CN204789325U - 一种用于电气设备泄漏检测的红外气体传感器、传感系统 - Google Patents

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徐曦
李静
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Abstract

本实用新型公开了一种用于电气设备泄漏检测的红外气体传感器、传感系统，该传感器包括带有透气孔的气室，以及设置于气室内的宽带红外光源、第一~第二分束镜、反光镜、接第一~第三双通道红外探测器，宽带红外光源、第一~第二分束镜、反光镜位于同一光学平面上，第一分束镜的中心与第一双通道红外探测器的中心位于同一铅垂线上，第二分束镜的中心与第二双通道红外探测器的中心位于同一铅垂线上。本实用新型克服现有NDIR型六氟化硫气体传感器检测成分的单一性，利用新型单光源复用检测结构实现对六氟化硫气体及六氟化硫电气设备故障时产生的有害杂质氟化氢气体和二氧化硫气体的同时检测，从而能够对六氟化硫电气设备的泄漏检测更加及时准确。

Description

一种用于电气设备泄漏检测的红外气体传感器、传感系统
技术领域
本实用新型涉及一种用于电气设备泄漏检测的红外气体传感器、传感系统，特别是涉及一种基于非分光红外(NDIR)原理、混合气体检测技术、单光源复用检测结构的气体传感器、传感系统，属于红外气体传感器领域。
背景技术
六氟化硫气体是人造合成的惰性气体，在常温常压下为无色、无味、无毒、无腐蚀性的气体，具有良好的电气绝缘性能及优异的灭弧性能，在电气设备的绝缘或灭弧中起着重要作用。
在电气设备中，六氟化硫气体会被电弧分解为等离子态的氟和硫，并在极短的时间内迅速复合还原为六氟化硫气体，此过程中只产生极少量的低氟化物。当电气设备发生故障时，通常在固体绝缘物表面发生沿面闪络或在强电场处击穿气体从而与设备外壳间形成接地短路，此时的六氟化硫气体将与故障点处的绝缘介质或金属产生复杂的化学反应，生成大量氟化氢、二氧化硫等分解产物并伴随粉尘，这些分解产物不仅会造成设备内部绝缘介质的性能劣化、金属腐蚀，而且会对其它电器设备的运行和区域工作人员的安全带来严重隐患。因此，对于六氟化硫电气设备的泄漏检测显得尤为重要。
现阶段，用于六氟化硫电气设备泄漏检测的技术主要包括气相色谱法、离子交换色谱法、红外光谱吸收法等，其中基于红外光谱吸收法的NDIR型气体传感器具有良好的前景，其原理是基于红外线是一种电磁波，当一定频率的红外线照射分子时，如果分子中某个基团的振动频率和红外线的辐射频率一致，这个基团就会吸收该频率的红外线，产生振动跃迁或者转动跃迁。即当红外线通过待测气体时，这些待测气体分子对特定波长的红外线有吸收作用，其吸收关系服从朗伯-比尔吸收定律：I＝Io·e(-Kcl)，其中I为接收光强度，Io为入射光强度，K为摩尔吸光系数，c为待测气体浓度，l为光程，则待测气体的浓度表达式为分析可知待测气体的浓度检测与接收光强度I、入射光强度Io、光程l以及摩尔吸光系数K有关。此外，将接收光强度I与入射光强度Io的比值定义为透射比T，即则待测气体的浓度表达式为
目前，虽已有基于NDIR原理的六氟化硫气体传感器，但受限于只能检测单一气体成分六氟化硫，无法及时检测六氟化硫电气设备故障时产生的有害杂质氟化氢和二氧化硫，从而不能完全适用于六氟化硫电气设备的泄漏检测。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种用于电气设备泄漏检测的红外气体传感器、传感系统，不仅可用于对六氟化硫气体的检测，还可以对电气设备故障时产生的有害杂质氟化氢气体和二氧化硫气体进行检测。
本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种用于电气设备泄漏检测的红外气体传感器，包括带有透气孔的气室，以及设置于气室内的宽带红外光源、第一～第二分束镜、反光镜、接第一～第三双通道红外探测器，所述宽带红外光源、第一～第二分束镜、反光镜位于同一光学平面上，第一分束镜的中心与第一双通道红外探测器的中心位于同一铅垂线上，第二分束镜的中心与第二双通道红外探测器的中心位于同一铅垂线上，反光的中心与第三双通道红外探测器的中心位于同一铅垂线上，且第一～第二分束镜、反光镜均与宽带红外光源发射红外光的方向呈45度；
所述宽带红外光源发射的红外光依次经第一分束镜、第二分束镜和反光镜，红外光经第一分束镜分为第一透射光和第一反射光，第一反射光被第一双通道红外探测器接收；第一透射光经第二分束镜分为第二透射光和第二反射光，第二反射光被第二双通道红外探测器接收；第二透射光经反光镜反射后被第三双通道红外探测器接收。
进一步的，该传感器还包括防水透气膜，所述防水透气膜覆盖在透气孔上。
优选的，所述气室的内壁为镀金反射膜。
优选的，所述气室固定有宽带红外光源的一侧为弧形，且宽带红外光源固定于弧形的焦点处。
一种用于电气设备泄漏检测的红外气体传感系统，包括如上所述用于电气设备泄漏检测的红外气体传感器，还包括光源驱动模块、信号处理模块、A/D转换模块、微控制器、信息输出模块，所述光源驱动模块的输出端与宽带红外光源连接，所述信号处理模块的输入端分别连接第一～第三双通道红外探测器的输出端，信号处理模块的输出端依次经A/D转换模块、微控制器后连接信息输出模块，微控制器还与光源驱动模块的输入端连接。
本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本实用新型用于电气设备泄漏检测的红外气体传感器、传感系统，克服现有NDIR型六氟化硫气体传感器检测成分的单一性，通过一种新型单光源复用检测结构实现对六氟化硫气体及六氟化硫电气设备故障时产生的有害杂质氟化氢气体和二氧化硫气体的同时检测，从而能够对六氟化硫电气设备的泄漏检测更加及时与准确。
2、本实用新型用于电气设备泄漏检测的红外气体传感器、传感系统，克服多个双通道红外探测器在气室中占据体积大的缺点，通过加入分束镜和反光镜实现小型化，且聚光度和灵敏度得到提升。
附图说明
图1是本实用新型红外气体传感器的正视剖面示意图。
图2是本实用新型红外气体传感器的俯视剖面示意图。
图3是本实用新型传感系统的结构示意图。
其中：1为外壳，2为宽带红外光源，3为防水透气膜，4为透气孔，5为气室，6为第一分束镜，7为第二分束镜，8为反光镜，9为第一双通道红外探测器，10为第二双通道红外探测器，11为第三双通道红外探测器，12为弧形聚光结构，13为镀金反射膜，14为光源驱动模块，15为信号处理模块，16为A/D转换模块，17为微控制器，18为信息输出模块。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。
如图1、图2所示，为用于电气设备泄漏检测的红外气体传感器的优选实施例图，气体经防水透气膜3及透气孔4自由扩散至气室5内，气室5内壁为镀金反射膜13，左侧为弧形聚光结构12，宽带红外光源2位于其焦点处。
第一分束镜6、第二分束镜7、反光镜8均呈左斜45度，且宽带红外光源2、第一分束镜6、第二分束镜7、反光镜8位于同一光学平面上。第一双通道红外探测器9的中心与第一分束镜6的中心位于同一铅垂线上，第二双通道红外探测器10的中心与第二分束镜7的中心位于同一铅垂线上，第三双通道红外探测器11的中心与反光镜8的中心位于同一铅垂线上。
宽带红外光源2优选EMIRS200，可发出20μm的宽谱光，经待测气体后照射到第一分束镜6上，第一分束镜6的反射光照射到第一双通道红外探测器9上，第一双通道红外探测器9分别接收经过参比窄带滤波片(优选滤波片中心波长为3.95μm)和二氧化硫测量窄带滤波片(优选滤波片中心波长为2.38μm)滤波后的红外线，输出的两个通道分别包含红外光源与检测环境信息的参比通道以及包含二氧化硫气体浓度信息的测量通道，第一分束镜6的透射光照射到第二分束镜7上，第二分束镜7的反射光照射到第二双通道红外探测器10上，第二双通道红外探测器10分别接收经过参比窄带滤波片(优滤波片中心波长为3.95μm)和氟化氢测量窄带滤波片(优选滤波片中心波长为7.27μm)滤波后的红外线，输出的两个通道分别包含红外光源与检测环境信息的参比通道以及包含氟化氢气体浓度信息的测量通道，第二分束镜7的透射光照射到反光镜8上，反光镜8的反射光照射到第三双通道红外探测器11上，第三双通道红外探测器11分别接收经过参比窄带滤波片(优选滤波片中心波长为3.95μm)和六氟化硫测量窄带滤波片(优选滤波片中心波长为10.55μm)滤波后的红外线，输出的两个通道分别包含红外光源与检测环境信息的参比通道以及包含六氟化硫气体浓度信息的测量通道。
如图3所示，为用于电气设备泄漏检测的红外气体传感系统的结构图，除了上述红外传感器外，还包括光源驱动模块14、信号处理模块15、A/D转换模块16、微控制器17、信息输出模块18。光源驱动模块14驱动电调制宽带红外光源2发出稳定的红外线，并进行一定频率的调制，信号处理模块15对第一双通道红外探测器9、第二双通道红外探测器10、第三双通道红外探测器11输出的参比信号和测量信号进行放大及滤波处理，由A/D转换模块16将处理后的模拟信号转换为数字信号供微控制器17进行数据分析，根据已经建立的待测气体浓度检测模型计算出对应的浓度值，最后由信息输出模块18输出检测信息。
以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于电气设备泄漏检测的红外气体传感器，其特征在于：包括带有透气孔的气室，以及设置于气室内的宽带红外光源、第一~第二分束镜、反光镜、接第一~第三双通道红外探测器，所述宽带红外光源、第一~第二分束镜、反光镜位于同一光学平面上，第一分束镜的中心与第一双通道红外探测器的中心位于同一铅垂线上，第二分束镜的中心与第二双通道红外探测器的中心位于同一铅垂线上，反光镜的中心与第三双通道红外探测器的中心位于同一铅垂线上，且第一~第二分束镜、反光镜均与宽带红外光源发射红外光的方向呈45度；
所述宽带红外光源发射的红外光依次经第一分束镜、第二分束镜和反光镜，红外光经第一分束镜分为第一透射光和第一反射光，第一反射光被第一双通道红外探测器接收；第一透射光经第二分束镜分为第二透射光和第二反射光，第二反射光被第二双通道红外探测器接收；第二透射光经反光镜反射后被第三双通道红外探测器接收。
2.如权利要求1所述用于电气设备泄漏检测的红外气体传感器，其特征在于：该传感器还包括防水透气膜，所述防水透气膜覆盖在透气孔上。
3.如权利要求1所述用于电气设备泄漏检测的红外气体传感器，其特征在于：所述气室的内壁为镀金反射膜。
4.如权利要求1所述用于电气设备泄漏检测的红外气体传感器，其特征在于：所述气室固定有宽带红外光源的一侧为弧形，且宽带红外光源固定于弧形的焦点处。
5.一种用于电气设备泄漏检测的红外气体传感系统，包括如权利要求1所述用于电气设备泄漏检测的红外气体传感器，其特征在于：还包括光源驱动模块、信号处理模块、A/D转换模块、微控制器、信息输出模块，所述光源驱动模块的输出端与宽带红外光源连接，所述信号处理模块的输入端分别连接第一~第三双通道红外探测器的输出端，信号处理模块的输出端依次经A/D转换模块、微控制器后连接信息输出模块，微控制器还与光源驱动模块的输入端连接。
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