CN213456663U - 一种基于拉曼光谱的sf6分解特征组分检测分析装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于拉曼光谱的SF₆分解特征组分检测分析装置，属于电力设备故障诊断技术领域。该装置包括嵌入式控制模块、气体测量模块、功能模块、上位机模块、通信模块和电源模块；其中，嵌入式控制模块用于实现对气体测量模块和功能模块的控制，以及与上位机的信息交互；通信模块用于实现嵌入式控制模块与上位机模块、嵌入式控制模块与功能模块之间的数据交互、指令的发出与接收；电源模块给控制模块、气体测量模块、功能模块、上位机模块和通信模块供电。本实用新型装置实现了检测分析显示一体化，将触控屏与嵌入式控制系统组合在一起，更小型化，易携带，便于现场检测。

Description

一种基于拉曼光谱的SF6分解特征组分检测分析装置

技术领域

本实用新型属于电力设备故障诊断技术领域，涉及一种基于拉曼光谱的SF₆分解特征组分检测分析装置。

背景技术

通过检测SF₆电气设备中的SF₆气体分解产物能准确、可靠的诊断电气设备缺陷类型和运行状态，这对于SF₆电气设备以及电网的可靠运行具有重要的现实意义。目前国内外针对SF₆特征分解组分的检测方法有气相色谱法、检测管法、气体传感器法、质谱法等，但存在诸多不足。拉曼光谱法是基于拉曼散射效应，通过直接测量物质因激光照射产生的拉曼散射光，进而推断物质性质、含量的一种光谱分析方法。相比传统检测方法，应用激光拉曼光谱技术分析SF₆分解特征组分具有较多优势：可以直接对混合气体进行拉曼检测，无需组分分离，检测周期短；拉曼检测对激光波长没特殊要求，利用单一波长的激光就能同时激发出多气体特征量的拉曼光谱从而进行混合气体定性、定理分析，更适合于在线监测及带电检测。因此，提出了基于拉曼光谱的SF₆分解特征组分检测分析装置的研究。

目前，公开号为CN102914530A的专利申请公开了一种针对油气录井中气体的拉曼光谱检测系统；公开号为CN104807805A的专利申请公开了一种基于拉曼光谱的变压器油中溶解气体检测装置；公开号为CN203894167U的专利申请公开了一种针对多种烃类气体的拉曼光谱检测系统。上述公开检测系统或装置虽然能够对混合气体进行一定程度地检测与分析，但是无法对混合微量气体进行正确检测分析且需要计算机辅助体型庞大不易携带。

因此，亟需一种能够实现检测分析显示一体化，能够有效检测分析混气，增强检测信号的拉曼光谱气体检测分析装置。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种基于拉曼光谱的SF₆分解特征组分检测分析装置，解决现有检测装置庞大，检测信号较弱的问题。本实用新型装置能够实现混合气体检测分析显示的一体化，利于现场检测；能够建立一套标定体系利于对待测气体的成分含量分析。此外还能对检测过程的温度、流量等变化因素进行控制，实现信号的稳定检测；并设计了Au涂层气体池能够增强拉曼信号，便于之后的数据分析。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种基于拉曼光谱的SF₆分解特征组分检测分析装置，包括嵌入式控制模块，以及分别与其连接的气体测量模块、功能模块、上位机模块和通信模块；

所述嵌入式控制模块用于实现对气体测量模块和功能模块的控制，以及与上位机的信息交互；所述通信模块用于实现嵌入式控制模块与上位机模块、嵌入式控制模块与功能模块之间的数据交互、指令的发出与接收。

进一步，所述气体测量模块包括激光光源单元、信号增强气体池单元和拉曼光谱检测单元；所述激光光源单元用于发出激发光；所述信号增强气体池单元用于增强拉曼信号，进行拉曼散射光的收集；所述拉曼光谱检测单元用于实现光电转换，对传输电荷的检测实现光信号的测量。

进一步，所述激光光源单元采用激光器；所述信号增强气体池单元采用内壁有镀金涂层的气体池；所述拉曼光谱检测单元采用色散型拉曼光谱仪。

进一步，所述功能模块包括控温单元、控流单元、除湿单元、气路切换单元和标定单元；

所述控温单元用于控制整个测量过程中装置温度的恒定；所述控流单元用于控制整个气路过程的流量不变，防止气流不稳定造成拉曼信号的不稳定；所述除湿单元用于对气体的除湿干燥；所述气路切换单元由三个电磁阀构成，用于实现对三路气体的状态切换；所述标定单元用于构建标定体系，提供准确的气体配比。

进一步，所述控温单元包括恒温控制加热管和温度传感器；所述控流单元包括临界流文氏管、压力传感器和电气比例调节阀；所述除湿单元采用Nafion膜构成的除湿管；所述标定单元包括调节阀、流量计和气旋式混气腔。

进一步，所述上位机模块包括分析运算单元和触控屏单元；

所述分析运算单元用于实现对拉曼检测光谱的预处理和定性定量分析等功能；所述触控屏单元选用DMT80480T050型号的触控屏，用于实现各类指令操作，参数设置，实时监控数据变化，光谱图显示以及与嵌入式控制模块的数据交互等功能。

进一步，该装置还包括电源模块，给控制模块、气体测量模块、功能模块、上位机模块和通信模块供电。

进一步，所述电源模块包括保护电路、电压转换电路。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型装置实现了检测分析显示一体化，将触控屏与嵌入式控制系统组合在一起，更小型化，易携带，便于现场检测；具有标定体系，可以自行进行混气标定，利于对待测样气的分析；能够对温度湿度流量进行控制，提供了稳定的检测氛围，使得检测结果更稳定；设置Au涂层气体池能够有效增强光谱信号。此外还具备数据传输、混合气体检测分析、数据展示等基本功能。

本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作优选的详细描述，其中：

图1为本实用新型提供的SF₆分解组分检测分析装置整体结构关系图；

图2为气体测量模块内部结构示意图；

图3为上位机模块内部结构示意图；

图4为功能模块内部结构示意图；

图5为除湿单元原理图；

图6为气路流程图；

图7为光路流程图；

图8为气路切换单元结构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本实用新型的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图8，图1为本实用新型提供的SF₆分解组分检测分析装置结构关系图，如图1所示，该装置包括了嵌入式控制模块、气体测量模块、功能模块、上位机模块、通信模块和电源模块。通过嵌入式控制模块实现对气体测量模块和功能模块的控制，保证整个样气检测过程中流量、温度一致，实现对样气的检测，将检测结果传输至上位机模块中的分析单元，实现对光谱信号的预处理、定量分析等，将分析结果通过触控屏显示。此外可以通过触控屏对各类功能模块的参数、阈值进行设定，将数据下传至嵌入式控制模块，对各个功能模块发出指令，完成气体池温度、气路流量等参数的调控，实现样气的安全稳定检测。电源模块对整个系统供电，通信模块实现数据交互。通信模块用于实现嵌入式系统与上位机、嵌入式系统与各个功能模块之间的数据交互、指令的发出与接收。

由于气体流量会对拉曼信号造成影响，通过控流单元实现对系统流量的控制。对文氏管进出口压力的变化情况进行监控，进而嵌入式系统控制调节比例阀来保持流量的稳定。此外，通过温度传感器监测系统的温度，保持整个监测过程中温度的恒定。如图2所示，气体测量模块包括了激光光源单元、信号增强气体池单元和拉曼光谱检测单元。其中，激光光源单元由激光器构成，可选用型号为Nd:YAG的固体激光器，它具有较好的单色性和方向性，能够在样品上产生高的辐射强度，用于发出激发光。信号增强气体池单元由内壁有镀金涂层的气体池构成，气体池可选用细石英管，用于增强拉曼信号，进行拉曼散射光的收集。拉曼光谱检测单元采用色散型拉曼光谱仪，能够一次测全谱，其采用的CDD(电荷耦合器)阵列检测器噪声低，量子效率高，检测速度快，能够用于实现光电转换，对传输电荷的检测实现光信号的测量。

如图3所示，上位机模块包括了分析运算单元和触控屏单元；分析运算单元用于实现对拉曼检测光谱的预处理和定性定量分析等功能，采用Savitzky-Golay多项式平滑滤波技术进行光谱信号预处理，利用偏最小二乘法进行定量分析。触控屏单元可选用DMT80480T050型号的触控屏，用于实现各类指令操作、参数设置、实时监控数据变化、光谱图显示以及与嵌入式系统的数据交互等功能。

如图4所示，功能模块包括了控温单元、控流单元、除湿单元、气路切换单元和标定单元。控温单元由恒温控制加热管和温度传感器构成，用于控制整个测量过程中系统温度的恒定。控流单元由临界流文氏管、压力传感器和电气比例调节阀构成，用于控制整个气路过程的流量不变，防止气流不稳定造成拉曼信号的不稳定。除湿单元由Nafion膜构成的除湿管构成，用于对气体的除湿干燥。气路切换单元由三个电磁阀构成，用于实现对三路气体的状态切换。标定单元由调节阀、流量计和气旋式混气腔构成，用于构建标定体系，提供准确的气体配比。

优选的，嵌入式控制模块选用MK60DN512VLL10型号芯片用于实现对气体测量模块和功能模块的整体控制和与上位机的信息交互。

优选的，电源模块通过外接电源完成，并通过保护电路、电压转换电路实现对系统的安全稳定供电。

如图5所示，为除湿单元的原理图。当样气通过由Nafion膜构成的除湿管时，样气中的水分子被Nafion膜吸收，同时在管外围通过压缩空气将水分子带走，实现对样气的干燥处理。

整个检测过程的气路路径如图6所示：将待测样气通入气路分配单元，通过除湿单元干燥进入涂覆了Au溶胶的气体池，通过拉曼检测单元后排出系统。而气体的拉曼信息则通过嵌入式控制系统上传至分析单元，完成检测信息的交互。整个光路路径如图7所示，待测样气在涂覆了Au溶胶的气体池中，激光器发出激发光经过反射镜射入气体池内，激发样气产生拉曼散射，经凸透镜改变光路平行传输，再经凸透镜汇聚收集到达光纤探头，经过光谱仪进行检测后，传输至嵌入式控制模块，并上传至上位机进行处理分析，实现数据交互。

此外，由于待测样气成分复杂，检测出来的拉曼峰是由多种气体的特征峰混合而成，为了正确分析待测样气的成分、含量需要对混合光谱进行解析，系统还具有一套混气标定体系，可以完成气体检测系统的参数标定。在标定单元可以最多配置六种气体组分的混合气，每一路气体都先通过调压阀控制压力相同，随后通过流量计控制气路流量进而控制混气比例，将气体经气旋混气腔充分混合，先每三路气体混合后再将两路混合气混合，之后经过检测系统即可得到相应谱峰，即完成标定。标定体系能够提供单气或多种混合气的谱峰利于对待测样气的分析。

如图8所示，气路切换单元具有三路进气气路：样气、标准气和标定气，样气为系统正常工作时待测气体进入的通道；标准气是用于样气和标定气切换，系统停止工作或开始工作前负责对气路进行清洗的接口，设定为纯氮气；标定气为标定系统时使用的气路。三种气路具有不同的作用，可以单独工作，通过气路切换单元实现对三种气路的正常切换。气路切换单元内每一种气路对应一个电磁阀，来控制相关气路的通断。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于拉曼光谱的SF₆分解特征组分检测分析装置，其特征在于，该装置包括嵌入式控制模块，以及分别与其连接的气体测量模块、功能模块、上位机模块和通信模块；

所述嵌入式控制模块用于实现对气体测量模块和功能模块的控制，以及与上位机的信息交互；所述通信模块用于实现嵌入式控制模块与上位机模块、嵌入式控制模块与功能模块之间的数据交互、指令的发出与接收。

2.根据权利要求1所述的SF₆分解特征组分检测分析装置，其特征在于，所述气体测量模块包括激光光源单元、信号增强气体池单元和拉曼光谱检测单元；所述激光光源单元用于发出激发光；所述信号增强气体池单元用于增强拉曼信号，进行拉曼散射光的收集；所述拉曼光谱检测单元用于实现光电转换，对传输电荷的检测实现光信号的测量。

3.根据权利要求2所述的SF₆分解特征组分检测分析装置，其特征在于，所述激光光源单元采用激光器；所述信号增强气体池单元采用内壁有镀金涂层的气体池；所述拉曼光谱检测单元采用色散型拉曼光谱仪。

4.根据权利要求1所述的SF₆分解特征组分检测分析装置，其特征在于，所述功能模块包括控温单元、控流单元、除湿单元、气路切换单元和标定单元；

所述控温单元用于控制整个测量过程中装置温度的恒定；所述控流单元用于控制整个气路过程的流量不变；所述除湿单元用于对气体的除湿干燥；所述气路切换单元由三个电磁阀构成，用于实现对三路气体的状态切换；所述标定单元用于构建标定体系，提供准确的气体配比。

5.根据权利要求4所述的SF₆分解特征组分检测分析装置，其特征在于，所述控温单元包括恒温控制加热管和温度传感器；所述控流单元包括临界流文氏管、压力传感器和电气比例调节阀；所述除湿单元采用Nafion膜构成的除湿管；所述标定单元包括调节阀、流量计和气旋式混气腔。

6.根据权利要求1所述的SF₆分解特征组分检测分析装置，其特征在于，所述上位机模块包括分析运算单元和触控屏单元；

所述分析运算单元用于实现对拉曼检测光谱的预处理和定性定量分析；所述触控屏单元用于实现各类指令操作，参数设置，实时监控数据变化，光谱图显示以及与嵌入式控制模块的数据交互。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的SF₆分解特征组分检测分析装置，其特征在于，该装置还包括电源模块，给控制模块、气体测量模块、功能模块、上位机模块和通信模块供电。

8.根据权利要求7所述的SF₆分解特征组分检测分析装置，其特征在于，所述电源模块包括保护电路和电压转换电路。

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