CN104198394B - 一种插拔式滤光片盘结构的光声光谱检测装置 - Google Patents

Abstract

一种采用插拔式滤光片盘的光声光谱检测装置，其特征在于，光声光谱检测装置的滤光片盘为可替换式，即滤光片盘为插拔式滤光片盘结构。所述每个插拔式滤光片盘(5)包括滤光片安装盘、滤光片、转轴及固定滤光片安装盘的固定仓。所述固定仓两侧开有卡槽，该卡槽与插拔式滤光片盘固定销相配合；所述的滤光片安装盘绕中心对称开有滤光片安装孔，安装有滤光片。滤光片安装盘由插拔式滤光片盘驱动器带动绕轴旋转。所述的滤光片盘驱动器包括驱动电机和连接器；所述的光声光谱检测装置配有多个插拔式滤光片盘，针对不同的被检测气体安装不同的插拔式滤光片盘。

Description

一种插拔式滤光片盘结构的光声光谱检测装置

技术领域

本发明涉及一种气体检测装置，特别涉及一种能够滤光片盘可调换结构的光声光谱检测装置。

背景技术

气体检测技术在工业化生产及日常生活中有着极其广泛的应用，诸如油气管道的泄漏检测、电力***中的变压器油中溶解气体检测、化工企业的排放废气检测以及空气中的痕量污染气体检测、人体疾病与医疗诊断方面的呼出气体检测等。

如在电力行业中，积极应用在线监测技术，开展状态维修，加强设备的常规测试和综合分析，及时消除了一些设备隐患是发展的大趋势。电气设备故障，如电力变压器故障，SF6、氟碳混合气体等气体绝缘电气设备故障等一直是危害电网安全稳定运行的重要因素，因此，对这些电气设备的运行状态进行检测尤为重要。

对于充油式电力变压器，需要检测的特征气体有CH4，C2H4，H2，CO，CO2，C2H2，C2H6等。目前对该类气体的检测方法较多；如专利200910046340.7提到一种采用光声光谱技术的在线监测电力变压器的***，该光声光谱检测仪器采用可调谐级联二极管激光器作为光源。

对于以六氟化硫气体(SF6)为绝缘和灭弧介质的电气设备，如GIS(气体绝缘开关设备，Gas-Insulated Switchgear)、断路器、变压器、开关柜等，目前检测的特征气体有SO2F2、SOF2、SF4、SF2、H2S、SOF4等；专利CN2747583Y“六氟化硫电气设备故障检测仪的检测机构”通过一个四通接头连接压力传感器、SO₂电化学气体传感器和H₂S电化学气体传感器，检测SO₂和H₂S的含量并对设备内部故障进行诊断。但是该专利只能检测SO₂和H₂S气体，检测多种气体组分时会受到传感器的限制。类似的还有专利CN101464671A“一种六氟化硫气体及其分解物监测监控的装置及方法”。专利CN101644670A“六氟化硫气体放电微量组分的红外检测装置及方法”利用傅立叶红外光谱的方法对GIS在局部放电下的SF6分解气体进行检测。还有，专利CN10151496A“基于光声光谱技术的SF6检测***”，专利CN101982759A“局放下六氟化硫分解组分的红外光声光谱检测装置及方法”，专利CN102661918A“非共振光声光谱检测分析装置”，但都是针对SF6分解气体的某一或者某几个组分设计的装置，对于其他绝缘介质的检测无能为力。

此外，在电气设备中还有一类气体，即SF6气体的替代气体，如专利CN200610160462.5提到采用N2、O2、干燥空气、CO2、CF4、c-C4F8、C2F6、C3F8或CF3I之中的任一种单体气体、或将这气体中的任意2种及以上的气体混合而成的混合气体，作为绝缘气体用于气体绝缘电气设备。一些人已经在进行应用尝试。针对新型绝缘气体的基于故障分解物的诊断、检测技术和方法还很少。专利CN201110160224.5提出通过检测电气设备中CF4、C2F6、C2F4、C3F8及C3F6气体含量，来判断c-C4F8及其与N2、CF4等气体混合气体绝缘电气设备内部的故障情况，但没有提及各气体组分的检测方法。

此外还有厂矿企业、大气环境、人体呼出气体等场合的气体检测也有越来越多的需求。

对于上述气体的检测分析目前已有一些技术，如半导体传感器法，红外光谱法，气相色谱法，光声光谱法等，其中只有红外光谱法、气相色谱法具有较强的通用性，但红外光谱法检测精度低，而气相色谱法监测过程需要载气，增加了维护量。

光声光谱法是一种新型的高精度气体浓度检测方法，但针对特定的气体需要安装特定的滤光片，如要建立一个能同时检测多种气体如油中溶解气体、SF6故障分解气体、氟碳混合气体故障分解气体、人体呼出气体等的设备，则需要安装约三十多块甚至更多的滤光片，如采用目前已有光声光谱中滤光片的安装结构，则由于体积限制无法实现。同时，现有的光声光谱检测装置滤光片盘都固定安装在监测装置中，滤光片的波长固定，只能监测某几种固定的气体。如图1所示为一滤光片盘为圆形结构，绕中心的转轴对称开有8个滤光片安装孔。该结构下如要在滤光片盘上装更多的滤光片，则需要增大滤光片盘直径，造成滤光片盘尺寸太大，导致检测设备体积大，同时大的滤光片盘导致驱动滤光片盘稳定旋转也较困难。

图1为传统光声光谱检测装置滤光盘结构示意图。如图1所示，滤光片盘为圆形结构，绕中心的转轴对称开有8个滤光片安装孔。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种插拔式滤光片盘结构的光声光谱检测装置。本发明体积小、成本低，可靠性高，适用于各种电气设备故障分解气体的检测。

光声光谱技术基于光声效应。光声效应由气体分子吸收电磁波而产生，气体分子吸收特定波长的电磁波后至激发态，随即以释放热能的方式退激，释放出的热能在气体中产生压力波，压力波的强度与气体分子的浓度成比例，通过检测吸收不同波长而产生的压力波的强度，可得到不同气体组分的浓度。

本发明的气体光声光谱检测装置主要包括：光声光谱检测装置箱体、光源、机械斩光器、斩光器控制器、插拔式滤光片盘、插拔式滤光片盘驱动器、插拔式滤光片盘固定销、光声池、循环气泵、电磁阀、出光口抛物面反光镜、高灵敏度传声器、锁相放大器，以及嵌入式主机。所述光源固定在光声光谱检测装置的箱体上，光源的中心线与光声池的中心线对应；所述的光声池的制作材料为铝合金、铝、黄铜或不锈钢。所述光声池包括进气口、出气口、入光口、出光口、传声器安装口。光声腔的直径Φ为3～100mm、长度L为20～500mm，且满足直径Φ小于长度L。光声池的轴向两端开有圆形通孔，分别为入光口和出光口。所述入光口安装有高透光率的玻璃窗；所述出光口安装有出光口抛物面反光镜。垂直于光声池轴向的光声池侧壁上分别开有进气口和出气口。所述进气口和出气口位于光声池同一侧，且沿光声池轴线方向分布。所述进气口在入光口一侧，所述出气口在出光口一侧。同时在光声池侧壁中部与中心线垂直的位置处开有传声器安装口，高灵敏度传声器安装在所述传声器安装口上。

所述光声池的进气口和出气口分别接气体管路，气体管路上装有电磁阀，电磁阀控制管路的通断。由循环气泵驱动被检测气体经管路从外部进气口进入，从外部的出气口返回。所述电磁阀分别安装在光声池的进气口一侧和出气口一侧，固定在检测装置箱体上。

每台检测装置可以配置多个插拔式滤光片盘。每个插拔式滤光片盘都包括滤光片安装盘、滤光片、转轴及固定滤光片安装盘的插拔式固定仓。所述的固定仓两侧开有卡槽，该卡槽与插拔式滤光片盘固定销相配合，使得插拔式滤光片盘可以***。插拔式滤光片盘固定销安装在光声光谱检测装置箱体上。

所述的滤光片安装盘通过转轴安装在固定仓里，滤光片安装盘可绕轴旋转。所述滤光片安装盘可以是圆盘形结构，滤光片安装盘的盘面围绕其中心开有一定数量的滤光片安装孔，安装孔上安装有滤光片。插拔式滤光片盘驱动器包括驱动电机、连接器和固定支架。连接器将插拔式滤光片盘的转轴与驱动电机的轴连接起来，驱动插拔式滤光片安装盘旋转。

所述的滤光片安装盘的结构也可以是齿轮状结构，即滤光片安装盘的外侧边缘开有齿槽，滤光片安装盘上围绕中心开有一定数量的滤光片安装孔，该安装孔上安装有滤光片。插拔式滤光片盘驱动器包含包括驱动电机，驱动齿轮和可调安装座。所述驱动齿轮与驱动电机共轴，由驱动电机带动驱动齿轮旋转。所述驱动电机固定在可调安装座上，驱动电机可上下移动；可调安装座安装在光声光谱检测装置箱体上。插拔式滤光片盘***后，所述的驱动齿轮工作时与滤光片安装盘外侧边缘的齿槽咬合，驱动滤光片安装盘绕轴旋转。

所述插拔式滤光片盘驱动器由嵌入式主机控制。

所述机械斩光器放置在光源的出口端，固定在光声光谱检测装置箱体上。插拔式滤光片盘固定销的位置在机械斩光器后，使得插拔式滤光片盘***后位于机械斩光器后。同时，光声池位于插拔式滤光片盘之后。

机械斩光器经由信号线缆与斩光器控制器连接。机械斩波器的斩光调制频率由斩光器控制器控制，并通过BNC信号线将斩光调制频率信号传输给锁相放大器。插拔式滤光片盘对调制过的红外光进行滤波，透射过滤光片的红外光经过光声池的入光***入，经出光***出，出光口抛物面反光镜把红外光反射回光声腔，并聚焦于光声腔的几何中心。在光声腔中产生的光声信号由安装在光声池侧壁上的高灵敏度传声器接收，并通过抗干扰信号线传输至锁相放大器处理，处理后再经过RS485/232电缆传输至嵌入式主机。

所述高灵敏度传声器的频率响应范围是0.1Hz～30kHz，灵敏度大于20mV/Pa。所述锁相放大器的频率范围为1mHz～102.4kHz，灵敏度为2nV～1V，增益精确度为±1％，动态存储>100dB，具有GPIB和RS232两种接口。斩光器控制器的输出端口与所述的锁相放大器通过BNC信号线相连，斩光器的调制频率作为参考频率由斩光器控制器的输出端口传送到锁相放大器，锁相放大器的输出信号经RS485/232传输到嵌入式主机处理得到分解气体种类、浓度等信息。

附图说明

图1传统光声光谱检测装置滤光片盘结构示意图；

图2本发明检测装置实施方式一的结构示意图；

图3a为本发明检测装置实施方式一的插拔式滤光片安装盘5的结构示意图；

图3b为本发明检测装置实施方式一的插拔式滤光片安装盘5的截面结构示意图；

图4本发明检测装置实施方式一的插拔式滤光片盘与插拔式滤光片盘驱动器的结合方式结构示意图；

图5本发明检测装置实施方式二示意图；

图6本发明检测装置实施方式二的插拔式滤光片盘5结构示意图；

图7本发明检测装置实施方式二的插拔式滤光片盘与插拔式滤光片盘驱动器的结合方式结构示意图；

图中：1光声光谱检测装置箱体、2光源、3机械斩光器、4斩光器控制器、5插拔式滤光片盘、6插拔式滤光片盘固定销、7光声池、8出光口抛物面反光镜、9高灵敏度传声器、10插拔式滤光片盘驱动器、11锁相放大器、12嵌入式主机、13循环气泵、14、15电磁阀。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图2所示，本发明检测装置的实施方式一主要包括光声光谱检测装置箱体1、光源2、机械斩光器3、斩光器控制器4、插拔式滤光片盘5、插拔式滤光片盘固定销6、光声池7、出光口抛物面反光镜8、高灵敏度传声器9、插拔式滤光片盘驱动器10、锁相放大器11、嵌入式主机12、循环气泵13，以及电磁阀14、15。

所述光源2固定在光声光谱检测装置箱体1上，用于斩光调制的机械斩光器3放置在光源2的出口端。插拔式滤光片盘5通过插拔式滤光片盘固定销6固定在机械斩光器3后。光声池7位于插拔式滤光片盘5之后固定在光声光谱检测装置箱体1上，且所述光声池7的中心线与光源2的中心线、插拔式滤光片盘5上滤光片安装孔的中心线对应。插拔式滤光片盘驱动器10固定在光声光谱检测装置1上，且与插拔式滤光片盘5的转轴配合，受嵌入式主机12控制驱动插拔式滤光片盘5旋转。

光源2发出的光经过机械斩光器3斩光后，连续的平行红外光被调制为具有特定调制频率的平行红外光。机械斩光器3执行的斩光调制频率由斩光器控制器4发出，通过信号线缆传输给机械斩光器3，并通过BNC信号线传输给锁相放大器11作为锁相放大器的参考频率。

工作时，透过插拔式滤光片盘5的平行红外光通过光声池7的入光口进入，沿光声池轴向穿过，通过光声池的出光***出，经过出光口抛物面反光镜8的反射回光声池7，并聚焦于光声池7的几何中心，光程倍增的红外光被分解气体吸收产生光声效应，产生的光声信号由安装在光声池7上的高灵敏度传声器9接收转化为电信号，经过抗干扰信号线进入锁相放大器12，进一步通过RS485/232电缆传输至嵌入式主机12，最终得到被检测的绝缘气体分解气体的组分信息，包括种类、含量等。

出光口抛物面反光镜8的形状尺寸与光声池7配合，抛物面焦点在对应光声腔70的几何中心处。

被测气体从图2所示的进气口进入，由循环气泵13驱动沿管路流动，经第一电磁阀14，从光声池7的进气口进入光声腔，再从光声池7的出气口流出，经第二电磁阀15流出。所述第一电磁阀14、第二电磁阀15由嵌入式主机14控制通断；所述循环气泵13由嵌入式主机12控制启停。所述第一电磁阀14、第二电磁阀15分别安装在光声池7进气口一侧和出气口一侧，固定在检测装置箱体1上。

图3a、3b为本发明的插拔式滤光片盘5的结构示意图；如图3所示，插拔式滤光片盘5主要包括固定仓51、转轴53、滤光片安装盘54和滤光片55。所述固定仓51为长方体空腔结构，一侧开孔；固定仓51的两侧开有固定仓卡槽52。所述滤光片安装盘54为圆盘状结构，通过转轴53安装在所述固定仓51里；滤光片55以转轴53为中心，对称布置在滤光片安装盘54上。

图4为本发明插拔式滤光片盘5与插拔式滤光片盘驱动器10的结合方式示意图。如图4所示，插拔式滤光片盘驱动器10包括驱动电机102、连接器101，固定支架103；插拔式滤光片盘5的转轴53通过连接器101与插拔式滤光片盘驱动器10的驱动电机102相连，驱动电机102通过固定支架固定在光声光谱检测装置箱体1上。

图5为本发明检测装置实施方式二的示意图。如图5所示，该实施方式与图2所示实施方式一的区别在于，插拔式滤光片盘5及插拔式滤光片盘驱动器10不同。插拔式滤光片盘5及插拔式滤光片盘驱动器10的结构分别如图6、7所示。

图6为本发明实施方式二的插拔式滤光片盘5结构示意图。如图6所示，插拔式滤光片盘5与图3所示的插拔式滤光片盘的区别在于，所述的滤光片安装盘54为齿轮式结构，即滤光片安装盘54的外边缘开有齿槽。

图7为本发明实施方式二的插拔式滤光片盘与插拔式滤光片盘驱动器的结合方式结构示意图。如图7所示，插拔式滤光片盘驱动器10包括驱动齿轮101、驱动电机102、驱动电机安装座103。插拔式滤光片盘5安装到位后，驱动齿轮101与插拔式滤光片盘5齿轮咬合，咬合部位104如图7所示。

Claims (4)

1.一种插拔式滤光片盘结构的光声光谱检测装置，其特征在于：所述的检测装置包括光声光谱检测装置箱体(1)、光源(2)、机械斩光器(3)、斩光器控制器(4)、插拔式滤光片盘(5)、插拔式滤光片盘固定销(6)、光声池(7)、出光口抛物面反光镜(8)、高灵敏度传声器(9)、插拔式滤光片盘驱动器(10)、锁相放大器(11)、嵌入式主机(12)、循环气泵(13)，以及电磁阀(14、15)；所述光源(2)安装在光声光谱检测装置箱体(1)上，光源(2)的中心线与光声池(7)的中心线对应；所述机械斩光器(3)放置在光源(2)的出口端，插拔式滤光片盘固定销(6)固定在光声光谱检测装置箱体(1)上且位于机械斩光器(3)后；所述插拔式滤光片盘(5)为可调换式，能够从光声光谱检测装置箱体(1)上取下，也能够通过卡槽与插拔式滤光片盘固定销(6)配合固定；光声池(7)位于插拔式滤光片盘(5)之后，且工作时光声池的中心线与插拔式滤光片盘(5)上的滤光片中心线重合；光声池(7)的轴向两端开有圆形通孔，分别为入光口和出光口；所述入光口安装有玻璃窗；光声池的出光口端安装有出光口抛物面反光镜(8)；垂直于光声腔轴向的光声池侧壁上开有进气口和出气口；所述进气口和出气口位于光声池的同一侧，且沿光声池轴线方向分布；所述进气口在入光口一侧，所述出气口在出光口一侧；在光声池侧壁对应光声腔的位置处开有传声器安装口，高灵敏度传声器(9)安装在所述传声器安装口上；所述光声池(7)的进气口和出气口分别接气体管路，气体管路上装有电磁阀(14、15)，所述电磁阀(14、15)分别安装在光声池(7)进气口一侧和出气口一侧，固定在检测装置箱体(1)上；由循环气泵(13)驱动被检测气体经管路从进气口进入，从出气口返回；所述的插拔式滤光片盘(5)由插拔式滤光片盘驱动器(10)驱动；插拔式滤光片盘驱动器(10)受嵌入式主机(12)控制；机械斩光器(3)经由信号线缆与斩光器控制器(4)连接，机械斩光器(3)的斩光调制频率由斩光器控制器(4)控制，并通过BNC信号线将斩光调制频率信号传输给锁相放大器(11)；在光声池(7)中产生的光声信号由安装在光声池侧壁上的高灵敏度传声器(9)接收，并通过抗干扰信号线传输至锁相放大器(11)处理，处理后再经过RS485/232电缆传输至嵌入式主机(12)。

2.按照权利要求1所述的光声光谱检测装置，其特征在于所述的插拔式滤光片盘(5)包括固定仓(51)、转轴(53)、滤光片安装盘(54)和滤光片(55)；所述固定仓(51)为长方体空腔结构，一侧开孔；固定仓(51)的两侧开有固定仓卡槽(52)；所述滤光片安装盘(54)为圆盘状结构，通过转轴(53)安装在所述固定仓(51)里；滤光片(55)以转轴(53)为中心，对称的布置在滤光片安装盘(54)上；所述的滤光片安装盘(54)由插拔式滤光片盘驱动器(10)驱动；所述插拔式滤光片盘驱动器(10)包括连接器(101)、驱动电机(102)以及固定支架(103)；插拔式滤光片盘(5)的转轴(53)通过连接器(101)与插拔式滤光片盘驱动器(10)连接。

3.按照权利要求1所述的光声光谱检测装置，其特征在于：所述的插拔式滤光片盘(5)包括固定仓(51)、转轴(53)、滤光片安装盘(54)和滤光片(55)；所述固定仓(51)为长方体空腔结构，一侧开孔；固定仓(51)的两侧开有固定仓卡槽(52)；所述滤光片安装盘(54)为齿轮状结构，即滤光片安装盘(54)的外侧边缘有齿槽，该齿槽与盒滤光片盘驱动器(10)中驱动齿轮(101)的齿槽相配合；所述滤光片安装盘(54)通过转轴(53)安装在所述固定仓(51)里；滤光片(55)以转轴(53)为中心，对称布置在滤光片安装盘(54)上；所述的插拔式滤光片盘驱动器(10)包括驱动齿轮(101)、驱动电机(102)和驱动电机安装座(103)，驱动齿轮(101)与驱动电机(102)的轴连接，驱动电机(102)安装在驱动电机安装座(103)上。

4.按照权利要求1所述的光声光谱检测装置，其特征在于：所述的光声池(7)的制作材料为铝合金或铝或黄铜或不锈钢。