF6设备中气体组分来判断设备故障是目前研究的热点，其中CO2是能够表征设备故障的特征组分之一，然而在电力行业标准中尚未明确判断故障的CO2组分注意值。SF6新气在出厂时就含有残留的CO2气体，当SF6电气设备发生绝缘性故障时也会分解产生CO2，由于缺少合适的现场检测技术，所以不能区分出SF6电气设备中SF6新气中原本带有的CO2和因故障分解产生的CO2，也就不能明确判断故障的CO2组分注意值。
目前SF6电气设备中CO2的现有检测方法包括气相色谱法、气体检测管法和光声光谱法。气相色谱法是目前电力行业中测量CO2的常用方法，但是该方法进样检测时间较长、色谱柱分离效果易受环境影响，不适用于现场检测SF6电气设备中的CO2，而且该方法通常需要与其他方法联用，如气相色谱—质谱法。专利201310014608.5利用气相色谱—质谱联用仪对样品进行定性、定量分析，虽然能够实现对样品的快速定性和准确定量，但是所使用的气相色谱—质谱联用仪价格昂贵。气体检测管法的检测精度低，且不同气体之间的化学反应易发生干扰现象，所以该方法在电力行业中并不常用。专利文献201110414592.8提供了一种六氟化硫分解组分的自动恒温型光声检测装置及实验方法，保证了光声检测装置的稳定性、检测的准确性和精度，虽然适用于在线检测，但是检测成本很高。
发明内容
本发明要解决的技术问题：提供一种SF6电气设备故障组分CO2浓度检测装置及方法，以解决现有SF6电气设备中CO2检测法检测时间过长、精度低和仪器价格昂贵等问题。
本发明技术方案：
一种SF6电气设备故障组分CO2浓度检测装置，它包括DFB激光器，DFB激光器与光纤准直器连接；光纤准直器与长光程多次反射气室连接；光电探测器与前置放大电路和第一低通滤波器连接；第一低通滤波器与锁相放大器连接；锁相放大器与第二低通滤波器连接；第二低通滤波器通过AD模块后与控制器连接。
它还包括：控制器分别与激光器TEC温控电路、DA三角波发生电路和正弦波发生电路连接；激光器TEC温控电路、DA三角波发生电路和正弦波发生电路分别与DFB激光器连接。
控制器为MC9S12最小系统；采用MC9S12DG128单片机组成，MC9S12DG128单片机与上位机连接。
DFB激光器、长光程多次反射气室和光电探测器处于同一直线上。
DFB激光器为TO5型2004nm激光器。
一种SF6电气设备故障组分CO2浓度检测装置的检测方法，它包括：
步骤1、通过控制激光器TEC温控电路对DFB激光器波长进行粗调，控制激光器直流驱动电路对激光器波长进行细调，使激光器发出的激光在CO2最佳吸收波长2004nm进行线性扫描；
步骤2、DFB激光器发出的激光准直后在长光程多次反射气室中进行多次反射，然后被安装在长光程多次反射气室另一端的光电探测器所接收到，实现由光信号到电信号的转换；
步骤3、将光电探测器探测到的电信号分别经前置放大电路和第一低通滤波器放大、滤波后作为被测信号输入锁相放大器中，然后由基准信号解调出与被测气体浓度相关的二次谐波信号，再通过第二低通滤波器滤波；
步骤4、将采集到的二次谐波信号经控制器通过RS485上传到上位机进行数据处理，最终计算得到被测气体的浓度值。
所述多次反射指反射20次以上。
所述上位机进行数据处理的方法，它包括：
步骤1、系统自检；
步骤2、系统自检通过后，依次启动激光器直流驱动模块、DA三角波发生模块和正弦波发生模块，同时启动激光器TEC温控模块，当TEC温度正常时启动激光器，否则报警输出故障码；
步骤3、通过光电探测器的信号来检测光功率是否正常，若异常则报警输出故障码，若正常则进一步检测二次谐波；
步骤4、若未检测到二次谐波，则进一步检测电压是否正常，检测电压包括DA三角波、正弦波及两者的叠加信号，若异常则报警输出故障码，若电压正常则调整激光器温度及注入电流后再回到步骤3；若检测到有二次谐波，则继续判断二次谐波峰值位置是否正确，若二次谐波峰值异常则报警输出故障码，再调整激光器温度及注入电流后再回到步骤3，若正常则进入步骤5；
步骤5、若二次谐波正常，则计算二次谐波峰峰值与平均光功率值，并采集温度和压力值；
步骤6、根据Beer-Lambert定律反演CO2浓度。
本发明的有益效果：
本发明采用的可调谐半导体激光吸收光谱法(TDLAS)是根据可调谐半导体激光器的窄线宽和波长随温度以及驱动电流变化的特性来获得被测气体的单吸收谱线和背景谱线，从而对被测气体进行定性和定量分析；与现有SF6电气设备中CO2检测技术相比，TDLAS具有检测速度快、灵敏度高、精度高、消耗气量少、选择性好等优点，克服了气相色谱法检测时间过长、气体检测管法精度低，以及光声光谱仪价格昂贵等问题。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明上位机数据处理流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图，进一步阐述本发明。
如图1所示，本发明的一种SF6电气设备故障组分CO2浓度检测装置，包括MC9S12最小系统、激光器直流驱动电路、激光器TEC温控电路、DA三角波发生电路、正弦波发生电路、DFB激光器、光纤准直器、长光程多次反射气室、光电探测器、前置放大电路、低通滤波器、倍频电路、锁相放大器、A/D转换器和D/A转换器。其中DFB激光器、光纤准直器、长光程多次反射气室和光电探测器处于同一直线上，MC9S12最小系统采用的是MC9S12DG128单片机。
本发明根据HITRAN数据库对CO2的红外光谱特性进行分析，确定CO2的最佳吸收波长为2004nm。DFB激光器发出的激光波长容易受温度或驱动电流变化的影响，所以需要通过激光器TEC温控电路对激光器波长进行粗调，通过激光器直流驱动电路对波长进行细调。DA三角波发生电路主要包括D/A转换器和滤波器，MC9S12最小系统生成数字三角波，经DA三角波发生电路进行数模转换和滤波后得到需要的三角波。正弦波发生电路采用DDS芯片AD9832，MC9S12控制DDS芯片直接生成正弦波输出。DA三角波发生电路和正弦波发生电路的输出与激光器直流驱动电路的直流叠加，实现对激光器的驱动和波长调制，使激光器发出的激光在CO2最佳吸收波长2004nm附近进行线性扫描。DFB激光器、光纤准直器、长光程多次反射气室和光电探测器是一个密封的整体，DFB激光器和光纤准直器在长光程多次反射气室的左侧，光电探测器在长光程多次反射气室的右侧，它们处于同一水平线上。DFB激光器发出的激光经光纤准直器准直后从入射孔进入长光程多次反射气室，在长光程多次反射气室中反射20次以上后从出射孔射出，然后被安装在长光程多次反射气室另一端的光电探测器所接收到，实现由光信号到电信号的转换。光电探测器转换的电信号非常微弱，同时包含有大量的噪声，锁相放大器是一种有效检测弱信号的仪器，能够将被测信号中与基准信号同频(或倍频)和同相的分量以直流的形式提取出来，而其他分量会被转变成交流被第二低通滤波器滤除，因此锁相放大器能大幅度抑制无用噪声，提高检测灵敏度和信噪比。因为光电探测器得到的微弱电信号中的二次谐波分量包含有被测气体的浓度信息，所以为了提取二次谐波，锁相放大器的基准信号是由正弦波发生电路生成的正弦波信号倍频后得到的。探测器的微弱电信号分别经前置放大器和第一低通滤波器进行放大、滤波后作为锁相放大器的被测信号，然后由基准信号解调出二次谐波。最后将二次谐波信号进行模数转换，由MC9S12DG128单片机经RS485传输到上位机进行数据处理，最终计算得到被测气体的浓度值。
上位机进行数据处理方法为：
第一步，打开软件系统开始自检；
第二步，待系统自检通过后，依次启动激光器直流驱动模块、DA三角波发生模块和正弦波发生模块，同时启动激光器TEC温控模块，当TEC温度正常时启动激光器，否则报警输出故障码；
第三步，通过光电探测器的信号来检测光功率是否正常，若异常则报警输出故障码，若正常则进一步检测二次谐波；
第四步，若检测到二次谐波异常，则首先判断有无检测到二次谐波，若未检测到二次谐波，则可能是激光器未启动成功，需进一步检测电压是否正常，检测电压包括DA三角波、正弦波及两者的叠加信号，若异常则报警输出故障码，若电压正常则尝试调整激光器温度及注入电流后再回到第三步重新检测；若检测到有二次谐波，则继续判断二次谐波峰值位置是否正确，若二次谐波峰值异常则报警输出故障码，再尝试调整激光器温度及注入电流后再回到第三步重新检测，若正常则进入下一步；
第五步，二次谐波检测正常，计算二次谐波峰峰值及平均光功率值，并采集温度、压力值；
第六步，根据Beer-Lambert定律反演浓度。

Claims (8)

1.一种SF6电气设备故障组分CO2浓度检测装置，它包括DFB激光器，其特征在于：DFB激光器与光纤准直器连接；光纤准直器与长光程多次反射气室连接；光电探测器与前置放大电路和第一低通滤波器连接；第一低通滤波器与锁相放大器连接；锁相放大器与第二低通滤波器连接；第二低通滤波器通过AD模块后与控制器连接。
2.根据权利要求1所述的一种SF6电气设备故障组分CO2浓度检测装置，其特征在于：它还包括：控制器分别与激光器TEC温控电路、DA三角波发生电路和正弦波发生电路连接；激光器TEC温控电路、DA三角波发生电路和正弦波发生电路分别与DFB激光器连接。
3.根据权利要求1所述的一种SF6电气设备故障组分CO2浓度检测装置，其特征在于：控制器为MC9S12最小系统；采用MC9S12DG128单片机组成，MC9S12DG128单片机与上位机连接。
4.根据权利要求1所述的一种SF6电气设备故障组分CO2浓度检测装置，其特征在于：DFB激光器、长光程多次反射气室和光电探测器处于同一直线上。
5.根据权利要求1所述的一种SF6电气设备故障组分CO2浓度检测装置，其特征在于：DFB激光器为TO5型2004nm激光器。
6.如权利要求1所述的一种SF6电气设备故障组分CO2浓度检测装置的检测方法，其特征在于：它包括：
步骤1、通过控制激光器TEC温控电路对DFB激光器波长进行粗调，控制激光器直流驱动电路对激光器波长进行细调，使激光器发出的激光在CO2最佳吸收波长2004nm进行线性扫描；
步骤2、DFB激光器发出的激光准直后在长光程多次反射气室中进行多次反射，然后被安装在长光程多次反射气室另一端的光电探测器所接收到，实现由光信号到电信号的转换；
步骤3、将光电探测器探测到的电信号分别经前置放大电路和第一低通滤波器放大、滤波后作为被测信号输入锁相放大器中，然后由基准信号解调出与被测气体浓度相关的二次谐波信号，再通过第二低通滤波器滤波；
步骤4、将采集到的二次谐波信号经控制器通过RS485上传到上位机进行数据处理，最终计算得到被测气体的浓度值。
7.根据权利要求6所述的一种SF6电气设备故障组分CO2浓度检测装置的检测方法，其特征在于：所述多次反射指反射20次以上。
8.根据权利要求6所述的一种SF6电气设备故障组分CO2浓度检测装置的检测方法，其特征在于：所述上位机进行数据处理的方法，它包括：
步骤1、系统自检；
步骤2、系统自检通过后，依次启动激光器直流驱动模块、DA三角波发生模块和正弦波发生模块，同时启动激光器TEC温控模块，当TEC温度正常时启动激光器，否则报警输出故障码；
步骤3、通过光电探测器的信号来检测光功率是否正常，若异常则报警输出故障码，若正常则进一步检测二次谐波；
步骤4、若未检测到二次谐波，则进一步检测电压是否正常，检测电压包括DA三角波、正弦波及两者的叠加信号，若异常则报警输出故障码，若电压正常则调整激光器温度及注入电流后再回到步骤3；若检测到有二次谐波，则继续判断二次谐波峰值位置是否正确，若二次谐波峰值异常则报警输出故障码，再调整激光器温度及注入电流后再回到步骤3，若正常则进入步骤5；
步骤5、若二次谐波正常，则计算二次谐波峰峰值与平均光功率值，并采集温度和压力值；
步骤6、根据Beer-Lambert定律反演CO2浓度。
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