有机油中微量溶解气体在线检测系统及方法 技术领域 本发明涉及一种有机油中微量溶解气体在线检测系统及方法， 特别是涉及一种针 对超高压三相一体变压器油或航空发动机润滑油的在运行过程中油中溶解气体含量及变 化趋势进行在线监测和报警的高度集成的有机油中溶解气体在线检测系统和检测方法。
背景技术 许多大型设备， 如高压和超高压变压器、 航空发动机润滑等， 均采用有机油作为冷 却、 绝缘等作用。由于过热、 放电， 以及自身的烃类结构， 这些有机油会不同程度地产生可 燃气体， 如 H2、 CO、 C2H2 等溶解于油中的气体。而且， 这些气体的量和成分， 直接反映了这 些大型设备的健康状况， 例如现在比较通行的变压器故障诊断大多基于其溶解气体分析 (Dissolved Gas Analysis， DGA) 的数据， 并采用著名的三比值法进行故障判断。以往油中 微量溶解气体在线检测系统存在系统装置体积庞大、 检测油中溶解气体种类少、 油气平衡 时间长、 溶解气体分离效果欠佳、 溶解气体检测精度不足等问题。
目前普通的高分子脱气膜油气平衡时间长 ； 传统色谱系统中各气体组分分离度 小， 导致存在 O2 与 CO 气体难分离的问题 ； 对于多组分气体的检测主要用的是热导式传感 器、 氢火焰离子化传感器、 半导体传感器等。热导式传感器主要缺点是最低检测限太大， 并 且需要可燃的纯氢气作为载体， 增加应用的危险性 ； 氢火焰离子化传感器可检测的气体种 类太少 ； 半导体传感器反应时间长， 并且容易出现拖尾。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种有机油中微量溶解气体在线检测系统及 方法， 该有机油中微量溶解气体在线检测系统及方法易于实施、 不同组分气体分离度好， 检 测精度高。
本发明的技术解决方案如下 ：
一种有机油中微量溶解气体在线检测系统， 包括基于特氟隆 PTFE 快速脱气膜和 油气分离室的油气分离单元、 基于十二通阀和双色谱柱的气体检测单元以及控制单元 ；
所述的气体检测单元包括载气单元、 十二通阀、 定量管、 双色谱柱及微量可燃气体 传感器 ； 双色谱柱由第一色谱柱和第二色谱柱组成 ；
在初始状态和回流状态下， 十二通阀的第 1 接口接第二色谱柱的一端， 第二色谱 柱的另一端接十二通阀的第 6 接口， 十二通阀的第 2 接口接微量可燃气体传感器的入口， 十二通阀的第 3 接口接十二通阀的第 4 接口， 十二通阀的第 5 接口接第一色谱柱的一端， 第 一色谱柱的另一端接十二通阀的第 7 接口， 十二通阀的第 8 接口和第 11 接口分别接定量管 的两端， 十二通阀的第 9 接口和第 10 接口均接到油气分离室中的微型气室， 十二通阀的第 12 接口作为载气入口 ；
其中， 十二通阀的第 12 接口和第 1 接口、 十二通阀的第 2 接口和第 3 接口、 十二通 阀的第 4 接口和第 5 接口、 十二通阀的第 6 接口和第 7 接口、 十二通阀的第 8 接口和第 9 接口、 十二通阀的第 10 接口和第 11 接口构成十二通阀的 6 组导通接口 ；
在进样状态下， 十二通阀的外围连接关系不变， 控制单元控制十二通阀顺时针转 动 30 度角度。
所述的油气分离单元包括使用有机油进行润滑和绝缘的设备、 有机油预处理装 置、 油气分离室和油路循环缓冲机构 ；
有机油预处理装置包括三通阀和过滤网， 第一三通阀连接使用有机油进行润滑和 绝缘的设备的取油口和过滤网， 第一三通阀的另一个接口作为备用检油口 ；
油气分离室包括磁力油泵、 微型气室、 特氟隆 PTFE 快速脱气膜、 气体真空泵及止 回阀， 过滤网的输出端经第一手动阀与磁力油泵相连， 用于分离油和气的特氟隆 PTFE 快速 脱气膜设置在微型气室内 ；
微型气室指 50mL 容量的气室 ；
油路循环缓冲机构包括缓冲池和第二三通阀 ；
微型气室通过止回阀和第二手动阀接缓冲池的入口， 第二三通阀的两个接口分别 与缓冲池的出口以及使用有机油进行润滑和绝缘的设备的回油口连接， 第二三通阀的另一 个接口也作为备用检油口 ；
气体真空泵通过电动阀与定量管相接。
微量可燃气体传感器设置在受控于控制单元的工作炉中。
一种有机油中微量溶解气体在线检测方法， 采用前述的有机油中微量溶解气体在 线检测系统， 检测步骤如下 ：
步骤 1 ： 初始化步骤 ：
该步骤对应权利要求 1 中的初始状态， 载气经十二通阀的引导， 依次通入第二色 谱柱、 第一色谱柱和微量可燃气体传感器， 除去气体检测单元中残留的杂质气体 ； 同时， 利 用气体真空泵对定量管抽真空初始化 ；
步骤 2 ： 进样及检测步骤 ：
十二通阀顺时针转动 30°， H2、 O2、 CO、 CH4、 C2H2、 C2H6、 C2H4 气体进样， 载气推动样气 依次经过第一色谱柱和第二色谱柱流动， 分子量小的气体 H2、 O2、 CO 先分离出来并到达微量 可燃气体传感器， 出现图谱 ；
步骤 3 ： 回流及检测步骤 ：
当 CO 色谱峰已经出完而 CH4、 C2H2、 C2H6、 C2H4 气体峰未出现时， 十二通阀逆时针转动 30°， 切换到回流工作状态， 此时第二色谱柱倒向， 未到达微量可燃气体传感器的气体 C2H4、 C2H6、 C2H2、 CH4 在载气的带动下依次经过第二色谱柱、 第一色谱柱分离出来到达微量可燃气 体传感器， 依次出现 C2H4、 C2H6、 C2H2、 CH4 气体的色谱峰， 这样就实现了双色谱柱联用实现多 组分气体分离和检测 ；
ARM 处理器通过 A/D 转换器实时采集微量可燃气体传感器工作时的输出数据， 实 现多种气体的实时检测。
只有在初始状态和回流状态， 定量管才通过十二通阀与微型气室联通。
载气为 N2， 纯度为 99.99999％， 载气流速控制在 100mL/min。
有益效果 ：
本发明的有机油中微量溶解气体在线检测系统及方法， 能够快速达到油气分离平衡， 通过工作模式的改变实现有机油中 7 种微量溶解气体的依次分离， 且实现用单个微量 可燃气体传感器进行 7 种微量溶解气体量的检测， 并且通过高性能处理器对整个流程进行 控制、 状态检测， 并结合上位机软件进行故障诊断。
第一三通阀连接取油口， 并提供一个备用检油口， 供油的实验室色谱分析取油 ； 过 滤网过滤有机油中大颗粒固体杂质， 如油泥、 固体 X 蜡和金属颗粒等。微型磁力油泵在控 制单元的控制下以适当速度将预处理后的有机油送入微型气室 ； 气体真空泵对微型气室进 行抽真空， 使得待检测的油能够快速通过特氟隆 PTFE 脱气膜， 大大缩短了系统脱气平衡周 期； 止回阀防止待检测的油倒流。所述油路循环缓冲部分包括缓冲池和连接设备本体回油 口的三通阀， 缓冲池与手动阀及三通阀连接， 以保证高速油路循环不会对设备本体及脱气 膜造成损害。
定量管初始状态与微型气室连接， 存储分离出的有机油中溶解气体 ； 十二通阀可 工作在进样模式和回流模式， 与双色谱柱联用， 实现多组分气体依次分离 ； 微量可燃气体传 感器是基于固体氧化物燃料电池制成的传感器， 可同时检测 7 种分离的微量溶解气体。载 气单元在控制单元的控制下， 通过十二通阀工作模式的转变， 以指定的流速推动定量管中 有机油中的溶解气体进入色谱柱， 利用双色谱柱依次分离出溶解气体， 经过微量可燃气体 传感器依次检测出溶解气体图谱。 与现有油中溶解气体在线监测系统相比， 本设计的独特之处在于， 使用特氟隆 PTFE 快速脱气膜， 结构简单， 安全， 脱气速度快 ； 采用双色谱柱联用的方式， 简化了传统色 谱仪的通道数 ； 使用十二通阀配置双色谱柱分别工作在回流状态和进样状态， 能够有效解 决传统色谱系统中存在的 O2 与 CO 气体难分离的问题 ； 采用微量可燃气体传感器 ( 采用固 体氧化物燃料电池技术制造的微量可燃气体检测传感器 ) 能够同时检测有机油中的 7 种微 量溶解气体， 且检测精度高， 不同组分气体分离度好， 减少了系统中气体传感器的个数。集 成了油气分离、 气体分离检测单元和控制单元使得系统装置体积大大缩小， 且增强了系统 的稳定性， 便于安装和维护。
选用对有机油中溶解气体选择性好， 油气平衡时间短的高分子脱气膜 ； 设计微量 混合溶解气体组分分离度适当， 便于各组分气体分离的色谱系统 ； 采用对多种可燃溶解气 体选择性好， 分析精度高的传感器， 并将这些单元集成化， 减小有机油中微量溶解气体在线 检测系统的体积及重量， 提高其工作性能和稳定性， 必然成为应用的新趋势。
首先， 集成化的有机油中微量溶解气体在线检测系统其优点在于， 选用油气平衡 时间短的高分子脱气膜在油气分离上具有较高的实时性， 可满足有机油的实时脱气， 且具 有洁净、 安全和简单等优势。通过采用气体真空泵、 微型磁力油泵和微型气室， 减小油气分 离单元体积， 进一步增强膜的脱气效率和安全性， 大大缩短了系统脱气平衡周期。
其次， 集成化的有机油中微量溶解气体在线检测系统采用先进的混合溶解气体分 离设计， 减少了系统耗材的成本， 缩小了混合溶解气体分离模块的体积， 提高了系统混合溶 解气体分离的能力， 克服了以往同类系统存在的谱峰相近气体 O2 与 CO 难分离的问题。并 且可对依次分离出来的气体只用一只传感器进行多组分气体量的测量， 减少了传感器的数 量， 缩小了气体检测单元的体积。
还有， 集成化的有机油中微量溶解气体在线检测系统可以充分发挥控制单元各个 部分中央控制器的性能， 底层子模块可以采用低速的处理器， 而对油中微量溶解气体在线
检测系统流程控制的上层模块可以采用高性能的处理器， 完全发挥各自特长， 合理分配资 源， 并采用先进的集成电路设计理念， 极大的提高了集成化的有机油中微量溶解气体在线 检测系统的性价比和灵活性。
本集成发明的检测精度可以达到 0.1ppm， 高于现有同类技术所能达到的 1ppm。 附图说明 图 1 为本集成发明的集成化有机油中微量溶解气体在线监测系统的构成框图 ；
图 2 为图 1 的气体检测单元的 3 种工作状态， ( 图 2a) 为初始化状态， ( 图 2b) 为 进样状态， ( 图 2c) 为回流状态 ；
图 3 为图 1 的控制单元的构成框图 ；
附图 1 中， 右边远程控制模块实现了用户通过互联网对有机油中微量溶解气体的 远程在线监测。油循环的方向由箭头指示， 采用特氟隆 PTFE 快速脱气膜结合该油气分离装 置， 经验证， 油气分离平衡稳定时间周期可缩短至 1 小时。
附图 2 中， 十二通阀具有初始化、 进样状态和回流 3 个状态， 初始化状态下 (a)， 通 入载气可快速初始化色谱柱和微量可燃气体传感器， 进样状态下 (b) 分子量小的非烃类气 体先后通过第一色谱柱、 第二色谱柱， 并在第二色谱柱中被依次分离进入微量可燃气体传 感器， 回流状态下 (c) 第二色谱柱倒向， 增加剩余气体在色谱柱中的分离时间， 提高分离效 果， 烃类气体最终在第一色谱柱中被依次分离进入微量可燃气体传感器。 ( 具体时间在后面 的一次自动检测流程里已提到， 初始化状态下， 定量管抽真空 1min 后， 等 10s 待系统稳定， 十二通阀正转 30 度， 进样状态维持 340s， 切换到回流状态 )
附图 3 中， 控制单元按处理器不同可分为 ARM 主控模块和 MSP430 辅助控制模块， 其功能分别是对有机油中气体在线监测系统流程进行控制， 对色谱柱和微量可燃气体传感 器工作环境温度进行控制， 与上位机软件进行交互。
标号说明 ： 1-12 ： 十二通阀的 12 个端口编号 ； 21- 变压器， 22- 第一三通阀， 23- 过 滤网， 24- 第一手动阀， 25- 磁力油泵， 26- 特氟隆 PTFE 快速脱气膜， 28- 定量管， 29- 减压阀， 30- 第一电动阀， 31- 微量可燃气体传感器， 32- 第二色谱柱， 33- 第一色谱柱， 34- 第二电动 阀， 35- 微型气室， 36- 真空泵， 37- 止回阀， 38- 第二手动阀， 40- 缓冲池， 41- 第二三通阀。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明 ：
实施例 1 ：
1. 系统组成
参照附图 1， 本系统集成发明包括油气分离单元、 气体检测单元、 控制单元。 所述油 气分离单元包括有机油预处理、 油气分离室部分、 油路循环缓冲 ； 所述气体检测单元包括载 气单元、 十二通阀进样模块、 双色谱柱混合气体分离模块、 微量可燃气体传感器模块 ； 所述 控制单元包括电机控制模块、 温度控制模块、 信号采集及数据处理模块、 状态指示及故障处 理模块、 数据传输模块。
所述油气分离室部分包括微型磁力油泵、 微型气室、 特氟隆 PTFE 快速脱气膜、 止 回阀及气体真空泵 ： 微型磁力油泵在控制单元的控制下以适当速度将预处理后的有机油送入微型气室 ； 图 1 所示气体真空泵一端由电动阀控制与定量管连接， 附近交叉的管路不联 通， 对微型气室进行抽真空， 通过另一端将气体排到空气中， 通过该泵， 可使有机油能够快 速通过特氟隆 PTFE 快速脱气膜， 大大缩短了系统脱气平衡周期 ； 止回阀防止有机油倒流。 所述油路循环缓冲部分包括缓冲池和连接设备本体 ( 图 1 中为变压器本体， 或使用有机油 进行润滑和绝缘的设备 ) 回油口的三通阀 ： 缓冲池与手动阀及三通阀连接， 以保证高速油 路循环不会对设备本体及脱气膜造成损害。
所述气体检测单元包括载气单元、 十二通阀、 定量管、 双色谱柱及微量可燃气体传 感器 ： 载气单元提供高纯度 N2， 其纯度为 99.99999％， 以保证气体检测中不会混入干扰气 体； 定量管初始状态与油气分离室连接， 存储分离出的有机油中微量溶解气体 ； 十二通阀 可工作在进样模式和回流模式， 与双色谱柱联用， 实现多组分气体依次分离 ； 微量可燃气体 传感器可同时检测 7 种分离的溶解气体。载气单元在控制单元的控制下， 通过十二通阀工 作模式的转变， 以 100mL/min 的总流速推动定量管中有机油中微量溶解气体进入色谱柱， 利用双色谱柱依次分离出微量的溶解气体， 经过微量可燃气体传感器依次检测出溶解气体 图谱。
所述微型磁力油泵用来对油回路进行强制循环， 使油流速度控制在 200mL/min 内， 避免油流带电的发生。 所述气体真空泵采用德国 KNF 气体真空泵， 配合定量管， 使得在气路侧形成负压， 进一步加快脱气速度。
三通阀用来连接取油口与油路、 回油口与油路， 其阀体有三个口， 一进两出 ( 左 进， 右和下出 )， 当内部阀芯在下部时， 左右相通， 而当内部阀芯在上部时， 右出口被堵住， 左 和下部通。本集成发明中三通阀采用精密加工双层密封措施， 防止油外渗以及空气进入油 路循环。
载气选用高纯度 N2， 纯度达 99.99999％， 载气单元辅以净化干燥管、 减压阀对载气 纯度及流速进行严格控制， 压强可为 0.5 ～ 0.8MPa， 载气总流速为 100mL/min。
采用 SWAGELOK 不锈钢管道技术， 保证不影响设备本体 ( 如变压器、 航空发动机 ) 的安全运行和油路与气路的安全运行。
控制单元中电机控制模块采用电磁继电器 ( 由 ARM 处理器的 GPIO 管脚高低电平 进行控制 ) 对系统中标气通断、 标 / 样选择、 油泵频率、 气体真空泵、 定量管输入 / 输出、 十二通阀电机进行控制， 实现油中微量溶解气体的在线检测整体流程。
控制单元中温度控制模块用来控制色谱柱箱及微量可燃气体传感器的工作炉的 工作环境温度。微量可燃气体传感器在高温下才能正常工作， 而工作炉为其提供稳定的工 作环境温度。
控制单元中的信号采集及数据处理模块， 采用 A/D 技术和斜率检索法 (ITS)， 结合 数据滤波和色谱峰的基本特征， 实现色谱的自动识别与分析， 得到气体的种类和成分。
控制单元的状态指示及故障处理模块用来指示系统工作流程中出现的各种错误 并及时做出报警和处理。
控制单元的数据传输模块利用 RS485 将计算结果上传至上位机在线监测系统软 件， 并时刻等待其命令。
2. 有机油中溶解气体在线监测自动流程
以一次有机油中微量溶解气体在线检测系统采样计划为例， 假设系统在 5:00 开机。 油气分离单元一天 24 小时一直保持运行状态。附图 1 所示取油口通过三通阀连 接到油气分离单元， 用过滤网将油中的固体颗粒杂质滤去， 开启手动阀， 采用微型磁力泵油 泵强制进行油循环， 使油流速度控制在 200mL/min 内， 避免了油流带电的发生。同时通过使 用定量管气室和德国 KNF 的真空气泵在气路侧形成负压， 进一步加快了脱气的速度， 使系 统达到了 1 小时每次的脱气周期。
第 1 步， 系统初始化
以系统在上午 5:00 自启动为例。系统首先进行初始化， 包括动作十二通阀电机， 防止上次的误操作， ARM 控制板程序及外围接口的初始化， 检测色谱柱及微量可燃气体传感 器工作温度是否正常并读取温控命令及设置 ； 检测控制板， 检测 N2 有无及其气体量是否足 够， 检测环境温湿度， 检测微型磁力油泵的转动频率， 该频率过高会导致特氟隆 PTFE 快速 脱气膜受冲击过强而破裂。
第 2 步， 系统自动控制流程
若初始化后用户手动进入控制台程序， 则此时可以根据控制台的命令进行系统的 手动控制流程。若初始化后用户没有采用手动方式进入控制台程序， 则系统进入自动控制 程序。自动流程如下 ：
①系统检测用户设定的自动流程开始时间， 在等待定时达到时间段内， 若接收到 上位机在线监控软件命令则响应。 定时时间达到后， 先关闭数据接收中断， 再次进行载气有 无及其量是否足够、 微型磁力油泵的转动频率是否正常等检验， 其中任何一项检验出现问 题， 系统均会自动跳出自动流程。
②气体检测单元初始化 ： 打开 24VDC 给控制板外围供电， 利用减压阀和电动阀控 制载气流速和通断， 载气流向如图 2(a) 中箭头所示， 载气经十二通阀的引导， 依次通入第 二色谱柱， 第一色谱柱和微量可燃气体传感器， 除去了气体检测单元中残留的杂质气体 ； 同 时， 利用气体真空泵对定量管抽 13mL 真空初始化。
③温控过程 ： 等待 5min， 待系统稳定后打开 220VAC， 设置微量可燃气体传感器及 色谱柱工作环境温控并启动， 温控过程为 10min。 若启动温控后控制台程序显示温控数据返 回不正确， 则对温控系统进行复位， 若连续 3 次返回数据不正确， 则系统报警并退出自动流 程。
④定量管抽真空 ： 气体真空泵再抽真空 3mL， 将样气导入定量管， 这个阶段是抽真 空， 定量管一直是与气室连通的 ；
⑤等待基线平稳 ： 气体检测单元预热 30min， 若 ARM 主控单元计算得到后 5min 内 的油中气体色谱基线不正常， 则保存报警信息， 并从自动流程中退出。若后 5min 的基线正 常， 则抽真空 1min 对系统初始化， 等待平衡 10s。
⑥气体检测单元进样 ： 等 待 平 衡 10s 后， 十 二 通 阀 电 机 正 转 1s( 顺 时 针 转 动 30° )， 进行 H2、 O2、 CO、 CH4、 C2H2、 C2H6、 C2H4 等 7 种气体进样， 如附图 2(b)。载气以一定的流 速推动样气依次经过第一色谱柱、 第二色谱柱如 (b) 中箭头所示， 分子量小的气体 H2、 O2、 CO 先分离出来并到达微量可燃气体传感器， 出现图谱。
⑦气体检测单元回流 ： 经过 340 秒， CO 色谱峰已经出完而 CH4、 C2H2、 C2H6、 C2H4 气体
峰未出现时， 十二通阀电机反转 1s( 逆时针转动 30° )， 切换到回流工作状态如图 2(c) 所 示。此时第二色谱柱倒向， C2H4、 C2H6、 C2H2、 CH4 等未到达微量可燃气体传感器的气体在载气 的带动下依次经过第二色谱柱、 第一色谱柱分离出来到达微量可燃气体传感器， 气体流向 如图 2(c) 所示， 依次出现 C2H4、 C2H6、 C2H2、 CH4 气体的色谱峰， 这样就实现了双色谱柱联用实 现多组分气体分离。进样状态持续 340s， 回流状态持续 24min20s， 共 30min。这个过程中 A/D 一直采集微量可燃气体传感器数据并保存到 ARM 的 Flash 中供上位机在线监控软件调 用。
( 色谱柱是用于分离混合气体的， 且已经用 99.99999％的 N2 初始化， 基本保证了 不存在除油中溶解气体之外的其他气体 )
⑧系统关闭 ： 气体检测完毕后， 先关闭 220VAC， 等待 30min 让系统降温， 然后关闭 24VDC 并复位温控系统 ； 最后再次抽 13mL 真空对系统初始化， 打开 RS485 中断， 等待响应上 位机在线监控软件命令。整个自动流程所需时间约为 2 小时。