CN107167428B - 一种用于气体检测的吸收池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于气体检测的吸收池，其包括：光纤准直模块、聚焦模块、位于光纤准直模块和聚焦模块之间的腔体，其中光纤准直模块包括光纤准直器、精密调光结构、光纤准直模块固定端；聚焦模块上包括聚焦透镜、聚焦模块固定端，该聚焦透镜的光轴与腔体气室的中心轴线、光纤准直模块的光轴重合；腔体的两端分别与光纤准直模块固定端和聚焦模块固定端密闭连接，腔体的中空部分是用于容纳待测气体的气室，其侧面设有进气口和出气口，并且顶部设有螺孔用于安装至少一个传感器用来检测气室的温度和压力等参数。该气体吸收池具有容积小、光程短、结构简单、便于安装调试和维护等优点，可用于检测ppm级的变压器油中溶解气体。
Description
技术领域
本发明属于精密检测仪器领域，具体涉及一种用于气体检测的吸收池，尤其涉及一种可用于检测变压器油中溶解气体的气体吸收池。
背景技术
采用光谱法测量单一组分或多组分气体的技术在工业中的应用已越来越广泛。比如激光光谱测量仪器可用于监测变压器油中溶解气体。由于气体吸收的“指纹”特性，光在通过充满被检测气体的吸收池后，某个单一频率的光被池中气体所吸收，单一频率反映了气体成分，单一频率光强的变化则反映了被检测气体的浓度。这一气体成分的检测过程，广泛应用于工业生产和环境监测领域。目前存在很多检测技术，主要使用的是中红外和近红外光谱检测技术。由于气体吸收的横截面积很小，所以一般需要通过增加光程来提高气体检测灵敏度。
现有技术的气体吸收池，主要有长光程池和可调光程池两类。长光程池，通过在吸收池内部气室放置多片反射镜，使得光在气室内完成多次反射，利用短的距离来增加光程，提高检测灵敏度。可调光程池的结构基本同长光程池，不同的是可通过调节反射次数来控制光程的变化。两种都是通过控制光程以求达到目标检测灵敏度。
长光程池和可调光程池中的光学元件多，调光结构复杂，使得其容积相对较大。另，长光程池和可调光程池对反射镜的镀膜工艺要求高，安装维护困难且成本高，抗震动性差，因而环境适应性较差。
发明内容
为解决现有技术的长光程池和可调光程池的上述问题，本发明提供一种小容积短光程气体吸收池，所述小容积短光程气体吸收池改变了现有长光程池的复杂结构，克服了光路调整难度大、抗震性差等的缺陷。具体技术方案如下。
一种用于气体检测的气体吸收池，其包括：用于将光源的光进行准直的光纤准直模块，用于对准直后通过腔体气室的光进行聚焦并使聚焦光出射的聚焦模块，位于光纤准直模块和聚焦模块之间、用于引入和排出待测气体的腔体，其中，所述光纤准直模块包括光纤准直器、用于调节光路的精密调光结构、用于将精密调光结构与腔体一端密闭固定在一起的光纤准直模块固定端，其中光纤准直器的准直透镜端插入精密调光结构的中心通孔中并固定；所述聚焦模块上包括聚焦透镜、用于固定聚焦透镜并且与腔体另一端密闭固定在一起的聚焦模块固定端，该聚焦透镜的光轴与腔体气室的中心轴线、光纤准直模块的光轴重合；所述腔体的两端分别与光纤准直模块固定端和聚焦模块固定端密闭连接，腔体的中空部分是用于容纳待测气体的气室，准直后的光束通过气室传输到聚焦模块，其侧面设有进气口和出气口，并且在气室壁面比如在顶部设有连接孔比如螺孔和/或插孔用于安装至少一个传感器、优选两个以上传感器用来检测气室的温度和压力等参数，以便用来对检测结果进行修正。
由于气体吸收池中不包含用于实现光反射的反射镜，使得气体吸收池结构简单、易安装拆卸且多次安装拆卸并不会影响检测精度，这种无需反射镜的简单结构增强了气体吸收池的抗震性和环境适应性，同时直通式、短光程的气室结构设计使得吸收池的气室容积小，相应地减小了气体吸收池的体积。优选地，气体吸收池在小容积、短光程条件下，能达到很高的检测精度，比如在变压器油中溶解气体检测中的应用，优于国家电网企业标准规定的最低检测限。
根据本发明的一个方面，上述光源的光可以是任何可用于检测气体的光，波长范围为200-6000nm、优选200-1800nm，包括但不限于可见光、紫外光、红外光和/或近红外光。进一步地，优选从光源发射的光是激光。
根据本发明的一个方面，所述光纤准直模块还包括光纤准直模块保护壳，用来罩住光纤准直器、精密调光结构、光纤准直模块固定端，保护这些部件不受外界环境及物体的影响。
根据本发明的一个方面，上述气体吸收池还包括用于固定所述光纤准直模块保护壳和所述腔体前端的第一支架以及用于固定所述腔体后端的第二支架，所述第一支架和第二支架分别与腔体的两端相连接固定。
进一步地，气体吸收池还包括用于接入光源的入光口。在一种实施方式中，所述入光口位于第一支架上。比如，入光口安装有法兰，用于连接光源和光纤准直模块。
根据本发明的一个方面，所述聚焦模块固定端上设置有出光口(即聚焦透镜出射口)，聚焦透镜的光轴与腔体气室的中心轴线、光纤准直模块的光轴重合。比如，该出光口设置在聚焦模块固定端上。
根据本发明的一个方面，所述光纤准直模块固定端上有中心通孔，该中心通孔中固定有斜窗片，用来减小光学标准具干扰。
根据本发明的一个方面，所述聚焦模块固定端后部可进一步连接光电探测模块，该光电探测模块用于接收从所述出光口透射出的光，并转换为电信号。
本发明还提供了上述气体吸收池在气体检测中的应用。
根据本发明的一个方面，上述气体吸收池可用于检测变压器油中溶解气体。
在一种优选的实施方式中，所述变压器油中溶解气体选自N2、O2、H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO、CO2中的一种或两种以上。
本发明的气体吸收池的腔体结构简单，光程短，容积小，使得整个吸收池结构紧凑，气密性好，易安装拆卸，便于维护；并且具有抗震性好、环境实用性强的优点。
附图说明
图1是根据本发明的一个气体吸收池实施例的结构示意图。
附图标记说明：1、气体吸收池；2、光纤准直模块；3、聚焦模块；4、腔体；21、光纤准直器；22、精密调光结构；23、光纤准直模块固定端；24、第一支架；25、光纤准直模块保护壳；241、入光口；31、聚焦透镜；32、出光口；33、聚焦模块固定端；34、第二支架；41、腔体气室；42、进气口；43、传感器；44、螺栓；45、出气口。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的技术方案进行描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式；并且附图中所示的结构仅仅是示意性的，并不代表实物。需要说明的是，基于本发明中的这些实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本发明中，术语“气体吸收池”和“吸收池”表示相同的意义，可以互换。
本文中，术语“前”表示沿着本发明的气体吸收池中沿光束方向的上游的位置关系，但并不意味着实际安装操作中必须朝向某一固定方向，仅仅为了显示各个部件之间的位置关系或连接关系。类似地，术语“后”、“上”、“下”等并不构成绝对的空间关系限制，只是一种相对的概念。这是本领域技术人员都能够理解的。有时为了在文字上描述方便，会面向附图方向，将光束方向上游一侧称为“左”、光束方向下游一侧称为“右”，只是一种相对的概念，这是本领域技术人员都能够理解的。
参见图1，本发明的气体吸收池1主要包括光纤准直模块2、聚焦模块3、腔体4这三个部分。其中光纤准直模块2用于将光源的光进行准直后入射至腔体4的气室41内，以便供气室41内的待测气体吸收。光纤准直模块2主要包括光纤准直器21、用于调节光路从而使光束与下述聚焦透镜31的光轴共轴的精密调光结构22、用于将精密调光结构22与腔体4一端(即前端)密闭固定在一起的光纤准直模块固定端23。优选地，光纤准直模块2还包括光纤准直模块保护壳25，该保护壳25用来罩住光纤准直器21、精密调光结构22、光纤准直模块固定端23，保护这些部件不受外界环境及物体的影响。在一种优选的实施方式中，为了支撑整个吸收池1、保持吸收池1的结构稳定性，光纤准直模块2还可以包括用于固定腔体4前端和光纤准直模块保护壳25的第一支架24。优选地，光纤准直器21的准直透镜端插入精密调光结构22的中心通孔中并固定。在一种实施方式中，第一支架24上可以设有入光口241，入光口241安装有法兰用于连接光源。
光纤准直模块固定端23上设有中心通孔，该中心通孔中可以固定有斜窗片，用来减小光学标准具干扰，保证气体检测准确性。
聚焦模块3主要包括聚焦透镜31、用于固定聚焦透镜31并且与腔体4另一端密闭固定在一起的聚焦模块固定端33，该聚焦透镜31的光轴与腔体气室41中心轴线、光纤准直模块2的光轴重合。在一种优选的实施方式中，为了支撑整个吸收池1、保持吸收池1的结构稳定性，在腔体4后端还可以设置起固定作用的第二支架34，第一支架24和第二支架34一起固定、支撑整个气体吸收池。聚焦模块固定端33上设置有出光口32(即聚焦透镜出射口32)，聚焦透镜31的光轴与腔体气室41的中心轴线、光纤准直模块2的光轴重合。
腔体4的两端分别与光纤准直模块固定端23和聚焦模块固定端33密闭连接，腔体4的中空部分是用于容纳待测气体的气室41，准直后的光束通过气室41传输到聚焦模块3，气室41侧面设有进气口42和出气口45，并且在气室壁面合适的部位比如在顶部设有连接孔比如螺孔和/或插孔用于安装至少一个传感器43、优选两个以上传感器43用来检测气室的温度和压力参数，以便用来对检测结果进行修正。应理解，进气口42和出气口45的位置可以根据实际需要进行切换。由于气室41不需要安装用于多次反射光线的反射镜或反射镜组，使得气体吸收池1结构简单、易安装拆卸且多次安装拆卸并不会影响检测精度，这种无需反射镜或反射镜组的简单结构增强了气体吸收池1的抗震性和环境适应性，同时直通式、短光程的气室结构设计使得吸收池1的气室41容积小，相应地减小了气体吸收池1的体积。优选地，气体吸收池1在小容积、短光程条件下，能达到很高的检测精度，比如在变压器油中溶解气体检测中的应用，优于国家电网企业标准规定的最低检测限。这种简洁的结构也使得气体吸收池1的检修维护更加方便。
本发明的气体吸收池1中，保持光纤准直模块2与腔体4之间、腔体4与聚焦模块3之间的紧密固定至关重要。比如，腔体4两端可以通过嵌套方式分别与光纤准直模块固定端23和聚焦模块固定端33密闭固定在一起。在一种优选的实施方式中，当腔体4为内壁光滑的圆筒时，腔体4前端设有螺纹孔和圆环形凹槽，与光纤准直模块固定端23和第一支架24紧密连接；腔体4后端也设有螺纹孔和圆环形凹槽，与聚焦模块固定端33和第二支架34紧密连接。同时，在腔体4前后两端的连接处可通过密封胶和/或生料带、必要时加设螺栓44分别与光纤准直模块固定端23和/或聚焦模块固定端33固定，这种密封结构能够充分保障气室41的气密性，也使得气体吸收池1的检修维护更加方便。
在一种优选的实施方式中，上述精密调光结构22可利用三角形的稳定性原理，采用双三角形嵌套结构，实现光路的精密调节，使得光路调节简单、结构稳定且抗震性好。
在一种实施方式中，上述第一支架24和第二支架34上可以分别设有螺纹结构与腔体4两端形成螺纹连接，用于固定连接腔体4。
优选地，第一支架24和第二支架34上可以分别设有螺纹孔，与工作台螺纹固定连接，保证吸收池1的抗震性。
上述聚焦模块3后部可进一步连接光电探测模块(未图示)，该光电探测模块用于接收从出光口32出射的光线、并转换为电信号。
上述气体吸收池1可应用于检测气体。比如可用于检测变压器油中溶解气体。
变压器油中气体组分和浓度很大程度地反映了变压器的热电故障程度和使用寿命，变压器油中气体分析己成为变压器内部潜伏性故障检测的有效技术手段。研究和发展变压器油中的多组分气体、在线检测技术具有重要的理论和现实意义。变压器油中溶解气体组分主要有N2、O2、H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO、CO2等气体。正常情况下油浸式电力变压器内的油和绝缘纸材料在热和电的共同作用下，会逐渐老化和分解，产生少量的低分子烃类及CO2、CO等气体。若变压器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。因此通过在线监测变压器油中气体种类及含量可以反映变压器的运行状况，及时准确地检测出电力变压器潜伏性故障。
通过实验发现，本发明的气体吸收池1通过红外光和/或近红外光的激光用于检测变压器油中溶解气体组分比如N2、O2、H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO、CO2等气体时，具有极高的检测灵敏度和可靠性，比如气体吸收池1对于上述气体的检测下限低于国家电网公司企业标准规定的最低检测限值，因此能够有效地实现在线检测，减少变压器故障的误报率。
需说明的是，在本文中的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
以上实施例仅用以说明本发明专利的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明专利进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明专利各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种用于气体检测的气体吸收池，包括：用于将光源的光进行准直的光纤准直模块，用于对准直后通过腔体气室的光进行聚焦、并使聚焦光出射的聚焦模块，位于光纤准直模块和聚焦模块之间、用于引入和排出待测气体的腔体，其中，
所述光纤准直模块包括光纤准直器、用于调节光路的精密调光结构、用于将精密调光结构与腔体一端密闭固定在一起的光纤准直模块固定端，其中光纤准直器的准直透镜端插入精密调光结构的中心通孔中并固定；
所述聚焦模块上包括聚焦透镜、用于固定聚焦透镜并且与腔体另一端密闭固定在一起的聚焦模块固定端，该聚焦透镜的光轴与腔体气室的中心轴线、光纤准直模块的光轴重合；
所述腔体的两端分别与光纤准直模块固定端和聚焦模块固定端密闭连接，腔体的中空部分是用于容纳待测气体的气室，准直后的光束通过气室传输到聚焦模块，其侧面设有进气口和出气口，并且设有连接孔用于安装至少一个传感器用来检测气室的温度和压力参数；
所述光源的光的波长范围为200-6000nm。
2.如权利要求1所述的气体吸收池，其特征在于，所述光纤准直模块还包括光纤准直模块保护壳，用来罩住光纤准直器、精密调光结构、光纤准直模块固定端，保护这些部件不受外界环境及物体的影响。
3.如权利要求2所述的气体吸收池，其特征在于，还包括用于固定所述光纤准直模块保护壳和所述腔体前端的第一支架以及用于固定所述腔体后端的第二支架，所述第一支架和第二支架一起固定、支撑整个气体吸收池。
4.如权利要求1所述的气体吸收池，其特征在于，还包括用于接入光源的入光口。
5.如权利要求4所述的气体吸收池，其特征在于，所述入光口位于第一支架上。
6.如权利要求1所述的气体吸收池，其特征在于，所述聚焦模块固定端上设置有出光口，即聚焦透镜的出射口，聚焦透镜的光轴与腔体气室的中心轴线、光纤准直模块的光轴重合。
7.如权利要求1所述的气体吸收池，其特征在于，所述光纤准直模块固定端上有中心通孔，该中心通孔中固定有斜窗片，用来减小光学标准具干扰。
8.如权利要求6所述的气体吸收池，其特征在于，所述聚焦模块固定端进一步连接光电探测模块，该光电探测模块用于接收从所述出光口出射的光、并转换为电信号。
9.如权利要求1至8中任一项所述的气体吸收池用于变压器油中溶解气体的检测的应用。
10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，所述气体选自N2、O2、H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO、CO2中的一种或两种以上。
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2017
- 2017-07-17 CN CN201710580841.8A patent/CN107167428B/zh active Active
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Also Published As
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