一种基于MEMS技术的光声光谱绝缘油溶解气体探测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于MEMS技术的光声光谱绝缘油溶解气体探测系统，包括样品油取样模块、光源光声池选择模块、双级吸收增强模块、气体脱离模块、气体分析模块和数据传输模块，本发明专利技术系统结构简单、免维护、无载气、无需频繁校准、无辐射源，高精度的测量结果使其能准确识别潜在故障，测试数据和诊断信息可及时传递，确保设备运行的安全可靠，实现将设备的定期维护方式转变为实时监测和预防性检测或维修，有利于减少重大电力事故的发生，采用双级吸收增强光声光谱技术，具有高灵敏度、低漂移、可以连续在线监测的优势，解决了传统气相色谱监测仪需要消耗性载气、标气，色谱柱易老化，不能长期稳定运行的问题。稳定运行的问题。稳定运行的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MEMS技术的光声光谱绝缘油溶解气体探测系统


[0001]本专利技术涉及绝缘油溶解气体探测
，具体为一种基于MEMS技术的光声光谱绝缘油溶解气体探测系统。

技术介绍

[0002]电力设备的绝缘主要是由矿物绝缘油和浸在油中的有机绝缘材料所组成，其中矿物绝缘油即变压器油，是石油的一种分镏产物，而有机绝缘材料主要是由纤维素构成，在电力设备正常运行状态下，由于油和固体绝缘会逐渐老化、变质，会分解出极少量的气体，当电力设备内部发生过热性故障、放电性故障或受潮情况时，这些气体的产量会迅速增加，这些气体大部分溶解在绝缘油中，少部分上升在绝缘油的面上，油中气体的各种成分含量的多少和故障的性质及程度直接有关，因此在设备运行过程中，定期测量溶解于油中的气体组织成分和含量，对于及早发现充油电力设备内部存在的潜伏性故障有非常重要的意义；
[0003]目前主要采用人工定期抽油方式检测和气相色谱法在线监测的方式进行检测，而人工定期抽油方式检测工作效率低、人工操作多、重复性差及劳动强度大，且此方式不能及时发现潜在故障因素，气相色谱法在线监测的方式由于用到消耗性的载气，使其维护成本高，对于大多数地处偏远的变电站，气体钢瓶的更换是一件很麻烦的事情，另外变压器油中脱出气体中高沸点组份在色谱柱的积累也会造成分离效果下降，需要定期老化或更换，气相色谱技术管路复杂、组件多，仪器长期运行的稳定性和可靠性不够。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种基于MEMS技术的光声光谱绝缘油溶解气体探测系统，可以有效解决上述背景技术中提出人工定期抽油方式检测工作效率低、人工操作多、重复性差及劳动强度大，且此方式不能及时发现潜在故障因素，气相色谱法在线监测的方式由于用到消耗性的载气，使其维护成本高，对于大多数地处偏远的变电站，气体钢瓶的更换是一件很麻烦的事情，另外变压器油中脱出气体中高沸点组份在色谱柱的积累也会造成分离效果下降，需要定期老化或更换，气相色谱技术管路复杂、组件多，仪器长期运行的稳定性和可靠性不够的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于MEMS技术的光声光谱绝缘油溶解气体探测系统，包括样品油取样模块、光源光声池选择模块、双级吸收增强模块、气体脱离模块、气体分析模块和数据传输模块；
[0006]探测系统通过调制的单色光源照射到密封于光声池中的样品上，样品吸收光能，并以释放热能的方式退激发，释放的热能使样品和周围介质按光的调制频率产生周期性加热，从而导致介质产生周期性压力波动，再通过灵敏度极高的光声光谱探测器对该压力波动进行检测，并通过放大得到光声信号；
[0007]由于每种红外活性的化合物都有其特有的红外吸收光谱，改变单色光波长则可检测到随波长变化的光声信号，从而实现对其进行定量分析。
[0008]根据上述技术方案，所述样品油取样模块主要获取需要探测的变压器油箱内的样品油，而样品油的获取需要考虑多方面的因素：监测系统安装位置、油箱密封性、样品油取样量和取样时间，在充分考虑上述因素并结合现场调研后，选取变压器在线监测口进行取样，且不同类型的变压器，取样口位置也会有所不同；
[0009]样品油在探测分析完成后，样品油的处理方式为重新回入到变压器的油箱中。
[0010]根据上述技术方案，所述光源光声池选择模块，在选择光源时，用点调制的MEMS红外光源来代替传统的机械斩波器调光方式，MEMS红外光源主要是基于微机电系统制造工艺的红外光源器件；
[0011]在选择光声池时，主要采用管状镀金光声气室，使检测器与气体隔离，减少油气对检测器的污染，避免流动相的噪声干扰。
[0012]根据上述技术方案，所述光源光声池选择模块在选择MEMS红外光源时，通过采用SR5000光谱辐射计对MEMS红外光源进行辐射光谱分布特性测试，用来明确MEMS红外光源的辐射光谱分布特性和温度特性。
[0013]根据上述技术方案，所述双级吸收增强模块是指采用双级吸收增强型光声光谱技术，使设备具有高灵敏度以及高可靠性和稳定性；
[0014]采用双级吸收增强结构，将气样与光声检测器隔离，整个气室总容积小于3ML，且通过第一级分析气室之后的红外能量大部分在第二级光声气室中被吸收，油气分离后产生的气体不接触检测元件。
[0015]根据上述技术方案，所述气体脱离模块主要通过将气体从油中脱离出来，来分析油中溶解气体成分，再采用光声光谱法进行组分和含量的分析，脱气方式有溶解平衡法、薄膜真空法和机械真空法；
[0016]溶解平衡法，又称机械振荡法，在恒温条件下，经过一定的振荡周期，重新建立油中溶解气体与高纯氮的平衡，通过检测平衡气中各组分的浓度，可以通过计算得到溶解气体的原始浓度，这种方法是不完全脱气；
[0017]薄膜真空法，利用变压器油与溶解气体分子体积差，分子量小的气体可以从薄膜穿过而油不能穿过的原理，采用高聚物薄膜分离油与气，对气体采样侧抽真空，样品油侧施加正压，溶解气体经压差渗透至真空侧完成采集；
[0018]机械真空法，从水银真空脱气法演变而来，利用大气压与负压交替对变径活塞施力的特点，替代水银泵的一种等效装置；
[0019]采取溶解平衡和机械真空法相结合的脱气方式，通过先加热样品油至一定温度，保持恒温状态下，使用电动推拉杆反复推拉形成真空与常压交替环境，获取脱离气体。
[0020]根据上述技术方案，所述气体脱离模块脱离的监测气体属混合型微量气体，其主要成分为氢气、一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔。
[0021]根据上述技术方案，所述气体分析模块主要通过气体分析方法来对获取的脱离气体进行分析，而气体分析方法主要有：气相色谱法和光声光谱分析法；
[0022]气相色谱法，其结构由气路系统、柱恒温箱、色谱柱、检测器和数据处理系统等组成，混合气体通过一定流速的载气带入至恒温色谱柱，利用色谱柱的分离作用，在指定时间内，各成分气体以设定流速按顺序流出，由数据分析系统分析计算检测器数据波形面积，得出各气体成分含量；
[0023]光声光谱分析法，利用不同的气室和检测器测量混合气体中各组分的含量，主要由红外光源、试样室、滤波器、滤光片、检测器、放大器及数据显示装置组成，其原理是将特征气体的热能或红外辐射转化成声压信号，再通过微声检测器将声信号转换为电信号再经放大处理，输入数据显示装置完成检测；
[0024]根据变压器的实际运用情况，因测试时间要求相对于空间要求较低，且光声光谱法各方面均优于气相色谱法，选择了光声光谱法，气路设计上采用电磁阀、真空泵、气室、MEMS电调制光源等实现自动采样进样分析。
[0025]根据上述技术方案，所述气体分析模块在对脱离气体进行分析时，主要采用对比实验研究，定量分析，将采用对比实验，通过收集一定时间段内的所有测试数据，对数据进行分析比较研究。
[0026]根据上述技术方案，所述数据传输模块是指结合计算机技术和通讯技术，将分析得到结果信息采用有线和无线的方式传送到控制终端。
[0027本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MEMS技术的光声光谱绝缘油溶解气体探测系统，其特征在于：包括样品油取样模块、光源光声池选择模块、双级吸收增强模块、气体脱离模块、气体分析模块和数据传输模块；探测系统通过调制的单色光源照射到密封于光声池中的样品上，样品吸收光能，并以释放热能的方式退激发，释放的热能使样品和周围介质按光的调制频率产生周期性加热，从而导致介质产生周期性压力波动，再通过灵敏度极高的光声光谱探测器对该压力波动进行检测，并通过放大得到光声信号；由于每种红外活性的化合物都有其特有的红外吸收光谱，改变单色光波长则可检测到随波长变化的光声信号，从而实现对其进行定量分析。2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS技术的光声光谱绝缘油溶解气体探测系统，其特征在于：所述样品油取样模块主要获取需要探测的变压器油箱内的样品油，而样品油的获取需要考虑多方面的因素：监测系统安装位置、油箱密封性、样品油取样量和取样时间，在充分考虑上述因素并结合现场调研后，选取变压器在线监测口进行取样，且不同类型的变压器，取样口位置也会有所不同；样品油在探测分析完成后，样品油的处理方式为重新回入到变压器的油箱中。3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS技术的光声光谱绝缘油溶解气体探测系统，其特征在于：所述光源光声池选择模块，在选择光源时，用点调制的MEMS红外光源来代替传统的机械斩波器调光方式，MEMS红外光源主要是基于微机电系统制造工艺的红外光源器件；在选择光声池时，主要采用管状镀金光声气室，使检测器与气体隔离，减少油气对检测器的污染，避免流动相的噪声干扰。4.根据权利要求3所述的一种基于MEMS技术的光声光谱绝缘油溶解气体探测系统，其特征在于：所述光源光声池选择模块在选择MEMS红外光源时，通过采用SR5000光谱辐射计对MEMS红外光源进行辐射光谱分布特性测试，用来明确MEMS红外光源的辐射光谱分布特性和温度特性。5.根据权利要求1所述的一种基于MEMS技术的光声光谱绝缘油溶解气体探测系统，其特征在于：所述双级吸收...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱映彬，王淳，
申请(专利权)人：南京客莱沃智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：