用于變壓器絕緣監(jiān)測(cè)的濕度檢測(cè)裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種電力變壓器絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)的濕度檢測(cè)裝置，包括變壓器油箱、油氣分離膜、滲透氣體引出室、濕度傳感元件、電容?電壓轉(zhuǎn)換電路、ATmega 128微處理器、HC?12無(wú)線通訊模塊、聲光報(bào)警器。所述濕度傳感元件以采用自組裝工藝構(gòu)筑的納米氧化鋅?氧化石墨烯復(fù)合薄膜作為濕敏傳感薄膜，制備在具有回形叉指電極的陶瓷襯底上。該系統(tǒng)將變壓器油中滲透氣體經(jīng)油氣分離膜過(guò)濾后導(dǎo)入引出室，將濕度傳感元件置于變壓器油中滲透氣體的引出室中，通過(guò)檢測(cè)濕敏薄膜的電容變化實(shí)現(xiàn)變壓器油環(huán)境的濕度檢測(cè)，具有數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示，聲光報(bào)警功能，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)及無(wú)線遠(yuǎn)程通訊。該裝置根據(jù)相應(yīng)的濕度變化判斷電力變壓器絕緣狀態(tài)及做出預(yù)警，具有抗電磁干擾、高靈敏度、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
用于變壓器絕緣監(jiān)測(cè)的濕度檢測(cè)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及一種濕度檢測(cè)裝置，具體涉及一種用于變壓器絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)的濕度檢測(cè)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]大型變壓器作為電力系統(tǒng)的樞紐設(shè)備，其安全運(yùn)行對(duì)保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定顯得尤為重要，一旦變壓器發(fā)生故障，將給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成巨大的損失。電力變壓器絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)在智能電網(wǎng)建設(shè)中備受重視。我國(guó)各發(fā)電廠和變電站中使用的電力變壓器90%為油浸式變壓器，該類變壓器的絕緣系統(tǒng)以絕緣油和絕緣紙為主，在長(zhǎng)期運(yùn)行中其濕度的變化會(huì)導(dǎo)致絕緣性能嚴(yán)重劣化，引發(fā)電力設(shè)備故障甚至發(fā)生爆炸。因此，電力變壓器絕緣油環(huán)境的濕度監(jiān)測(cè)是診斷電力變壓器故障、預(yù)防災(zāi)難性事故發(fā)生較為有效的重要手段和決策依據(jù)，對(duì)于電網(wǎng)穩(wěn)定安全運(yùn)行、提高設(shè)備利用率和降低設(shè)備檢修費(fèi)用至關(guān)重要。
[0003]濕度傳感器的濕敏元件主要有電阻式和電容式兩大類，而電容式濕度傳感器是目前商業(yè)化最為成功的一類濕度傳感器，由于其具有靈敏度高、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)。隨著MEMS加工技術(shù)的不斷成熟，用MEMS工藝加工的濕度傳感器具有體積小、成本低、功耗低、易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因此非常適合小型化、低功耗濕度傳感器。濕敏元件是濕度傳感器檢測(cè)外界環(huán)境濕度的核心元件，目前多采用高分子聚合物、陶瓷材料，金屬氧化物作為電容式濕度傳感器的濕敏材料，高分子聚合物類濕敏器件采用較為廣泛，但由于其吸濕層的耐高溫性差，這使得該類傳感器不能應(yīng)用于高溫環(huán)境，并且在高濕條件下出現(xiàn)嚴(yán)重的濕滯;半導(dǎo)體陶瓷類濕敏器件具有性能穩(wěn)定、高溫適用性、檢測(cè)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，但易受環(huán)境煙霧及有機(jī)氣體的干擾，需定期加熱已再生其濕度敏感特性;金屬氧化物濕敏器件具有耐高溫和高靈敏等特性，但只能工作需要高溫下，功耗大，壽命短等缺點(diǎn)。研制和開(kāi)發(fā)新型納米濕敏材料具有較為重要的現(xiàn)實(shí)意義，而且是濕度傳感元件發(fā)展的一個(gè)重要方向。
[0004]石墨烯，于2004年被英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈.海姆和康斯坦丁.諾沃肖洛夫成功地在實(shí)驗(yàn)中分離出，兩人因“在二維石墨烯材料的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”而共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯材料是完美的二維晶體材料，具有高的電導(dǎo)率、優(yōu)異的機(jī)械特性、大比表面積以及卓越的氣體吸附性能，顯示出在氣濕敏傳感元件上的應(yīng)用前景，其發(fā)現(xiàn)為研發(fā)新型濕敏傳感元件及系統(tǒng)提供了一種新途徑。氧化石墨烯作為石墨烯的一類重要衍生物，其基本結(jié)構(gòu)與石墨烯類似，可以看作在碳原子層以及碳原子層邊緣連接有含氧官能團(tuán)的功能化石墨烯。由于富含氧官能團(tuán)，使得氧化石墨烯不僅具有大比表面積、較好的化學(xué)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，還具有優(yōu)異的溶液分散特性和親水特性。因而相比較于石墨烯，氧化石墨烯成為一種更具潛力的濕敏材料。隨著納米復(fù)合敏感材料的發(fā)展，基于金屬氧化物-氧化石墨烯的復(fù)合敏感材料將獲得更為優(yōu)異的濕敏性能。本實(shí)用新型公開(kāi)了一種用于電力變壓器絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)的濕度檢測(cè)裝置，采用納米氧化鋅-氧化石墨烯復(fù)合薄膜作為濕敏傳感薄膜制作濕度敏感元件，具有工藝簡(jiǎn)單、抗電磁干擾、高靈敏度、穩(wěn)定可靠等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型提供一種變壓器絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)的濕度檢測(cè)裝置，包括變壓器油箱、油氣分離膜、滲透氣體引出室、濕度傳感元件、電容-電壓轉(zhuǎn)換電路、微處理器、無(wú)線通訊模塊、聲光報(bào)警器。所述濕度傳感元件以納米氧化鋅-氧化石墨烯復(fù)合薄膜作為濕敏傳感薄膜，制備在具有回形叉指電極的陶瓷襯底上，通過(guò)檢測(cè)濕敏薄膜的電容變化實(shí)現(xiàn)變壓器油環(huán)境的濕度檢測(cè)，根據(jù)相應(yīng)的濕度變化判斷電力變壓器絕緣狀態(tài)及做出預(yù)警，具有高靈敏度高、快速響應(yīng)、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。
[0006]本實(shí)用新型是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)上述目的，采用自下而上的沉積制備工藝在具有回形叉指電極的陶瓷襯底上構(gòu)筑納米氧化鋅-氧化石墨烯復(fù)合薄膜作為濕敏傳感薄膜，置于變壓器油中滲透氣體引出室中，與檢測(cè)電路和計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)及無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸，對(duì)變壓器絕緣狀態(tài)作出評(píng)估。
[0007]本實(shí)用新型所述濕度傳感元件的陶瓷襯底厚度為130微米，其上制作有回形叉指電極圖案和電極焊盤(pán)。
[0008]本實(shí)用新型所述濕度傳感元件的回形叉指電極是銅鎳復(fù)合電極，由第一電極和第二電極構(gòu)成，電極間距為25微米，厚度為15微米。
[0009]本實(shí)用新型所述濕度傳感元件的濕敏傳感薄膜厚度為0.5-0.7微米，是納米氧化鋅和氧化石墨烯構(gòu)成的層狀交替的納米薄膜。
[0010]本實(shí)用新型所述納米氧化鋅粒子帶有弱正電荷，氧化石墨稀粒子帶有弱負(fù)電荷。[0011 ]本實(shí)用新型所述納米氧化鋅采用以下方法制備:首先將6.7g硝酸鋅溶解到10mL去離子水中，并向上述溶液緩慢加入30mL氫氧化鈉溶液(3mol/L);然后將上述混合溶液攪拌l-2h后轉(zhuǎn)移到高溫反應(yīng)釜中，在160°C下反應(yīng)1h，之后自然冷卻至室溫;最后離心分離，將所得樣品依次用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌4-5次后得到納米氧化鋅溶液。
[0012]本實(shí)用新型所述納米氧化鋅-氧化石墨稀薄膜制備方法如下:首先配置3mg/mL濃度的納米氧化鋅溶液和0.4mg/mL濃度的氧化石墨烯分散液，分別在30kHz超聲波下振蕩處理40分鐘；然后，在納米氧化鋅溶液中浸泡上述具有回形叉指電極的陶瓷襯底25分鐘，取出，去離子水清洗，氮?dú)獯蹈?其次，在氧化石墨烯溶液中浸泡上述具有回形叉指電極的陶瓷襯底25分鐘，取出，去離子水清洗，氮?dú)獯蹈?上述操作重復(fù)4次，最后將制備的器件放入真空干燥箱80°C處理3.5小時(shí)，得到覆蓋有納米氧化鋅-氧化石墨烯復(fù)合薄膜的濕敏傳感元件，其中納米氧化鋅與氧化石墨稀的配比為15:2。
[0013]本實(shí)用新型所述濕度傳感元件與電容-電壓轉(zhuǎn)換電路、ATmega 128微處理器、聲光報(bào)警器、HC-12無(wú)線通訊模塊相連，具有數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示，聲光報(bào)警功能，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)及無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸。
[0014]本實(shí)用新型采用的濕敏傳感元件制備工藝簡(jiǎn)單方便，不依賴于苛刻的制備設(shè)備，成本低廉，而且具有響應(yīng)速度快，重復(fù)性和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施方式的一個(gè)示例，I為變壓器油箱，2為變壓器，3為絕緣油，4為油氣分離膜，5為變壓器油中滲透氣體引出室，6為納米氧化鋅-氧化石墨烯復(fù)合薄膜濕度傳感元件，7為電容-電壓轉(zhuǎn)換電路，8為ATmega 128微處理器，9為聲光報(bào)警器、10為HC-12無(wú)線通訊模塊，11為計(jì)算機(jī)。
[0016]圖2為本實(shí)用新型中的納米氧化鋅-氧化石墨烯復(fù)合薄膜濕度傳感元件截面示意圖，I為陶瓷襯底，2為回形叉指電極的第一電極，3為回形叉指電極的第二電極，4為納米氧化鋅-氧化石墨烯復(fù)合薄膜。
[0017]圖3為本實(shí)用新型中的納米氧化鋅-氧化石墨烯復(fù)合薄膜的掃描電子顯微鏡圖像。
[0018]圖4為本實(shí)用新型中的納米氧化鋅-氧化石墨烯復(fù)合薄膜濕度傳感元件在不同相對(duì)濕度下的電容響應(yīng)。
[0019]圖5為本實(shí)用新型中的納米氧化鋅-氧化石墨稀復(fù)合薄膜濕度傳感元件在O%、12%、23%、33%、43%、52%、67%、75%、85%、97%濕度下的電容和時(shí)間響應(yīng)曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0021]參見(jiàn)圖1，本實(shí)用新型實(shí)施例用于變壓器2絕緣油3中的濕度檢測(cè)，置于經(jīng)油氣分離膜4過(guò)濾后的變壓器油中滲透氣體引出室5中，通過(guò)檢測(cè)濕敏薄膜的電容變化實(shí)現(xiàn)變壓器油環(huán)境的濕度檢測(cè)，根據(jù)相應(yīng)的濕度變化判斷變壓器絕緣狀態(tài)，并做出預(yù)警。
[0022]參見(jiàn)圖2，本實(shí)用新型實(shí)施例設(shè)有陶瓷襯底I，回形叉指電極的第一電極2，回形叉指電極的第二電極3，納米氧化鋅-氧化石墨烯復(fù)合薄膜4。
[0023]本實(shí)用新型實(shí)施例中所述的納米氧化鋅-氧化石墨烯復(fù)合薄膜制備方法如下:首先配置3mg/mL濃度的納米氧化鋅溶液和0.4mg/mL濃度的氧化石墨稀分散液，分別在30kHz超聲波下振蕩處理40分鐘;然后，在納米氧化鋅溶液中浸泡上述具有回形叉指電極的陶瓷襯底25分鐘，取出，去離子水清洗，氮?dú)獯蹈?其次，在氧化石墨烯溶液中浸泡上述具有回形叉指電極的陶瓷襯底25分鐘，取出，去離子水清洗，氮?dú)獯蹈?上述操作重復(fù)4次，最后將制備的器件放入真空干燥箱80°C處理3.5小時(shí)，得到覆蓋有納米氧化鋅-氧化石墨烯復(fù)合薄膜的濕敏傳感元件。
[0024]圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例制備的納米氧化鋅-氧化石墨烯復(fù)合薄膜的掃描電子顯微鏡圖像。
[0025]本實(shí)用新型實(shí)施例制備的濕敏傳感元件與電容-電壓轉(zhuǎn)換電路7、ATmega128微處理器8、聲光報(bào)警器9、HC-12無(wú)線通訊模塊10、計(jì)算機(jī)11相連，具有數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示，聲光報(bào)警功能，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)及無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸。
[0026]針對(duì)測(cè)試環(huán)境相對(duì)濕度為0%-97%，測(cè)得本實(shí)用新型實(shí)施例濕度傳感元件電容值在相應(yīng)濕度環(huán)境下的變化實(shí)現(xiàn)相對(duì)濕度的檢測(cè)，如圖4所示，電容變化與相對(duì)濕度具有良好的響應(yīng)關(guān)系。
[0027]針對(duì)測(cè)試環(huán)境相對(duì)濕度分別為0%、11%、23%、33%、43%、52%、67%，75%，85%，97%，將本實(shí)用新型實(shí)施例濕度傳感元件依次放入不同的濕度環(huán)境實(shí)現(xiàn)相對(duì)濕度的檢測(cè)，具有響應(yīng)迅速，尚穩(wěn)定性，尚靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，如圖5所不。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種變壓器絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)的濕度檢測(cè)裝置，包括變壓器油箱、油氣分離膜、滲透氣體引出室、濕度傳感元件、電容-電壓轉(zhuǎn)換電路、微處理器、無(wú)線通訊模塊、聲光報(bào)警器，濕度傳感元件經(jīng)由電容-電壓轉(zhuǎn)換電路后將電壓信號(hào)傳輸給微處理器，微處理器驅(qū)動(dòng)無(wú)線通訊模塊與聲光報(bào)警器;其特征在于該濕度傳感元件以納米氧化鋅-氧化石墨稀復(fù)合薄膜作為濕敏傳感薄膜，沉積在具有回形叉指電極的陶瓷襯底上;該濕度傳感元件置于變壓器油中滲透氣體引出室中，通過(guò)檢測(cè)濕敏薄膜的電容變化實(shí)現(xiàn)變壓器油環(huán)境的濕度檢測(cè)，根據(jù)相應(yīng)的濕度變化判斷變壓器絕緣狀態(tài)，并做出預(yù)警。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濕度檢測(cè)裝置，其特征在于:所述濕度傳感元件的濕敏傳感薄膜是納米氧化鋅和氧化石墨烯構(gòu)成的層狀交替的納米薄膜，厚度為0.5-0.7微米。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濕度檢測(cè)裝置，其特征在于:所述濕度傳感元件的陶瓷襯底厚度為130微米，其上制作有回形叉指電極圖案和電極焊盤(pán)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濕度檢測(cè)裝置，其特征在于:所述濕度傳感元件的回形叉指電極是銅鎳復(fù)合電極，由第一電極和第二電極構(gòu)成，電極間距為25微米，厚度為15微米。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濕度檢測(cè)裝置，其特征在于:所述濕度傳感元件與電容-電壓轉(zhuǎn)換電路、ATmegal28微處理器、聲光報(bào)警器、HC-12無(wú)線通訊模塊、計(jì)算機(jī)相連，具有數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示，聲光報(bào)警功能，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)及無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸。
【文檔編號(hào)】G01R31/12GK205484657SQ201520916601
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2015年11月17日
【發(fā)明人】張冬至, 劉靜靜, 夏伯鍇, 廖帆, 廖一帆, 朱子蘭, 郝爽
【申請(qǐng)人】中國(guó)石油大學(xué)(華東), 中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)技術(shù)研究中心