用于确定氢的光学感测系统技术方案

一种用于感测在流体中的氢的光学感测系统，其包括：包括第一光纤的第一光学传感器，其中第一光纤的端部部分在垂直于第一光纤的纵向轴线的端部表面上涂覆有第一氢敏感多层，第一多层适于依赖于在流体中的氢分压并依赖于流体的温度利用已知第一特性改变其光学性质；包括第二光纤的第二光学传感器，其中第二光纤的端部部分在垂直于第二光纤的纵向轴线的端部表面上涂覆有第二氢敏感多层，第二多层适于依赖于在流体中的氢分压并依赖于流体的温度利用不同于第一特性的已知第二特性改变其光学性质；至少一个光源，其适用于将光耦合到第一光纤和第二光纤中；至少一个光检测器，其适用于检测由第一多层和第二多层反射的光；控制单元，其适用于通过使用第一特性和第二特性以及至少一个光检测器的输出信号计算在流体中的氢分压。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于确定氢的光学感测系统
本公开的方面涉及用于流体中的氢的光学感测系统，并涉及包括这种感测系统的电力装置。尤其，所述方面涉及用于感测在填充液体的电力设备中的氢的光学感测系统，且更具体而言涉及具有这种用于氢的光学感测系统的填充油的电力变压器。
技术介绍
填充绝缘液体的电力设备，诸如填充油的并联电抗器、套管且特别是变压器诸如功率和配电变压器，填充有绝缘液体，尤其是油，用于冷却和电绝缘目的。电力设备内的故障以及绝缘液体和其它绝缘构件诸如在电力设备内提供的绝缘纸的劣化可形成主要溶解在液体中的分解气体。这对于采用矿物油和来自天然来源的油二者的设备来说是有效的。及早检测这种故障、错误和劣化是重要的，因为尤其变压器是电网的重要构件，且它们的失效的成本可非常高。因此，变压器应当连续并尽可能无错误地运行多年或甚至几十年。分解气体的量和组成依赖于下面的缺陷：能量含量高的大故障，诸如快速过热或产生电弧，导致在短期的时间内生产大量的气体，而由小故障产生的气体量可相对较少。而且，溶解的不同气体的相对浓度可指示故障的具体类型。因而，如果已知在绝缘液体中溶解的单独的气体的属性和量，那么在油中发生的特定气体的浓度变化可用来识别在设备中的电力故障。已知用于在油绝缘的变压器中的电力失效的最重要的指标之一为在油中出现溶解的氢气体，其例如通过油的热解或电解而在变压器的绕组的绝缘部的故障部分处产生。为此，期望的是，可通过识别氢浓度的上升而尽可能早地检测到可最终导致变压器完全失效的这种错误。理想情况下，在严重的且成本可能高的故障发生之前，在仍可采取适当的对策的阶段，这是可能的。在这种电力故障的非常早期的阶段，可产生仅很少量的氢气体，其溶解在油中并因而在较长的时间段内所溶解的氢的浓度在油中上升——由此至少在失效的早期阶段期间，油中的氢浓度可甚至低于可用大多数已知的检测方法检测到氢所处的阈值。电网中的大多数现代的电力变压器仍未针对这种气体配备有在线或实时监测装置。为了控制和估计这些变压器的健康状况，定期从绝缘油槽中获取油样并将其送到合格的实验室，在实验室，测量溶解的气体和其它油的性质。该监测方法费时，缺乏连续性，具有人为错误的风险且价格昂贵。即使较频繁地执行该成本高的方法，在过程中仍存在若干可能的错误来源，例如在当探测器被抽出的时间点和当在实验室中实际确定气体含量的时刻之间的运输期间，探测器的化学和物理性质改变。而且，该方法不提供关于在变压器中何处发生故障的任何信息。因而，尽管该方法仍被广泛地使用，但在这里其将不再有意义。另一方面，在在线的方法中，直接并(准)连续地监测在绝缘液体中的气体浓度。为此，存在用于测量在变压器油中的氢的监测系统，其有时是内置的。这些系统基于不同的感测技术。它们包括例如半导体传感器、导热率分析仪、催化燃烧传感器(pellistor)和燃料电池传感器等等。这些感测技术通常需要复杂的气体分离系统，这增加了传感器设计和校准的复杂性和成本。因而，这些装置大体上是麻烦且昂贵的。此外，这些监测技术中的一些受到对油中存在的其它气体的交叉敏感性的影响，这另外使结果不太可靠。因此，甚至是先进的变压器，即，那些配备有专用的在线气体监测系统的变压器，常常仍另外并定期地用昂贵的实验室测试进行校验，以进一步保证在线监测系统的准确性。对于这种包括基于薄膜的光纤传感器的在线氢监测装置已存在很多提议，其中感测材料在暴露于溶解在油中的氢时改变其光学性质。在WO2007049965A1中，一种用于检测氢气体的这种系统被描述为光学切换装置。在由T.Mak,R.J,Westerwaal,M.Slaman,H.Schreuders,A.W.vanVugt,M.Victoria,C.Boelsma,B.Dam发表的“用于连续监测在油中的氢的光纤传感器”(传感器和促动器B190(2014)982–989)中提供另一提议。由此，所提议的光学传感器包括敏感膜，敏感膜包括例如由含Pd层覆盖的Mg和Ti的合金。对于氢的检测，可使用金属氢化物薄膜，因为它们在暴露于氢时改变它们的光学(还有电学)性质。这种基于膜的氢传感器的动力学和热力学特性是依赖于温度的，且基于该概念的传感器需要传感器的温度信息以便正确地确定氢浓度。对此的解决方案典型地为提供添加至感测装置的标准温度传感器。然而，温度传感器为增加产品的复杂性和成本的附加装置，而且它们对在变压器内部通常存在的磁场敏感，从而可能导致错误的氢读数。因此，在诸如在变压器中存在磁场的情况下，其中光纤传感器本身的薄膜结构的一部分被用于确定温度的解决方案是优选的。针对这一点的现有技术的解决方案为添加另外的薄层，其被用来使用物理原理确定温度，如例如传感器本身的干涉和膨胀/收缩。这种传感器描述于文章“一种具有作为温度指示器的环氧胶隔膜的光纤温度传感器”(S.Tao,A.Jayaprakash,传感器和促动器B119(2006)615–620)中。它涉及用于监测/检测环境温度的光纤温度传感器。该传感器基于作为温度指示器的多环芳烃化合物(PAH)，当用紫外光激励多环芳烃化合物(PAH)时，其发荧光，其中荧光强度依赖于温度。然后该添加的荧光层的与温度有关的行为可用来确定温度，随后这可被用于根据实际薄膜光学氢传感器的信号确定氢浓度。相关的原理被描述于“使用硅薄膜的反射式光纤温度传感器”(J.w.Berthold,S.E.Reed,R.G.Sarkis，光学工程30(5),524-528(1991))中。该方法基于从在光纤的端部上沉积的硅薄膜反射的光强度随着温度的变化。另外，“反射式光纤温度传感器”，F.Chiadini,A.Paolillo,和A.Scaglione，IEEESensorsJournal,vol.3,no.1,(2003)，描述了一种基于在短长度的光纤上用温度敏感液体代替光纤覆层的反射式光纤温度传感器。在上述概念中，作为对氢敏感层本身的补充，温度确定需要的额外的层或涂层增加了生产成本，需要用于温度确定的附加设备特征，且因而增加了在构造和生产工作的形式上的成本。而且，大体上增加了用于氢的光学感测系统的复杂性，并因此增加了失效的可能性。US2014/374578A1公开了一种用于检测和/或定量分析氢的装置，其旨在用于监测装备。该装置包括旨在配备所述装备的第一测量光纤和光学地连接至第一测量光纤的光学系统。US2015/063418A1公开了一种用于估计参数的设备，其包括构造成设置在井下位置的光纤传感器并包括构造成生成测量信号的至少一个感测位置。光源构造成发送具有一定波长的测量信号以询问感测位置并使感测位置返回指示测量参数的反射测量信号。US2009/210168A1公开了一种信号处理设备，其具有用于接收信号的输入，所述信号将来自第一和第二光学构件的响应传达至光激励件，第一和第二光学构件在光学传感器中。信号处理设备具有用于处理来自第一和第二光学构件的响应的处理实体以得到关于在光学传感器中的氢浓度的信息。鉴于以上和针对其它因素，需要本专利技术。
技术实现思路
鉴于以上，提供了一种根据权利要求1所述的光学感测系统、一种根据权利要求12所述的用于感测在流体中的氢的方法和根据权利要求14所述的用于发电、输电或配电的装置。根据第一方面，提供了一种用于感测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于感测在流体(12)中的氢的光学感测系统(10)，其适用于采用至少两个不同光学传感器(11a, 11b)的测量值，所述光学感测系统(10)包括：‑包括第一光纤(15a)的第一光学传感器(11a)，其中所述第一光纤(15a)的端部部分(18a)在垂直于所述第一光纤(15a)的纵向轴线的端部表面(17a)上涂覆有第一多层(20a)，所述第一多层(20a)适于依赖于在所述流体(12)中的氢分压并依赖于所述流体的温度，利用已知第一特性改变其光学反射率；‑包括第二光纤(15b)的第二光学传感器(11b)，其中所述第二光纤(15b)的端部部分(18b)在垂直于所述第二光纤(15b)的纵向轴线的端部表面(17b)上涂覆有第二多层(20b)，所述第二多层(20b)适于依赖于所述流体(12)中的氢分压并依赖于所述流体的温度，利用不同于所述第一特性的已知第二特性改变其光学反射率；‑至少一个光源(55)，其适用于将光耦合到所述第一光纤(15a)和所述第二光纤(15b)中,‑至少一个光检测器(58)，其适用于检测由所述第一多层(20a)反射的光和由所述第二多层(20b)反射的光，‑控制单元(70)，其可操作地耦合到所述至少一个光检测器(58)上，适用于通过使用所述第一特性和所述第二特性以及所述至少一个光检测器(58)的输出信号，计算在所述流体中的氢分压。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.05.18 EP 15167999.01.一种用于感测在流体(12)中的氢的光学感测系统(10)，其适用于采用至少两个不同光学传感器(11a,11b)的测量值，所述光学感测系统(10)包括：-包括第一光纤(15a)的第一光学传感器(11a)，其中所述第一光纤(15a)的端部部分(18a)在垂直于所述第一光纤(15a)的纵向轴线的端部表面(17a)上涂覆有第一多层(20a)，所述第一多层(20a)适于依赖于在所述流体(12)中的氢分压并依赖于所述流体的温度，利用已知第一特性改变其光学反射率；-包括第二光纤(15b)的第二光学传感器(11b)，其中所述第二光纤(15b)的端部部分(18b)在垂直于所述第二光纤(15b)的纵向轴线的端部表面(17b)上涂覆有第二多层(20b)，所述第二多层(20b)适于依赖于所述流体(12)中的氢分压并依赖于所述流体的温度，利用不同于所述第一特性的已知第二特性改变其光学反射率；-至少一个光源(55)，其适用于将光耦合到所述第一光纤(15a)和所述第二光纤(15b)中,-至少一个光检测器(58)，其适用于检测由所述第一多层(20a)反射的光和由所述第二多层(20b)反射的光，-控制单元(70)，其可操作地耦合到所述至少一个光检测器(58)上，适用于通过使用所述第一特性和所述第二特性以及所述至少一个光检测器(58)的输出信号，计算在所述流体中的氢分压。2.根据权利要求1所述的光学感测系统，其特征在于，所述第一多层(20a)包括第一感测层(24a)，且所述第二多层(20b)包括第二感测层(24b)，它们二者都是氢敏感的，且其中所述第一感测层(24a)和所述第二感测层(24b)在暴露于10°C至100°C的温度范围中的氢分压和10ppm至1000ppm的氢分压范围时，呈现针对所述感测层中的各个由温度和光学反射率的等高线的单独参数矩阵所代表的不同的光学反射率。3.根据权利要求2所述的光学感测系统，其特征在于，所述光学反射率的差异包括，在所述温度范围和所述氢分压范围上，温度和光学反射率的等高线的斜率在所述第一感测层(24a)和所述第二感测层(24b)之间相差预定的百分比，使得所述差异使控制单元(70)能够通过分别针对所述第一感测层(24a)和所述第二感测层(24b)的各个，针对氢分压、温度和光学反射率之间的关联，采用来自等高线的单独参数矩阵的查找值，来确定所述流体(12)中的氢分压。4.根据权利要求2或3所述的光学感测系统，其特征在于，所述第一光学传感器(11a)和所述第二光学传感器(11b)的温度和光学反射...

【专利技术属性】
技术研发人员：JLM范梅彻伦，R格雷茂德，RJ维斯特瓦亚尔，B达姆，
申请(专利权)人：ABB瑞士股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH