JP2015057597A - 流体中の成分を検出するための方法およびシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】流体中の成分を検出するための方法およびシステムを提供する。【解決手段】変調光源２０２から、液体および該液体中の成分を含む、チャンバ内２１６の流体に変調された光ビームを放射する。変調された光ビームに応答する音響信号２２４が生成して、チャンバに配置された圧力センサ２３６を用いて音響信号を検出する。一例において、圧力センサからプロセッサベースのモジュール２２８に音響信号を伝送することにより、音響信号に基づいてプロセッサベースのモジュールを用いて流体中の成分および成分の濃度の少なくとも一方を決定する。【選択図】図２
Description
本明細書に開示されている主題は、一般に検出システムに関し、具体的には、光音響分光（ＰＡＳ：ｐｈｏｔｏ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）技術を用いて流体中の成分および成分の濃度の少なくとも一方を測定するための検出システムに関する。
変圧器などの電気設備では、一般的に、コイルから発生する熱の放散を可能にする目的で格納容器内で電気設備の部品を包み込む、優れた熱的特性および絶縁特性を有する流体が使用されている。流体は、ヒマシ油、鉱油、および合成油（塩素化ジフェニルシリコーン油など）などの油であってもよい。
電気設備（変圧器のコイルなど）の故障は、動作の中断をもたらし得る。したがって、初期の不具合の検出によって電気設備の潜在的な故障を予測するために電気設備を監視することが望まれる。電気設備を監視する周知の方法は、変圧器の流体の様々なパラメータの分析を含む。流体中の総可燃性ガス（ＴＣＧ：ｔｏｔａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅ ｇａｓ）の存在は、流体中に浸された電気設備の動作状態に関する情報を提供することが知られている。一例において不具合の早期の検出を可能にするために、流体中に溶解した気体が分析される。一酸化炭素および二酸化炭素などの気体成分の存在および濃度は、設備の熱老化を示し得る。同様に、水素および炭化水素などの気体成分は、他の不具合の中でも絶縁破壊を示し得る。
溶解した気体を分析するための周知の方法（ガスクロマトグラフィー（ＧＣ：Ｇａｓ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）、光学分光法、および光音響分光法（ＰＡＳ）など）は、流体からの気体の抽出を必要とする。周知の抽出技術（真空抽出およびヘッドスペース抽出法（ｈｅａｄ ｓｐａｃｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）など）には、再現性の問題および複雑性の増加などの欠点がある。
したがって、流体中の成分および成分の濃度の少なくとも一方を測定する強化された技術が必要とされる。
一態様に従って、流体中の成分を検出するためのシステムが開示される。一例としてのシステムは、液体および該液体中の成分を含む流体を有するチャンバを含む。また、本システムは、成分の存在に起因して音響信号を生成するために、変調された光ビームを流体に放射するための変調光源を含む。本システムは、音響信号を検出するための、チャンバに配置された圧力センサおよび圧力センサと通信可能に接続されたプロセッサベースのモジュールであって、圧力センサから音響信号を受信し、音響信号に基づいて流体中の成分および成分の濃度の少なくとも一方を決定するように構成されたプロセッサベースのモジュールをさらに含む。
別の態様に従って、流体中の成分を検出するための方法が開示される。本方法は、変調光源から変調された光ビームを生成すること、および、これをチャンバ内の、液体および該液体中の成分を含む流体に放射することを含む。本方法は、放射された変調された光ビームに応答する、チャンバ内の成分からの音響信号を生成すること、および、チャンバに配置された圧力センサを用いて音響信号を検出することを含む。また、本方法は、圧力センサからプロセッサベースのモジュールに音響信号を伝送すること、および、プロセッサベースのモジュールを用いて、音響信号に基づき流体中の成分および成分の濃度の少なくとも一方を決定することを含む。
本発明の実施形態のこれらおよび他の特徴および態様は、以下の詳細な説明が添付図面を参照しながら読まれるときにより良く理解されるようになる。なお、添付図面では、同じ符号が、図面の全体にわたって同じ部分を示している。
本開示の実施形態は、分光法を用いて流体中の成分の存在を検出するためのシステムおよび方法に関する。具体的には、特定の実施形態において、液体中に溶解した気体の組成および濃度が、光音響分光（ＰＡＳ）技術を用いて測定される。一例において、第１のビーム波長および第２のビーム波長を有する、変調光源からの光ビームが、チャンバ内の流体に放射される。チャンバに配置された圧力センサによって、チャンバ内で生成された音響信号が測定される。圧力センサと通信可能に接続されたプロセッサベースのモジュールは、音響信号を受信し、この音響信号に基づいて流体中の成分および成分の濃度の少なくとも一方を測定する。
図１は、本明細書に開示されている設備の検査のための例示的なシステムを導入している電気施設１００を示している。電気施設１００は、検査されるべき設備１０４、１０６を有する電気インフラ１０２を有する。図示の実施形態において、設備１０４、１０６は変圧器である。設備１０４は、例示的な検査システム１０８によって監視され、設備１０６は、別の例示的な検査システム１１０によって監視される。さらに、携帯型診断サブシステム１１４が、設備１０４、１０６の健康の迅速かつ正確な診断のために携帯端末の操作者（ｍｏｂｉｌｅ ｏｐｅｒａｔｏｒ）１１２によって使用されてもよい。また、電気施設１００は、連続的で有利な監視能力を実現するために遠隔監視・診断サブシステム１１６をさらに備えてもよい。一例としての遠隔監視は、設備１０４、１０６の故障を予測するために不具合のオンライン不具合監視・傾向分析（ｏｎｌｉｎｅ ｆａｕｌｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｔｒｅｎｄｉｎｇ）を含む。本明細書において、図示の電気施設１００は限定として解釈されるべきではないことに留意すべきである。言い換えれば、例示的な検査システム１０８、１１０は、流体中の成分の存在を検出する必要がある他の用途および設備に適用可能である。
図２は、例示的な実施形態に係る検査システム１０８、１１０（図１に示されている）の少なくとも一方で使用される検出システム２００を示している。検出システム２００は、「音響信号」２２４を生成するためにチャンバ２１６内に満たされた流体２１８に変調された光ビーム２１２を放射するための変調光源２０２を含む。本明細書で言うところの「音響信号」２２４は、変調された光ビーム２１２に起因する、流体２１８の温度の変動によって生成される圧力信号に関する。図示の実施形態において、変調光源２０２は、光ビーム２４０を生成するための光源２０６および変調された光ビーム２１２を生成するための変調装置２０８を含む。一実施形態において、光源２０６はレーザ光源である。他の実施形態において、光源２０６は、広帯域光源、可同調ダイオード（ＴＤ：ｔｕｎａｂｌｅ ｄｉｏｄｅ）レーザ源、または量子カスケードレーザ源である。
変調装置２０８は、光ビーム２４０の強度、光ビーム２４０の波長、および光源２０６のパラメータのうちの少なくとも１つを制御することによって光ビーム２４０を変調する。図示の実施形態において、変調装置２０８は、複数のスロット２３２を有する回転ディスク２３０を有するチョッパである。回転ディスク２３０は、光パルスの形態の変調された光ビーム２１２を生成するために使用される。他の実施形態において、変調装置２０８は、他の適切な技術によって光ビーム２４０の強度を変調するために使用される。特定の一実施形態において、変調装置２０８は、光ビーム２４０の波長を変調するために使用される。一部の実施形態において、変調装置２０８は、光源２０６の一部であり、直接変調技術が用いられる。このような実施形態において、光ビーム２４０は、光源２０６のパラメータを変更することによって変調される。一実施形態において、光源２０６の周囲温度が、変調された光ビーム２１２を生成するために調整される。別の実施形態おいて、光源２０６への入力電力が、変調された光ビーム２１２を生成するために変更される。変調された光ビーム２１２は、流体２１８中の１種類以上の成分の存在を検出することに適した波長範囲を有する。
図示の実施形態において、変調光源２０２は、反射器２０４および光源２０６を含む。光源２０６は、反射器２０４に当たって、反射光ビーム２４０となる光ビームを生成する。また、変調光源２０２は、所望の波長に対応する光ビーム２４０をフィルタリングするための光学フィルタ２１０を含む。特定の実施形態において、光学フィルタ２１０は、波長の異なる複数のフィルタを含む。光学フィルタ２１０は、変調された光ビームを受光し、第１のビーム波長２１３および第２のビーム波長２１４を生成する。他の実施形態において、変調された光ビーム２１２を生成するために、光学素子の代替的な構成が使用されてもよい。例えば、ほぼ同時に複数の光学フィルタ２１０を用いることによって、および／または、異なるフィルタを用いて異なる時点で異なる波長を生成することによって、複数のビーム波長が存在してもよい。
図示の実施形態において、流体２１８は、液体２２０中に溶解した成分２２２を含む。例示的な実施形態において、液体２２０は、検査される設備（例えば、変圧器）で使用される絶縁油のサンプルである。成分２２２は、気体成分（アセチレン、水素、メタン、エタン、エチレン、二酸化炭素、一酸化炭素、および水蒸気（ｍｏｉｓｔｕｒｅ）など）のうちの少なくとも１種類であってもよい。他の実施形態において、流体は、液体中に懸濁された成分を有する懸濁液であってもよい。成分は、気体、液体、または固体であってもよい。第１のビーム波長２１３および第２のビーム波長２１４は、液体２２０および成分の種類に基づいて選択される。
図示の実施形態において、第１のビーム波長２１３および第２のビーム波長２１４は、それぞれ液体２２０の吸収スペクトルおよび成分２２２の吸収スペクトルに基づいて決定される。一実施形態において、第１のビーム波長２１３または第２のビーム波長２１４は、成分２２２の吸収スペクトルの複数の波長内にある。このような実施形態において、第１のビーム波長２１３および第２のビーム波長２１４は、液体２２０の吸収スペクトルの複数の波長内にある。第１のビーム波長２１３および第２のビーム波長２１４は、音響信号２２４を生成するような仕方で生成される。第１のビーム波長２１３および第２のビーム波長２１４の生成は、以降の図を参照しながら詳細に説明される。
この例において、チャンバ２１６内で生成される音響信号２２４は、液体２２０の存在に起因して生成される第１の音響信号２３４および成分２２２の存在に起因して生成される第２の音響信号２３８を含む。液体２２０は、第１のビーム波長２１３および第２のビーム波長２１４から異なる量の光エネルギーを吸収する。光エネルギーの吸収の違いは、液体２２０の温度の変動をもたらす。本明細書で言うところの「第１の音響信号」２３４は、変調された光ビーム２１２によってもたらされる、液体２２０の温度の変動に起因して生成される圧力信号である。
成分２２２は、第１のビーム波長２１３および第２のビーム波長２１４から異なる量の光エネルギーを吸収する。光エネルギーの吸収の違いは、成分２２２の温度の変動をもたらす。「第２の音響信号」２３８は、変調された光ビーム２１２によってもたらされる、成分２２２の温度の変動に起因して生成される圧力信号である。変調された光ビーム２１２の第１のビーム波長２１３および第２のビーム波長２１４は、第１の音響信号２３４が、第２の音響信号２３８と比較して小さな振幅を有するように選択される。音響信号２２４は、成分２２２の存在に起因する第２の音響信号２３８に近似的に等しい。
代替的な実施形態において、第１の音響信号２３４は、第２の音響信号２３８と同程度である。このような場合、第２の音響信号２３８は、音響信号２２４に近似的に等しくない。第１の音響信号２３４の推定値が利用可能な場合、第２の音響信号２３８の推定値は、音響信号２２４から第１の音響信号２３４の推定値を引くことによって得られる。第１の音響信号２３４の推定値は、別個の実験によって得られてもよい。例示的な実施形態において、第１のビーム波長および第２のビーム波長が、液体に放射され、第１の音響信号に相当する音響信号が、圧力センサを用いて測定される。
圧力センサ２３６は、音響信号２２４を検出するためにチャンバ２１６の近傍に配置される。一実施形態において、圧力センサ２３６は、チャンバ２１６の底に配置される。別の実施形態おいて、圧力センサ２３６は、チャンバ２１６の中央に配置される。別の実施形態おいて、圧力センサ２３６は、チャンバ２１６の外面に配置される。例示的な実施形態において、圧力センサ２３６は、音響信号２２４の最大振幅を検出するために配置される。別の例示的な実施形態において、圧力センサ２３６は、ＳＮ比（ＳＮＲ）の高い音響信号２２４を検出するために配置される。
一実施形態において、圧力センサ２３６は、圧電ベースの圧力センサ（ｐｉｅｚｏ−ｂａｓｅｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ）である。このような実施形態において、圧力センサ２３６は、音響信号２２４を検出するために圧電効果または圧抵抗効果を利用してもよい。特定の他の実施形態において、圧力センサ２３６は、カンチレバーベースの圧力センサ、マイクロホン、ハイドロホン、静電容量ベースのセンサ、磁性流体ベースのセンサ、または膜ベースの圧力センサであってもよい。
プロセッサベースのモジュール２２８は、圧力センサ２３６と通信可能に接続されており、また、圧力センサ２３６から音響信号２２４を受信するように構成されている。プロセッサベースのモジュール２２８は、音響信号２２４の振幅、周波数、および位相情報のうちの少なくとも１つに基づいて流体２１８中の成分２２２および成分２２２の濃度のうちの少なくとも一方を決定するようにさらに構成されている。
プロセッサベースのモジュール２２８は、コントローラ、汎用プロセッサ、マルチコアプロセッサ、または組み込みシステムを含んでもよい。プロセッサベースのモジュール２２８は、キーボードまたは制御パネルなどの入力装置を介して使用者からの付加的な入力を受信してもよい。また、プロセッサベースのモジュール２２８は、メモリモジュール（ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、または他の種類のコンピュータ可読メモリなど）と通信可能に接続されてもよい。このようなメモリモジュールでは、成分および成分２２２の濃度の少なくとも一方を測定する一連のステップを実行するようプロセッサベースのモジュール２２８に命令するプログラムがエンコードされていてもよい。特定の実施形態において、例示的な検出システム２００の構成要素のすべては、検査システム１０８、１１０（図１に示されている）に組み込まれる１つのスタンドアロンモジュールとして統合されてもよい。
図３は、例示的な実施形態に係る圧力波面の中心および圧力センサの相対位置を示す概略図３００である。図示の実施形態において、矩形３０２はチャンバを表しており、点３０４は、変調された光ビームがチャンバ内の流体に放射される、チャンバ内の位置を表している。チャンバ内の流体は、１つ以上の成分を有していてもよい。具体的には、点３０４は、変調された光ビームの放射に起因して流体に生成される圧力波面のほぼ中心を表している。図示の実施形態において、圧力センサは、矩形３０２に関連して位置３０６に配置される。図示の実施形態において、圧力波の中心は、点３０４として示されているが、他の実施形態では、圧力波はさらに、チャンバ内に満たされた流体へ変調された光ビームを線に沿って放射することによって線に沿って生成されてもよい。
チャンバ３０２は、矩形のものとして描かれているが、形状およびサイズは、設計基準に制約されるものであり、チャンバは、円筒形、正方形、および多角形などであってもよい。チャンバのサイズは、液体および成分が存在および濃度の測定を実行するのに十分である限り、実施態様に応じて変更されてもよい。
図４は、図３の例示的な実施形態に係る圧力波面の変化を示すグラフ４００を示している。グラフ４００のｘ軸４０２は、マイクロ秒で時間を表しており、グラフ４００のｙ軸４０４は、パスカルで圧力を表している。波形４０６は、位置３０６に配置された圧力センサによって検出された圧力波の変化を表している。波形４０６は、正規化されており、流体のインパルス応答を表している。
図５は、図２の例示的な実施形態に係る変調された光ビーム２１２の強度の変化のグラフ表現５００を示している。グラフ５００のｘ軸５０２は、時間を表しており、グラフ５００のｙ軸５０４は、変調された光ビーム２１２の強度（ミリワットの出力電力）を表している。グラフ５００は、第１のタイムスロットにおける変調された光ビーム２１２の第１のパルス５０６および第２のタイムスロットにおける変調された光ビーム２１２の第２のパルス５０８を示している。第１のパルス５０６は、第１のビーム波長２１３を有し、第２のパルス５０８は、第２のビーム波長２１４を有する。図示の実施形態において、第１のパルス５０６および第２のパルス５０８は、交互に生成される。
本明細書において、第１のビーム波長２１３または第２のビーム波長２１４のどちらが成分２２２の吸収スペクトルの複数の波長内にあるかについて留意すべきである。すなわち、第１のビーム波長２１３が、成分２２２の吸収スペクトルの複数の波長内にある場合、成分２２２は、第１のパルス５０６が流体２１８を透過するときに光エネルギーを吸収し、光エネルギーは、第２のパルス５０８が流体２１８を透過するときは成分２２２によって吸収されない。第２のビーム波長２１４が、成分２２２の吸収スペクトルの複数の波長内にある場合、成分２２２は、第２のパルス５０８が流体２１８を透過するときに光エネルギーを吸収し、光エネルギーは、第１のパルス５０６が流体２１８を透過するときは成分２２２によって吸収されない。第１のビーム波長２１３および第２のビーム波長２１４は、両方とも液体２２０の吸収スペクトルの複数の波長内にある。液体２２０は、第１のパルス５０６または第２のパルス５０８が流体２１８を透過するときに同じまたはほぼ同じ量の光エネルギーを吸収する。別の実施形態おいて、第１のビーム波長２１３および第２のビーム波長２１４は、成分２２２の吸収スペクトルの複数の波長内にある。成分２２２は、第１のビーム波長２１３が流体２１８を透過するときは第１の光エネルギー量を吸収し、第２のビーム波長２１４が流体２１８を透過するときは、第１の光エネルギー量とは異なる第２の光エネルギー量を吸収する。
他の実施形態において、第１のパルス５０６および第２のパルス５０８は、異なる形状を有してもよく、および／または異なるタイムスロットにおいて放射されてもよい。特定の実施形態において、第１のパルス５０６および第２のパルス５０８は、対応するタイムスロットに関して変化する強度を有してもよい。一部の実施形態において、第１のパルス５０６は、第２のタイムスロットにおいてゼロ以外の値を有してもよく、第２のパルス５０８は、第１のタイムスロットにおいてゼロ以外の値を有してもよい。第１のパルス５０６および第２のパルス５０８は、時間に関して重なり合ってもよい。第１のパルス５０６および第２のパルス５０８の振幅変調、周波数変調、または位相変調が行われてもよい。一部の実施形態において、変調された光ビーム２１２は、振幅変調、周波数変調、および位相変調などの変調技術の組合せを用いて生成される。一実施形態において、第１のビーム波長および第２のビーム波長は、それぞれ第１の振幅および第２の振幅に基づいて振幅変調される。第１のビーム波長は、第１の振幅を有し、第２のビーム波長は、第１の振幅とは異なる第２の振幅を有する。変調技術は、第１のビーム波長および第２のビーム波長を有する変調された光ビームの同時放射中に成分によってもたらされる圧力波の生成を容易にする。
図６は、例示的な実施形態に係る、流体中の成分の吸光度の変化を表すグラフ６００を示している。グラフ６００のｘ軸６０２は、時間を表しており、グラフ６００のｙ軸６０４は、成分によって吸収される放射エネルギーを示す比率である吸光度を表している。第１のパルスが透過するとき、成分は、第１のビーム波長を有する変調された光ビームから光エネルギーを吸収する。第２のパルスが透過するとき、成分は、第２のビーム波長を有する変調された光ビームから異なる量の光エネルギーを吸収する。第１のビーム波長および第２のビーム波長のうちの一方は、成分の吸収スペクトル内に第１の吸収値６１６を有する。第１のビーム波長および第２のビーム波長のうちの他方は、成分の吸収スペクトル内に第２の吸収値６１８を有する。図示の実施形態において、曲線６０６は、成分の高い吸収値を表している。曲線６０８は、成分の低い吸収値を表している。成分の温度は、第１のパルスおよび第２のパルスが流体を透過するときのエネルギー吸収の変化に起因して変動する。このような温度変化は、圧力波をもたらし、音響信号が、成分の存在に起因して流体に生成される。
一実施形態において、成分は、第１のビーム波長および第２のビーム波長のうちの一方のビーム波長に関して、成分の吸収スペクトルの第１の吸収値の範囲６１０内に第１の吸収値６１６を有する。このような実施形態において、成分は、第１のビーム波長および第２のビーム波長のうちの他方のビーム波長に関して、成分の吸収スペクトルの第２の吸収値の範囲６１２内に第２の吸収値６１８を有する。本明細書において、第２の吸収値の範囲６１２が、第１の吸収値の範囲６１０と異なることに留意すべきである。第１の吸収値の範囲６１０は、曲線６０６の高い吸収値に対応し、第２の吸収値の範囲６１２は、曲線６０８の低い吸収値に対応する。第１の吸収値の範囲６１０と第２の吸収値の範囲６１２との間の離隔６１４が、流体への変調された光ビームの放射に起因して成分の温度の変動をもたらす。
図７は、例示的な実施形態に係る、流体中の液体の吸光度の変化を表すグラフ７００を示している。グラフ７００のｘ軸７０２は、時間を表しており、グラフ７００のｙ軸７０４は、吸光度を表している。第１のパルスが透過するとき、液体は、第１のビーム波長を有する変調された光ビームからエネルギーを吸収する。曲線７０６は、第１のパルス中の液体の高い吸収値を表している。第２のパルスが透過するとき、液体は、第２のビーム波長を有する変調された光ビームから同じまたは実質的に同じ量のエネルギーを吸収する。曲線７０８は、第２のパルスが透過するときの液体の高い吸収値を表している。
第１のビーム波長および第２のビーム波長は、両方とも液体の吸収スペクトル内に複数の吸収値を有する。複数の吸収値は、第１のビーム波長および第２のビーム波長のうちの一方に関して第３の吸収値７１２を含む。複数の吸収値は、第１のビーム波長および第２のビーム波長のうちの他方に関して第４の吸収値７１４をさらに含む。第３の吸収値７１２が、第４の吸収値７１４と全く同じ場合、液体の温度は変化せず、音響信号は、液体の存在に起因しては生成されない。第３の吸収値７１２が、第４の吸収値７１４と実質的に同じ場合、液体の温度は、わずかに変化し、成分に起因する音響信号と比較して大きさが相対的に小さな音響信号が、液体２２０の存在に起因して生成される。
一部の実施形態において、第１のビーム波長および第２のビーム波長は、液体の吸収スペクトル内の吸収値の範囲７１０内に複数の吸収値を有する。第３の吸収値７１２および第４の吸収値７１４は、吸収値の範囲７１０に含まれる。液体によるエネルギー吸収の変化は、液体の温度の変化をもたらし、これにより、音響信号が、液体の存在に起因して生成される。液体の温度の変化は、吸収値の範囲７１０に依存する。本明細書において、液体の存在に起因する温度の変化の大きさは、成分２２２の存在に起因する温度の変化と比較して小さいことに留意すべきである。一実施形態において、第１の音響信号２３４（図２に示されている）は、第２の音響信号２３８（図２に示されている）と比較して少なくとも６０ｄＢは低い。他の実施形態において、第１の音響信号の振幅は、第２の音響信号と比較して４０〜１００ｄＢの範囲だけ低い。代替的な実施形態において、液体２２０の温度の変化と成分２２２の温度の変化とは同程度である。このような実施形態において、第１の音響信号２３４および第２の音響信号２３８は同様の値を有する。
図８は、例示的な実施形態に係る、流体の液体の存在に起因して生成された音響信号を表すグラフ８００を示している。グラフ８００のｘ軸８０２は、ミリ秒で時間を表しており、グラフ８００のｙ軸８０４は、音響信号の圧力値を表している。直線的な曲線８０６は、液体の存在に起因して生成された音響信号を表しており、曲線８０８は、流体中の成分の存在に起因して生成された音響信号を表している。曲線８０６は、液体の存在に起因して小さな音響信号の応答があったことを示している。
図９は、例示的な実施形態に係る、液体および成分の存在に起因して流体に生成された光音響圧力波の振幅の変化を示すグラフ９００を示している。グラフ９００において、ｘ軸９０２は、ｐｐｍ（百万分率（ｐａｒｔｓ ｐｅｒ ｍｉｌｌｉｏｎ））で成分の濃度を表しており、ｙ軸９０４は、パスカルでピーク圧力を表している。曲線９０６は、生成された光音響圧力波の振幅を表している。本明細書において、図示の実施形態では、液体の存在に起因する４．７×１０５Ｐａの圧力振幅値は、次の図１０に示されている実施形態に係る、成分の存在に起因して生成される光音響圧力波の振幅と比較して高いことが注目されてもよい。
図１０は、例示的な実施形態に係る、流体中の成分の存在に起因して生成された光音響圧力波の振幅の変化を表すグラフ１０００を示している。グラフ１０００において、ｘ軸１００２は、ｐｐｍ（百万分率）で濃度を表しており、ｙ軸１００４は、パスカルでピーク圧力を表している。曲線１００６は、成分の存在に起因して生成された光音響圧力波の振幅を表している。図示の実施形態において、曲線１００６に対応する圧力振幅値は、０Ｐａ〜１２Ｐａの範囲内であり、これは、図９を参照しながら述べた液体の圧力振幅値と比較して極めて小さい。
図１１は、例示的な実施形態に係る、例えば変圧器システムの絶縁油（０．５ｍｍの経路長を有する）に対応する吸収スペクトルを表すグラフ１１００を示している。グラフ１１００のｘ軸１１０２は、波数（ｃｍ−１で示されている）を表しており、グラフ１１００のｙ軸１１０４は、吸収値のパーセンテージで吸光度を表している。曲線１１０６は、符号１１０８、１１１０によってそれぞれ示されている波数２０００ｃｍ−１および３５００ｃｍ−１において約５０％の最小吸収値を有する絶縁油の吸収スペクトルを表している。図示の実施形態において、第１の吸収値１１１２および第２の吸収値１１１４は同じである。
図１２は、例示的な実施形態に係る、複数の気体成分（５００ｐｐｍおよび１ｍｍの経路長を有する）に対応する吸収スペクトルを表すグラフ１２００を示している。グラフ１２００のｘ軸１２０２は、波数（ｃｍ−１で）を表しており、グラフ１２００のｙ軸１２０４は、吸収値のパーセンテージで吸光度を表している。曲線１２０６は、二酸化炭素の吸収スペクトルを表しており、曲線１２０８は、メタンの吸収スペクトルを表しており、曲線１２１０は、アセチレンの吸収スペクトルを表している。グラフ１２００において、アセチレンは、参照符号１２１２によって示されている３３００ｃｍ−１の波数に対応する０．０５％のピーク吸収値を示しており、メタンは、参照符号１２１４によって示されている３０００ｃｍ−１の波数に対応する０．２％のピーク吸収値を示しており、二酸化炭素は、２３００ｃｍ−１の波数に対応する１．４％のピーク吸収値（グラフには示されていない）を示している。図示の実施形態において、第３の吸収値１２１４および第４の吸収値１２１６は、メタンの吸収スペクトル内にある。第３の吸収値１２１４は、第４の吸収値１２１６と比較して相対的に高い。図１２に示されている気体成分に対応するピーク吸収値は、同じ波長範囲における絶縁油の吸収値と比較して低い。本明細書において、本明細書で述べられている様々な実施形態におけるすべての値は、本発明の限定として解釈されるべきではないことに留意すべきである。
図１３は、例示的な実施形態に係る、液体中に溶解した成分の検出に関わる方法の例示的なステップを示すフロー図１３００である。本方法は、光源からの光ビームの強度および波長の少なくとも一方を変調することによって変調された光ビームを生成するステップ（１３０２）を含む。変調された光ビームは、チャンバ内の流体に放射される（１３０４）。流体は、液体および該液体中の成分を含む。一実施形態において、流体は、液体中に溶解した成分を含む。別の実施形態おいて、流体は、液体中に懸濁された成分を有する懸濁液である。実施形態において、複数の成分が、液体中に溶解または懸濁される。放射される変調された光ビームは、第１のビーム波長および第２のビーム波長を有する。
第１のビーム波長および第２のビーム波長を有する変調された光ビームが、流体に放射され、これにより、液体は、光エネルギーを連続的に吸収し（１３０６）、成分は、光エネルギーを断続的に吸収する（１３０８）。第１のビーム波長および第２のビーム波長のうちの一方は、成分のスペクトル吸収範囲内にあり、第１のビーム波長および第２のビーム波長のうちの他方は、成分のスペクトル吸収範囲内にない。
しかしながら、第１のビーム波長および第２のビーム波長は、両方とも液体のスペクトル吸収範囲内にある。変調された光ビームが放射されると、流体の温度が、成分の存在に起因して変化し、これにより、音響信号が生成される（１３１０）。液体は、第１のビーム波長および第２のビーム波長を有する変調された光ビームからエネルギーを吸収する。液体の温度は変化せず、したがって、音響信号は、液体の存在に起因しては生成されない。実施形態の１つにおいて、第１のビーム波長および第２のビーム波長は、交互に放射されてもよい。代替的な実施形態において、第１のビーム波長および第２のビーム波長は、振幅変調され、時間に関して重なり合う。成分からの音響信号は、成分の吸収スペクトルにおける第１の吸収値の範囲内の第１の吸収値と第２の吸収値の範囲内の第２の吸収値との差に起因して生成される。
音響信号は、使用される圧力センサの種類に基づいて光信号、電気信号、および圧力信号のうちの１つを含んでもよい。次に、生成された音響信号は、プロセッサベースのモジュールに伝送される（１３１２）。プロセッサベースのモジュールは、受信した音響信号の振幅値を測定する（１３１４）。一実施形態において、受信した音響信号の測定された振幅値は、音響信号のピーク値であってもよい。別の実施形態おいて、音響信号の振幅は、音響信号の大きさおよび位相に基づいて決定される。例示的な実施形態において、音響信号の振幅は、同期復調技術を用いて測定される。
プロセッサベースのモジュールは、変調された光ビームの波長範囲に基づいて成分の種類を判定する（１３１６）。一部の実施形態において、気体成分およびこれに対応する吸収スペクトル範囲に相当するデータを有するルックアップテーブルが、成分の種類を判定するために使用されてもよい。一例において、変調された光ビームの第１のビーム波長および第２のビーム波長のうちの一方が、２２００〜２４００ｃｍ−１の範囲の波数に対応する場合、プロセッサベースのモジュールは、成分が二酸化炭素であると判定する。別の例において、変調された光ビームの第１のビーム波長および第２のビーム波長のうちの一方が、２９００〜３１００ｃｍ−１の範囲の波数に対応する場合、成分は、メタンとして検出される。さらに別の例において、変調された光ビームの第１のビーム波長および第２のビーム波長のうちの一方が、３２００〜３４００ｃｍ−１の範囲の波数に対応する場合、成分は、アセチレンとして検出される。一実施形態において、成分の濃度は、所定の検量線図を用いて、測定された振幅に基づいて決定されてもよい（１３１８）。特定の実施形態において、検量線図は、伝達関数に基づいて決定されてもよい。別の実施形態おいて、検量線図は、シミュレーション結果に基づいて決定されてもよい。検量線図は、各成分に対応する振幅値の範囲に関する濃度値のデータを有するルックアップテーブルであってもよい。
一例によれば、工程は、繰り返されてもよい。但し、成分の存在および／または濃度を検出した後で、工程は、図２に示されているフィルタの交換などによって異なるビーム波長を用いて繰り返される。このようにして、サンプル流体中の他の成分の存在および／または濃度が検出される。
本明細書に述べられている、検査のための例示的なシステムおよび方法は、光音響分光法（ＰＡＳ）を用いて、流体中の成分および成分の濃度の少なくとも一方の測定を可能にする。例示的な技術は、成分に対応する小さな振幅の光音響圧力波を検出すること、および、従来のＰＡＳで生成される、液体の存在に起因する大きな振幅の音響信号を除去するか、または大幅に低減することを含む。例えば電気変圧器システムにおいて、例示的な技術は、絶縁油から気体を抽出することなく溶解した気体の分析を実行するために使用されてもよい。
上述したこのような目的または利点の必ずしもすべてが、任意の特定の実施形態によって達成されなくてもよい。したがって、例えば、当業者は、本明細書に記載されているシステムおよび技術が、本明細書で教示または示唆され得るような他の目的または利点を必ずしも達成しなくとも、本明細書で教示されているような１つの利点または一群の利点を達成または改善するような仕方で実施または実行されてもよいことを理解するであろう。
技術について、限られた数の実施形態のみに関連して詳細に説明してきたが、本発明は、このような開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されるべきである。それどころか、技術は、特許請求の範囲およびその精神に見合った、これまでに説明されていない任意の数の変形、変更、置換、または同等の配置を取り入れるように修正されてもよい。さらに、技術の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は、説明した実施形態の一部のみを含んでもよいことが理解されるべきである。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されるものとして理解されるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
１００ 電気施設
１０２ 電気インフラ
１０４、１０６ 検査されるべき設備
１０８、１１０ 検査システム
１１２ 携帯端末の操作者
１１４ 携帯型診断サブシステム
１１６ 遠隔監視・診断サブシステム
２００ 検出システム
２０２ 変調光源
２０４ 反射器
２０６ 光源
２０８ 変調装置
２１０ 光学フィルタ
２１２ 変調された光ビーム
２１３ 第１のビーム波長
２１４ 第２のビーム波長
２１６ チャンバ
２１８ 流体
２２０ 液体
２２２ 成分
２２４ 音響信号
２２８ プロセッサベースのモジュール
２３０ 回転ディスク
２３２ スロット
２３４ 第１の音響信号
２３６ 圧力センサ
２３８ 第２の音響信号
２４０ 光ビーム
３０２ チャンバ（矩形）
３０６ 位置
４００ グラフ
４０２ ｘ軸
４０４ ｙ軸
４０６ 波形
５００ グラフ表現、グラフ
５０２ ｘ軸
５０４ ｙ軸
５０６ 第１のパルス
５０８ 第２のパルス
６００ グラフ
６０２ ｘ軸
６０４ ｙ軸
６０６ 曲線
６０８ 曲線
６１０ 第１の吸収値の範囲
６１２ 第２の吸収値の範囲
６１４ 離隔
６１６ 第１の吸収値
６１８ 第２の吸収値
７００ グラフ
７０２ ｘ軸
７０４ ｙ軸
７０６ 曲線
７０８ 曲線
７１０ 吸収値の範囲
７１２ 第３の吸収値
７１４ 第４の吸収値
８００ グラフ
８０２ ｘ軸
８０４ ｙ軸
８０６ 曲線
８０８ 曲線
９００ グラフ
９０２ ｘ軸
９０４ ｙ軸
９０６ 曲線
１０００ グラフ
１００２ ｘ軸
１００４ ｙ軸
１００６ 曲線
１１００ グラフ
１１０２ ｘ軸
１１０４ ｙ軸
１１０６ 曲線
１１１２ 第１の吸収値
１１１４ 第２の吸収値
１２００ グラフ
１２０２ ｘ軸
１２０４ ｙ軸
１２０６ 曲線
１２０８ 曲線
１２１０ 曲線
１２１４ 第３の吸収値
１２１６ 第４の吸収値
１３００ フロー図
１０２ 電気インフラ
１０４、１０６ 検査されるべき設備
１０８、１１０ 検査システム
１１２ 携帯端末の操作者
１１４ 携帯型診断サブシステム
１１６ 遠隔監視・診断サブシステム
２００ 検出システム
２０２ 変調光源
２０４ 反射器
２０６ 光源
２０８ 変調装置
２１０ 光学フィルタ
２１２ 変調された光ビーム
２１３ 第１のビーム波長
２１４ 第２のビーム波長
２１６ チャンバ
２１８ 流体
２２０ 液体
２２２ 成分
２２４ 音響信号
２２８ プロセッサベースのモジュール
２３０ 回転ディスク
２３２ スロット
２３４ 第１の音響信号
２３６ 圧力センサ
２３８ 第２の音響信号
２４０ 光ビーム
３０２ チャンバ（矩形）
３０６ 位置
４００ グラフ
４０２ ｘ軸
４０４ ｙ軸
４０６ 波形
５００ グラフ表現、グラフ
５０２ ｘ軸
５０４ ｙ軸
５０６ 第１のパルス
５０８ 第２のパルス
６００ グラフ
６０２ ｘ軸
６０４ ｙ軸
６０６ 曲線
６０８ 曲線
６１０ 第１の吸収値の範囲
６１２ 第２の吸収値の範囲
６１４ 離隔
６１６ 第１の吸収値
６１８ 第２の吸収値
７００ グラフ
７０２ ｘ軸
７０４ ｙ軸
７０６ 曲線
７０８ 曲線
７１０ 吸収値の範囲
７１２ 第３の吸収値
７１４ 第４の吸収値
８００ グラフ
８０２ ｘ軸
８０４ ｙ軸
８０６ 曲線
８０８ 曲線
９００ グラフ
９０２ ｘ軸
９０４ ｙ軸
９０６ 曲線
１０００ グラフ
１００２ ｘ軸
１００４ ｙ軸
１００６ 曲線
１１００ グラフ
１１０２ ｘ軸
１１０４ ｙ軸
１１０６ 曲線
１１１２ 第１の吸収値
１１１４ 第２の吸収値
１２００ グラフ
１２０２ ｘ軸
１２０４ ｙ軸
１２０６ 曲線
１２０８ 曲線
１２１０ 曲線
１２１４ 第３の吸収値
１２１６ 第４の吸収値
１３００ フロー図
Claims (23)
- 液体（２２０）および該液体（２２０）中の成分（２２２）を含む流体（２１８）を有するチャンバ（２１６）と、
前記成分（２２２）の存在に起因する音響信号（２２４）を生成するために変調された光ビーム（２１２）を前記流体（２１８）に放射するための変調光源（２０２）と、
前記音響信号（２２４）を検出するための、前記チャンバ（２１６）の近傍に配置された圧力センサ（２３６）と、
前記圧力センサ（２３６）と通信可能に接続されたプロセッサベースのモジュール（２２８）であって、前記圧力センサ（２３６）から前記音響信号（２２４）を受信し、前記音響信号（２２４）に基づいて前記流体（２１８）中の前記成分（２２２）および前記成分（２２２）の濃度の少なくとも一方を測定するように構成されたプロセッサベースのモジュール（２２８）と
を備えるシステム（２００）。 - 前記成分（２２２）が気体成分である、請求項１に記載のシステム（２００）。
- 前記気体成分が、アセチレン、水素、メタン、エタン、エチレン、二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素、およびこれらの組合せを含む、請求項２に記載のシステム（２００）。
- 前記変調光源（２０２）が、レーザ源および変調装置（２０８）を備える、請求項１に記載のシステム（２００）。
- 前記変調装置（２０８）が、前記レーザ源から光ビーム（２４０）を受光し、前記光ビーム（２４０）を変調し、ならびに第１のビーム波長（２１３）および第２のビーム波長（２１４）を有する前記変調された光ビーム（２１２）を生成する、請求項４に記載のシステム（２００）。
- 前記変調装置（２０８）が、前記光ビーム（２４０）の振幅、周波数、および位相のうちの少なくとも１つを変調する、請求項５に記載のシステム（２００）。
- 前記第１のビーム波長（２１３）および前記第２のビーム波長（２１４）が、交互に生成される、請求項５に記載のシステム（２００）。
- 前記第１のビーム波長（２１３）および前記第２のビーム波長（２１４）のうちの一方が、前記成分（２２２）の吸収スペクトルの第１の吸収値の範囲内に第１の吸収値を有する、請求項５に記載のシステム（２００）。
- 前記第１のビーム波長（２１３）および前記第２のビーム波長（２１４）のうちの他方が、前記成分（２２２）の前記吸収スペクトルの第２の吸収値の範囲内に第２の吸収値を有し、前記第２の吸収値の範囲が、前記第１の吸収値の範囲と異なる、請求項８に記載のシステム（２００）。
- 前記第１のビーム波長（２１３）および前記第２のビーム波長（２１４）の双方が、前記液体（２２０）の吸収スペクトルの吸収値の範囲内に複数の吸収値を有する、請求項５に記載のシステム（２００）。
- 前記圧力センサ（２３６）が、圧電効果ベースのセンサ、カンチレバーベースのセンサ、マイクロホン、ハイドロホン、静電容量ベースのセンサ、および膜ベースのセンサのうちの少なくとも１種類である、請求項１に記載のシステム（２００）。
- 前記変調光源（２０２）が、光源（２０６）と、少なくとも１つの光学フィルタ（２１０）と、前記光源（２０６）から生成される光ビーム（２４０）の強度、前記光ビーム（２４０）の波長、および前記光源（２０６）のパラメータのうちの少なくとも１つを制御するための変調装置（２０８）とを備える、請求項１に記載のシステム（２００）。
- 変調光源（２０２）から、液体（２２０）および該液体（２２０）中の成分（２２２）を含む、チャンバ（２１６）内の流体（２１８）に変調された光ビーム（２１２）を放射するステップと、
前記放射された変調された光ビーム（２１２）に応答する、前記チャンバ（２１６）内の前記成分（２２２）からの音響信号（２２４）を生成するステップと、
前記チャンバ（２１６）に配置された圧力センサ（２３６）を用いて前記音響信号（２２４）を検出するステップと、
前記圧力センサ（２３６）からプロセッサベースのモジュール（２２８）に前記音響信号（２２４）を伝送するステップと、
前記プロセッサベースのモジュール（２２８）を用いて前記音響信号（２２４）から前記流体（２１８）中の前記成分（２２２）および前記成分（２２２）の濃度の少なくとも一方を決定するステップと
を含む方法。 - 前記変調された光ビーム（２１２）が、第１のビーム波長（２１３）および第２のビーム波長（２１４）を有する、請求項１３に記載の方法。
- 前記放射ステップが、前記第１のビーム波長（２１３）および前記第２のビーム波長（２１４）を交互に放射するために変調装置（２０８）を用いて光ビーム（２４０）を変調することを含む、請求項１４に記載の方法。
- 少なくとも１つの光学フィルタ（２１０）を用いて前記変調された光ビーム（２１２）から前記第１のビーム波長（２１３）および前記第２のビーム波長（２１４）を生成するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
- 前記生成ステップが、前記成分（２２２）の吸収スペクトルにおける第１の吸収値の範囲内の第１の吸収値と第２の吸収値の範囲内の第２の吸収値との差に起因して、前記成分（２２２）から前記音響信号（２２４）を生成することを含む、請求項１４に記載の方法。
- 前記放射ステップが、変調装置（２０８）を用いて光ビーム（２４０）の振幅を変調することを含む、請求項１３に記載の方法。
- 前記放射ステップが、レーザ源に印加される電力および前記レーザ源の周囲温度を変更することによってレーザビームを変調することを含む、請求項１３に記載の方法。
- 前記決定ステップが、前記音響信号（２２４）の振幅を測定することを含む、請求項１３に記載の方法。
- 前記決定ステップが、前記測定された振幅に基づいて前記成分（２２２）の前記濃度を測定することを含む、請求項２０に記載の方法。
- 前記決定ステップが、同期復調技術を用いて前記音響信号（２２４）の前記振幅を測定することを含む、請求項２０に記載の方法。
- 前記決定ステップが、前記変調された光ビーム（２１２）の波長範囲に基づいて前記成分（２２２）を識別することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
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