CN104062265A - 基于光谱分析的变压器油中多组分气体检测装置及方法 - Google Patents
基于光谱分析的变压器油中多组分气体检测装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及涉及一种基于光谱分析的变压器油中多组分气体检测装置及方法，包括波长可调光源、调制电路、气室、光电探测器、信号采集处理电路及计算机，采用时分复用思想，控制光源在不同时间段内输出中心波长不同的窄线宽光，每个波长对应一种待检测气体的特定吸收谱峰，通过分析对应气体的光谱吸收获得其浓度值。本发明通过结构简单、成本低廉的基于光谱分析的变压器油中多组分气体检测装置，采用时分复用思想，实现变压器油中多组分气体的快速可靠检测。解决了不同气体光谱信号交叠造成的检测困难问题，实现多种气体的同步检测，测量灵敏度高，响应速度快，结构紧凑简单，系统成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及一种多组分气体的检测装置及方法，具体涉及一种基于光谱分析的变压器油中多组分气体检测装置及方法。
背景技术
油中溶解气体分析是判断油浸式电力变压器早期潜伏性故障最方便、最有效的方法之一，在变压器运行状态的在线评估及剩余寿命的预测领域具有良好的应用前景。快速、准确地对油中溶解气体的成分和含量进行分析是该方法的前提和关键。目前，常用的油中气体分析技术有气相色谱法和电化学传感器法。但在长期使用中，这些方法的诸多不足逐渐暴露出来，例如取样复杂、检测过程中会消耗样气和载气、分析时间长等。
随着光学器件的发展, 光谱分析法在油中气体分析逐步得到应用。光谱分析法的工作原理基于吸光度定律（朗伯一比尔定律），其测量范围宽, 灵敏度和精度都较高, 响应速度快,可以实现多组分气体的连续分析和自动控制。该方法中目前应用最多的是傅里叶红外光谱和光声光谱技术，其中傅里叶红外光谱技术难以避免气体间的交叉吸收干扰，在检测灵敏度和可靠性上存在不足，而光声光谱技术尽管在灵敏度和稳定性上更占优势，但其系统构成复杂，成本较高，在实际应用中受到一定限制。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种操作方便，快速可靠的基于光谱分析的变压器油中多组分气体检测装置及方法。
为解决上述问题，本发明采取的技术方案是：基于光谱分析的变压器油中多组分气体检测装置，包括波长可调光源、气室、光电探测器、信号采集处理电路及计算机，气室用于存放含有多种气体的变压器油，计算机用于根据经待测气体吸收后的光信息计算待测气体的浓度；波长可调光源通过输入光纤与气室连接，气室通过输出光纤与光电探测器连接，光电探测器经信号采集处理电路与计算机连接。
波长可调光源还设有调制电路，调制电路用于对光源进行频率调制和强度调制。调制电路输出高频正弦调制信号，对光源进行频率调制和强度调制。
所述的波长可调光源为可调谐激光器，通过嵌入计算机内的控制软件实现波长调节和线宽控制。控制光源在不同时间段内输出中心波长不同的光。
为了实现光源在不同时间段内输出中心波长不同的光，所述的波长可调光源包括发光二极管和可调谐滤波片。
为了实现光源在不同时间段内输出中心波长不同的光，所述的波长可调光源光源包括宽谱红外光源和可调谐滤波片。
优选的，信号采集处理电路采用锁相放大器。
所述的光电探测器为光电倍增管或雪崩二极管或光电二极管。
所述的气室是透射式气室或反射式气室。
应用上述装置进行基于光谱分析的变压器油中多组分气体检测方法，
本方法采用时分复用思想，控制波长可调光源在不同时间段内输出中心波长不同的窄线宽光，每个波长对应一种待检测气体的特定吸收谱峰，通过分析对应气体的光谱吸收获得其浓度值，包括如下步骤：
1）根据待检测气体的特征吸收谱峰控制波长可调光源输出与其相对应波长的窄线宽光；
2）光经输入光纤传输进气室中，气室中吸收谱峰与该波长相对应的气体发生光谱吸收，引起光强变化；
3）经光谱吸收后的光输出气室，经输出光纤输送到光电探测器进行光电转换；
4）光电转换后的信号进入信号采集处理电路采集有效信号，输入计算机，根据气体吸收后的剩余光功率或相应阶次谐波强度与气体浓度的对应关系，获得该气体浓度。
变压器油中溶解气体一般包括甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳和水汽。测得一种气体浓度后，改变光源输出波长，使之对应另一种待检测气体的特征吸收谱峰，重复上述步骤，直至完成所有气体检测。
光源输出窄线宽光的线宽需小于等于10MHz。气体的特征吸收峰有一定线宽，光源输出窄线宽光的线宽小于等于10MHz保证光的线宽远小于气体的吸收峰线宽，从而使光被特定气体所吸收，准确判断该种气体的浓度。
本发明通过结构简单、成本低廉的基于光谱分析的变压器油中多组分气体检测装置，采用时分复用思想，实现变压器油中多组分气体的快速可靠检测。解决了不同气体光谱信号交叠造成的检测困难问题，实现多种气体的同步检测，测量灵敏度高，响应速度快，结构紧凑简单，系统成本低廉。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构图；
图2为本发明实施例1的流程图；
其中，1、调制电路，2、激光器，3、输入光纤，4、气室，5、输出光纤，6、光电探测器，7、锁相放大器，8、计算机。
具体实施方式
基于光谱分析的变压器油中多组分气体检测装置，包括波长可调光源、气室4、光电探测器6、信号采集处理电路及计算机8，气室4用于存放含有多种气体的变压器油，计算机8用于根据经待测气体吸收后的光信息计算待测气体的浓度；波长可调光源通过输入光纤3与气室4连接，气室4通过输出光纤5与光电探测器6连接，光电探测器6经信号采集处理电路与计算机8连接。波长可调光源还设有调制电路1，调制电路1用于对光源进行频率调制和强度调制。所述的波长可调光源为可调谐激光器2，通过嵌入计算机8内的控制软件实现波长调节和线宽控制或所述的波长可调光源包括发光二极管和可调谐滤波片或所述的光源包括宽谱红外光源和可调谐滤波片。所述的信号采集处理电路采用锁相放大器7。 所述的光电探测器6为光电倍增管或雪崩二极管或光电二极管。所述的气室4是透射式气室或反射式气室。
应用上述装置进行基于光谱分析的变压器油中多组分气体检测方法，本方法采用时分复用思想，控制光源在不同时间段内输出中心波长不同的窄线宽光，每个波长对应一种待检测气体的特定吸收谱峰，通过分析对应气体的光谱吸收获得其浓度值，包括如下步骤：
1)根据待检测气体的特征吸收谱峰控制波长可调光源输出与其相对应波长的窄线宽光,光源输出窄线宽光的线宽需小于等于10MHz;
2)光经输入光纤3传输进气室4中，气室4中吸收谱峰与该波长相对应的气体发生光谱吸收，引起光强变化；
3)经光谱吸收后的光输出气室4，经输出光纤5输送到光电探测器6进行光电转换；
4)光电转换后的信号进入信号采集处理电路采集有效信号，输入计算机，根据气体吸收后的剩余光功率或相应阶次谐波强度与气体浓度的对应关系,分析获得该气体浓度。
变压器油中溶解气体一般包括甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳和水汽。测得一种气体浓度后，改变光源输出波长，使之对应另一种待检测气体的特征吸收谱峰，重复上述步骤，直至完成所有气体检测。
实施例1
为方便说明，又不失一般性，本实施例以乙炔、一氧化碳、二氧化碳的分析为例来阐述多组分气体检测方法：
（1）计算机8控制激光器2输出中心波长为1.53μm的窄线宽光，对应乙炔的吸收谱峰，同时调制电路1输出高频正弦调制信号，对激光器2进行频率调制和强度调制；此处光源选用Photline ModBox-TTX激光器2，波长范围可覆盖乙炔、一氧化碳、二氧化碳在石英光纤低损耗窗口内的吸收峰值（乙炔1.53μm，一氧化碳1.567μm，二氧化碳1.573μm）。输出线宽仅为100kHz，远小于气体吸收线宽（一般在GHz量级）。激光器2配有PC端控制软件，通过软件实现波长调节，该软件可与PC机上的系统数据处理软件进行接口通信，从而在数据处理软件中控制输出波长；同时保持窄线宽输出。
（2）利用输入光纤3将光传入透射型气室；若气室中存在乙炔，气室中的乙炔会在1.53μm处发生光谱吸收，引起光强变化；
（3）利用输出光纤5将光由气室送到InGaAs PIN二极管完成光电转换；此处光电探测器6采用InGaAs PIN二极管。
（4）光电转换信号经锁相放大器7送入计算机8，将检测出的一次谐波幅度及二次谐波幅度送入计算机8，计算机8进行除法处理后获得乙炔的浓度信息，此处的信号采集处理电路选用锁相放大器。
计算机控制激光器中心波长为1.567μm，对应一氧化碳的吸谱峰，重复步骤1~4，获得一氧化碳浓度；计算机控制激光器中心波长为1.573μm，对应一氧化碳的吸收谱峰，重复步骤1~4，获得二氧化碳浓度。
计算机根据气体吸收后的剩余光功率或相应阶次谐波强度与气体浓度的对应关系获得该气体浓度为现有技术在此不再赘述。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，凡是对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.基于光谱分析的变压器油中多组分气体检测装置，其特征在于：包括波长可调光源、气室（4）、光电探测器（6）、信号采集处理电路及计算机（8），气室（4）用于存放含有多种气体的变压器油，计算机（8）用于根据经待测气体吸收后的光信息计算待测气体的浓度；波长可调光源通过输入光纤（3）与气室（4）连接，气室（4）通过输出光纤（5）与光电探测器（6）连接，光电探测器（6）经信号采集处理电路与计算机（8）连接。
2.根据权利要求1所述的基于光谱分析的变压器油中多组分气体检测装置，其特征在于：波长可调光源还设有调制电路（1），调制电路（1）用于对波长可调光源进行频率调制和强度调制。
3.根据权利要求2所述的基于光谱分析的变压器油中多组分气体检测装置，其特征在于：所述的波长可调光源为可调谐激光器（2），通过嵌入计算机（8）内的控制软件实现波长调节和线宽控制。
4.根据权利要求2所述的基于光谱分析的变压器油中多组分气体检测装置，其特征在于：所述的波长可调光源包括发光二极管，波长和线宽调节通过可调谐滤光片实现。
5.根据权利要求2所述的基于光谱分析的变压器油中多组分气体检测装置，其特征在于：所述的波长可调光源包括宽谱红外光源，波长和线宽调节通过可调谐滤光片实现。
6.根据权利要求3或4或5所述的基于光谱分析的变压器油中多组分气体检测装置，其特征在于：所述的信号采集处理电路采用锁相放大器（7）。
7.根据权利要求6所述的基于光谱分析的变压器油中多组分气体检测装置，其特征在于：所述的光电探测器（6）为光电倍增管或雪崩二极管或光电二极管。
8.根据权利要求7所述的基于光谱分析的变压器油中多组分气体检测装置，其特征在于：所述的气室（4）是透射式气室或反射式气室。
9.应用上述装置进行基于光谱分析的变压器油中多组分气体检测方法，其特征在于包括如下步骤：
1）根据待检测气体的特征吸收谱峰控制波长可调光源输出与其相对应波长的窄线宽光；
2）光经输入（3）光纤传输进气室（4）中，气室（4）中吸收谱峰与该波长相对应的气体发生光谱吸收，引起光强变化；
3）经光谱吸收后的光输出气室（4），经输出光纤（5）输送到光电探测器（6）进行光电转换；
4）光电转换后的信号进入信号采集处理电路采集有效信号，输入计算机（8），分析获得该气体浓度。
10.根据权利要求9所述的基于光谱分析的变压器油中多组分气体检测方法，其特征在于：光源输出窄线宽光的线宽需小于等于10MHz。
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