CN212410421U - 一种具有抗噪功能的故障监控装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种具有抗噪功能的故障监控装置，应用于油浸式设备运行故障的在线监控中，其包括油路单元、脱气单元、气路单元、测量单元和控制单元；所述油路单元用于从油浸式设备中获取冷却油样品；所述脱气单元用于对所述冷却油样品进行脱气得到待测气体样品；所述气路单元用于将待测气体样品输入所述测量单元；所述测量单元包括光声池，所述光声池包括第一微音器、第二微音器和差分运算器，所述差分运算器用于将所述第一微音器的输出信号与所述第二微音器的输出信号作差得到所述光声池内的光声信号，所述测量单元根据所述光声信号确定待测气体样品中特征气体的浓度，进而确定油浸式设备的运行故障。

Description

一种具有抗噪功能的故障监控装置

技术领域

本申请涉及油浸式设备监控领域，尤其涉及一种具有抗噪功能的故障监控装置。

背景技术

油浸式设备是一种长时间浸入在保护油中并进行工作的设备，较为常见的油浸式设备有油浸式电力变压器。油浸式电力变压器指变压器浸入在油中，使用油保护变压器，但在油浸式变压器的使用过程中，由于发热放电等原因，会导致充油电器设备中的油纸绝缘材料老化和分解，产生多种低分子烃类和二氧化碳、一氧化碳等气体并溶于油中，因此，根据油中的气体种类和含量即可检测出油浸式电压变压器的故障和异常状态。现有对油中气体进行检测的方法主要为气相色谱法，气相色谱法是指对变压器进行人工巡检，并抽取油样集中到实验室使用气相色谱仪进行分析，该方法存在人力和时间成本高、测试元件对油蒸汽和湿度敏感、环境适应能力差、检测效率低和无法实现实时监测等问题。

所以，现有油浸式电力变压器的检测设备存在人力和时间成本高、环境适应能力差、检测效率低、无法实时监测气体浓度的技术问题，需要进行改进。

实用新型内容

本申请实施例提供一种具有抗噪功能的故障监控装置，用于解决现有的油浸式电力变压器的检测设备存在人力和时间成本高、环境适应能力差、检测效率低、无法实时监控油气状态的技术问题，可实现对油浸式设备运行故障进行实时、在线监控。

本申请提供一种具有抗噪功能的故障监控装置，其包括油路单元、脱气单元、气路单元、测量单元和控制单元；其中：

所述油路单元用于在所述控制单元向其发送的采样使能信号的驱使下，从油浸式设备中获取冷却油样品，并将所述冷却油样品输入所述脱气单元；

所述脱气单元用于在所述控制单元向其发送的脱气使能信号的驱使下，对所述冷却油样品进行脱气得到待测气体样品，并将所述待测气体样品输入所述气路单元；

所述气路单元用于在所述控制单元向其发送的测量使能信号的驱使下，将所述待测气体样品输入所述测量单元；

所述测量单元包括光声池，所述光声池包括第一微音器、第二微音器、以及连接所述第一微音器输出端和所述第二微音器输出端的差分运算器，所述差分运算器用于将所述第一微音器的输出信号与所述第二微音器的输出信号作差得到所述光声池内的光声信号，所述测量单元用于通过特征气体对应的窄带宽激光照射所述待测气体样品时产生的光声信号确定所述待测气体样品中特征气体的浓度；

所述控制单元还用于根据所述待测气体样品中的特征气体浓度确定所述油浸式设备的运行故障。

本申请的有益效果是：本申请提供的具有抗噪功能的故障监控装置包括与油浸式设备连接的油路单元、脱气单元、气路单元、测量单元和控制单元，通过各单元模块的联合作用，实现所述油浸式设备中产生的特征气体的实时、在线监控，从而及时、准确的确定所述油浸式设备的运行故障类型；此外，通过在测量单元的光声池中设置第一微音器、第二微音器和差分运算器，使所述第一微音器测量所述光声池内的光声信号和环境噪音，第二微音器仅测量所述光声池内的环境噪音，利用差分运算器将所述第一微音器的测量结果和所述第二微音器的测量结果作差，得到所述光声池内的光声信号，从而消除环境噪音对光声信号检测结果的影响，提升了测量单元对待测气体样品中特征气体浓度检测的准确性和灵敏性，有利于进一步提升具有抗噪功能的故障监控装置确定油浸式设备运行故障类型的准确性和及时性。

附图说明

为了更清楚地说明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的故障监控***的场景示意图；

图2是本申请实施例提供的具有抗噪功能的故障监控装置的结构原理图；

图3是本申请实施例提供的具有抗噪功能的故障监控装置的结构示意图；

图4是本申请实施例提供的测量单元的结构原理图；

图5为本申请实施例提供的测量单元的第一种结构示意图；

图6为本申请实施例提供的测量单元的第二种结构示意图；

图7是本申请实施例提供的光声池结构示意图；

图8是本申请实施例提供的第一声电转换模块和第二声电转换模块的电路原理图；

图9是本申请实施例提供的减法运算器的电路原理图；

图10是本申请实施例提供的信号处理器的结构原理图；

图11为本申请实施例提供的信号处理器中第一信号放大电路的电路原理图；

图12为本申请实施例提供的信号处理器中带通滤波电路的电路原理图；

图13为本申请实施例提供的信号处理器中第二信号放大电路的电路原理图；

图14为本申请实施例提供的信号处理器中A/D转换电路的电路原理图；

图15是本申请实施例提供的激光器温度控制模块的结构示意图；

图16是本申请实施例提供的温度控制模块中的调温电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1和图2，图1为本申请实施例提供的故障监控***的场景示意图，图2是本申请实施例提供的具有抗噪功能的故障监控装置的结构原理图。所述故障监控***可以包括油浸式设备11和具有抗噪功能的故障监控装置12，具有抗噪功能的故障监控装置12与油浸式设备11通过管道连接。其中，油浸式设备11包括油浸式变压器等，所述油浸式变压器包括变压器，以及对所述变压器进行冷却的油，所述油浸式变压器用于改变线路中的传输电压；具有抗噪功能的故障监控装置12包括油路单元121、脱气单元122、气路单元123、测量单元124和控制单元125等，用于对油浸式设备11的运行状态进行监控，以判断油浸式设备11的运行故障。

需要说明的是，图1所示的***场景示意图仅仅是一个示例，本申请实施例描述的服务器以及场景是为了更加清楚的说明本申请实施例的技术方案，并不构成对于本申请实施例提供的技术方案的限定，本领域普通技术人员可知，随着***的演变和新业务场景的出现，本申请实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。以下分别进行详细说明。需要说明的是，以下实施例的描述顺序不作为对实施例优选顺序的限定。

具有抗噪功能的故障监控装置12可实现对油浸式设备11的冷却油中的气体进行实时监测，以确定油浸式设备11中已经存在的故障类型，或将要发生的故障类型；对于确定为将要发生的故障类型，具有抗噪功能的故障监控装置12 还可以预估该故障类型发生的时间。

在具有抗噪功能的故障监控装置12中，油路单元121用于在控制单元125 向其发送的采样使能信号的驱使下，从油浸式设备11中获取冷却油样品，并将所述冷却油样品输入脱气单元122。可选地，连接油路单元121与油浸式设备 11的管道中设置有油阀和油泵，当控制单元125向油路单元121发送所述采样使能信号时，油路单元125与油浸式设备11之间的油阀打开，油泵从油浸式设备11中将冷却油样品抽取到油路单元121中，其中抽取的所述冷却油样品的体积根据需求设置，例如从油浸式设备11中抽取60毫升的冷却油样品。油路单元121将抽取的所述冷却油样品输入脱气单元122中，以进行下一阶段的脱气操作。

脱气单元122用于在控制单元125向其发送的脱气使能信号的驱使下，对所述冷却油样品进行脱气得到待测气体样品，并将所述待测气体样品输入气路单元123。可选地，脱气单元122可以采用顶空脱气的方式对冷却油样品进行脱气处理，或者采用脱气膜管对冷却油样品进行脱气处理。所述顶空脱气的方式指使冷却油样品进入油罐，将油罐上方的气体排出，避免油罐中的原有气体对待测气体样品产生影响，使得油罐内形成负压，然后采用对油罐底部加热、同时对冷却油进行搅拌的方式，使得冷却油中的待测气体样品分离出来。所述采用脱气膜管脱气的方式指先将脱气膜管中的气体抽出，避免脱气膜管中的原有气体对冷却油样品中的待测气体样品产生影响，且使得脱气膜管中形成负压，然后使冷却油样品进入到脱气膜管中，脱气膜管中设有聚四氟乙烯纳米分离膜，采用聚四氟乙烯纳米分离膜分离出冷却油样品中的待测气体样品。脱气单元 122还用于将得到的所述待测气体样品输入气路单元123，以进行下一步操作。

气路单元123用于在控制单元125向其发送的测量使能信号的驱使下，将所述待测气体样品输入测量单元124。可选地，气路单元123包括气阀和气泵，当控制单元125向气路单元123发送所述测量使能信号时，气路单元123中的气阀打开，气泵启动将气路单元123中的所述待检测气体样品输入测量单元124 中，以进行下一阶段的气体成分和含量的检测操作。

测量单元124用于在控制单元125向其发送的测量使能信号的驱使下对所述待检测气体样品的成分和含量进行检测。可选地，测量单元124包括光声光谱器件，所述光声光谱器件使用特征气体对应的窄带宽激光分别测量所述待测气体样品中各特征气体的浓度，所述特征气体包括氢气、一氧化碳、甲烷、乙炔、乙烯、二氧化碳、乙烷。其中光声光谱器件的工作原理是：利用具有特定频率的激光照射待检测气体样品，待检测气体样品中与所述特定频率的激光相对应的气体会吸收激光能量而处于激发态，然后以释放热能的方式退回基态，在释放热能的过程中会对周围介质以特定的频率进行周期性加热，从而产生周期性的压力波，之后通过微音拾音器等器件收集该压力波并形成数据曲线，数据曲线所围成的面积代表待测气体样品中与该特定频率的激光相对应的气体的含量，从而实现对待测气体样品进行定性定量分析。需要说明的是，所谓窄带宽激光是指激光频率的波动范围小、激光频率一致性好的激光光束；本申请实施例中采用窄带宽激光对特征气体的浓度进行检测，相较于普通带宽的激光，提高了对特征气体检测的灵敏度和准确度，有利于及时、准确的发现特征气体，确定或***油浸式设备的运行故障。

在一种实施例中，特征气体指从冷却油中分离出的导致油浸式设备出现故障的气体；不同种类的特征气体及不同种类特征气体的不同浓度，导致的油浸式设备的运行故障类型不同，且在不同种类的特征气体的浓度较低时，油浸式设备的运行故障不会发生，但可以通过对各种类的特征气体进行预测，从而对油浸式设备的运行故障进行预测。使得油浸式设备出现故障的特征气体包括氢气、一氧化碳、甲烷、乙炔、乙烯、二氧化碳、乙烷，在测量待测气体样品中特征气体的浓度时，出现的特征气体可能仅有一种，即仅有一种特征气体的浓度大于0，而其他特征气体的浓度为0。

请参阅图3，图3是本申请实施例提供的具有抗噪功能的故障监控装置的结构示意图，所述具有抗噪功能的故障监控装置从油浸式设备中获取待测气体样品并传输至所述测量单元的过程包括以下阶段：

第一阶段，本阶段主要是将油罐210内的压强抽至第一目标压强，以使油浸式设备11与油罐210之间形成负压，使得油浸式设备11中冷却油样品进入油罐210内。首先，所述控制单元控制脱气单元中的抽气器件220中第一驱动马达223驱动活塞222的抽吸将油罐210内的气体抽入抽气器件220中的气缸 221内，以及将所述气缸221内的气体通过气路单元排出，使油罐210内形成负压。所述气路单元包括第一气阀310、第二气阀320、第三气阀330和第四气阀340。例如，将第一气阀310中第一端口311和第二端口312连通，抽气器件220将油罐210内的部分气体抽入气缸221内，然后将第一气阀310中的第一端口311和第三端口313连通，气缸221中的气体通过第三气阀330排出。重复上述步骤，使得油罐210内的压强降低至第一目标压强，例如外界大气压为标准大气压100Kpa，油罐210内的第一目标压强可以为2Kpa，所述油罐210 内的压强可以由压力传感器230直接获取。

第二阶段，油罐210与油浸式设备11之间的压强差使油浸式设备11内的冷却油样品进入所述油罐210。首先，所述控制单元控制第一阀门S1打开使所述油浸式设备11与所述油罐210贯通，由于所述油浸式设备11与所述油罐210 之间的压差，所述油浸式设备11内的所述冷却油样品进入所述油罐210内；当所述油罐210内的冷却油样品达到上液位传感器211所测量的高度时，所述控制单元控制所述第一阀门S1关闭。所述上液位传感器211高度的设置可以根据所述油罐210的高度进行设置，例如所述上液位传感器211的高度可以所述油罐210的高度的75％，或者所述上液位传感器211高度的设置可以根据所述油罐210内搅拌构件213的搅拌速度进行设置，例如当搅拌构件213的搅拌速度为2400rpm时，所述上液位传感器211的高度可以所述油罐210的高度的75％，当搅拌构件213的搅拌速度为3000rpm时，所述上液位传感器211的高度可以所述油罐210的高度的70％，避免因所述搅拌构件213的转速过快，而导致冷却油样品被搅拌时液面高度超过油罐210的临界高度，其中，搅拌机构213由连接驱动马达215的旋转磁铁214带动旋转；或者，所述上液位传感器211高度的设置可以根据所述油罐210内冷却油样品的搅拌温度进行设置，例如所述冷却油样品的搅拌温度为50℃时，所述上液位传感器211的高度可以所述油罐 210的高度的75％，所述冷却油样品的搅拌温度为70℃时，所述上液位传感器 211的高度可以所述油罐210的高度的70％。

第三阶段，所述冷却油样品中的待测气体通过抽气器件220及所述气路单元进入所述测量单元。首先，所述控制单元控制所述第一气阀310的第一端口 311和第二端口312连通，使所述抽气器件220与所述油罐210连通，然后所述控制单元控制搅拌构件213对所述油罐210内的冷却油样品进行搅拌，然后所述抽气器件220将所述冷却油样品中的待测气体抽入所述抽气器件220中的气缸221中，然后所述控制单元控制所述第一气阀310的第一端口311和第二端口312断开，以及控制使所述第一气阀310的第一端口311和第三端口313 连通，打开第二气阀320和第四气阀340，关闭第三气阀330，以使得所述待测气体通过气路单元进入测量单元；其次，重复上述步骤，直到所述油罐210内的压力达到第二目标压强，上述抽气步骤停止，所述第一气阀310处于关闭状态。所述第二目标压强可以与所述第一目标压强相等或不等，所述第二目标压强的具体数值可以根据实际情况限定。

第四阶段，所述油罐210内的所述冷却油样品回流至所述油浸式设备11 内。首先，所述控制单元控制第二阀门S2，使所述油浸式设备11内与所述油罐210连通，然后控制所述油泵S3将所述油罐210内的所述冷却油样品抽至所述油浸式设备11内，当所述油罐210内的冷却油样品的液面达到油罐210内的下液位传感器212所测量的高度时，所述控制单元控制油泵S3停止工作以及将第二阀门S2闭合。所述下液位传感器212所测量的高度可以为所述油罐210 的底端，具***置本申请不作详细限定。

根据上述具有抗噪功能的故障监控装置的工作过程，由于需要将油罐210 内的待测气体在目标脱气时间内的完成脱气，而直接影响待测气体脱气速率的为所述搅拌构件213的搅拌速度。而对于不同黏度或温度的样品油，以及在不同搅拌速度下，样品油中的待测气体脱离油浸式设备11运行状态监控设备中油气分离设备的脱气速率是不相同的。而现有的油浸式设备11运行状态监控设备通常无法准确设置油气分离设备中搅拌构件213的搅拌速度，而导致样品油中的待测气体无法在目标时间内脱离油气分离设备的技术问题。本实施例主要通过所述冷却油样品中待测气体的预测浓度来确定所述搅拌构件213的第一搅拌速度。

在一种实施例中，由于各方面不确定因素的影响，测量单元实际获取的待测气体浓度值一般大于本实施例初始的预测浓度，而由于冷却油样品属于同一批次的冷却油样品，因此其可以根据当前周期的特征气体浓度值与预测浓度的差值对下一周期的搅拌构件213的搅拌速度进行调整，该步骤可以包括：获取当前测量周期内所述特征气体的浓度与所述冷却油样品中待测气体的预测浓度的第一差值；判断所述第一差值是否大于第一阈值；若所述第一差值大于第一阈值，根据浓度、脱气时间和搅拌速度的关联关系，基于所述第一差值和目标脱气时间，确定下一测量周期的所述搅拌构件213的第二搅拌速度；若所述第一差值小于第一阈值，所述搅拌构件213的第一搅拌速度为当前测量周期内所述搅拌构件213的目标搅拌速度。

在一种实施例中，当前测量周期内所述特征气体的浓度与所述冷却油样品中待测气体的预测浓度的第一差值大于第一阈值时，需要进行搅拌速度的调整，而搅拌构件213的搅拌速度具有一提升上限，即临界搅拌速度，若前测量周期内所述特征气体的浓度与所述冷却油样品中待测气体的预测浓度的差值较大，需要将搅拌构件213的搅拌速度提升至超过临界搅拌速度的第二搅拌速度，则需要根据对其他调节因子进行调整来补偿搅拌速度的限定。

具体的，本实施例通过温度与搅拌速度的关联关系，在搅拌速度无法提升的情况下，对搅拌构件213的搅拌温度即冷却油样品的温度进行调整，以补偿搅拌速度的限制，该步骤可以包括：判断所述第二搅拌速度是否大于所述搅拌构件213的临界搅拌速度；若所述第二搅拌速度大于所述搅拌构件213的临界搅拌速度，所述临界搅拌速度为下一测量周期的所述搅拌构件213的目标搅拌速度，根据温度、浓度和搅拌速度的关联关系，基于所述临界搅拌速度和所述特征气体的浓度，确定下一测量周期内所述冷却油样品的初始温度；若所述第二搅拌速度小于所述搅拌构件213的临界搅拌速度，所述第二搅拌速度为下一测量周期的所述搅拌构件213的目标搅拌速度。

在一种实施例中，当前测量周期内所述特征气体的浓度与所述冷却油样品中待测气体的预测浓度的第一差值大于第一阈值时，需要进行搅拌速度的调整；而搅拌构件213的搅拌速度提高后，对应的油罐210内的所述冷却油样品的液面高度将会增加，由于油罐210与对应的油气管路连接，冷却油样品的液面高度增加可能会导致冷却油样品通过油气管路进入其他器件内，因此所述油罐 210内冷却油样品的具有临界液面高度，以避免冷却油样品进入其他部件，因此该步骤可以包括：获取当前测量周期内所述冷却油样品的液面高度；判断所述冷却油样品的液面高度是否大于所述冷却油样品的临界液面高度；若所述冷却油样品的液面高度大于所述冷却油样品的临界液面高度，所述临界液面高度为下一测量周期内所述冷却油样品的液面高度，根据液面高度、浓度和搅拌速度的关联关系，基于所述临界液面高度和所述特征气体的浓度，确定下一测量周期的所述搅拌构件213的搅拌速度；若所述冷却油样品的液面高度小于所述冷却油样品的临界液面高度，所述第二搅拌速度为下一测量周期的所述搅拌构件213的目标搅拌速度。

在一种实施例中，当前测量周期的脱气时间同样为搅拌速度设定的重要参考值，脱气时间代表冷却油样品中待测气体的脱气速率，脱气时间短，则待测气体的脱气速率大，对应较大的搅拌速度，需要降低下一测量周期的搅拌速度以使待测气体的脱气时间与目标脱气时间相等；脱气时间长，则待测气体的脱气速率小，对应较小的搅拌速度，需要增加下一测量周期的搅拌速度以使待测气体的脱气时间与目标脱气时间相等，因此该步骤可以包括：获取当前测量周期内所述冷却油样品中待测气体的脱气时间；判断当前测量周期内所述脱气时间与目标脱气时间是否相等；若当前测量周期内所述脱气时间与目标脱气时间不相等，根据浓度、脱气时间和搅拌速度的关联关系，基于当前测量周期内所述特征气体的浓度和所述目标脱气时间，确定下一测量周期的所述搅拌构件 213的搅拌速度。

在一种实施例中，所述油罐210中的抽气器件220的抽气压力及抽气速度同样可以作为调节脱气速度的变量，本申请不作详细介绍。

本步骤通过测量单元所获取的待测气体样品中特征气体的浓度与待测气体的预测浓度进行对比，根据二者的差值对下一测量周期的搅拌速度或/温度等进行调节，使得下一测量周期中冷却油样品中的待测气体在目标脱气时间内从所述脱气单元中脱离。

进一步地，请参阅图4，图4是本申请实施例提供的测量单元的结构原理图。测量单元124包括激光器101、光声池102及信号处理器103。其中，激光器101用于产生特定频率的窄带宽激光；光声池102是所述待测气体样品在测量单元124中的流通通道，也是激光器101发射的窄带宽激光与所述待测气体发生能力传递作用的场所，并且光声池102内部设置有微音器，用于收集窄带宽激光照射到特征气体后产生的光声信号，并将光声信号转化为电信号传输至信号处理器103；信号处理器103用于对光声池101传输的电信号进行放大、去噪等处理操作，并生成数据曲线，输出待测气体样品中特征气体的浓度。

如图5，图5为本申请实施例提供的测量单元124的第一种结构示意图，所述测量单元124包括多个互不干扰的检测单元21。

具体的，所述气路单元123用于根据所述测量使能信号控制所述待测气体样品从所述气路单元123流入所有所述检测单元21。

所述检测单元21用于根据所述测量使能信号分别使用与所述检测单元21 待测的特征气体对应的窄带宽激光测量所述特征气体的浓度。

需要说明的是，所述检测单元21待测的特征气体是指所述检测单元21需要测量的特征气体；所述检测单元21根据所述测量使能信号控制所述检测单元 21中的光声光谱器件使用与所述检测单元21待测的特征气体对应的窄带宽激光。

需要说明的是，每个所述检测单元21均能独立实现一种特征气体的测量，在多个检测单元21中均冲入待测气体样品，可以利用互不干扰的多个检测单元 21同时对待测气体样品中的特征气体进行测量，不同种类的特征气体与不同波长的窄带宽激光对应，不同的检测单元21可以使用不同波长的窄带宽激光测量待测气体样品中不同种类的特征气体，从而可以同时测量待测气体样品中多种特征气体的浓度。

在一实施方式中，多个所述检测单元21串联连接，也可以理解为多个所述检测单元21级联连接；所述气路单元123用于根据所述测量使能信号控制所述待测气体样品从所述气路单元123依次流入所有所述检测单元21中。

其中，相邻两级所述检测单元21之间通过连接管L连通，所述连接管L 上设置有阀门，从而使得待测气体样品可以依次流入所述检测单元21，同时可以保证所有检测单元21之间互不干扰。

需要说明的是，每个所述检测单元21均设置有进气口Lb和出气口Lc，测量单元124包括m个检测单元21时，m个检测单元21级联连接，位于第一级的检测单元21的进气口Lb也可以通过设置有阀门的连接管L与气路单元123 连通，以用于接入所述气路单元123流出的所述待测气体样品；待测气体样品流入第一级的检测单元21后，待测气体样品通过连接管L依次流入所有检测单元21中；位于最后一级的检测单元21的出气口Lc也可以通过设置有阀门的连接管L与气路单元123连通，以用于将测量完成后的待测气体样品从检测单元21流入气路单元123中，测量完成后的待测气体样品经气路单元123处理后排出，避免待测气体对环境造成污染。

其中，所述进气口Lb和所述出气口Lc可以位于所述检测单元21的同一侧，以便于相邻两级所述检测单元21之间通过连接管L连通。

如图6，图6为本申请实施例提供的测量单元124的第二种结构示意图。

在一实施方式中，所述测量单元124还包括箱体K，所有检测单元21均设置于所述箱体K内。

在一实施方式中，所述箱体K可以为方体结构，所述箱体K的内壁上设置有多个用于承托检测单元21的滑轨K1，多个所述滑轨K1沿所述箱体K的高度方向间隔排布，所述检测单元21与所述滑轨K1一一对应；所述检测单元21 与所述滑轨K1沿所述滑轨K1的长度方向滑动连接，以便于所述检测单元21 的检修和更换，如一个检测单元21出现故障时，工作人员可以将检测单元21 从箱体K中拉出以进行检修，当检测单元21无法修复时，可以使用功能正常的检测单元21替换出现故障的检测单元21，以避免单个检测单元21出现故障时导致测量单元124无法工作。

在一实施方式中，所述箱体K上还设置有接口K2，至少一个所述接口K2 与所述控制单元125连接，所述检测单元21上设置有与所述接口K2配套的接头K3，所述接头K3插设于所述接口K2上。通过接口K2和接头K3的对接搭建一个信息交互桥梁，以实现所述控制单元125与所述检测单元21的信息交互，从而实现所述控制单元125对所述检测单元21的控制以及所述检测单元21对所述控制单元125的信息反馈。

请参阅图7，图7是本申请实施例提供的光声池102结构示意图。在一种实施例中，所述测量单元124包括光声池102，所述光声池102包括第一微音器1021、第二微音器1022，以及连接所述第一微音器1021的输出端和所述第二微音器1022的输出端的差分运算器1023，所述第一微音器1021和所述第二微音器1022分别用于获取所述光声池102内的声音信号，所述差分运算器1023 用于将所述第一微音器1021的输出信号与所述第二微音器1022的输出信号作差得到所述光声池102内的光声信号，所述测量单元124通过特征气体对应的窄带宽激光照射所述待测气体样品时产生的光声信号确定所述待测气体样品中特征气体的浓度。

需要说明的是，所述窄带宽激光照射到光声池102内的特征气体后会产生光声信号，通过对光声信号进行测试分析可以得到所述待测气体样品中的特征气体的浓度；在利用微音器对光声信号进行测试时，一部分环境中的噪音也会被微音器捕获，而影响微音器对光声池102内的光声信号测试的准确性；本申请实施例通过设置第一微音器1021和第二微音器1022同时测试光声池102内不同位置的声音信号，并将二者的测试结果作差，从而准确得到光声池102内的光声信号，有利于提升对特征气体检测的灵敏性和准确性。

进一步需要说明的是，通过调整第一微音器1021和第二微音器1022对应光声池102内的位置，使第一微音器1021检测光声信号产生最为强烈的区域，第二微音器1022检测光声信号最为微弱的区域；此时，第一微音器1021检测到的声音信号包括两部分：一部分是光声池102内正常发生的光声信号，另一部分是外界噪音传入光声池102内的产生的信号；第二微音器1022检测到的光声信号极小，可以忽略不计，因此，第二微音器1022检测到的声音信号仅包含外界噪音传入光声池102内的产生的信号；通过将第一微音器1021检测到的声音信号减去第二微音器1022检测到的声音信号，即可得到光声池102内正常发生的光声信号，这种光声信号是确定所述待测气体样品中特征气体浓度的关键。

进一步地，光声池102还包括壳体1024，壳体1024包括第一缓冲腔102a、第二缓冲腔102b、以及连接第一缓冲腔102a和第二缓冲腔102b的谐振腔102c。需要说明的是，第一缓冲腔102a的容量和第二缓冲腔102b的容量远大于谐振腔102c的容量，并且谐振腔102c呈管道状连接在第一缓冲腔102a和第二缓冲腔102b之间，所述待检测气体在谐振腔102c内的充盈程度最高，因此，谐振腔102c是所述窄带宽激光与所述特征气体发生能量传递作用最为剧烈的区域，也是产生光声信号最为强烈的区域，并且由于其管道状结构，其内产生的光声信号更容易被微音器所捕捉；第一缓冲腔102a和第二缓冲腔102c内所述待检测气体的充盈程度均较低，其内产生的光声信号较弱，并且由于其容量较大，微音器较难捕捉到其内部产生的光声信号。

进一步地，第一微音器1021设置于壳体1024上，且对应于谐振腔102c 的中部，谐振腔102c通过壳体1024上的开孔导通至第一微音器1021；第二微音器1022也设置于壳体1024上，且对应于第二缓冲腔102b的中部，第二缓冲腔102b通过壳体1024上的开孔导通至第二微音器1022。需要说明的是，第一微音器1021对应谐振腔102c的中部设置，可以探测到强烈的光声信号；第二微音器1022对应第二缓冲腔102b的中部设置，几乎无法探测到光声信号；此外，外部环境噪音在第一缓冲腔102a、第二缓冲腔102b和谐振腔102c内产生的噪音效果相同，因此，第一微音器1021和第二微音器1022探测到的声音信号均包含了相同强度的外部环境噪音，通过将第一微音器1021检测到的声音信号减去第二微音器1022检测到的声音信号，即可得到光声池102内产生的光声信号，进而通过光声信号确定待测气体样品中特征气体的浓度。

进一步地，壳体1024上还设置有第一气孔102d和第二气孔102e，第一气孔102d连通至第一缓冲腔102a，第二气孔102e连通至第二缓冲腔102b，第一气孔102d和第二气孔102e是所述待测气体样品流进和流出光声池102内部腔体的通道。

进一步地，第一气孔102d和第二气孔102e组成的气孔单元与第一微音器 1021和第二微音器1022组成的微音器单元分别位于壳体1024的相对两侧，例如，第一微音器1021和第二微音器1022共同位于壳体1024的顶部，而第一气孔102d和第二气孔102e共同位于壳体1024的底部，反之亦可。通过上述设计可以使所述待测气体样品流进或流出光声池102时产生的噪声对第一微音器 1021和第二微音器1022的检测结果的影响最小，有利于提升特征气体浓度的检测精度和灵敏度。

进一步地，第一气孔102d是所述待测气体样品流入光声池102的进气孔，第二气孔102e是所述待测气体样品流出光声池102的出气孔；或者，第二气孔 102e是所述待测气体样品流入光声池102的进气孔，第一气孔102d是所述待测气体样品流出光声池102的出气孔。需要说明的是，当第二气孔102e为进气孔，第一气孔102d为出气孔时，所述待测气体样品在谐振腔102c内的流通方向与所述窄带宽激光的照射方向相反，更有利于所述待测气体样品中的特征气体与所述窄带宽激光之间的能量传递作用，产生的光声信号更加明显，因此有利于进一步提升特征气体浓度的检测精度。

进一步地，壳体1024上还设置有入光孔1025和出光孔1026，入光孔1025 位于第一缓冲腔102a远离谐振腔102c的一侧，出光孔1026位于第二缓冲腔 102b远离谐振腔102c的一侧，并且入光孔1025的中心、出光孔1026的中心与谐振腔102c的中心轴位于同一直线上。需要说明的是，入光孔1025和出光孔1026所述窄带宽激光进出光声池102的通道，且所述窄带宽激光沿直线从入光孔1025的中心照射进入光声池，并依次经过第一缓冲腔102a、谐振腔102c 和第二缓冲腔102b后，沿出光孔1026的中心直线射出。入光孔1025的中心、出光孔1026的中心与谐振腔102c的中心轴保持在同一直线上可以保证所述窄带宽激光沿直线准确射入谐振腔102c内，并在谐振腔102c内与特征气体充分发生能量传递作用，进而保证了特征气体检测的准确性。

可选地，入光孔1025上设置有调制玻片，所述调制玻片用于调整所述窄带宽激光的平行性，以保证所述窄带宽激光可以准确穿过谐振腔102c。

进一步地，第一微音器1021包括第一声电转换模块，所述第一声电转换模块与差分运算器1023电性连接，所述第一声电转换模块用于将谐振腔102c中部的声音信号转换为第一电信号，并将所述第一电信号输入差分运算器1023；第二微音器1022包括第二声电转换模块，所述第二声电转换模块与差分运算器电性1023连接，所述第二声电转换模块用于将第二缓冲腔102b中部的声音信号转换为第二电信号，并将所述第二电信号输入差分运算器1023。

可选地，所述第一声电转换模块和所述第二声电转换模块具有相同的电路结构。请参阅图8，图8是本申请实施例提供的第一声电转换模块和第二声电转换模块的电路原理图。需要说明的是，经所述第一声电转换模块转换得到的所述第一电信号和经所述第二声电转换模块转换得到的所述第二电信号均为模拟信号。

请参阅图7至图9，图9是本申请实施例提供的减法运算器的电路原理图。进一步地，所述差分运算器1023包括减法运算器40；所述减法运算器40的同相输入端I1电性连接所述第一声电转换模块的输出端，用于接收所述第一电信号；所述减法运算器40的反相输入端I2电性连接所述第二声电转换模块的输出端，用于接收所述第二电信号；所述减法运算器40用于将所述第一电信号与所述第二电信号作差得到第三电信号，并将所述第三电信号通过所述减法运算器40的输出端O输出。

具体地，所述减法运算器40的同相输入端I1通过同相上分压电阻R1电性连接至所述第一声电转换模块的输出端，且同相上分压电阻R1与接地点之间电性连接同相下分压电阻R2；所述减法运算器40的反相输入端I2通过反向电阻R3电性连接至所述第二声电转换模块的输出端，且反向输入端I2与输出端 O之间电性连接反馈电阻R4；减法运算器40的电源端电性连接恒压源Vcc。

需要说明的是，由于所述第三电信号是所述第一电信号与所述第二电信号的差值，所述第三电信号内已经排除了环境中噪音信号的干扰，因此，所述第三电信号即等于所述光声池102内的光声信号。

可选地，测量单元124还包括计算单元，所述计算单元与所述减法运算器的输出端电性连接，所述计算单元用于根据所述第三电信号计算所述待测气体样品中特征气体的浓度。

进一步地，请参阅图4和图10所示，图10是本申请实施例提供的信号处理器的结构原理图。所述测量单元124还包括信号处理器103，所述信号处理器103用于接收所述差分运算器1023输出的所述第三电信号，并对所述第三电信号进行放大、滤波和模电-数电转换等操作。具体地，所述信号处理器103包括第一信号放大电路1031、带通滤波电路1032、第二信号放大电路1033和A/D 转换电路1034；所述第一信号放大电路1031与所述差分运算器1023的输出端电性连接，用于对所述第三电信号进行第一次放大处理，详见图11；所述带通滤波电路1032与所述第一信号放大电路1031的输出端电性连接，用于滤除所述第三电信号中的高频和低频信号，得到所述第三电信号中的中频信号，详见图12；所述第二信号放大电路1033与所述带通滤波电路1032的输出端电性连接，用于对所述第三电信号进行第二次放大处理，详见图13；所述A/D转换电路1034 与所述第二信号放大电路1033的输出端电性连接，用于将所述第三电信号转换为数字信号，详见图14。

本申请实施例通过在光声池中设置第一微音器、第二微音器和差分运算器，消除环境噪音对光声信号检测结果的影响，提升了测量单元对待测气体样品中特征气体浓度检测的准确性和灵敏性，有利于及时、准确地确定油浸式设备的运行故障。

请参阅图4，所述测量单元124还包括用于产生所述窄带宽激光的激光器 101，应当理解的是，激光器101的温度对其产生所述窄带宽激光的稳定性有重要影响，因此，需要控制激光器101工作在预设温度范围内。本申请实施例还提供了激光器101的温度控制电路。

请参阅图15和图16，图15是本申请实施例提供的激光器温度控制模块的结构示意图，图16是本申请实施例提供的温度控制模块中的调温电路原理图。激光器101的温度通过温度控制模块进行控制，所述温度控制模块包括电压获取模块U、电压控制器201、稳压器202、电压比较器203、微程序控制器204 和调温器205，其中，电压获取模块U用于获取所述激光器101的有效工作电压，电压控制器201、稳压器202、电压比较器203和微程序控制器204构成所述温度控制模块的调温电路TC。所述电压控制器201用于提供参考电压，所述参考电压是预设的激光器101的有效工作电压的最佳值，即当激光器101的有效工作电压等于所述参考电压时，激光器101可以发射特定频率和功率的窄带宽激光，并用于待测气体样品中特征气体的浓度检测，使测量单元124的测量精度和灵敏度均达到最佳；此外，激光器101的有效工作电压越接近所述参考电压，测量单元124对特征气体浓度测量的精度和灵敏度也越高。所述稳压器 202的输入端电性连接所述电压控制器201的输出端，用于对所述电压控制器 201提供的参考电压进行稳压，消除所述参考电压的波动，提高所述参考电压的稳定性和一致性。所述电压比较器203的第一输入端与所述稳压器202的输出端电性连接，所述电压比较器203的第二输入端与所述电压获取模块U的输出端电性连接，所述电压比较器203用于比较激光器101的有效工作电压与所述电压控制器201提供的参考电压的电压值，并将比较结果传输至所述微程序控制器204。所述微程序控制器204的输入端与所述电压比较器203的输出端电性连接，用于接收和分析所述比较结果，并根据所述比较结果向所述调温器205发送相应的调温指令；具体地，当所述比较结果是激光器101的有效工作电压小于所述参考电压时，所述微程序控制器204向所述调温器205发送降低激光器101温度的调温指令；当所述比较结果是激光器101的有效工作电压大于所述参考电压时，所述微程序控制器204向所述调温器205发送升高激光器 101温度的调温指令；当所述比较结果是激光器101的有效工作电压等于所述参考电压时，所述微程序控制器204向所述调温器205发送维持激光器101温度的调温指令。所述调温器205的输入端与所述微程序控制器204的输出端电性连接，用于在所述调温指令的控制下，调控所述激光器101的温度，以使所述激光器101工作在预设温度范围内。

请继续参阅图1，所述测量单元124使用特征气体对应的窄带宽激光分别测量所述待测气体样品中特征气体的浓度后，所述控制单元125根据所述待测气体样品中的特征气体浓度确定所述油浸式设备11的运行故障。在对油浸式设备11的运行故障进行预测时，考虑到油浸式设备11的故障类型不同，对应的特征气体的种类不同，可以预先对油浸式设备的运行故障类型进行初步判断，通过分析出现的特征气体的种类，对故障类型进行预测，并在预测故障类型后，判断故障类型对应的特征气体是否形成，在故障类型对应的特征气体形成后，确定故障类型；具体步骤包括：根据所述特征气体的浓度，确定所述特征气体的种类；预设各个故障类型对应的标准浓度变化曲线，根据所述标准浓度变化曲线、以及所述特征气体的种类，对所述油浸式设备的运行故障类型进行预测，得到预测结果；根据所述预测结果、所述特征气体的浓度变化曲线，预测所述预设故障类型对应的其他特征气体的出现；在所述预设故障类型对应的其他特征气体出现时，确定所述油浸式设备的运行故障类型；具体的，预设各故障类型对应的标准浓度变化曲线中含有各特征气体的曲线，将各故障类型对应的特征气体的种类整理成表，如下表1：

表1

从表1中可以看出，当油浸式设备11的故障类型不同时，从待测气体样品中测量得到的特征气体的种类不同，例如故障类型为冷却油过热时，对应的特征气体的种类为氢气、乙烯、甲烷和乙烷；故障类型为冷却油和纸过热时，对应的特征气体的种类为氢气、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、甲烷、乙烷；故障类型为冷却油和纸绝缘中局部放电时，对应的特征气体的种类为氢气、一氧化碳、二氧化碳、乙炔、甲烷、乙烷；故障类型为冷却油中火花放电时，对应的特征气体为氢气、乙炔；故障类型为冷却油中电弧放电时，对应的特征气体为氢气、乙炔、乙烯、甲烷和乙烷；故障类型为冷却油和纸中电弧放电时，对应的特征气体为氢气、一氧化碳、二氧化碳、乙炔、乙烯、甲烷和乙烷；故障类型为纸受潮或者冷却油有气泡时，对应的特征气体为氢气；表1中“-”表示该故障类型中该特征气体的浓度为0。

基于表1，在检测到氢气、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、甲烷、乙烷时，可以判断油浸式设备的运行故障类型可能为冷却油和纸过热或者冷却油和纸中电弧放电，根据该预测，同时基于特征气体的浓度变化曲线，预测预设故障类型对应的特征气体即乙炔形成，在乙炔形成时，确定油浸式设备的运行故障类型为冷却油和纸中电弧放电，在乙炔未形成时，确定油浸式设备的运行故障类型为冷却油和纸过热，从而可以判断油浸式设备的运行故障类型。

需要说明的是，所述特征气体可以为甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳以及氢气中的任一种，对待测气体样品进行测量时，需要对待测气体样品中所有种类的特征气体的浓度进行测量；所述标准气体样本包括甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳以及氢气等气体，并且所述标准气体样本中特征气体的样本标准浓度为已知浓度。

本申请实施例提供的具有抗噪功能的故障监控装置，可以实现油浸式设备中特征气体的实时、在线监控，相较于现有通过人工采样并送至实验室进行特征气体检测的方法，大大提高了设备故障预警的及时性和准确性，且节省时间和人力成本。在一些特殊时期，例如重大疫情期间，值班工人较少，通过现有人工采样的方法进行特征气体检测，不仅时效性差，而且由于工作人员较少，完成测试的难度较大，测试的准确性也无法保证，此时采用本申请实施例提供的具有抗噪功能的故障监控装置进行特征气体监控更体现出了其时间和人力成本低、检测及时准确的优势。

综上所述，本申请实施例提供的具有抗噪功能的故障监控装置包括与油浸式设备连接的油路单元、脱气单元、气路单元、测量单元和控制单元，通过各单元模块的联合作用，实现所述油浸式设备中产生的特征气体的实时、在线监控，从而及时、准确的确定所述油浸式设备的运行故障类型；此外，通过在测量单元的光声池中设置第一微音器、第二微音器和差分运算器，使所述第一微音器测量所述光声池内的光声信号和环境噪音，第二微音器仅测量所述光声池内的环境噪音，利用差分运算器将所述第一微音器的测量结果和所述第二微音器的测量结果作差，得到所述光声池内的光声信号，从而消除环境噪音对光声信号检测结果的影响，提升了测量单元对待测气体样品中特征气体浓度检测的准确性和灵敏性，有利于进一步提升具有抗噪功能的故障监控装置确定油浸式设备的运行故障类型的准确性和及时性。

需要说明的是，虽然本申请以具体实施例揭露如上，但上述实施例并非用以限制本申请，本领域的普通技术人员，在不脱离本申请的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本申请的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种具有抗噪功能的故障监控装置，其特征在于，应用于油浸式设备运行故障的在线监控中，所述具有抗噪功能的故障监控装置包括油路单元、脱气单元、气路单元、测量单元和控制单元；其中：

所述油路单元用于在所述控制单元向其发送的采样使能信号的驱使下，从油浸式设备中获取冷却油样品，并将所述冷却油样品输入所述脱气单元；

所述脱气单元用于在所述控制单元向其发送的脱气使能信号的驱使下，对所述冷却油样品进行脱气得到待测气体样品，并将所述待测气体样品输入所述气路单元；

所述气路单元用于在所述控制单元向其发送的测量使能信号的驱使下，将所述待测气体样品输入所述测量单元；

所述测量单元包括光声池，所述光声池包括第一微音器、第二微音器、以及连接所述第一微音器输出端和所述第二微音器输出端的差分运算器，所述差分运算器用于将所述第一微音器的输出信号与所述第二微音器的输出信号作差得到所述光声池内的光声信号，所述测量单元用于通过特征气体对应的窄带宽激光照射所述待测气体样品时产生的光声信号确定所述待测气体样品中特征气体的浓度；

所述控制单元还用于根据所述待测气体样品中的特征气体浓度确定所述油浸式设备的运行故障。

2.根据权利要求1所述的具有抗噪功能的故障监控装置，其特征在于，所述光声池还包括壳体，所述壳体包括第一缓冲腔、第二缓冲腔、以及连接所述第一缓冲腔和所述第二缓冲腔的谐振腔；

所述第一微音器设置于所述壳体上，且对应于所述谐振腔的中部，所述谐振腔通过所述壳体上的开孔导通至所述第一微音器；

所述第二微音器设置于所述壳体上，且对应于所述第二缓冲腔的中部，所述第二缓冲腔通过所述壳体上的开孔导通至所述第二微音器。

3.根据权利要求2所述的具有抗噪功能的故障监控装置，其特征在于，所述第一微音器包括第一声电转换模块，所述第一声电转换模块与所述差分运算器电性连接，所述第一声电转换模块用于将所述谐振腔中部的声音信号转换为第一电信号，并将所述第一电信号输入所述差分运算器。

4.根据权利要求3所述的具有抗噪功能的故障监控装置，其特征在于，所述第二微音器包括第二声电转换模块，所述第二声电转换模块与所述差分运算器电性连接，所述第二声电转换模块用于将所述第二缓冲腔中部的声音信号转换为第二电信号，并将所述第二电信号输入所述差分运算器。

5.根据权利要求4所述的具有抗噪功能的故障监控装置，其特征在于，所述差分运算器包括减法运算器；

所述减法运算器的同相输入端电性连接所述第一声电转换模块的输出端，用于接收所述第一电信号；

所述减法运算器的反相输入端电性连接所述第二声电转换模块的输出端，用于接收所述第二电信号；

所述减法运算器用于将所述第一电信号与所述第二电信号作差得到第三电信号，并将所述第三电信号通过所述减法运算器的输出端输出。

6.根据权利要求5所述的具有抗噪功能的故障监控装置，其特征在于，所述测量单元包括计算单元，所述计算单元与所述减法运算器的输出端电性连接，所述计算单元用于根据所述第三电信号计算所述待测气体样品中特征气体的浓度。

7.根据权利要求5所述的具有抗噪功能的故障监控装置，其特征在于，所述测量单元还包括第一信号放大电路、带通滤波电路、第二信号放大电路和A/D转换电路；

所述第一信号放大电路与所述减法运算器的输出端电性连接，用于对所述第三电信号进行第一次放大处理；

所述带通滤波电路与所述第一信号放大电路的输出端电性连接，用于滤除所述第三电信号中的高频和低频信号，得到所述第三电信号中的中频信号；

所述第二信号放大电路与所述带通滤波电路的输出端电性连接，用于对所述第三电信号进行第二次放大处理；

所述A/D转换电路与所述第二信号放大电路的输出端电性连接，用于将所述第三电信号转换为数字信号。

8.根据权利要求2所述的具有抗噪功能的故障监控装置，其特征在于，所述壳体上还设置有第一气孔和第二气孔，所述第一气孔连通至所述第一缓冲腔，所述第二气孔连通至所述第二缓冲腔，所述第一气孔和所述第二气孔组成的气孔单元与所述第一微音器和所述第二微音器组成的微音器单元分别位于所述壳体的相对两侧。

9.根据权利要求8所述的具有抗噪功能的故障监控装置，其特征在于，所述第一气孔是所述待测气体样品的进气孔，所述第二气孔是所述待测气体样品的出气孔；

或者，所述第二气孔是所述待测气体样品的进气孔，所述第一气孔是所述待测气体样品的出气孔。

10.根据权利要求2所述的具有抗噪功能的故障监控装置，其特征在于，所述壳体上还设置有入光孔和出光孔，所述入光孔位于所述第一缓冲腔远离所述谐振腔的一侧，所述出光孔位于所述第二缓冲腔远离所述谐振腔的一侧，所述入光孔的中心、所述出光孔的中心与所述谐振腔的中心轴位于同一直线上。

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