RU2823517C1 - Газоанализатор - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения концентрации газов: водорода, оксида углерода, углекислого газа, метана, ацетилена, этилена, этана, растворенных в масле трансформатора. Газоанализатор растворенных в масле газов содержит установленные в едином корпусе блок управления, вакуумный экстрактор для выделения газов из масла, связанный гидравлическими линиями для ввода масла из трансформатора в экстрактор и его вывода, сообщенную с экстрактором и выполненную в виде оптической системы по схеме Эрриотта для многократного прохода лазерного излучения от одного зеркала к другому и измерения его интенсивности на выходе измерительную ячейку для измерения концентрации газов, сообщенную с лазерным модулем и опорным каналом для калибровки длины волны лазеров. Между экстрактором и измерительной ячейкой установлен мембранный блок для предотвращения попадания масла в измерительную ячейку. Лазерный модуль выполнен с возможностью работы каждого из трех лазеров, входящих в него, на определенной длине волны для обеспечения измерений для различных газов, входящих в состав газовой смеси. Опорный канал включает стеклянную прозрачную емкость для герметичного заполнения смесью газов и фотодиод. Зеркала измерительной ячейки снабжены нагревателями, а сама измерительная ячейка утеплительными элементами. Экстрактор снабжен датчиком давления и выполнен с возможностью его автоматической калибровки за счет установки в нем на различных уровнях датчиков уровня и проведения экстракции на уровне установки этих датчиков с последующим измерением концентрации газов для этих уровней и определения коэффициента растворимости газов. Техническим результатом является повышение точности измерений. 7 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения концентрации газов: водорода, кислорода, оксида углерода, углекислого газа, метана, ацетилена, этилена, этана (Н2, O2, СО, CO2, СН4, С2Н2, С2Н4, С2Н6), растворенных в масле трансформатора.

Из уровня техники известна платформа обнаружения для оптоволоконного датчика спектрального типа, которая содержит бак трансформаторного масла, масляно-газовый сепаратор, газоволоконное устройство обнаружения, первую трубку для пропускания масла, первый клапан для слива масла, вторую трубку для пропускания масла и вторую трубку для пропускания масла, выпускной вентиль; трансформаторное масло фильтруется с помощью масляно-газового сепаратора для фильтрации газа, растворенного в масле, затем газ подается в камеру датчика, длина волны падающего лазерного света регулируется, чтобы обеспечить выходной спектр падающего лазерного света для анастомозирования со спектральной группой зония детектируемого газа, определение компонентов обнаруживаемого процесса проведения газа с помощью измерения коэффициента распространения падающего света и ширины исходящего света, а затем результаты обработки данных применяются в терминале Диптихи, и работник на станции может непосредственно увидеть неисправность и состояние старения трансформатора (CN 109459411 А, 12.03.2019)

Обнаружение платформы для волоконно-оптического датчика спектрального типа может привести к онлайн-обнаружению без остановки трансформаторного оборудования, может точно определить содержание характера газа, образующегося в результате неисправности и старения трансформатора, и, таким образом, диагностировать тип неисправности и степень старения трансформатора.

Из уровня техники известен портативный многокомпонентный онлайн-монитор газа, растворенного в трансформаторном масле, в котором Множество полупроводниковых лазеров размещено в основном шасси, каждый полупроводниковый лазер соединен с контроллером полупроводникового лазера, каждый полупроводниковый лазер совместно соединен со схемой генерации сигнала и фотопереключателем 1*N. фотопереключатель 1*N соединен с выходным оптоволоконным соединителем на основном шасси, выходной оптоволоконный соединитель подключен к газовой абсорбционной ячейке с большим оптическим расстоянием через выходное оптическое волокно, газовая абсорбционная ячейка с большим оптическим расстоянием соединяется с входным оптическим волокном, другой конец входного оптического волокна соединен с входным оптоволоконным соединителем на основном шасси, входной оптоволоконный соединитель соединен с калибровочной абсорбционной ячейкой в основном шасси и фокусирующей линзой, инфракрасным фотоэлектрическим детектором, соединительный фиксатор усилителя и модуль управления сбором данных последовательно расположены на входном световом выходе калибровочной поглощающей ячейки (CN 103411920 А, 27.11.2013).

Согласно портативному многокомпонентному онлайн-монитору. потребность в безопасном мониторинге трансформатора удовлетворяется, и фактически реализуется высокочувствительный онлайн-мониторинг отказа трансформатора в реальном времени.

Недостатками известного устройства является низкая точность измерений.

Техническим результатом представленного изобретения является создание газоанализатора, обладающего повышенной точностью измерений за счет высокой селективности измерений в отношении различных газов уже при достаточно низких их концентрациях и низкой чувствительности относительно других веществ, растворенных в масле.

Описанный газоанализатор позволит расширить арсенал технических средств определенного назначения, а именно - газоанализаторов растворенных в масле газов.

Указанный технический результат достигается в газоанализаторе растворенных в масле газов, содержащем установленные в едином корпусе блок управления, вакуумный экстрактор для выделения газов из масла, связанный гидравлическими линиями для ввода масла из трансформатора в экстрактор и его вывода, сообщенную с экстрактором и выполненную в виде оптической системы по схеме Эрриотта для многократного прохода лазерного излучения от одного зеркала к другому и измерения его интенсивности на выходе измерительную ячейку для измерения концентрации газов, сообщенную с лазерным модулем и опорным каналом для калибровки длины волны лазеров, между экстрактором и измерительной ячейкой установлен мембранный блок для предотвращения попадания масла в измерительную ячейку, лазерный модуль выполнен с возможностью работы каждого из трех лазеров, входящих в него, на определенной длине волны для обеспечения измерений для различных газов, входящих в состав газовой смеси, опорный канал включает стеклянную прозрачную емкость для герметичного заполнения смесью газов и фотодиод, зеркала измерительной ячейки снабжены нагревателями, а сама измерительная ячейка утеплительными элементами, при этом экстрактор снабжен датчиком давления и выполнен с возможностью его автоматической калибровки за счет установки в нем на различных уровнях датчиков уровня и проведения экстракции на уровне установки этих датчиков с последующим измерением концентрации газов для этих уровней и определения коэффициента растворимости газов.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 - представлена общая схема газоанализатора; на фиг. 2 представлена схема экстрактора с его технологической трубопроводной и приборной обвязкой; на фиг. 3 представлена измерительная ячейка, со стороны входа оптического (лазерного) излучения; на фиг. 4 представлена измерительная ячейка, со стороны приемника излучения; на фиг. 5 представлена конструкция опорного канала; на фиг. 6 представлена конструкция лазерного модуля; на фиг. 7 приведен пример сигнала опорного канала.

Газоанализатор растворенных в масле газов содержит установленные в едином корпусе 1 блок управления 2 (или материнскую плату), вакуумный экстрактор 3 для выделения газов из масла, сообщенную с экстрактором 3 и выполненную в виде оптической системы по схеме Эрриотта для многократного прохода лазерного излучения от одного зеркала к другому и измерения его интенсивности на выходе фотодиодом измерительную ячейку 4 для измерения концентрации газов.

Измерительная ячейка 4 сообщена с лазерным модулем 5 и опорным каналом 6 посредством волоконно-оптической сборки 7.

Кроме того в состав газоанализатора входит набор датчиков 8 для измерения водорода и кислорода (Н2 и 02), погруженных непосредственно в масло трансформатора.

Выделение газов из масла происходит в экстракторе 3 под воздействием низкого вакуума при давлении 200-1000 Па.

Экстрактор 3 с технологической трубопроводной и приборной его обвязкой (гидравлической схемой с гидравлическими линиями) представлен на фиг. 2.

Экстрактор 3 герметичен и связан двумя гидравлическими линиями 9 и 10 гидравлической схемы с трансформатором: одна для ввода масла, вторая для вывода соответственно. Масло поступает через фильтр 11 очистки масла. Вакуум создается в полости экстрактора 3 путем понижения уровня масла до уровня датчика 21. Масло при перемещении и изменении своего уровня работает как поршневой насос.

Кроме того, в технологическую обвязку экстрактора 3 входят трехходовые клапаны 12 и 13, установленная в верхней части экстрактора 3 форсунка 14, двухходовые клапаны 15, 16, 17, 18, насос 19, датчик давления 20 в экстракторе 3, датчики уровня 21,22, 23 масла для различных уровней масла по высоте экстрактора 3, мембранный блок 24. При этом трехходовой клапан 12 может находиться в положении на линию 9 или в положении на клапан 13, а трехходовой клапан 13 может находиться в положении на линию 10 или в положении на форсунку 14.

Для ускорения дегазации масло, оставшееся в емкости экстрактора 3 после понижения уровня и создания низкого давления, распыляется под давлением через форсунку 14. Процесс контролируется с помощью датчика давления 20 в экстракторе 3. Выделившаяся газовая фаза выталкивается маслом в измерительную ячейку 4.

Гидравлическая схема экстрактора, представленная на фиг. 2 (в схеме экстрактора 3 с его технологической трубопроводной и приборной обвязкой), обеспечивает выполнение всех возлагаемых на него задач: ввод устройства в эксплуатацию, смену пробы масла, экстракцию газов из масла, перенос газовой пробы в измерительную ячейку 4, эвакуацию газовой пробы из измерительной ячейки 4.

Экстрактор 3 выполнен с возможностью его автоматической калибровки за счет установки в нем датчиков 21, 22, 23 уровня на различных уровнях для проведения экстракции на уровне установки датчиков с последующим измерением концентрации газов для этих уровней и определения растворимости газов.

Между экстрактором 3 и измерительной ячейкой 4 установлен мембранный блок 24 с мембраной из материала политетрафторэтилен (PTFE) для предотвращения попадания аэрозоля масла в измерительную ячейку 4.

Измерительная ячейка 4 (фиг. 3 и 4) представляет собой многопроходную оптическую систему, спроектированную по схеме Эрриотта.

Измерительная ячейка 4 состоит из тела ячейки 25, проставочных колец 26 и 27, сферических зеркал 28 и 29, оптических клиньев 30 и 31, уплотнений 32 и 33, фланцев 34 и 35 разжимания уплотнений, нагревателей 36 и 37, прижимных фланцев 38 и 39, юсти-ровочного узла 40, оптического коллиматора 41, приемного блока 42, штуцера 43 для подключения к экстрактору 3, датчика давления 44 и утеплительными элементами 45 и 46 Сферические зеркала 28 и 29 устанавливаются в тело ячейки 25. При этом между зеркалами и ячейкой имеются проставочные кольца 26 и 27 необходимой толщины. Зеркала 28 и 29 уплотняются с помощью кольцевых уплотнений 32 и 33. Уплотнения разжимаются с помощью фланцев 34 и 35. Между прижимными фланцами 38 и 39 и зеркалами 28 и 29 установлены нагреватели 36 и 37. Нагреватели прижимаются к зеркалам с помощью прижимных фланцев 38 и 39. К одному из прижимных фланцев крепится котировочный узел 40 с коллиматором 41, а к другому - приемный блок 42.

Между экстрактором 3 и измерительной ячейкой 4 установлен мембранный блок 24 с мембраной из материала политетрафторэтилен (PTFE) для предотвращения попадания аэрозоля масла в измерительную ячейку 4.

Лазерный модуль (фиг. 6) состоит из трех диодных лазеров 47, 48, 49, установленных на печатной плате 50, фрезерованного корпуса 51, находящегося в тепловом контакте с лазерами 47, 48, 49 через теплопроводящую проставку 52, теплоизолирующих утеплителей 53 и 54, и активно термостатирующего элемента 55 Пельтье, находящихся в тепловом контакте с фрезерованным корпусом 51, теплопровода 56, проводящего тепло от корпуса 51 к элементу 55 Пельтье, кулера 57, предназначеннего для отвода тепла с горячей стороны Пельтье.

В состав печатной платы 50 входят источники тока накачки лазеров, драйверы элементов Пельтье лазеров, датчики температуры, усилители фотодиода (на чертежах не показано) измерительной ячейки и опорного канала.

Волоконно-оптическая сборка (поз.7 на фиг. 1), выполнена с возможностью сведения излучения трех лазеров в единое волокно и подключения через два выхода к измерительной ячейке 4 и к опорному каналу через кольцевой резонатор (на чертежах не показано). Выход кольцевого резонатора подключен к опорному каналу 6.

Внутри лазерного модуля 5 находятся три диодных лазера 47, 48, 49 и чувствительная к температуре электроника. Лазерный модуль 5 выполнен с возможностью работы каждого из трех лазеров 47, 48, 49. входящих в него, на определенной длине волны для обеспечения измерений для различных газов, входящих в состав газовой смеси.

Управление длиной волны лазеров происходит посредством изменения тока накачки лазера от 0 до 120 мА в течение 1 мс. В результате изменения тока накачки меняется волновое число в пределах 3-5 см-1. Температура диодного лазера при этом поддерживается постоянной с помощью встроенных в корпус лазера термистора (на чертежах не показан) и элемента 55 Пельтье. Лазерный модуль 5 тепло изолирован теплоизолирующими утеплителями 53 и 54 и активно термостатирован с помощью элемента 55 Пельтье.

Измерение СО, CO2, СН4, С2Н2, С2Н4, С2Н6 происходит методом лазерной спектроскопии поглощения. Измерение Н2 и O2 осуществляется набором датчиков 8 непосредственно в масле без извлечения в газовую фазу. Н2 измеряют с помощью твердотельного датчика на основе Pd структуры. Измерение O2 осуществляется, например, датчиком, погруженным в масло и работающем на принципе гашения флюоресценции.

Температура лазерного диода подбирается таким образом, чтобы при изменении тока накачки длина волны лазера менялась в пределах линии поглощения исследуемого газа. При этом один лазер предназначен для измерения С2Н2 на длине волны 1532 нм. другой лазер для одновременного измерения СО и CO2 на длине волны 1580 нм, а третий лазер для одновременного измерения СН4, С2Н4, С2Н6 на длине волны 1680 нм.

Измерение происходит по следующей циклограмме:

- включается лазер 1532 нм для измерения С2Н2;

- лазер выходит на тепловой режим в течение 5 минут;

- происходит регистрация спектра поглощения в опорном канале 1532 нм;

- происходит регистрация спектра поглощения в измерительной ячейке 1532 нм;

- лазер выключается.

Описанные действия повторяются для двух оставшихся лазеров: для измерения СО и С02 на длине волны 1580 и для измерения СН4, С2Н4, С2Н6 на длине волны 1680 нм.

Таким образом, каждое измерение каждого спектрального канала состоит из измерения спектра поглощения в опорном канале 6 и измерительном ячейке 4. При этом с помощью ПИД-регуляторов поддерживаются постоянной температуры трех лазеров и печатной платы лазеров.

В функции лазерного модуля 5 входит:

- управление длиной волны диодных лазеров;

- управление температурой диодных лазеров;

- управление температурой печатной платы;

- вывод излучения к измерительной ячейке и опорному каналу.

Лазерное излучение попадает в оптическую систему измерительной ячейки 4 через щель в золотом напылении сферического зеркала 28, совершает 73 прохода от зеркала 28 к зеркалу 29 и выходит через щель в напылении противоположного зеркала 29. Интенсивность прошедшего через измерительную ячейку 4 лазерного излучения измеряется на выходе фотодиодом (на чертежах не показано). Поглощение лазерного излучения является мерой концентрации газа. Разные газы поглощают излучение разных длин волн. Измерительная ячейка 4 герметична и связана трубкой с экстрактором 3. Измерительная ячейка 4 связана с лазерным модулем 5 посредством оптического волокна.

Опорный канал 6 включает стеклянную прозрачную емкость 58 для герметичного заполнения смесью газов, оптическую розетку 59 для ввода излучения и фотодиод 60.

Функция опорного канала 6 заключается в фиксации любых изменений в результате деградации электроники/лазера или в результате температурных дрейфов электроники/лазера. Изменения будут зафиксированы в опорном канале 6 и учтены в процессе обработки спектров измерительного ячейки 4. Таким образом, измерительная часть прибора калибруется. При этом калибровка происходит каждый акт измерения.

Зеркала 28 и 29 имеют нагреватели 36 и 37, а сама измерительная ячейка 4 снабжена утеплительными элементами 45 и 46.

Газоанализатор работает следующим образом.

При установке устройства емкость экстрактора 3 и измерительной ячейки 4 заполнены сухим азотом. При первом подключении к трансформатору происходит постепенное заполнение емкости экстрактора 3 при открытом в атмосферу клапане 18 последовательно через все гидравлические линии, заполнение происходит до датчика 23 уровня. Таким образом воздух из экстрактора 3 выдавливается в атмосферу через клапан 18.

После этого клапан 18 закрывается и открывается установленный на входе в измерительную ячейку 4 клапан 17. Уровень масла в емкости экстрактора 3 уменьшается до датчика 21 уровня с помощью насоса 19 через клапаны 12 и 13 (положение на линию 10). Таким образом, происходит падение давления в измерительной ячейке 4. Клапан 17 закрывается, открывается клапан 18. Емкость экстрактора 3 заполняется маслом через клапан 15. Часть азота, перешедшего из измерительной ячейки 4 в емкость экстрактора 3, выдавливается в атмосферу посредством масла.

Процедура откачки азота из измерительной ячейки 4 при вводе в эксплуатацию может повторяться 3-4 раза. Ввод в эксплуатацию завершается при уровне масла, соответствующему положению датчика 23 уровня.

Этап работы, связанный с экстракцией газов, начинается с обновления пробы масла в емкости экстрактора 3. Проба масла обновляется с помощью насоса 19 через клапаны 16,12 (положение на клапан 13) и 13 (положение на линию 10) при постоянном уровне масла, соответствующем положению датчика 23. Внутренняя форма емкости экстрактора 3 имеет специальную форму, которая минимизирует мертвые объемы при прокачке масла через емкость экстрактора 3.

После этого уровень масла уменьшается до уровня, соответствующего положению датчика 21 уровня с помощью насоса 19 через клапаны 12 (положение на клапан 13) и 13 (положение на линию 10). Таким образом, в емкости экстрактора 3 создается пониженное давление около 200-1000 Па. Масло, оставшееся в емкости экстрактора 3, далее прокачивается через форсунку 14 с помощью насоса 19 через клапаны 12 и 13. Форсунка 14 разбивает масло на маленькие капли, с поверхности которых происходит дегазация масла. В ходе этого процесса происходит рост давления в емкости экстрактора 3. Давление контролируется с помощью датчика 20 давления. Экстракция заканчивается, когда прекращается рост давления внутри емкости экстрактора 3. Изменение давление в процессе экстракции пропорционально общему газосодержанию (ОГС) в масле и используется для его расчета.

Выделение газов из масла происходит в экстракторе 3 под воздействием низкого вакуума (200-1000 Па). Экстрактор 3 герметичен и связан двумя гидравлическими линиями 9 и 10 с трансформатором: одна для ввода масла, вторая для вывода. Вакуум создается в емкости экстрактора 3 путем понижения уровня масла. Масло работает как поршневой насос. Для ускорения дегазации оставшееся в экстракторе 3 масло распыляется под давлением через форсунку 14. Процесс контролируется с помощью датчика 20 давления. Выделившаяся газовая фаза выталкивается маслом в измерительную ячейку 4

По мере повышения уровня масла растет давление в емкости экстрактора 3. В момент, когда давление в емкости экстрактора 3 начинает превышать давление в измерительной ячейке 4 (в состав измерительной ячейки входит датчик давления 44) открывается клапан 17. Таким образом, газ идет в направлении из экстрактора 3 в измерительную ячейку 4.

Рост давления в емкости экстрактора 3 и измерительной ячейке 4 продолжается либо до достижения установочного давления в измерительной ячейке 4, либо до достижения маслом уровня датчика 23 уровня. Если установочное давление не достигнуто в измерительной ячейке 4, то экстрактор 3 повторяет процедуру экстракции и переноса газовой пробы в измерительную ячейку 4.

Циклограмма прибора предусматривает различные установочные давления в измерительной ячейке 4. Установочное давление определяется, исходя из роста давления в процессе первой экстракции. Набор установочных давлений определен таким образом, чтобы обеспечивать измерение растворенных в масле газов в диапазоне ОГС 0.1%-10%. При этом количество экстракций не превышает трех в самом худшем случае.

Извлеченный газ как можно более аккуратно необходимо перенести в измерительную ячейку 4. При этом масло, которое выталкивает газ, не должно быть случайно дегазировано в процессе заполнения емкости экстрактора 3, поэтому выталкивание газа в измерительную ячейку 4 происходит не с помощью насоса 19, который может приводить к турбулентным потокам, а под действием гидростатического давления трансформатора через открытый клапан 15 через тонкую трубочку длиной 50-100 см (на чертежах не показано). При этом клапан 12 находится в положении на клапан 13.

Измерительная ячейка 4 представляет собой многопроходную оптическую систему, спроектированную по схеме Эрриотта и связанную с лазерным модулем 5, который имеет волоконно - оптическую сборку 7. Лазерное излучение попадает в оптическую систему через щель (на чертежах не показано) в золотом напылении сферического зеркала, совершает 73 прохода от зеркала к зеркалу и выходит через щель (на чертежах не показано) в напылении противоположного зеркала. Интенсивность прошедшего через измерительную ячейку 4 лазерного излучения измеряется на выходе фотодиодом. Основная формула, описывающая систему Эрриотта. задается следующим образом:

cos α=1-L/R,

где L - расстояние между зеркалами,

R - радиус кривизны зеркал,

α - угол поворота луча, при этом угол поворота луча должен удовлетворять условию

2 mα=2nπ, где m и n - натуральные числа.

Сущность конструкции измерительной ячейки заключается в подборе таких значений тип, чтобы соседние пятна рассеяния лазерного излучения соответствовали числу проходов больше 20.

Частота интерференции, которая может возникнуть вследствие разюстировки системы или загрязнения зеркал, равна 0.00066 см-1. Такая частота интерференции более чем на порядок меньше типичной ширины линии поглощения. Благодаря этому возникновение подобной шумовой составляющей не скажется на обработке сигнала поглощения и не приведет к ухудшению точности и чувствительности.

После процедуры измерения газовая проба должна быть эвакуирована из измерительной ячейки 4. Для этого уровень масла в емкости экстрактора 3 понижается до уровня датчика 21 уровня с помощью насоса 19 через клапаны 12 (положение на клапан 13) и 13 (положение на линию 10). В емкости экстрактора 3 создается давление меньшее, чем давление в измерительной ячейке 4. После этого открывается клапан 17 и происходит выравнивание давления между емкостью экстрактора 3 и измерительной ячейкой 4. Клапан 17 закрывается.

Частично эвакуированная из измерительной ячейки 4 газовая проба растворяется обратно в масло. Растворение происходит следующим образом. Насос 19 через клапан 12 (положение на линию 9) закачивает масло в емкость экстрактора 3 либо до уровня датчика 23 уровня, либо до достижения давления 1700-2000 гПа в зависимости от того, что наступит раньше. После этого насос 19 прокачивает масло, находящееся в емкости экстрактора 3, через форсунку 14 через клапан 12 (положение на клапан 13) и клапан 13 (положение на форсунку 14). Изменение давления в ходе этого процесса фиксируется с помощью датчика давления 20. То, что раньше приводило к дегазации масла, в данных условиях работы экстрактора 3 приводит к растворению газов обратно в масло. Процесс завершается, когда прекращается падение давления в емкости экстрактора 3. Если масло не достигло уровня датчика 23, то насос 19 закачивает масло в емкость экстрактора 3 либо до уровня датчика 23, либо до достижения давления 1700-2000 гПа в зависимости от того, что наступит раньше. Процесс растворения повторяется.

Таким образом, за несколько итераций уровень масла в емкости экстракторе 3 достигает уровня датчика 23. После этого проба масла в емкости экстрактора 3 обновляется по описанной ранее процедуре. За один описанный цикл эвакуации пробы из измерительной ячейки 4 давление в ней может оказаться недостаточно низким по сравнению с установочным давлением. В этом случае процедура эвакуации газовой пробы может повториться еще 1 или 2 раза. В самом худшем случае остаточное давление в измерительной ячейке 4 не превышает 20% от установочного давления. Таким образом, обеспечивается достаточная сменяемость газовой пробы в измерительной ячейке 4. Это необходимо, чтобы на новый цикл измерения как можно меньше влияла предыдущая газовая проба.

Для воспроизводимости результатов в емкости экстрактора 3 созданы условия для температурной стабилизации, для чего на емкости экстрактора 3 установлено шесть нагревателей (на чертежах не показано), которые стабилизируют температуру емкости экстрактора 3 в районе 45°С.

В виду того, что трансформаторы могут быть заполнены неизвестной смесью масел, в лабораторных условиях должны быть определены коэффициенты растворимости масла, либо каждый прибор должен быть откалиброван на том трансформаторе, на котором он установлен. Калибровка прибора, которая состоит в определении коэффициентов растворимости газов в масле, проходит в автоматическом режиме при вводе прибора в эксплуатацию, либо в процессе его работы.

Между концентрацией газов в масле и их концентрацией в газовой фазе после процедуры экстракции существует взаимосвязь. Эта взаимосвязь зависит от коэффициентов растворимости газов в масле. Эти коэффициенты зависят от типа масла. Эффективность дегазации E_i i компоненты зависит не только от коэффициентов растворимости, но и от отношения объема масла/к свободному объему над маслом во время экстракции.

- объем газа

- объем масла,

- коэффициент растворимости i компоненты

Эта особенность используется во время автоматической калибровки прибора при экстракции газов как при уровне масла на уровне датчика 23 (как описано ранее), так и при уровне масла на уровне датчика 22.. В виду того, что эффективность экстракции разная в двух случаях, в измерительной ячейке 4 будут разные концентрации газов.

Принимая, что концентрация газов в масле при этом не менялась, можно определить коэффициент растворимости для каждого измеренного газа по формуле:

измеренные концентрации i компоненты для различных уровней, - объемы масла и газовой фазы для различных уровней

Таким образом, датчик уровня 22 используется во время калибровки прибора.

Лазерное излучение заводится в рабочий объем измерительной ячейки 4 с помощью волоконного коллиматора 41. Необходимый угол ввода задается ручной настройкой посредством юстировочного узла 40. Юстировка осуществляется по трехточечной схеме. Регулировка проводится подбором свободной длины трех винтов. Юстировка может осуществляться с помощью визуального контроля посредством лазерного излучения видимой области спектра. Для этого в отражающем покрытии зеркал 28, 29 предусмотрено центральное смотровое окно (на чертежах не показано). После настройки котировочный узел 40 фиксируется с помощью трех стопорных винтов. Излучение дополнительно отклоняется с помощью оптического клина 30 и 31 как на входе в рабочий объем измерительной ячейки 4, так и на выходе. Излучение проходит сквозь подложку зеркала через специальную прорезь в отражающем покрытии зеркала. Через такую же прорезь в отражающем покрытии излучение выходит из рабочего объема ячейки.

Излучение подает в приемный блок 42, где и происходит регистрация мощности лазерного излучения. Посредством нагревателей 36, 37 и задают необходимую температуру в измерительной ячейке 4. Для ее термостатирования применяют утеплительные элементы 45 и 46.

Функция опорного канала 6 состоит в том, что последствия любых изменений, вызванные в результате деградации электроники/лазера или в результате температурных дрейфов электроники/лазера, будут зафиксированы в опорном канале 6 и учтены в процессе обработки спектров измерительного канала 4. Таким образом, измерительная часть прибора также калибруется. При этом калибровка происходит каждый акт измерения.

Оптический вход опорного канала 6 соединен с оптическим выходом кольцевого резонатора. Сигнал опорного канала 6 выглядит, например, как показано на фиг. 7.

В сигнале опорного канала видны линии поглощения, в данном случае, линии метана. Кроме того, видна интерференционная картина кольцевого резонатора, входящего в состав волоконно-оптической сборки 7.

Алгоритм обработки сигнала опорного канала 6 позволяет определять как центры линии поглощения, так и центры особенностей интерференционной картины. Перестройка диодного лазера не линейна во времени, что хорошо видно на сигнале опорного канала. В обратных сантиметрах расстояние между соседними пиками интерференционной картины эквидистантно и соответствует области свободной дисперсии кольцевого резонатора. Эта особенность используется алгоритмом, чтобы от временной шкалы сигнала перейти к шкале в обратных сантиметрах. При этом особенности интерференционной картины служат для относительной калибровки частотной шкалы, а центры линий поглощения для абсолютной калибровки шкалы.

Дальнейшая обработка сигнала происходит в частотной шкале. Таким образом, восстановление концентрации из спектров не чувствительна к тепловым уходам лазера/электроники и их деградации в процессе эксплуатации.

Блок управления газоанализатора (или материнская плата) управляет:

- работой экстрактора;

- работой лазеров;

- термостабилизацией измерительной ячейки,

- лазерного модуля и шкафа прибора;

- считывает сигналы с фотодиодов;

- обрабатывает сигналы фотодиодов;

- рассчитывает концентрации;

- считывает данные датчика водорода и кислорода. Блок управления таже хранит данные.

На монитор персонального компьютера (на чертежах не показано) выводится главный измерительный интерфейс меню программного обеспечения, где отображаются, например:

- определяемые компоненты, установленные для газоанализатора;

- результаты измерений содержания определяемых компонентов;

- диапазоны измерений;

- единицы измерений.

Газоанализатор позволит обнаруживать газы уже на низком их пределе - на уровне 1 ppm для С2Н4, С2Н6. 0.5 ррт для СН4, 0.05 рртдля С2Н2 и 10 ррт для СО и CO2 за счет большой оптической длины и вакуумной экстракции

Селективная лазерная спектроскопия и правильно подобранные длины волн обеспечивают низкую перекрестную чувствительность измеряемых газов по отношению друг к другу и к широкому классу веществ, растворенных в масле трансформатора.

Высокая стабильная точность измерений на протяжении длительного времени осуществляется за счет:

- мембранного блока, который не позволяет аэрозолю масла попадать на оптику измерительной ячейки;

-поддержания вакуума в измерительной ячейке с одновременным нагреванием зеркал между циклами измерения, что позволяет оптике самоочищаться от тяжелых углеводородов, растворенных в масле;

- применения опорного канала, который компенсирует температурные дрейфы и эффекты деградации лазеров и электроники.

Самокалибровка экстрактора ведет к повышению класса точности, не зависящей от трансформаторного масла, в части определения коэффициентов растворимости газов в масле.

Изобретение позволит повысить точность измерений за счет высокой селективности измерений в отношении различных газов уже при достаточно низких их концентрациях и низкой чувствительности относительно других веществ, растворенных в масле.

Описанный газоанализатор позволит расширить арсенал технических средств определенного назначения, а именно - газоанализаторов растворенных в масле газов.

Claims (1)

1. Газоанализатор растворенных в масле газов, содержащий установленные в едином корпусе блок управления, вакуумный экстрактор для выделения газов из масла, связанный гидравлическими линиями для ввода масла из трансформатора в экстрактор и его вывода, сообщенную с экстрактором и выполненную в виде оптической системы по схеме Эрриотта для многократного прохода лазерного излучения от одного зеркала к другому и измерения его интенсивности на выходе измерительную ячейку для измерения концентрации газов, сообщенную с лазерным модулем и опорным каналом для калибровки длины волны лазеров, между экстрактором и измерительной ячейкой установлен мембранный блок для предотвращения попадания масла в измерительную ячейку, лазерный модуль выполнен с возможностью работы каждого из трех лазеров, входящих в него, на определенной длине волны для обеспечения измерений для различных газов, входящих в состав газовой смеси, опорный канал включает стеклянную прозрачную емкость для герметичного заполнения смесью газов и фотодиод, зеркала измерительной ячейки снабжены нагревателями, а сама измерительная ячейка утеплительными элементами, при этом экстрактор снабжен датчиком давления и выполнен с возможностью его автоматической калибровки за счет установки в нем на различных уровнях датчиков уровня и проведения экстракции на уровне установки этих датчиков с последующим измерением концентрации газов для этих уровней и определения коэффициента растворимости газов.

Images