基于光譜分析的變壓器油中多組分氣體檢測裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及涉及一種基于光譜分析的變壓器油中多組分氣體檢測裝置及方法，包括波長可調(diào)光源、調(diào)制電路、氣室、光電探測器、信號采集處理電路及計算機，采用時分復(fù)用思想，控制光源在不同時間段內(nèi)輸出中心波長不同的窄線寬光，每個波長對應(yīng)一種待檢測氣體的特定吸收譜峰，通過分析對應(yīng)氣體的光譜吸收獲得其濃度值。本發(fā)明通過結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的基于光譜分析的變壓器油中多組分氣體檢測裝置，采用時分復(fù)用思想，實現(xiàn)變壓器油中多組分氣體的快速可靠檢測。解決了不同氣體光譜信號交疊造成的檢測困難問題，實現(xiàn)多種氣體的同步檢測，測量靈敏度高，響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)緊湊簡單，系統(tǒng)成本低廉。
【專利說明】基于光譜分析的變壓器油中多組分氣體檢測裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種多組分氣體的檢測裝置及方法，具體涉及一種基于光譜分析的變 壓器油中多組分氣體檢測裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 油中溶解氣體分析是判斷油浸式電力變壓器早期潛伏性故障最方便、最有效的方 法之一，在變壓器運行狀態(tài)的在線評估及剩余壽命的預(yù)測領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景?？焖?、 準確地對油中溶解氣體的成分和含量進行分析是該方法的前提和關(guān)鍵。目前，常用的油中 氣體分析技術(shù)有氣相色譜法和電化學(xué)傳感器法。但在長期使用中，這些方法的諸多不足逐 漸暴露出來，例如取樣復(fù)雜、檢測過程中會消耗樣氣和載氣、分析時間長等。
[0003] 隨著光學(xué)器件的發(fā)展，光譜分析法在油中氣體分析逐步得到應(yīng)用。光譜分析法的 工作原理基于吸光度定律（朗伯一比爾定律)，其測量范圍寬，靈敏度和精度都較高，響應(yīng) 速度快，可以實現(xiàn)多組分氣體的連續(xù)分析和自動控制。該方法中目前應(yīng)用最多的是傅里葉 紅外光譜和光聲光譜技術(shù)，其中傅里葉紅外光譜技術(shù)難以避免氣體間的交叉吸收干擾，在 檢測靈敏度和可靠性上存在不足，而光聲光譜技術(shù)盡管在靈敏度和穩(wěn)定性上更占優(yōu)勢，但 其系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，成本較高，在實際應(yīng)用中受到一定限制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對上述問題，本發(fā)明提供一種操作方便，快速可靠的基于光譜分析的變壓器油 中多組分氣體檢測裝置及方法。
[0005] 為解決上述問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：基于光譜分析的變壓器油中多組分 氣體檢測裝置，包括波長可調(diào)光源、氣室、光電探測器、信號采集處理電路及計算機，氣室用 于存放含有多種氣體的變壓器油，計算機用于根據(jù)經(jīng)待測氣體吸收后的光信息計算待測氣 體的濃度；波長可調(diào)光源通過輸入光纖與氣室連接，氣室通過輸出光纖與光電探測器連接， 光電探測器經(jīng)信號采集處理電路與計算機連接。
[0006] 波長可調(diào)光源還設(shè)有調(diào)制電路，調(diào)制電路用于對光源進行頻率調(diào)制和強度調(diào)制。 調(diào)制電路輸出高頻正弦調(diào)制信號，對光源進行頻率調(diào)制和強度調(diào)制。
[0007] 所述的波長可調(diào)光源為可調(diào)諧激光器，通過嵌入計算機內(nèi)的控制軟件實現(xiàn)波長調(diào) 節(jié)和線寬控制?？刂乒庠丛诓煌瑫r間段內(nèi)輸出中心波長不同的光。
[0008] 為了實現(xiàn)光源在不同時間段內(nèi)輸出中心波長不同的光，所述的波長可調(diào)光源包括 發(fā)光二極管和可調(diào)諧濾波片。
[0009] 為了實現(xiàn)光源在不同時間段內(nèi)輸出中心波長不同的光，所述的波長可調(diào)光源光源 包括寬譜紅外光源和可調(diào)諧濾波片。
[0010] 優(yōu)選的，信號采集處理電路采用鎖相放大器。
[0011] 所述的光電探測器為光電倍增管或雪崩二極管或光電二極管。
[0012] 所述的氣室是透射式氣室或反射式氣室。
[0013] 應(yīng)用上述裝置進行基于光譜分析的變壓器油中多組分氣體檢測方法， 本方法采用時分復(fù)用思想，控制波長可調(diào)光源在不同時間段內(nèi)輸出中心波長不同的窄 線寬光，每個波長對應(yīng)一種待檢測氣體的特定吸收譜峰，通過分析對應(yīng)氣體的光譜吸收獲 得其濃度值，包括如下步驟： 1) 根據(jù)待檢測氣體的特征吸收譜峰控制波長可調(diào)光源輸出與其相對應(yīng)波長的窄線寬 光； 2) 光經(jīng)輸入光纖傳輸進氣室中，氣室中吸收譜峰與該波長相對應(yīng)的氣體發(fā)生光譜吸 收，引起光強變化； 3) 經(jīng)光譜吸收后的光輸出氣室，經(jīng)輸出光纖輸送到光電探測器進行光電轉(zhuǎn)換； 4) 光電轉(zhuǎn)換后的信號進入信號采集處理電路采集有效信號，輸入計算機，根據(jù)氣體吸 收后的剩余光功率或相應(yīng)階次諧波強度與氣體濃度的對應(yīng)關(guān)系，獲得該氣體濃度。
[0014] 變壓器油中溶解氣體一般包括甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳和水 汽。測得一種氣體濃度后，改變光源輸出波長，使之對應(yīng)另一種待檢測氣體的特征吸收譜 峰，重復(fù)上述步驟，直至完成所有氣體檢測。
[0015] 光源輸出窄線寬光的線寬需小于等于10MHz。氣體的特征吸收峰有一定線寬，光源 輸出窄線寬光的線寬小于等于10MHz保證光的線寬遠小于氣體的吸收峰線寬，從而使光被 特定氣體所吸收，準確判斷該種氣體的濃度。
[0016] 本發(fā)明通過結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的基于光譜分析的變壓器油中多組分氣體檢測裝 置，采用時分復(fù)用思想，實現(xiàn)變壓器油中多組分氣體的快速可靠檢測。解決了不同氣體光譜 信號交疊造成的檢測困難問題，實現(xiàn)多種氣體的同步檢測，測量靈敏度高，響應(yīng)速度快，結(jié) 構(gòu)緊湊簡單，系統(tǒng)成本低廉。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)圖； 圖2為本發(fā)明實施例1的流程圖； 其中，1、調(diào)制電路，2、激光器，3、輸入光纖，4、氣室，5、輸出光纖，6、光電探測器，7、鎖相 放大器，8、計算機。

【具體實施方式】
[0018] 基于光譜分析的變壓器油中多組分氣體檢測裝置，包括波長可調(diào)光源、氣室4、光 電探測器6、信號采集處理電路及計算機8,氣室4用于存放含有多種氣體的變壓器油，計算 機8用于根據(jù)經(jīng)待測氣體吸收后的光信息計算待測氣體的濃度；波長可調(diào)光源通過輸入光 纖3與氣室4連接，氣室4通過輸出光纖5與光電探測器6連接，光電探測器6經(jīng)信號采集 處理電路與計算機8連接。波長可調(diào)光源還設(shè)有調(diào)制電路1，調(diào)制電路1用于對光源進行頻 率調(diào)制和強度調(diào)制。所述的波長可調(diào)光源為可調(diào)諧激光器2,通過嵌入計算機8內(nèi)的控制 軟件實現(xiàn)波長調(diào)節(jié)和線寬控制或所述的波長可調(diào)光源包括發(fā)光二極管和可調(diào)諧濾波片或 所述的光源包括寬譜紅外光源和可調(diào)諧濾波片。所述的信號采集處理電路采用鎖相放大器 7。所述的光電探測器6為光電倍增管或雪崩二極管或光電二極管。所述的氣室4是透射 式氣室或反射式氣室。
[0019] 應(yīng)用上述裝置進行基于光譜分析的變壓器油中多組分氣體檢測方法，本方法采用 時分復(fù)用思想，控制光源在不同時間段內(nèi)輸出中心波長不同的窄線寬光，每個波長對應(yīng)一 種待檢測氣體的特定吸收譜峰，通過分析對應(yīng)氣體的光譜吸收獲得其濃度值，包括如下步 驟： 1) 根據(jù)待檢測氣體的特征吸收譜峰控制波長可調(diào)光源輸出與其相對應(yīng)波長的窄線寬 光，光源輸出窄線寬光的線寬需小于等于10MHz; 2) 光經(jīng)輸入光纖3傳輸進氣室4中，氣室4中吸收譜峰與該波長相對應(yīng)的氣體發(fā)生光 譜吸收，引起光強變化； 3) 經(jīng)光譜吸收后的光輸出氣室4,經(jīng)輸出光纖5輸送到光電探測器6進行光電轉(zhuǎn)換； 4) 光電轉(zhuǎn)換后的信號進入信號采集處理電路采集有效信號，輸入計算機，根據(jù)氣體吸 收后的剩余光功率或相應(yīng)階次諧波強度與氣體濃度的對應(yīng)關(guān)系，分析獲得該氣體濃度。
[0020] 變壓器油中溶解氣體一般包括甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳和水 汽。測得一種氣體濃度后，改變光源輸出波長，使之對應(yīng)另一種待檢測氣體的特征吸收譜 峰，重復(fù)上述步驟，直至完成所有氣體檢測。
[0021] 實施例1 為方便說明，又不失一般性，本實施例以乙炔、一氧化碳、二氧化碳的分析為例來闡述 多組分氣體檢測方法： (1)計算機8控制激光器2輸出中心波長為1. 53Mm的窄線寬光，對應(yīng)乙炔的吸收譜峰， 同時調(diào)制電路1輸出高頻正弦調(diào)制信號，對激光器2進行頻率調(diào)制和強度調(diào)制；此處光源選 用Phot line ModBox-TTX激光器2,波長范圍可覆蓋乙炔、一氧化碳、二氧化碳在石英光纖低 損耗窗口內(nèi)的吸收峰值（乙炔1. 53Mm，一氧化碳1. 567Mm，二氧化碳1. 573Mm)。輸出線寬僅 為100kHz，遠小于氣體吸收線寬(一般在GHz量級)。激光器2配有PC端控制軟件，通過軟 件實現(xiàn)波長調(diào)節(jié)，該軟件可與PC機上的系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件進行接口通信，從而在數(shù)據(jù)處理 軟件中控制輸出波長；同時保持窄線寬輸出。
[0022] (2)利用輸入光纖3將光傳入透射型氣室；若氣室中存在乙炔，氣室中的乙炔會在 1. 53Mm處發(fā)生光譜吸收，引起光強變化； (3)利用輸出光纖5將光由氣室送到InGaAs PIN二極管完成光電轉(zhuǎn)換；此處光電探測 器6采用InGaAs PIN二極管。
[0023] (4)光電轉(zhuǎn)換信號經(jīng)鎖相放大器7送入計算機8,將檢測出的一次諧波幅度及二次 諧波幅度送入計算機8,計算機8進行除法處理后獲得乙炔的濃度信息，此處的信號采集處 理電路選用鎖相放大器。
[0024] 計算機控制激光器中心波長為1. 567Mm，對應(yīng)一氧化碳的吸譜峰，重復(fù)步驟廣4， 獲得一氧化碳濃度；計算機控制激光器中心波長為1. 573Mm，對應(yīng)一氧化碳的吸收譜峰，重 復(fù)步驟1~4,獲得二氧化碳濃度。
[0025] 計算機根據(jù)氣體吸收后的剩余光功率或相應(yīng)階次諧波強度與氣體濃度的對應(yīng)關(guān) 系獲得該氣體濃度為現(xiàn)有技術(shù)在此不再贅述。
[0026] 以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對其限制，凡是對本發(fā)明的具體實 施方式進行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其 均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1. 基于光譜分析的變壓器油中多組分氣體檢測裝置，其特征在于：包括波長可調(diào)光 源、氣室（4)、光電探測器（6)、信號采集處理電路及計算機（8)，氣室（4)用于存放含有多種 氣體的變壓器油，計算機（8)用于根據(jù)經(jīng)待測氣體吸收后的光信息計算待測氣體的濃度； 波長可調(diào)光源通過輸入光纖（3)與氣室（4)連接，氣室（4)通過輸出光纖（5)與光電探測器 (6 )連接，光電探測器（6 )經(jīng)信號采集處理電路與計算機（8 )連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光譜分析的變壓器油中多組分氣體檢測裝置，其特征在 于：波長可調(diào)光源還設(shè)有調(diào)制電路（1 )，調(diào)制電路（1)用于對波長可調(diào)光源進行頻率調(diào)制和 強度調(diào)制。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光譜分析的變壓器油中多組分氣體檢測裝置，其特征在 于：所述的波長可調(diào)光源為可調(diào)諧激光器（2)，通過嵌入計算機（8)內(nèi)的控制軟件實現(xiàn)波長 調(diào)節(jié)和線寬控制。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光譜分析的變壓器油中多組分氣體檢測裝置，其特征在 于：所述的波長可調(diào)光源包括發(fā)光二極管，波長和線寬調(diào)節(jié)通過可調(diào)諧濾光片實現(xiàn)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光譜分析的變壓器油中多組分氣體檢測裝置，其特征在 于：所述的波長可調(diào)光源包括寬譜紅外光源，波長和線寬調(diào)節(jié)通過可調(diào)諧濾光片實現(xiàn)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3或4或5所述的基于光譜分析的變壓器油中多組分氣體檢測裝置， 其特征在于：所述的信號采集處理電路采用鎖相放大器（7)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于光譜分析的變壓器油中多組分氣體檢測裝置，其特征在 于：所述的光電探測器（6)為光電倍增管或雪崩二極管或光電二極管。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于光譜分析的變壓器油中多組分氣體檢測裝置，其特征在 于：所述的氣室（4)是透射式氣室或反射式氣室。
9. 應(yīng)用上述裝置進行基于光譜分析的變壓器油中多組分氣體檢測方法，其特征在于包 括如下步驟： 1) 根據(jù)待檢測氣體的特征吸收譜峰控制波長可調(diào)光源輸出與其相對應(yīng)波長的窄線寬 光； 2) 光經(jīng)輸入（3)光纖傳輸進氣室（4)中，氣室（4)中吸收譜峰與該波長相對應(yīng)的氣體 發(fā)生光譜吸收，引起光強變化； 3) 經(jīng)光譜吸收后的光輸出氣室（4)，經(jīng)輸出光纖（5)輸送到光電探測器（6)進行光電轉(zhuǎn) 換； 4 )光電轉(zhuǎn)換后的信號進入信號采集處理電路采集有效信號，輸入計算機（8 )，分析獲得 該氣體濃度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于光譜分析的變壓器油中多組分氣體檢測方法，其特征 在于：光源輸出窄線寬光的線寬需小于等于10MHz。
【文檔編號】G01N21/39GK104062265SQ201410332599
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月14日
【發(fā)明者】韓克俊, 王新剛, 李軍, 閆冠峰, 郝娜, 張猛, 丁浩 申請人:山東電力設(shè)備有限公司