【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 。光聲檢測(cè)單元前置放大器油氣分離變壓器油閥門油氣分離裝置氣路單元光聲池鎖相放大器激光源斬波器A/D轉(zhuǎn)換單元DSP數(shù)據(jù)發(fā)送微音器現(xiàn)場(chǎng)控制單元站方工作站LONWORKS 圖3，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖油氣分離單元主要實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器油中溶解氣體的采樣功能。采用最新的真空定量脫氣方法進(jìn)行脫氣，其脫氣率高達(dá)98%，脫氣時(shí)間短，只要5分鐘，解決了以往油氣分離裝置脫氣時(shí)間長(zhǎng)，可重復(fù)性差的缺點(diǎn)。氣路控制單元，把油氣分離后的樣氣，取定量的樣氣均勻地送到光聲檢測(cè)系統(tǒng)的光聲池。光聲檢測(cè)單元檢測(cè)原理是,當(dāng)把樣氣送入氣體池后，關(guān)閉氣體池閥門，激光源產(chǎn)生連續(xù)激光，通過斬波器調(diào)制成一定頻率的脈沖光，光輻射到氣體池，氣體通過吸收光脈沖，產(chǎn)生聲波，通過高靈敏度微音器檢測(cè)其強(qiáng)度，然后信號(hào)通過前置放大、鎖相放大后，用高精度AD和高速DSP采集其數(shù)據(jù)，并儲(chǔ)存。光聲檢測(cè)系統(tǒng)由光源、調(diào)制器、光聲池、微音器（聲傳感器）、前置放大、鎖相放大、數(shù)據(jù)采集等單元組成。光源，由于大部分氣體分子的特征譜線出現(xiàn)在近中紅外波段，因此在這個(gè)波段的可調(diào)輻射源就比較適用于氣體探測(cè)器，按工作方式，光輻射源可分為脈沖和連續(xù)輻射兩類，為了使連續(xù)輻射的光束變成強(qiáng)度時(shí)變的光束，通常還需要各種相應(yīng)的調(diào)制技術(shù)，如果按輻射本身的特性來分，輻射光源又可分為非相干光源和相干的激光光源兩類。激光光源的單色性好，光譜功率密度大，用于光聲光譜分析具有靈敏度高，分辨率好等特點(diǎn)，缺點(diǎn)是目前可用于光聲光譜分析的近中紅外激光器的種類有限，單一激光器的波長(zhǎng)覆蓋范圍窄，并且價(jià)格昂貴。非相干光源主要是指紅外熱輻射光源，近年隨著熱光源材料和光源制作工藝的發(fā)展，寬帶、高光譜功率密度的紅外光源也在光聲光譜分析中得到應(yīng)用，特點(diǎn)是光譜覆蓋范圍寬，結(jié)合窄帶紅外濾光片，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體成分的測(cè)量和分析。本項(xiàng)目將根據(jù)檢測(cè)氣體種類和檢測(cè)靈敏度要求，通過實(shí)驗(yàn)比較，選擇適當(dāng)?shù)墓庠础? 調(diào)制技術(shù)，內(nèi)調(diào)制脈沖光源不需要外加調(diào)制器即可直接使用。使用連續(xù)譜光源時(shí)，則需要進(jìn)行光束調(diào)制。光調(diào)制技術(shù)有振幅調(diào)制和頻率調(diào)制。振幅調(diào)制較為常用，調(diào)制方法有機(jī)械斬波器、聲—光調(diào)制和電—光調(diào)制器。本項(xiàng)目擬根據(jù)光源的選擇、光聲池的設(shè)計(jì)和光聲信號(hào)的檢測(cè)方式，對(duì)內(nèi)調(diào)制、外部機(jī)械調(diào)制和頻率調(diào)制方式進(jìn)行研究比較。光聲池，光聲池有諧振式和非諧振式兩種，諧振式的光聲池可以利用自身的特殊結(jié)構(gòu)，對(duì)噪音信號(hào)進(jìn)行抑制，另外也可以避免因池壁和池窗等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生光聲光譜信號(hào)；其缺點(diǎn)是：諧振腔需要閉環(huán)電路控制調(diào)制頻率來保持探測(cè)器的校正，這使得系統(tǒng)復(fù)雜程度提高，穩(wěn)定諧振頻率的溫度穩(wěn)定系統(tǒng)也使得諧振池體積和重量大大增加。非諧振式的光聲池，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積可以做得很小，但噪聲抑制能力差，不能連續(xù)流動(dòng)式采樣。因而需要綜合考慮油中溶解氣光聲測(cè)量系統(tǒng)的技術(shù)要求和測(cè)量環(huán)境等多方面的因素優(yōu)化設(shè)計(jì)光聲池。微音器，微音器作為光聲撿測(cè)中的能量轉(zhuǎn)換元件，應(yīng)能準(zhǔn)確地反映光聲池內(nèi)聲壓的微小變化。目前光聲測(cè)量所用的微音器主要有電容式和駐極體式兩種。這類微音器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，便于安裝和組成陣列使用。近年來出現(xiàn)的光纖聲波傳感器具有高于電子式微音器一至兩個(gè)數(shù)量級(jí)的靈敏度和信噪比，并且不受電磁場(chǎng)干擾，是一種極有應(yīng)用前景的微聲波傳感器件。本項(xiàng)目將在采用高靈敏度低噪聲電子式微音器的基礎(chǔ)上，研制光纖式聲波傳感器，并應(yīng)用于油中溶解氣光聲檢測(cè)系統(tǒng)。多種氣體分析的物理數(shù)學(xué)模型和在線快速計(jì)算方法也是本項(xiàng)目的重要研究?jī)?nèi)容，油氣分析通常需要對(duì)甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳、氫氣和微水等多種氣體成分進(jìn)行測(cè)量和分析，研究各種氣體的紅外光譜吸收特征和其它物理特征，結(jié)合光源和濾光片的工作特性，對(duì)這些氣體進(jìn)行高分辨的光譜識(shí)別和定量濃度計(jì)算。通過理論和實(shí)驗(yàn)上對(duì)各種氣體的紅外光譜特性研究，建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，研制能夠快速在線計(jì)算分析的計(jì)算機(jī)軟件程序。光聲光譜在線現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究還包括現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)控制單元，該單元實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能?，F(xiàn)場(chǎng)的控制包括油氣分離裝置的樣氣采集控制、氣路控制系統(tǒng)的控制、光聲測(cè)量系統(tǒng)的氣體濃度測(cè)量控制、數(shù)據(jù)通信等。目前，變壓器油中氣體含量的診斷根據(jù)《GB/T 72522001 變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則》和《GB/T 17623 –1998 絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測(cè)定法》。電氣設(shè)備檢修人員在進(jìn)行變壓器檢修時(shí)采用傳統(tǒng)的氣相色譜儀進(jìn)行檢測(cè)、分析、判斷，而在線監(jiān)測(cè)的色譜系統(tǒng)僅作為一個(gè)輔助判斷的依據(jù)。由于離線和在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)原理的不同，導(dǎo)致離線的設(shè)備檢測(cè)的數(shù)據(jù)與在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)往往不符。在線監(jiān)測(cè)設(shè)備本身沒有自己的分析和判斷導(dǎo)則，在對(duì)變壓器油中的氣體組分含量分析、判斷是根據(jù)離線設(shè)備的判斷導(dǎo)則。國(guó)內(nèi)在變壓器離線式的色譜分析和在線式的分析均做過相關(guān)的研究，本項(xiàng)目將離線式的色譜分析和在線式的分析進(jìn)行對(duì)比性研究。其內(nèi)容包括：1）收集國(guó)內(nèi)外電力變壓器非故障狀態(tài)下和故障狀態(tài)下的離線式的色譜分析數(shù)據(jù)和在線式的色譜分析數(shù)據(jù)；2）將本系統(tǒng)與離線的氣相色譜議數(shù)據(jù)的分析進(jìn)行對(duì)比。3）將本系統(tǒng)與其它在線式的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。見下文關(guān)鍵技術(shù). 技術(shù)關(guān)鍵 光聲光譜法實(shí)現(xiàn)變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)的技術(shù)關(guān)鍵在于研制光聲光譜檢測(cè)單元、研制油氣分離單元和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。（1）光聲檢測(cè)單元的技術(shù)關(guān)鍵包括：高靈敏度、低噪聲聲波傳感技術(shù)；寬帶可調(diào)諧近中紅外大功率激光光源/寬帶高光譜功率密度的紅外熱輻射光源研究；高靈敏度、低噪聲、小容積光聲池設(shè)計(jì)；光聲信號(hào)相關(guān)檢測(cè)技術(shù)及基于DSP的信號(hào)采集和實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)；多種氣體分析物理數(shù)學(xué)模型及快速在線計(jì)算方法；微量乙炔和氫氣的檢測(cè)；（2）故障氣體吸收光譜及選擇 變壓器油中溶解氣體的內(nèi)的氣體有乙炔,乙烯,甲烷,乙烷,一氧化碳,二氧化碳和水。每一種氣體分子均有其吸收峰值，不同的氣體的吸收峰值不同，但也有在某些區(qū)域有重疊吸收峰值，導(dǎo)致用該波段的光分析氣體時(shí)會(huì)發(fā)生氣體間的交叉影響。選取吸收峰值應(yīng)盡量避免有重疊的吸收峰值，峰峰值盡量大。盡量與水也分開，避免造成交叉影響。 既要選擇吸收峰值大，又要求沒有交叉影響，選擇出這六種氣體的吸收峰值如下表所示。表1選取后的各種氣體的吸收峰值氣體組分分子量特征波數(shù)/（cm1）特征波長(zhǎng)/交叉影響甲烷161254水乙烷30861水乙烯281061水乙炔26783水一氧化碳282150水二氧化碳44668水由表1 可見,C2H6 ,C2H4 ,C2H2 ,CO 和CO2 在表中所列的特征波數(shù)處都有較強(qiáng)的吸收峰,而且各氣體間不存在交叉干擾,也不會(huì)受到變壓器油中H2O 的影響。CH4 在1254 cm1 處雖然能避開其它氣體的特征頻譜,但是處在H2O 的吸收譜帶中,會(huì)受到H2O 的影響。（3）研制油氣分離單元 在同類的油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)裝置中，使用過的油氣分離方法有全自動(dòng)真空進(jìn)樣、鼓泡法、振蕩脫氣、動(dòng)態(tài)頂空脫氣和膜分離等方法，這些方法各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，使得油氣分離系統(tǒng)工作效益低，性能不夠穩(wěn)定。降低了整個(gè)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能，需要研制高效益的油氣分離單元。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理是：使用定量管取一定量的變壓器油，把油抽取到真空管內(nèi)，其真空管內(nèi)裝有攪拌葉片和溫度傳感器等，然后把真空管抽真空，通過外部給真空管加熱到一定的溫度，再使用攪拌葉片攪拌，最后把真空管內(nèi)的上方的氣體使用抽取出來，萃取出98％的油中氣體。該技術(shù)關(guān)鍵在于對(duì)取油定量管、真空管的設(shè)計(jì)，攪拌泵的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和整個(gè)脫氣裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。（4）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題這是一個(gè)帶有共性的問題，在傳感器技術(shù)領(lǐng)域，我國(guó)的技術(shù)水平在單個(gè)技術(shù)方面并不比國(guó)外的技術(shù)落后，個(gè)別指標(biāo)甚至還超過了國(guó)外的類似產(chǎn)品，但在穩(wěn)定性、可靠性方面卻落后甚多，究其原因，除了相關(guān)支撐技術(shù)欠缺以外，研發(fā)人員，乃至主管部門在觀念上對(duì)可靠性指標(biāo)沒有給予足夠的重視也是一個(gè)重要的原因，另一個(gè)重要的原因是解決可靠性、穩(wěn)定性問題需要花費(fèi)的巨大精力和財(cái)力。對(duì)于基于光聲光譜