CN114002158A - 基于光声光谱法的sf6分解组分气体检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于光声光谱法的SF6分解组分气体检测装置及方法，所述装置本装置将光声池分成均匀的两个部分，在光声池内部左半部分通入纯净SF6气体用，右半部分通入待测气体样品，光源经过聚光单元进入光声池，声学谐振腔与光源的信号相谐振，利用石英音叉来采集待测信号，将两种信号输入进差分放大电路，进行差分后输入计算机，得到SF6分解组分气体的浓度。本发明利用差分的方法，能极大的减小实验周围的噪声干扰，具有高灵敏度。在进气口出设计了一个陷波器，能够有效减少气体流动的噪声干扰。且采用石英音叉作为检测光声信号的材料，成本低，可以回收利用，极具发展潜力。
Description
技术领域
本发明涉及电气设备故障诊断与评估领域，更具体地，涉及一种基于光声光谱法的SF6分解组分气体方法及装置。
背景技术
SF6是目前已知最优秀的气体绝缘介质，具有极其优良的绝缘、灭弧性能和理化特性。然而研究表明当SF6气体绝缘电气设备内部发生局部放电、火花放电、电弧放电、局部过热等绝缘故障时，SF6气体会发生一定程度的分解，生成SOF2和SO2F2等多种低氟硫化物。现有研究表明，不同类型的绝缘故障导致的SF6分解，其产物在成分、组分含量等方面均有所不同，且SF6气体的分解量与故障严重程度亦有所关联，因此可以借助检测分析SF6分解气体的浓度实现对设备内部的故障类型与故障严重程度的识别和评估。
光声光谱技术是近几十年发展起来的检测物质浓度的新型技术，相对于传统的检测技术具有灵敏度高、检测范围宽、检测速度快、特别适用于在线监测等优点。目前已经有许多能实现对多种故障特征气体同时检测的方法，从机制机理上可以分为以下几种：气相色谱法、阵列式气敏传感器法、傅立叶变换红外光谱分析法(FTIR)。但上述方法大都灵敏度不高或无法实现在线检测且容易受到噪声干扰。
为了减少噪声干扰，使用石英音叉作为检测光声信号的材料越来越受到重视。此外，石英音叉光声检测具有灵敏度高、成本低且低噪声干扰的特点，利于在实际中使用。
发明内容
在进行SF6分解组分现场检测时，由于仪器内气体的流动和复杂的环境条件，导致我们在检测结果受到了许多噪声干扰。所以，在进行气体检测时，降低环境对信号的干扰时十分重要的。
为了实现上述目的，本发明提出了一种基于光声光谱法的SF6分解组分气体检测方法及装置。
具体地，本发明提出一种基于光声光谱法的SF6分解组分气体检测装置，所述装置包括：进、出气单元、激光光源、压力表、聚光单元、共振光声池、计算机，光源经过聚光单元进入光声池，进、出气单元用于将实验所需的气体用气压的方式导进光声池，光声池与激光光源的信号相谐振，对谐振信号采集并处理后输入计算机，用于对SF6分解气体的浓度进行检测。
优选地，所述共振光声池包括声学谐振腔和声学信号检测单元，声学谐振腔与光源的信号相谐振，达到振幅的最大值即信号最大值。
优选地，所述声学谐振腔分成均匀的两个部分，在光声池内部左半部分通入纯净SF6气体用，右半部分通入待测气体样品。
优选地，所述声学信号检测单元包括两个石英音叉和电信号处理单元，所述石英音叉与由于光声效应产生的声学信号共振，产生声学信号的震动，同时由于压电效应将声信号转换为电信号并将电信号传导，所述电信号处理单元包括差分放大电路。
优选地，所述石英音叉分别插入两部分声学谐振腔中来采集噪声信号，并将两种信号输入进差分放大电路进行差分，以免噪声信号的干扰。
优选地，所述进、出气单元包括：SF6气体气瓶、气管、可控制的双向阀门、陷波器、可控制三向阀门以及气泵。
优选地，所述陷波器去除流动气体的噪声干扰，SF6气体气瓶通过气管与陷波器连接，气管上设置可控制双向阀门；陷波器通过气管连接可控制三向阀门，可控制三向阀门通过气管连接光声池，光声池入口端设置有可控制双向阀门。
优选地，所述气泵用于将实验所需的气体用气压的方式导进光声池，气泵通过气管连接光声池，并在光声池入口端设置可控制双向阀门。
优选地，所述激光光源为红外激光器，能够提供7.46um和6.631um波长的光。
优选地，所述聚光单元包括光阑、透镜以及氟化钙透镜，光阑、透镜设置于激光光源与光声池之间，氟化钙透镜分别设置于光声池两个部分靠近激光光源的侧壁上，用于将激光光源分散的光聚焦到一起。
优选地，所述压力表用于检测所导进光声池气体的气压。
本发明还提出一种基于光声光谱法的SF6分解组分气体检测方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1，设置实验条件；
步骤2，使光声池及导管内的空间保持真空；
步骤3，将待测气体导入光声池，并利用压力表检测所导进光声池气体的气压；
步骤4，打开激光光源，光源经过聚光单元进入光声池；
步骤5，声学谐振腔与光源的信号相谐振，采集待测信号并处理后输入计算机；
步骤6，在计算机上记录光声信号实验数据，并得到SF6分解组分气体成分及浓度。
优选地，所述步骤S1包括：测量共振光声池的共振频率并调制好激光光源的频率，使两者频率达到共振并调制好激光光源的位置。
优选地，所述步骤S2包括：先将氩气或其他惰性气体导入洗净光声池，之后将光声池及导管内的气体通过气泵抽出，保证光声池及导管内的空间具有真空性。
优选地，所述步骤S3包括：
打开压力表，先将SF6对比气体导入光声池左侧，观察压力表读数，当压力表读数达到所需的反应压强时关闭气泵；再利用同样的方法把待测气体导入光声池右侧，导入结束后关闭压力表，关紧阀门。
优选地，所述步骤S4包括：
声学谐振腔与光源的信号相谐振，利用石英音叉采集待测信号，并将信号经差分放大电路处理后输入计算机。
与现有技术相比，本发明的优势在于，设计了一种基于光声光谱法的实验平台并提供了检测方法，该方案利用差分的方法，能极大的减小实验周围的噪声干扰，具有高灵敏度。此外，在进气口出设计了一个陷波器，能够有效减少气体流动的噪声干扰。且采用石英音叉作为检测光声信号的材料，成本低，可以回收利用，极具发展潜力。
附图说明
图1是本发明SF6分解组分气体检测装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的有所其它实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明利用差分的方法，设计了一种用于检测在SF6背景气体下检测其分解产物SO2F2和S0F2混合气体的装置，如图1所示，该装置包括：进、出气单元、激光光源8、压力表6、聚光单元、共振光声池12、计算机15。
本装置将光声池分成均匀的两个部分，在光声池内部左半部分通入纯净SF6气体用，利用石英音叉13来采集噪声信号。右半部分通入待测气体样品，同样利用石英音叉来采集待测信号。将两种信号输入进差分放大电路，进行差分，可以高效的解决噪声信号的干扰。
进、出气单元包括：SF6气体气瓶1、气管2、可控制的双向阀门3、陷波器4、可控制三向阀门5、以及气泵7等。
陷波器主要用去去除流动气体的噪声干扰。SF6气体气瓶1通过气管与陷波器4连接，气管上设置可控制双向阀门3。陷波器4通过气管连接可控制三向阀门5，可控制三向阀门5通过气管连接光声池12。光声池入口端设置有可控制双向阀门。
气泵主要用于将实验所需的气体用气压的方式导进光声池。气泵7通过气管连接光声池12。光声池入口端设置有可控制双向阀门。激光光源8为红外激光器，能够提供7.46um和6.631um波长的光。该两种波长为SO2F2和SOF2气体吸收最强的光波长。聚光单元包括光阑9、透镜10以及氟化钙透镜11，用于将激光光源分散的光聚焦到一起。光阑9、透镜10设置于激光光源与光声池之间，氟化钙透镜11分别设置于光声池两个部分靠近激光光源的侧壁上。压力表6用于检测所导进光声池气体的气压。
共振光声池：对痕量气体检测的主要承载部分，主要包括声学谐振腔和声学信号检测单元。声学谐振腔与光源的信号相谐振，达到振幅的最大值即信号最大值。声学谐振腔分为左右两部分，左半部分通入纯净SF6气体，利用石英音叉13来采集噪声信号。右半部分通入待测气体样品，同样利用石英音叉来采集待测信号。
声学信号检测单元：包括两个石英音叉和电信号处理单元。石英音叉可以与由于光声效应产生的声学信号共振，产生声学信号的震动。此外，石英音叉由于压电效应可以将声信号转换为电信号并将电信号传导。
电信号处理单元包括差分放大电路14，差分放大电路14将石英音叉产生的信号收集处理并进行差分放大。
计算机15用于记录光声信号实验数据，并得到SF6分解组分气体成分及浓度。
本发明还提供了一种使用所述装置的具体方法，包括以下步骤：
步骤1，设置实验条件，包括：测量共振光声池的共振频率并调制好激光光源的频率，使两者频率达到共振并调制好激光光源的位置。
步骤2，先将氩气或其他惰性气体导入洗净光声池，之后将光声池及导管内的气体通过气泵抽出，保证光声池及导管内的空间具有真空性，防止在实验过程中空气对实验结果进行干扰。
步骤3，打开压力表，先将SF6对比气体导入光声池左侧，观察压力表读数，当压力表读数达到所需的反应压强时关闭气泵。再利用同样的方法把待测气体导入光声池右侧，导入结束后关闭压力表，关紧阀门。
步骤4，打开激光光源，光源经过聚光单元进入光声池。
步骤5，声学谐振腔与光源的信号相谐振，利用石英音叉采集待测信号，并将信号经差分放大电路放大后输入计算机。
步骤6，在计算机上记录光声信号实验数据，并得到SF6分解组分气体成分及浓度。
申请人结合说明书附图对本发明的实施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)
1.一种基于光声光谱法的SF6分解组分气体检测装置，其特征在于，所述装置包括：进、出气单元、激光光源、压力表、聚光单元、共振光声池、计算机，光源经过聚光单元进入光声池，进、出气单元用于将实验所需的气体用气压的方式导进光声池，光声池与激光光源的信号相谐振，对谐振信号采集并处理后输入计算机，用于对SF6分解气体的浓度进行检测。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述共振光声池包括声学谐振腔和声学信号检测单元，声学谐振腔与光源的信号相谐振，达到振幅的最大值即信号最大值。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述声学谐振腔分成均匀的两个部分，在光声池内部左半部分通入纯净SF6气体用，右半部分通入待测气体样品。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述声学信号检测单元包括两个石英音叉和电信号处理单元，所述石英音叉与由于光声效应产生的声学信号共振，产生声学信号的震动，同时由于压电效应将声信号转换为电信号并将电信号传导，所述电信号处理单元包括差分放大电路。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述石英音叉分别插入两部分声学谐振腔中来采集噪声信号，并将两种信号输入进差分放大电路进行差分，以免噪声信号的干扰。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述进、出气单元包括：SF6气体气瓶、气管、可控制的双向阀门、陷波器、可控制三向阀门以及气泵。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述陷波器去除流动气体的噪声干扰，SF6气体气瓶通过气管与陷波器连接，气管上设置可控制双向阀门；陷波器通过气管连接可控制三向阀门，可控制三向阀门通过气管连接光声池，光声池入口端设置有可控制双向阀门。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述气泵用于将实验所需的气体用气压的方式导进光声池，气泵通过气管连接光声池，并在光声池入口端设置可控制双向阀门。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光光源为红外激光器，能够提供7.46um和6.631um波长的光。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述聚光单元包括光阑、透镜以及氟化钙透镜，光阑、透镜设置于激光光源与光声池之间，氟化钙透镜分别设置于光声池两个部分靠近激光光源的侧壁上，用于将激光光源分散的光聚焦到一起。
11.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述压力表用于检测所导进光声池气体的气压。
12.一种基于光声光谱法的SF6分解组分气体检测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1，设置实验条件；
步骤2，使光声池及导管内的空间保持真空；
步骤3，将待测气体导入光声池，并利用压力表检测所导进光声池气体的气压；
步骤4，打开激光光源，光源经过聚光单元进入光声池；
步骤5，声学谐振腔与光源的信号相谐振，采集待测信号并处理后输入计算机；
步骤6，在计算机上记录光声信号实验数据，并得到SF6分解组分气体成分及浓度。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述步骤S1包括：测量共振光声池的共振频率并调制好激光光源的频率，使两者频率达到共振并调制好激光光源的位置。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：先将氩气或其他惰性气体导入洗净光声池，之后将光声池及导管内的气体通过气泵抽出，保证光声池及导管内的空间具有真空性。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
打开压力表，先将SF6对比气体导入光声池左侧，观察压力表读数，当压力表读数达到所需的反应压强时关闭气泵；再利用同样的方法把待测气体导入光声池右侧，导入结束后关闭压力表，关紧阀门。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
声学谐振腔与光源的信号相谐振，利用石英音叉采集待测信号，并将信号经差分放大电路处理后输入计算机。
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