CN211292561U - 一种变压器油中溶解气体的浓度检测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种变压器油中溶解气体的浓度检测系统。所述检测系统包括：工控机、信号发生模块、激光光源模块、六芯光缆、陶瓷膜管、微音器、前置放大模块以及信号采集模块；变压器油中溶解的气体分子经陶瓷膜管上密集分布的微孔进入陶瓷膜管的内部，被分离出的气体分子在陶瓷膜管内吸收激光能量发生光声效应对气体浓度进行测量。本实用新型采用集油气分离与光声激发功能与一体的陶瓷膜管，并且传感系统无需气泵和气阀，大幅度地简化了系统结构。
Description
技术领域
本实用新型涉及高电压与绝缘技术和微量气体检测技术领域，特别是涉及一种变压器油中溶解气体的浓度检测系统。
背景技术
大型电力变压器内部通常采用绝缘油和绝缘纸板进行绝缘，以减小变压器的体积。变压器在长时间运行以后，其内部可能会发生过热和放电等故障，导致绝缘油和内部绝缘纸板的某些化合物分子中的C-H键和C-C键发生裂解产生多种特征性气体，如CH4、C2H2、C2H4、C2H6等小分子烃类气体以及CO、CO2，这些气体会部分溶解到绝缘油中；通过监测特征气体组分的含量，可以分析出变压器运行中出现的故障类型。因此，高效地分离溶解于绝缘油中的特征气体并能高灵敏度地检测其浓度是实现对变压器实时在线监测的关键。
目前最常用的油气分离方法有薄膜透气法、动态顶空分离法和真空脱气法，后两种方法存在着机械结构组装复杂以及需要将变压器中的油样抽取出来进行检测的问题；而薄膜透气法具有结构简单、维护方便、性能稳定等诸多优点，目前使用较多的油中溶解气体分离膜为高分子膜和陶瓷膜。分离出的油中溶解气体需要采用传感器(如电化学传感器和半导体传感器)或者气体检测仪(如气相色谱仪和光声光谱仪)进行浓度测量。小体积和低成本的电化学传感器和半导体传感器可对一种气体组分进行测量，为了实现对多气体组分的同时测量，可采用传感器组合阵列的方式；但是，这两种传感器均存在多气体组分间测量交叉干扰大的缺点，此外，电化学传感器在现场应用时还存在因工作寿命短引起需定期更换的问题。
气相色谱仪具有多气体组分可同时测量和灵敏度较高的优势，但存在需要消耗载气导致维护工作量大以及预热时间长等问题。光声光谱技术通过测量气体因吸收光能产生的声波强度来反演待测气体的浓度，是一种无背景吸收光谱技术；与上述非光学测量法相比，基于朗伯-比尔吸收定律的光声光谱仪具有无需载气、响应速度快、灵敏度高和选择性好等显著优势，近年来正逐步替代传统气相色谱仪。但目前的光声光谱仪在现场应用中出现了一些问题：(1)红外热辐射光源结合滤光片的方案因光谱覆盖范围宽，无法从根本上解决复杂的油中溶解气体组分之间的干扰问题；(2)光声光谱仪系统中的油路、气路和光学系统的结构复杂。这些在实际应用中出现的问题导致光声光谱仪难以被大规模推广使用。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种变压器油中溶解气体的浓度检测系统，以解决现有的光声光谱仪测量精度不高以及结构复杂的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
一种变压器油中溶解气体的浓度检测系统，包括：工控机、信号发生模块、激光光源模块、六芯光缆、陶瓷膜管、微音器、前置放大模块以及信号采集模块；
所述工控机的一端与所述信号发生模块的一端相连接，所述信号发生模块的另一端与所述激光光源模块相连接，所述激光光源模块的另一端与所述六芯光缆的一端相连接，所述六芯光缆的另一端与所述陶瓷膜管的一端相连接，所述陶瓷膜管的另一端与所述微音器的一端相连接，所述微音器的另一端与所述前置放大模块的一端相连接，所述前置放大模块的另一端与所述信号采集模块的一端相连接；所述信号采集模块的另一端与所述工控机的另一端相连接；所述信号发生模块用于对所述激光光源模块进行电流调制；所述激光光源模块用于输出激光，并经过所述六芯光缆传输至所述陶瓷膜管的内部；所述陶瓷膜管浸入变压器油中，所述陶瓷膜管的外表面分布有多个微孔；所述微孔用于变压器油中溶解的待测气体进入所述陶瓷膜管的内部；所述陶瓷膜管用于产生气体光声压力波，并生成气体光声压力波信号；所述微音器用于将所述气体光声压力波信号转换为光电信号；所述前置放大模块用于放大所述光电信号；所述前置放大模块用于采集放大后的光电信号，并将所述放大后的光电信号传输至所述工控机；所述工控机用于将控制指令发送给所述信号发生模块以及提取所述放大后的光电信号的二次谐波分量，并根据所述二次谐波分量确定所述待测气体的浓度。
可选的，所述陶瓷膜管的半径小于5mm；所述微孔的孔径小于50nm。
可选的，所述激光光源模块为近红外分布反馈激光器；所述近红外分布反馈激光器包括六个近红外激光器；所述六个近红外激光器的波长分别为1653nm、1680nm、1627nm、1530nm、1567nm以及1580nm；所述六个波长分别用于测量甲烷气体、乙烷气体、乙烯气体、乙炔气体、一氧化碳气体以及二氧化碳气体。
可选的，所述六芯光缆包括六根单模光纤；所述单模光纤的型号为G652。
可选的，所述微音器为灵敏度高于10mV/Pa的微机电系统MEMS微音器。
可选的，所述信号采样模块的采样率为10kHz。
可选的，所述工控机为STM32单片机。
根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：本实用新型提供了一种变压器油中溶解气体的浓度检测系统，将陶瓷膜管浸入到变压器油中，油中溶解气体通过陶瓷膜管上的微孔进入陶瓷膜管内部，被分离出的气体分子在陶瓷膜管内吸收激光能量发生光声效应，精确计算出气体浓度，从而对气体浓度进行实时监测。本实用新型采用集油气分离与光声激发功能于一体的陶瓷膜管，无需气泵和气阀，大幅度地简化了系统结构；同时，采用全激光方案还可大幅度减小气体间的交叉干扰；此外，变压器油不会与环境空气接触，避免了空气中水分子进入油中使微水浓度变高引起变压器油绝缘性能变差的风险。本实用新型所提供的气体浓度检测系统结构简单，具有精度高、体积小、成本低、功耗低和响应速度快等诸多优点。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型所提供的变压器油中溶解气体的浓度检测系统结构图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型的目的是提供一种变压器油中溶解气体的浓度检测系统，能够提高气体浓度的测量精度，简化检测系统结构。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图1为本实用新型所提供的变压器油中溶解气体的浓度检测系统结构图，如图1所示，一种变压器油中溶解气体的浓度检测系统，包括：工控机1、信号发生模块2、激光光源模块3、六芯光缆4、陶瓷膜管5、微音器6、前置放大模块7以及信号采集模块8；
所述工控机1的一端与所述信号发生模块2的一端相连接，所述信号发生模块2的另一端与所述激光光源模块3相连接，所述激光光源模块3的另一端与所述六芯光缆4的一端相连接，所述六芯光缆4的另一端与所述陶瓷膜管5的一端相连接，所述陶瓷膜管5的另一端与所述微音器6的一端相连接，所述微音器6的另一端与所述前置放大模块7的一端相连接，所述前置放大模块7的另一端与所述信号采集模块8的一端相连接；所述信号采集模块8的另一端与所述工控机1的另一端相连接。
所述信号发生模块2用于对所述激光光源模块3进行电流调制；所述激光光源模块3用于输出激光，并经过所述六芯光缆4传输至所述陶瓷膜管5的内部；所述陶瓷膜管5浸入变压器油中，所述陶瓷膜管5的外表面分布有多个微孔；所述微孔用于变压器油中溶解的待测气体进入所述陶瓷膜管5的内部；所述陶瓷膜管5用于产生气体光声压力波，并生成气体光声压力波信号；所述微音器6用于将所述气体光声压力波信号转换为光电信号；所述前置放大模块7用于放大所述光电信号；所述前置放大模块7用于采集放大后的光电信号，并将所述放大后的光电信号传输至所述工控机1；所述工控机1用于将控制指令发送给所述信号发生模块2以及提取所述放大后的光电信号的二次谐波分量，并根据所述二次谐波分量确定所述待测气体的浓度。
工控机1将控制指令发送给信号发生模块2对频率和调制深度等参数进行控制，信号发生模块2输出的正弦调制信号输入到激光光源模块3先后对六个近红外激光器进行电流调制；激光光源模块3输出的六通道激光经六芯光缆4传输入射到陶瓷膜管5内部，变压器油中溶解的气体分子经陶瓷膜管5上密集分布的微孔进入陶瓷膜管5内部，被分离出的气体分子吸收调制激光的光能后跃迁到振动-转动能级的高能级，处于激发态的气体分子通过无辐射跃迁的方式将能量转换为热能，密闭的陶瓷膜管5内部的气体发生热胀冷缩，进而产生气体光声压力波；固定在陶瓷膜管5另一端的微音器6将光声压力波信号转换为电信号，前置放大模块7将信号放大后输入到信号采集模块8的模拟信号输入端，信号采集模块8将信号传输给工控机1；工控机1中的信号处理程序提取出光声信号的二次谐波分量，最后计算出待测气体的浓度。
由于油分子的直径大于气体分子直径，因此，微孔的孔径小于50nm，以保证从变压器油中分离出气体分子，在实际应用中，陶瓷膜管5同时作为油气分离部件和光声腔，陶瓷膜管5的半径为2mm，长度为20mm，微孔孔径为10nm。
信号发生模块2的核心是一个现场可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)芯片和一个数模转换器，用于产生频率为500Hz的正弦电压信号。激光光源模块3包含六个波长分别为1653nm、1680nm、1627nm、1530nm、1567nm和1580nm的近红外分布反馈(Distributed Feedback Laser，DFB)激光器，分别用于测量甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳和二氧化碳气体。
六芯光缆4主要由六根G652单模光纤组成；微音器6是灵敏度高于10mV/Pa的MEMS微音器6；信号采集模块8的采样率为10kHz。
本实用新型采用集油气分离与光声激发功能于一体的陶瓷膜管，无需气泵和气阀，大幅度地简化了系统结构。
将陶瓷膜管浸入到变压器油中即可实现对油中溶解气体的实时监测，采用全激光方案还可大幅度减小气体间的交叉干扰。
此外，变压器油不会与环境空气接触，避免了空气中水分子进入油中使微水浓度变高引起变压器油绝缘性能变差的风险；具有精度高、体积小、成本低、功耗低和响应速度快等诸多优点。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
Claims (7)
1.一种变压器油中溶解气体的浓度检测系统，其特征在于，包括：工控机、信号发生模块、激光光源模块、六芯光缆、陶瓷膜管、微音器、前置放大模块以及信号采集模块；
所述工控机的一端与所述信号发生模块的一端相连接，所述信号发生模块的另一端与所述激光光源模块相连接，所述激光光源模块的另一端与所述六芯光缆的一端相连接，所述六芯光缆的另一端与所述陶瓷膜管的一端相连接，所述陶瓷膜管的另一端与所述微音器的一端相连接，所述微音器的另一端与所述前置放大模块的一端相连接，所述前置放大模块的另一端与所述信号采集模块的一端相连接；所述信号采集模块的另一端与所述工控机的另一端相连接；所述信号发生模块用于对所述激光光源模块进行电流调制；所述激光光源模块用于输出激光，并经过所述六芯光缆传输至所述陶瓷膜管的内部；所述陶瓷膜管浸入变压器油中，所述陶瓷膜管的外表面分布有多个微孔；所述微孔用于变压器油中溶解的待测气体进入所述陶瓷膜管的内部；所述陶瓷膜管用于产生气体光声压力波，并生成气体光声压力波信号；所述微音器用于将所述气体光声压力波信号转换为光电信号；所述前置放大模块用于放大所述光电信号；所述前置放大模块用于采集放大后的光电信号，并将所述放大后的光电信号传输至所述工控机；所述工控机用于将控制指令发送给所述信号发生模块以及提取所述放大后的光电信号的二次谐波分量，并根据所述二次谐波分量确定所述待测气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的变压器油中溶解气体的浓度检测系统，其特征在于，所述陶瓷膜管的半径小于5mm；所述微孔的孔径小于50nm。
3.根据权利要求1所述的变压器油中溶解气体的浓度检测系统，其特征在于，所述激光光源模块为近红外分布反馈激光器；所述近红外分布反馈激光器包括六个近红外激光器；所述六个近红外激光器的波长分别为1653nm、1680nm、1627nm、1530nm、1567nm以及1580nm；所述六个波长分别用于测量甲烷气体、乙烷气体、乙烯气体、乙炔气体、一氧化碳气体以及二氧化碳气体。
4.根据权利要求1所述的变压器油中溶解气体的浓度检测系统，其特征在于，所述六芯光缆包括六根单模光纤；所述单模光纤的型号为G652。
5.根据权利要求1所述的变压器油中溶解气体的浓度检测系统，其特征在于，所述微音器为灵敏度高于10mV/Pa的微机电系统MEMS微音器。
6.根据权利要求1所述的变压器油中溶解气体的浓度检测系统，其特征在于，所述信号采集模块的采样率为10kHz。
7.根据权利要求1所述的变压器油中溶解气体的浓度检测系统，其特征在于，所述工控机为STM32单片机。
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Cited By (1)
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| CN112179983A (zh) * | 2020-09-29 | 2021-01-05 | 湖北鑫英泰系统技术股份有限公司 | 一种油浸式设备报警装置 |
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2019
- 2019-12-10 CN CN201922244846.0U patent/CN211292561U/zh active Active
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