檢測(cè)流體中的組分的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明實(shí)施例提供一種用于檢測(cè)流體中的組分的方法，所述方法包括從調(diào)制光源向腔室中的所述流體發(fā)射調(diào)制光束，其中所述流體包括液體和所述液體中的組分。所述方法包括響應(yīng)于所述發(fā)射的調(diào)制光束產(chǎn)生聲學(xué)信號(hào)，并且通過設(shè)置在所述腔室中的壓力傳感器檢測(cè)所述聲學(xué)信號(hào)。在一個(gè)實(shí)例中，所述方法還包括將所述聲學(xué)信號(hào)從所述壓力傳感器傳輸?shù)交谔幚砥鞯哪K，并且通過所述基于處理器的模塊，基于所述聲學(xué)信號(hào)確定所述流體中的組分和所述組分的濃度這兩項(xiàng)中的至少一項(xiàng)。
【專利說明】檢測(cè)流體中的組分的方法和系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及一種檢測(cè)系統(tǒng)，具體來說，涉及一種使用光聲光譜(PAS)技術(shù)測(cè)量以下項(xiàng)中的至少一項(xiàng)的檢測(cè)系統(tǒng):流體中的組分以及所述組分的濃度。

【背景技術(shù)】
[0002]電氣設(shè)備，例如變壓器，通常使用具有熱學(xué)和絕緣性質(zhì)良好的流體來將電氣設(shè)備的零件封裝在密閉殼中，以便散逸線圈產(chǎn)生的熱量。所述流體可以是油，例如蓖麻油、礦物油、氯化二苯基硅油等合成油以及類似的油。
[0003]如果電氣設(shè)備發(fā)生故障，例如變壓器的線圈故障，則可能導(dǎo)致運(yùn)行中斷。因此需要監(jiān)控電氣設(shè)備，以通過檢測(cè)早期故障來預(yù)測(cè)設(shè)備的潛在故障。監(jiān)控電氣設(shè)備的公知方法包括分析變壓器流體的多個(gè)參數(shù)。流體中存在的可燃?xì)怏w總量(TCG)已知提供有關(guān)浸入流體中的電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的信息。在一個(gè)實(shí)例中，為盡早檢測(cè)故障，分析流體中的溶解氣體。諸如一氧化碳、二氧化碳等氣體組分的存在和濃度可以指示設(shè)備的熱力老化。類似地，諸如氫氣、碳?xì)浠衔锏葰怏w組分可以指示介電擊穿等故障。
[0004]諸如氣體色譜法(GC)、光學(xué)光譜法和光聲光譜法(PAS)等用于分析溶解氣體的已知方法需要從流體中提取氣體。諸如真空提取、頂部空間提取法等已知的提取技術(shù)存在各種缺點(diǎn)，例如重現(xiàn)性問題和復(fù)雜性提高的問題。
[0005]因此，需要做出技術(shù)改進(jìn)，以便以不復(fù)雜且可重現(xiàn)的方式測(cè)量流體中的組分和所述組分的濃度這兩項(xiàng)中的至少一項(xiàng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面，公開了一種用于測(cè)量流體中的組分的系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)例中，所述系統(tǒng)包括腔室，所述腔室含有流體，所述流體包括液體以及所述流體的組分。所述系統(tǒng)還包括調(diào)制光源，用于向所述流體發(fā)射調(diào)制光束，以由于存在所述組分而產(chǎn)生聲學(xué)信號(hào)。所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括:設(shè)置在所述腔室中的壓力傳感器，用于檢測(cè)所述聲學(xué)信號(hào)；以及基于處理器的模塊，所述模塊可通信地連接到所述壓力傳感器并且配置成從所述壓力傳感器接收所述聲學(xué)信號(hào)并且基于所述聲學(xué)信號(hào)確定所述流體中的組分和所述組分的濃度這兩項(xiàng)中的至少一項(xiàng)。
[0007]根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面，公開了一種用于檢測(cè)流體中的組分的方法。所述方法包括從調(diào)制光源產(chǎn)生調(diào)制光束以及向腔室中的流體發(fā)射所述調(diào)制光束，其中所述流體包括液體以及所述液體中的組分。所述方法包括響應(yīng)于發(fā)射的調(diào)制光束，從所述腔室中的所述組分產(chǎn)生聲學(xué)信號(hào)，并且通過設(shè)置在所述腔室中的壓力傳感器檢測(cè)所述聲學(xué)信號(hào)。所述方法還包括將所述聲學(xué)信號(hào)從所述壓力傳感器傳輸?shù)交谔幚砥鞯哪K，并且通過所述基于處理器的模塊，基于所述聲學(xué)信號(hào)而確定所述流體中的組分和所述組分的濃度這兩項(xiàng)中的至少一項(xiàng)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]在參考附圖閱讀以下詳細(xì)說明后，將更好地理解本發(fā)明實(shí)施例的這些和其他特征以及方面，在附圖中，類似的符號(hào)代表所有附圖中類似的部分，其中:
[0009]圖1是根據(jù)示例性實(shí)施例監(jiān)控的電氣設(shè)施的示意圖；
[0010]圖2示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的檢測(cè)系統(tǒng)；
[0011]圖3是示意圖300，示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的壓力波前中心以及壓力傳感器的相對(duì)位置；
[0012]圖4示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的曲線圖，該圖示出了通過壓力傳感器檢測(cè)的壓力波形的變化；
[0013]圖5示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的曲線圖，該圖示出了調(diào)制光束；
[0014]圖6示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的曲線圖，該圖示出了流體中的組分的吸光率；
[0015]圖7示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的曲線圖,該圖示出了液體的吸光率；
[0016]圖8示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的曲線圖，該圖示出了分別對(duì)應(yīng)于液體以及流體組分的聲學(xué)信號(hào)；
[0017]圖9示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的曲線圖，該圖示出了與含有液體和組分的流體對(duì)應(yīng)的光聲壓力波的振幅的變化；
[0018]圖10示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的曲線圖，該圖示出了與流體中的組分對(duì)應(yīng)的光聲壓力波的振幅的變化；
[0019]圖11是根據(jù)示例性實(shí)施例的液體的吸收光譜的示意圖；
[0020]圖12是根據(jù)示例性實(shí)施例，與多個(gè)氣體組分對(duì)應(yīng)的吸收光譜的示意圖；以及
[0021]圖13是根據(jù)示例性實(shí)施例檢測(cè)溶解在液體中的組分的示例性步驟的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022]本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種使用光譜分析法檢測(cè)流體中各個(gè)組分的存在的系統(tǒng)和方法。具體來說，在特定實(shí)施例中，使用光聲光譜(PAS)技術(shù)確定液體中的溶解氣體的成分和濃度。在一個(gè)實(shí)例中，調(diào)制光源向腔室中的流體發(fā)射光束，所述光束具有第一光束波長(zhǎng)和第二光束波長(zhǎng)。設(shè)置在腔室中的壓力傳感器測(cè)量腔室中產(chǎn)生的聲學(xué)信號(hào)?？赏ㄐ诺剡B接到壓力傳感器的基于處理器的模塊接收所述聲學(xué)信號(hào)并且基于所述聲學(xué)信號(hào)確定流體中的組分和所述組分的濃度這兩項(xiàng)中的至少一項(xiàng)。
[0023]圖1示出了電氣設(shè)施100，所述電氣設(shè)施設(shè)有用于檢查本說明書中公開的設(shè)備的示例性系統(tǒng)。電氣設(shè)施100具有電氣基礎(chǔ)設(shè)施102，所述電氣基礎(chǔ)設(shè)施具有待檢查的設(shè)備104、106。在圖示的實(shí)施例中，設(shè)備104、106是變壓器。設(shè)備104通過示例性檢查系統(tǒng)108監(jiān)控，而設(shè)備106通過另一個(gè)示例性檢查系統(tǒng)110監(jiān)控。此外，移動(dòng)操作員112可以使用便攜式診斷子系統(tǒng)114來迅速準(zhǔn)確地診斷設(shè)備104、106的健康狀況。此外，電氣設(shè)施100還可以配備遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷子系統(tǒng)116，以提供連續(xù)資產(chǎn)監(jiān)控功能。在一個(gè)實(shí)例中，遠(yuǎn)程監(jiān)控包括在線故障監(jiān)控和故障趨勢(shì)分析，以預(yù)測(cè)設(shè)備104、106的故障。在本說明書中應(yīng)注意，圖示的電氣設(shè)施100不得視為限制性的。換言之，示例性檢查系統(tǒng)108、110適用于需要檢測(cè)流體中組分存在的其他應(yīng)用和設(shè)備。
[0024]圖2示出了根據(jù)示例性實(shí)施例用于檢查系統(tǒng)108、110(如圖1所示)中的至少一個(gè)檢查系統(tǒng)中的檢測(cè)系統(tǒng)200。檢測(cè)系統(tǒng)200包括調(diào)制光源202，所述調(diào)制光源用于向裝入腔室216中的流體218發(fā)射調(diào)制光束212，以產(chǎn)生“聲學(xué)信號(hào)” 224。此處所述的“聲學(xué)信號(hào)”224涉及由調(diào)制光束212引起的流體218的溫度波動(dòng)產(chǎn)生的壓力信號(hào)。在圖示的實(shí)施例中，調(diào)制光源202包括用于產(chǎn)生光束240的光源206以及用于產(chǎn)生調(diào)制光束212的調(diào)制裝置208。在一個(gè)實(shí)施例中，光源206是激光源。在其他實(shí)施例中，光源206是寬帶光源、可調(diào)諧二極管(TD)激光源或者量子級(jí)聯(lián)激光源。
[0025]調(diào)制裝置208通過控制以下項(xiàng)中的至少一項(xiàng)來調(diào)制光束240:光束240的強(qiáng)度、光束240的波長(zhǎng)以及光源206的參數(shù)。在圖示的實(shí)施例中，調(diào)制裝置208是斬波器，所述斬波器包括帶有多個(gè)槽位232的可旋轉(zhuǎn)盤230?？尚D(zhuǎn)盤230用于產(chǎn)生光脈沖形式的調(diào)制光束212。在其他實(shí)施例中，調(diào)制裝置208用于通過其他適當(dāng)技術(shù)來調(diào)制光束240的強(qiáng)度。在一個(gè)特定實(shí)施例中，調(diào)制裝置208用于調(diào)制光束240的波長(zhǎng)。在一些實(shí)施例中，調(diào)制裝置208是光源206的一部分并且使用直接調(diào)制技術(shù)。在此類實(shí)施例中，通過改變光源206的參數(shù)來調(diào)制光束240。在一個(gè)實(shí)施例中，更改光源206的環(huán)境溫度以產(chǎn)生調(diào)制光束212。在另一個(gè)實(shí)施例中，改變光源206的輸入功率以產(chǎn)生調(diào)制光束212。調(diào)制光束212的波長(zhǎng)范圍適用于檢測(cè)流體218中的一個(gè)或多個(gè)組分的存在。
[0026]在圖示的實(shí)施例中，調(diào)制光源202包括反射器204和光源206。光源206產(chǎn)生沖擊反射器204的光束并且產(chǎn)生反射光束240。調(diào)制光源202還包括濾光器210，用于過濾對(duì)應(yīng)于所需波長(zhǎng)的光束240。在特定實(shí)施例中，濾光器210包括波長(zhǎng)不同的多個(gè)濾光器。濾光器210接收調(diào)制光束并且產(chǎn)生第一光束波長(zhǎng)213和第二光束波長(zhǎng)214。在其他實(shí)施例中，可以使用替代構(gòu)造的光學(xué)元件來產(chǎn)生調(diào)制光束212。例如，可以大致同時(shí)地使用多個(gè)濾光器210產(chǎn)生多個(gè)光束波長(zhǎng)以及/或者在不同時(shí)間使用不同濾波器產(chǎn)生不同波長(zhǎng)。
[0027]在圖示的實(shí)施例中，流體218包括溶解在液體220中的組分222。在示例性實(shí)施例中，液體220是用于待檢查設(shè)備(例如，變壓器)中的絕緣油樣本。組分222可以是諸如乙炔、氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、二氧化碳、一氧化碳、水分等氣體組分中的至少一個(gè)。在其他實(shí)施例中，流體可以是懸浮液，其中包括懸浮在液體中的組分。所述組分可以是氣體、液體或固體。基于液體220和組分類型選擇第一光束波長(zhǎng)213和第二光束波長(zhǎng)214。
[0028]在圖示的實(shí)施例中，分別基于液體220的吸收光譜以及組分222的吸收光譜確定第一光束波長(zhǎng)213和第二光束波長(zhǎng)214。在一個(gè)實(shí)施例中，第一光束波長(zhǎng)213或第二光束波長(zhǎng)214位于組分222的吸收光譜中的多個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)。在此類實(shí)施例中，第一光束波長(zhǎng)213和第二光束波長(zhǎng)214在液體220的吸收光譜中的多個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)。第一光束波長(zhǎng)213和第二光束波長(zhǎng)214以此類方式產(chǎn)生，從而產(chǎn)生聲學(xué)信號(hào)224。下文將參考后續(xù)附圖來詳細(xì)說明第一光束波長(zhǎng)213和第二光束波長(zhǎng)214的產(chǎn)生。
[0029]在本實(shí)例中，腔室216內(nèi)產(chǎn)生的聲學(xué)信號(hào)224包括由于存在液體220而產(chǎn)生的第一聲學(xué)信號(hào)234以及由于存在組分222而產(chǎn)生的第二聲學(xué)信號(hào)238。液體220從第一光束波長(zhǎng)213和第二光束波長(zhǎng)214吸收不同量的光能。由于吸收光能不同，液體220的溫度將波動(dòng)。這里提到的“第一聲學(xué)信號(hào)”234是由于液體220的溫度波動(dòng)而產(chǎn)生的壓力信號(hào)，其中所述波動(dòng)是由調(diào)制光束212產(chǎn)生的。
[0030]組分222從第一光束波長(zhǎng)213和第二光束波長(zhǎng)214吸收不同量的光能。由于吸收光能不同，組分222的溫度將波動(dòng)。“第二聲學(xué)信號(hào)”238是由于組分222的溫度波動(dòng)而產(chǎn)生的壓力信號(hào)，其中所述波動(dòng)是由調(diào)制光束212產(chǎn)生的。調(diào)制光束212的第一光束波長(zhǎng)213和第二光束波長(zhǎng)214被選用于使第一聲學(xué)信號(hào)234的振幅小于第二聲學(xué)信號(hào)238。由于存在組分222，聲學(xué)信號(hào)224大致等于第二聲學(xué)信號(hào)238。
[0031]在替代實(shí)施例中，第一聲學(xué)信號(hào)234與第二聲學(xué)信號(hào)238相當(dāng)。在這種情況下，第二聲學(xué)信號(hào)238并不約等于聲學(xué)信號(hào)224。如果能夠第一聲學(xué)信號(hào)234的估值可用，則通過用聲學(xué)信號(hào)224減去第一聲學(xué)信號(hào)234的估值來獲得第二聲學(xué)信號(hào)238的估值?？梢酝ㄟ^單獨(dú)試驗(yàn)來估計(jì)第一聲學(xué)信號(hào)234。在不例性實(shí)施例中，向液體發(fā)射第一光束波長(zhǎng)和第二光束波長(zhǎng)并且通過壓力傳感器來測(cè)量與第一聲學(xué)信號(hào)對(duì)應(yīng)的聲學(xué)信號(hào)。
[0032]壓力傳感器236設(shè)置在腔室216附近，用于檢測(cè)聲學(xué)信號(hào)224。在一個(gè)實(shí)施例中，壓力傳感器236設(shè)置在腔室216的底部。在另一個(gè)實(shí)施例中，壓力傳感器236設(shè)置在腔室216的中間。在另一個(gè)實(shí)施例中，壓力傳感器236設(shè)置在腔室216的外表面上。在不例性實(shí)施例中，設(shè)置壓力傳感器236以檢測(cè)聲學(xué)信號(hào)224的最大振幅。在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，設(shè)置壓力傳感器236以檢測(cè)高信噪比(SNR)的聲學(xué)信號(hào)224。
[0033]在一個(gè)實(shí)施例中，壓力傳感器236是壓電式壓力傳感器(piezo-based pressuresensor)。在此類實(shí)施例中，壓力傳感器236可以使用壓電效應(yīng)或壓阻效應(yīng)來檢測(cè)聲學(xué)信號(hào)224。在特定其他實(shí)施例中，壓力傳感器236可以是懸臂式壓力傳感器、擴(kuò)音器、水聽器、基于電容的傳感器、基于磁性流體的傳感器或者基于薄膜的壓力傳感器。
[0034]基于處理器的模塊228可通信地連接到壓力傳感器236并且配置成從壓力傳感器236接收聲學(xué)信號(hào)224?；谔幚砥鞯哪K228進(jìn)一步配置成基于聲學(xué)信號(hào)224的振幅、頻率和相位信息中的至少一個(gè)確定流體218中的組分和組分222的濃度這兩項(xiàng)中的至少一項(xiàng)。
[0035]基于處理器的模塊228可以包括控制器、通用處理器、多核心處理器或者嵌入式系統(tǒng)、基于處理器的模塊228可以通過諸如鍵盤或控制板等輸入裝置從用戶接收額外的輸入。基于處理器的模塊228還能夠可通信地連接到存儲(chǔ)模塊，例如隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、閃存或其他類型的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。此類存儲(chǔ)模塊可以使用程序編碼，以指示基于處理器的模塊228執(zhí)行一系列步驟來確定組分和組分222的濃度這兩項(xiàng)中的至少一項(xiàng)。在特定實(shí)施例中，示例性檢測(cè)系統(tǒng)200的所有部件可以用作與檢查系統(tǒng)108、110 (如圖1所示)一體成形的單個(gè)獨(dú)立模塊。
[0036]圖3示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的壓力波前中心以及壓力傳感器的相對(duì)位置。在圖示的實(shí)施例中，矩形302表示腔室，而點(diǎn)304表示向腔室中的流體發(fā)射調(diào)制光束的腔室中的位置。腔室中的流體可以具有一個(gè)或多個(gè)組分。具體來說，點(diǎn)304大致表示流體中由于發(fā)射調(diào)制光束而產(chǎn)生的壓力波前的中心。在圖示的實(shí)施例中，壓力傳感器設(shè)置在相對(duì)于矩形302的位置306中。盡管在圖示的實(shí)施例中，壓力波的中心表示為點(diǎn)304，但是在其他實(shí)施例中，通過沿直線向裝入腔室中的流體發(fā)射調(diào)制光束，還可以沿該直線產(chǎn)生壓力波。
[0037]盡管腔室302被圖示為矩形，但是具體形狀和大小取決于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)并且腔室可以是圓柱形、正方形、多邊形等。它的大小可以根據(jù)具體實(shí)施方案改變，但前提是有足夠的液體和組分來測(cè)量存在和濃度。
[0038]圖4示出了根據(jù)圖3所示的示例性實(shí)施的曲線圖400，該圖示出了壓力波前的變化。圖400的X軸402表示時(shí)間，以微秒為單位，而圖400的y軸404表示壓力，以帕斯卡為單位。波形406表示由設(shè)置在位置306中的壓力傳感器檢測(cè)的壓力波的變化。波形406標(biāo)準(zhǔn)化并且表示流體的脈沖響應(yīng)。
[0039]圖5示出了根據(jù)圖2所示的示例性實(shí)施例的圖示500，該圖示出了調(diào)制光束212的強(qiáng)度的變化。圖500的X軸502表示時(shí)間，而圖500的y軸504表示調(diào)制光束212的強(qiáng)度(輸出功率，以毫瓦為單位)。圖500不出了在第一時(shí)隙中的調(diào)制光束212的第一脈沖506以及在第二時(shí)隙中的調(diào)制光束212的第二脈沖508。第一脈沖506具有第一光束波長(zhǎng)213,而第二脈沖508具有第二光束波長(zhǎng)214。在圖示的實(shí)施例中，第一脈沖506和第二脈沖508交替產(chǎn)生。
[0040]在此應(yīng)注意，第一光束波長(zhǎng)213或第二光束波長(zhǎng)214中的一個(gè)在組分222的吸收光譜中的多個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)。因此，如果第一光束波長(zhǎng)213在組分222的吸收光譜中的多個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)，則向流體218發(fā)射第一脈沖506時(shí)，組分222吸收光能，并且當(dāng)向流體218發(fā)射第二脈沖508時(shí)，組分222不吸收光能。如果第二光束波長(zhǎng)214在組分222的吸收光譜中的多個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)，則當(dāng)向流體218發(fā)射第二脈沖508時(shí)，組分222吸收光能，并且當(dāng)向流體218發(fā)射第一脈沖506時(shí)，組分222不吸收光能。第一光束波長(zhǎng)213和第二光束波長(zhǎng)214均在液體220的吸收光譜中的多個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)。當(dāng)向流體218發(fā)射第一脈沖506或第二脈沖508時(shí)，液體220吸收相同量或大致相同量的光能。在另一個(gè)實(shí)施例中，第一光束波長(zhǎng)213和第二光束波長(zhǎng)214均在組分222的吸收光譜中的多個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)。當(dāng)向流體218發(fā)射第一光束波長(zhǎng)213時(shí)，組分222吸收第一光能量，并且向流體218發(fā)射第二光束波長(zhǎng)214時(shí)，所述組分吸收第二光能量，其中所述第二光能量與第一光能量不同。
[0041]在其他實(shí)施例中，第一脈沖506和第二脈沖508可以具有不同的形狀和/或在不同時(shí)隙中發(fā)射。在特定實(shí)施例中，第一脈沖506和第二脈沖508可以具有相對(duì)于對(duì)應(yīng)時(shí)隙的不同強(qiáng)度。在一些實(shí)施例中，第一脈沖506可以在第二時(shí)隙中具有非零值，而第二脈沖508可以在第一時(shí)隙中具有非零值。第一脈沖506和第二脈沖508可以在時(shí)間上重疊。第一脈沖506和第二脈沖508可以被振幅調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制。在一些實(shí)施例中，使用諸如振幅調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制等調(diào)制技術(shù)的組合來產(chǎn)生調(diào)制光束212。在一個(gè)實(shí)施例中，分別基于第一振幅和第二振幅對(duì)第一光束波長(zhǎng)和第二光束波長(zhǎng)進(jìn)行振幅調(diào)制。第一光束波長(zhǎng)具有第一振幅并且第二光束波長(zhǎng)具有第二振幅，第二振幅與第一振幅不同。該調(diào)制技術(shù)有助于在同時(shí)發(fā)射具有第一光束波長(zhǎng)和第二光束波長(zhǎng)的調(diào)制光束時(shí)產(chǎn)生由所述組分引起的壓力波。
[0042]圖6示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的曲線圖600,該圖示出了流體中的組分的吸光率的變化。圖600的X軸602表示時(shí)間，而圖600的y軸604表示吸光率，該吸光率是指示組分吸收的輻射的比率。當(dāng)發(fā)射第一脈沖時(shí)，組分從具有第一光束波長(zhǎng)的調(diào)制光束吸收光能。當(dāng)發(fā)射第二脈沖時(shí)，組分從具有第二光束波長(zhǎng)的調(diào)制光束吸收不同量的光能。第一光束波長(zhǎng)和第二光束波長(zhǎng)中的一個(gè)具有在組分的吸收光譜內(nèi)第一吸光值616。第一光束波長(zhǎng)和第二光束波長(zhǎng)中的另一個(gè)具有在所述組分的吸收光譜內(nèi)第二吸光值618。在圖示的實(shí)施例中，曲線606表不組分的高吸光值。曲線608表不組分的低吸光值。由于當(dāng)向流體發(fā)射第一脈沖和第二脈沖時(shí)吸收的能量不同，因此組分易于發(fā)生溫度波動(dòng)。此類溫度變化將產(chǎn)生壓力波并且由于存在組分，流體中將產(chǎn)生聲學(xué)信號(hào)。
[0043]在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于第一光束波長(zhǎng)和第二光束波長(zhǎng)中的一個(gè)光束波長(zhǎng)，組分具有第一吸光值616，所述第一吸光值在所述組分的吸收光譜中的第一吸光值范圍610內(nèi)。在此類實(shí)施例中，對(duì)于第一光束波長(zhǎng)和第二光束波長(zhǎng)中的另一個(gè)光束波長(zhǎng)，所述組分具有第二吸光值618，所述第二吸光值在所述組分的吸收光譜中的第二吸光值范圍612內(nèi)。在此應(yīng)注意，第二范圍612與第一范圍610不同。第一范圍610對(duì)應(yīng)于曲線606的高吸光值，而第二范圍612對(duì)應(yīng)于曲線608的低吸光值。第一范圍610與第二范圍612之間的間隔614由于向流體發(fā)射調(diào)制光束而產(chǎn)生組分的溫度波動(dòng)。
[0044]圖7示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的曲線圖700，該圖示出了流體中的液體的吸光率的變化。圖700的X軸702表示時(shí)間，而圖700的y軸704表示吸光率。當(dāng)發(fā)射第一脈沖時(shí)，所述液體從具有第一光束波長(zhǎng)的調(diào)制光束吸收能量。曲線706表不第一脈沖期間的液體的高吸光值。當(dāng)發(fā)射第二脈沖時(shí)，所述液體從具有第二光束波長(zhǎng)的調(diào)制光束吸收相同量或大致相同量的能量。曲線708表示發(fā)射第二脈沖時(shí)的液體的高吸光值。
[0045]第一光束波長(zhǎng)和第二光束波長(zhǎng)均具有在液體吸收光譜內(nèi)的多個(gè)吸光值。對(duì)于第一光束波長(zhǎng)和第二光束波長(zhǎng)中的一個(gè)光束波長(zhǎng)，所述多個(gè)吸光值包括第三吸光值712。對(duì)于第一光束波長(zhǎng)和第二光束波長(zhǎng)中的另一個(gè)光束波長(zhǎng)，所述多個(gè)吸光值進(jìn)一步包括第四吸光值714。當(dāng)?shù)谌庵?12與第四吸光值714完全相同時(shí)，液體溫度不改變并且由于存在液體而不產(chǎn)生任何聲學(xué)信號(hào)。當(dāng)?shù)谌庵?12與第四吸光值714大致相同時(shí)，液體溫度略微改變，并且由于存在液體220而產(chǎn)生聲學(xué)信號(hào),該聲學(xué)信號(hào)的幅度相對(duì)小于由于存在所述組分而產(chǎn)生的聲學(xué)信號(hào)的幅度。
[0046]在一些實(shí)施例中，第一光束波長(zhǎng)和第二光束波長(zhǎng)具有多個(gè)吸光值，所述多個(gè)吸光值在液體吸收光譜內(nèi)的吸光值范圍710內(nèi)。第三吸光值712和第四吸光值714包括在吸光值范圍710內(nèi)。液體吸收的能量變化將導(dǎo)致液體溫度波動(dòng)，從而由于存在液體而產(chǎn)生聲學(xué)信號(hào)。液體溫度變化取決于范圍710。應(yīng)注意，由于存在液體而產(chǎn)生的溫度變化幅度小于由于存在組分222而產(chǎn)生的溫度變化幅度。在一個(gè)實(shí)施例中，第一聲學(xué)信號(hào)234(如圖2所/Jn )至少比第二聲學(xué)信號(hào)238 (如圖2所不)小60dB。在其他實(shí)施例中，第一聲學(xué)信號(hào)小于第二聲學(xué)信號(hào)的幅度在40到10dB的范圍內(nèi)。在替代實(shí)施例中，液體220的溫度變化與組分222的溫度變化類似。在此類實(shí)施例中，第一聲學(xué)信號(hào)234和第二聲學(xué)信號(hào)238具有類似的值。
[0047]圖8示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的曲線圖800，該圖示出了由于存在流體中的液體而產(chǎn)生的聲學(xué)信號(hào)。圖800的X軸802表示時(shí)間，以毫秒為單位，而圖800的y軸804表示聲學(xué)信號(hào)的壓力值。直線806表不由于存在液體而產(chǎn)生的聲學(xué)信號(hào)，而曲線808表不由于存在流體中的組分而產(chǎn)生的聲學(xué)信號(hào)。曲線806表不由于存在液體而產(chǎn)生的聲學(xué)信號(hào)響應(yīng)無(wú)關(guān)緊要。
[0048]圖9示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的曲線圖900，該圖示出了由于存在液體和組分而在流體中產(chǎn)生的光聲壓力波的振幅變化。在圖900中，X軸902表示組分的濃度，以PPm(百萬(wàn)分率)為單位，而y軸904表示峰值壓力，以帕斯卡為單位。曲線906表示產(chǎn)生的光聲壓力波的振幅。應(yīng)注意，在圖示的實(shí)施例中，根據(jù)接下來的圖10所示的實(shí)施例，由于存在液體而產(chǎn)生的壓力振幅值4.7X 15Pa大于由于存在組分而產(chǎn)生的光聲壓力波的振幅。
[0049]圖10示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的曲線圖1000，該圖示出了由于存在流體中的組分而產(chǎn)生的光聲壓力波的振幅變化。在圖1000中，X軸1002表示濃度，以ppm(百萬(wàn)分率)為單位，而y軸1004表示峰值壓力，以帕斯卡為單位。曲線1006表示由于存在組分而產(chǎn)生的光聲壓力波的振幅。在圖示的實(shí)施例中，與曲線1006對(duì)應(yīng)的壓力振幅在OPa到12Pa的范圍內(nèi)，相對(duì)于參考圖9所述的液體的壓力振幅值而言，該值非常小。
[0050]圖11示出了根據(jù)示例性實(shí)施例的曲線圖1100，該圖示出了與變壓器系統(tǒng)的絕緣油(路徑長(zhǎng)度為0.5mm)對(duì)應(yīng)的吸收光譜。圖1100的x軸1102表示波數(shù)(用cm—1表示)，而圖1100的y軸1104表示吸光率，用吸光值的百分?jǐn)?shù)表示。曲線1106表示絕緣油的吸收光譜，其在波數(shù)2000cm-1和3500cm-1處的最小吸光值為約50%，分別用數(shù)字1108、1110表不。在圖不的實(shí)施例中，第一吸光值1112和第二吸光值1114相同。
[0051]圖12是根據(jù)示例性實(shí)施例，與多個(gè)氣體組分(500ppm和Imm路徑長(zhǎng)度)對(duì)應(yīng)的吸收光譜的示意圖1200。圖1200的X軸1202表示波數(shù)(用cnT1表示)，而圖1200的y軸1204表不吸光率,用吸光值的百分?jǐn)?shù)表不。曲線1206表不二氧化碳的吸收光譜，曲線1208表示甲烷的吸收光譜，而曲線1210表示乙炔的吸收光譜。在圖1200中，乙炔呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)于波數(shù)33000^1的吸光值峰值0.05%，用參考數(shù)字1212表示，甲烷呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)于波數(shù)βΟΟΟαιΓ1的吸光值峰值0.2%，用參考數(shù)字1214表示，而二氧化碳呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)于波數(shù)2300(3!^1的吸光值峰值1.4% (圖中未圖示)。在圖示的實(shí)施例中，第三吸光值1214和第四吸光值1216在甲烷的吸收光譜內(nèi)。第三吸光值1214相對(duì)高于第四吸光值1216。對(duì)應(yīng)于圖12中所示的氣體組分的吸光值峰值小于同一波長(zhǎng)范圍中的絕緣油的吸光值。應(yīng)注意，中所述的多個(gè)實(shí)施例中的所有值不得視作對(duì)本發(fā)明的限制。
[0052]圖13是根據(jù)示例性實(shí)施例檢測(cè)溶解在液體中的A組分的方法的示例性步驟的流程圖1300。該方法包括通過調(diào)制光源發(fā)出的光束的強(qiáng)度和波長(zhǎng)中的至少一個(gè)來產(chǎn)生1302調(diào)制光束。向腔室中的流體發(fā)射1304調(diào)制光束。該流體包括液體和液體中的組分。在一個(gè)實(shí)施例中，該流體包括溶解在液體中的組分。在另一個(gè)實(shí)施例中，該流體可以是懸浮液，其中包括懸浮在液體中的組分。在一個(gè)實(shí)施例中，多種組分溶解或懸浮在液體中。發(fā)射的調(diào)制光束具有第一光束波長(zhǎng)和第二光束波長(zhǎng)。
[0053]向流體發(fā)射具有第一光束波長(zhǎng)和第二光束波長(zhǎng)的調(diào)制光束，以便液體連續(xù)吸收1306光能并且所述組分間歇地吸收1308光能。第一光束波長(zhǎng)和第二光束波長(zhǎng)中的一個(gè)光束波長(zhǎng)在組分的光譜吸收范圍內(nèi)，而第一光束波長(zhǎng)和第二光束波長(zhǎng)中的另一個(gè)光束波長(zhǎng)不在組分的光譜吸收范圍內(nèi)。
[0054]但是，第一光束波長(zhǎng)和第二光束波長(zhǎng)均在液體的光譜吸收范圍內(nèi)。當(dāng)發(fā)射調(diào)制光束時(shí)，流體溫度由于存在組分而改變，從而產(chǎn)生1310聲學(xué)信號(hào)。液體從具有第一光束波長(zhǎng)和第二光束波長(zhǎng)的調(diào)制光束吸收能量。液體溫度不改變，因此不會(huì)由于存在液體而產(chǎn)生任何聲學(xué)信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，第一光束波長(zhǎng)和第二光束波長(zhǎng)可以交替發(fā)射。在替代實(shí)施例中，第一光束波長(zhǎng)和第二光束波長(zhǎng)經(jīng)過振幅調(diào)制并且在時(shí)間上重疊。在組分的吸收光譜中，基于第一吸光值范圍內(nèi)的第一吸光值與第二吸光值范圍內(nèi)的第二吸光值的差異而從組分產(chǎn)生聲學(xué)信號(hào)。
[0055]所述聲學(xué)信號(hào)可以包括光信號(hào)、電信號(hào)和壓力信號(hào)中的一種信號(hào)，具體取決于所用的壓力傳感器的類型。隨后將產(chǎn)生的聲學(xué)信號(hào)傳輸1312到基于處理器的模塊?；谔幚砥鞯哪K測(cè)量1314接收的聲學(xué)信號(hào)的振幅值。在一個(gè)實(shí)施例中，接收的聲學(xué)信號(hào)的測(cè)量振幅值可以是聲學(xué)信號(hào)的峰值。在另一個(gè)實(shí)施例中，基于聲學(xué)信號(hào)的幅度和相位確定聲學(xué)信號(hào)的振幅。在示例性實(shí)施例中，使用同步解調(diào)技術(shù)測(cè)量聲學(xué)信號(hào)的振幅。
[0056]基于處理器的模塊基于調(diào)制光束的波長(zhǎng)范圍確定1316組分類型。在一些實(shí)施例中，可以使用查詢表來確定組分類型，所述查詢表中包含與氣體組分及其對(duì)應(yīng)吸收光譜范圍對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。在一個(gè)實(shí)例中，如果調(diào)制光束的第一光束波長(zhǎng)和第二光束波長(zhǎng)中的一個(gè)光束波長(zhǎng)與2200CHT1到2400CHT1范圍內(nèi)的波數(shù)對(duì)應(yīng)，則所述基于處理器的模塊確定所述組分為二氧化碳。在另一個(gè)實(shí)例中，如果調(diào)制光束的第一光束波長(zhǎng)和第二光束波長(zhǎng)中的一個(gè)光束波長(zhǎng)與2900CHT1到3100CHT1范圍內(nèi)的波數(shù)對(duì)應(yīng)，則該組分被檢測(cè)為甲烷。在另一個(gè)實(shí)例中，如果調(diào)制光束的第一光束波長(zhǎng)和第二光束波長(zhǎng)中的一個(gè)光束波長(zhǎng)與3200cm-1到3400cm-1范圍內(nèi)的波數(shù)對(duì)應(yīng)，則該組分被檢測(cè)為乙炔。在一個(gè)實(shí)施例中，可以使用預(yù)定校準(zhǔn)圖表，基于測(cè)量振幅確定1318組分的濃度。在特定實(shí)施例中，可以基于傳遞函數(shù)確定該校準(zhǔn)圖表。在另一個(gè)實(shí)施例中，可以基于模擬結(jié)果確定該校準(zhǔn)圖表。該校準(zhǔn)圖表可以是查詢表，其中包括與每個(gè)組分對(duì)應(yīng)的振幅值范圍的濃度值數(shù)據(jù)。
[0057]根據(jù)一個(gè)實(shí)例，可以重復(fù)執(zhí)行所述過程，以在檢測(cè)組分的存在和/或濃度之后重復(fù)此過程但是用不同的光束波長(zhǎng)，例如，通過改變圖2中所示的濾波器。通過這種方式，檢測(cè)樣本流體中的其他組分的存在和/或濃度。
[0058]本說明書中所述的示例性檢查系統(tǒng)和方法能夠使用光聲光譜(PAS)確定流體中的組分和所述組分的濃度這兩項(xiàng)中的至少一項(xiàng)。所述示例性技術(shù)包括檢測(cè)與所述組分對(duì)應(yīng)的小振幅光聲壓力波以及消除或大幅減小傳統(tǒng)PAS中由于存在液體而可能產(chǎn)生的大振幅聲學(xué)信號(hào)。例如在電力變壓器系統(tǒng)中，可以使用所述示例性技術(shù)來分析溶解氣體而不從絕緣油中提取氣體。
[0059]應(yīng)理解，無(wú)需根據(jù)任意特定實(shí)施例來實(shí)現(xiàn)上述所有此類目標(biāo)或優(yōu)點(diǎn)。因此，例如，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，本說明書所描述的系統(tǒng)和技術(shù)可以按照實(shí)現(xiàn)或改進(jìn)本說明書所教示的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)或一組優(yōu)點(diǎn)的方式來實(shí)施或執(zhí)行，而不必實(shí)現(xiàn)可能由本說明書所教示或建議的其他目標(biāo)或優(yōu)點(diǎn)。
[0060]盡管僅結(jié)合有限數(shù)量的實(shí)施例來詳細(xì)描述所述技術(shù)，但可以輕易地了解到，本發(fā)明不限于此類公開的實(shí)施例。相反，可以修改所述技術(shù)以包括本說明書中未描述但與權(quán)利要求書的精神和范圍一致的任意數(shù)量的變型、改變、替代或等效布置。此外，盡管已描述了所述技術(shù)的多個(gè)實(shí)施例，但應(yīng)了解，本發(fā)明的各個(gè)方面可以只包括所述實(shí)施例中的一些實(shí)施例。因此，本發(fā)明不視作受前述說明限制，而是僅受限于隨附的權(quán)利要求書的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種系統(tǒng)，包括: 腔室，所述腔室含有流體，所述流體包括液體和所述流體中的組分； 調(diào)制光源，用于向所述流體發(fā)射調(diào)制光束，以由于所述組分的存在而產(chǎn)生聲學(xué)信號(hào)；設(shè)置在所述腔室附近的壓力傳感器，用于檢測(cè)所述聲學(xué)信號(hào)；以及基于處理器的模塊，所述模塊可通信地連接到所述壓力傳感器并且配置成從所述壓力傳感器接收所述聲學(xué)信號(hào)且基于所述聲學(xué)信號(hào)確定所述流體中的所述組分和所述組分的濃度這兩項(xiàng)中的至少一項(xiàng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述組分是氣體組分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述氣體組分包括乙炔、氫氣、甲烷、乙烷、乙烯、二氧化碳、水分、一氧化碳以及其組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述調(diào)制光源包括激光源和調(diào)制裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述調(diào)制裝置從所述激光源接收光束、調(diào)制所述光束并且產(chǎn)生所述調(diào)制光束，所述調(diào)制光束具有第一光束波長(zhǎng)和第二光束波長(zhǎng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述調(diào)制裝置調(diào)制以下項(xiàng)中的至少一項(xiàng):所述光束的振幅、頻率和相位。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述第一光束波長(zhǎng)和所述第二光束波長(zhǎng)交替產(chǎn)生。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng),其中所述第一光束波長(zhǎng)和所述第二光束波長(zhǎng)中的一個(gè)光束波長(zhǎng)具有第一吸光值，所述第一吸光值在所述組分的吸收光譜中的第一吸光值范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng),其中所述第一光束波長(zhǎng)和所述第二光束波長(zhǎng)中的另一個(gè)光束波長(zhǎng)具有第二吸光值，所述第二吸光值在所述組分的所述吸收光譜中的第二吸光值范圍內(nèi)，其中所述第二吸光值范圍與所述第一吸光值范圍不同。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述第一光束波長(zhǎng)和所述第二光束波長(zhǎng)均具有多個(gè)吸光值，所述多個(gè)吸光值在所述液體的吸收光譜中的吸光值范圍內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述壓力傳感器是以下項(xiàng)中的至少一項(xiàng):壓電式傳感器、懸臂式傳感器、擴(kuò)音器、水聽器、基于電容的傳感器以及基于薄膜的傳感器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述調(diào)制光源包括光源、至少一個(gè)濾波器以及調(diào)制裝置，用于控制以下項(xiàng)中的至少一項(xiàng):從所述光源產(chǎn)生的光束的強(qiáng)度、所述光束的波長(zhǎng)以及所述光源的參數(shù)。
13.—種方法,包括: 從調(diào)制光源向腔室中的流體發(fā)射調(diào)制光束，其中所述流體包括液體和所述液體中的組分； 響應(yīng)于發(fā)射的調(diào)制光束，從所述腔室中的所述組分產(chǎn)生聲學(xué)信號(hào)； 通過設(shè)置在所述腔室中的壓力傳感器檢測(cè)所述聲學(xué)信號(hào)； 將所述聲學(xué)信號(hào)從所述壓力傳感器傳輸?shù)交谔幚砥鞯哪K；以及通過所述基于處理器的模塊，基于所述聲學(xué)信號(hào)確定所述流體中的所述組分和所述組分的濃度這兩項(xiàng)中的至少一項(xiàng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述調(diào)制光束具有第一光束波長(zhǎng)和第二光束波長(zhǎng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述發(fā)射包括通過調(diào)制裝置調(diào)制光束以交替發(fā)射所述第一光束波長(zhǎng)和所述第二光束波長(zhǎng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括通過至少一個(gè)濾光器從所述調(diào)制光束產(chǎn)生所述第一光束波長(zhǎng)和所述第二光束波長(zhǎng)。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述產(chǎn)生聲學(xué)信號(hào)包括在所述組分的吸收光譜中，基于第一吸光值范圍內(nèi)的第一吸光值與第二吸光值范圍內(nèi)的第二吸光值之間的差異而從所述組分產(chǎn)生所述聲學(xué)信號(hào)。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述發(fā)射調(diào)制光束包括通過調(diào)制裝置調(diào)制光束的振幅。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述發(fā)射調(diào)制光束包括通過改變施加到激光源的功率或者所述激光源的環(huán)境溫度來調(diào)制激光束。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述確定所述流體中的所述組分和所述組分的濃度這兩項(xiàng)中的至少一項(xiàng)包括測(cè)量所述聲學(xué)信號(hào)的振幅。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述確定所述流體中的所述組分和所述組分的濃度這兩項(xiàng)中的至少一項(xiàng)包括基于所測(cè)量的振幅而測(cè)量所述組分的所述濃度。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述確定所述流體中的所述組分和所述組分的濃度這兩項(xiàng)中的至少一項(xiàng)包括使用同步解調(diào)技術(shù)來測(cè)量所述聲學(xué)信號(hào)的所述振幅。
23.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述確定所述流體中的所述組分和所述組分的濃度這兩項(xiàng)中的至少一項(xiàng)進(jìn)一步包括基于所述調(diào)制光束的波長(zhǎng)范圍識(shí)別所述組分。
【文檔編號(hào)】G01N21/39GK104422668SQ201410437500
【公開日】2015年3月18日 申請(qǐng)日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月29日
【發(fā)明者】S.梅蒂, N.卡伍里塞圖瑪哈文, N.喬扈里 申請(qǐng)人:通用電氣公司