一种用于油浸式变压器氢气浓度在线监测的氢气传感器及其使用方法_2

文档序号:8429285阅读:来源:国知局
述一端穿过所述封盖并所述电缆排线与所述第一固定套管固定设置,所述氢气敏感芯片悬置于所述第一固定套管的空腔内。
[0024]优选地,所述电路模块上设有用于与其他设备连接的通讯接口。所述其他设备如计算机。
[0025]所述氢气传感器还包括设置在所述管壳的管腔内的用于保护所述氢气敏感芯片的筛网及设置在所述管壳的管腔内的用于固定所述筛网的压环,所述固定机构、筛网、压环在所述管壳的管腔内沿所述管壳的长度方向依次设置。
[0026]本发明采取的又一技术方案是:一种使用上述用于油浸式变压器氢气浓度在线监测的氢气传感器监测氢气浓度的方法,所述方法包括以下步骤:
(1)将氢气传感器的氢气敏感芯片插入变压器油中,使得所述氢气敏感芯片与所述变压器油直接接触,并控制所述氢气敏感芯片的氢气敏感元件处于恒定的工作温度;
(2)氢气传感器的电路模块将所述氢气敏感元件的电阻变化或电流-电压特性变化转化成电压、电流的模拟信号输出,所述氢气敏感元件的电阻变化、电流-电压特性曲线与所述变压器油中的氢气浓度变化成正比例关系;
(3)将所述电路模块输出的模拟信号发送至计算机,并通过换算,实时监测所述变压器油中氢气浓度及其变化速率。
[0027]由于上述技术方案的实施,本发明与现有技术相比具有如下优点:
本发明的氢气传感器采用只允许氢气分子扩散通过、抑制除氢气外的气体分子扩散通过的氢气专一性镀层技术,利用氢气专一性镀层对气体分子的选择抑制机制,消除了氢气传感器对CO、C2H2X2H4等气体的交叉敏感,提高了油中氢气的测量精度,能够准确反映变压器油中氢气浓度及变化趋势,为准确了解变压器的运行状况提供可靠依据。
[0028]本发明的氢气传感器结构简单,可直接将氢气敏感探头直接置于变压器油中,无油气分离装置和无可动部件,提高了装置运行的可靠性和稳定性。
[0029]本发明的氢气传感器将氢气敏感探头直接置于变压器油中,不需要油气分离膜对故障气体进行分离,解决了采用油气分离膜而带来的分离效率低、使用寿命短的关键问题。
[0030]本发明的氢气传感器可用于油浸式变压器油中溶解的氢和油枕故障气体中氢气的测量等,氢气浓度可测范围为10?20000ppm。
【附图说明】
[0031]图1是本发明氢气传感器的立体图;
图2是本发明氢气传感器的爆炸图;
图3是本发明氢气传感器的氢气敏感探头的爆炸图;
图4是本发明氢气传感器用于监测氢气浓度时的安装图;
图中:1、氢气传感器;2、氢气敏感探头;3、电路模块;4、电缆排线;5、氢气敏感芯片;6、管壳;7、第一固定套管;8、第二固定套管;9、密封圈;10、封盖;11、外壳;12、开口 ;13、筛网;14、压环;15、变压器;16、变压器油;17、连接线。
【具体实施方式】
[0032]下面通过具体实施例对本发明作进一步描述。
[0033]如图1~3所不,一种用于油浸式变压器氢气浓度在线监测的氢气传感器1,该氢气传感器I包括氢气敏感探头2及用于信号转换并向外输出电信号的电路模块3,氢气敏感探头2包括一端与电路模块3电气连接的电缆排线4,与电缆排线4的另一端电气连接、与变压器油直接接触的氢气敏感芯片5,氢气敏感芯片5包括基底、设置在基底上的电气绝缘层及设置在电气绝缘层上的氢气敏感元件,氢气敏感元件表面设有用于抑制除氢气外的气体分子扩散通过的氢气专一性镀层。
[0034]本例中,电缆排线4为柔性扁平电缆排线。
[0035]本例中,氢气敏感元件包括分别设置在电气绝缘层上的感测第一氢气浓度范围的第一感测元件和感测第二氢气浓度范围的第二感测元件,第一氢气浓度范围为1000?20000ppm,第二氢气浓度范围为10?lOOOppm。
[0036]第一感测元件和第二感测元件的表面分别设有氢气专一性镀层。第一感测元件为催化金属薄膜电阻,第二感测元件为催化金属薄膜MOS管,二者的材质均为钯-铬合金。
[0037]本例中,氢气专一性镀层为依次设置在氢气敏感元件表面的S12膜层和Al 20J莫层O
[0038]本发明中,氢气敏感芯片5还包括设置在电气绝缘层上的用于控制氢气敏感元件的工作温度处于恒定温度的温度控制单元。温度控制单元包括分别设置在电气绝缘层上的加热元件和温度传感元件。加热元件的材质为金。温度传感元件的材质为钼。
[0039]本例中,电气绝缘层为依次设置在基底的一面上S1J莫层和Si 3N4膜层。
[0040]该氢气传感器I还包括具有管腔的管壳6及与管壳6固定连接的具有内腔的外壳11,外壳11的内腔与管壳6的管腔连通,电路模块3和电缆排线4的一端位于外壳11的内腔内,电缆排线4的另一端通过固定机构固定设置在管壳6的管腔内,氢气敏感芯片5悬置于管壳6的管腔内。
[0041]具体地,固定机构包括具有空腔的第一固定套管7、套设在第一固定套管7外并位于第一固定套管7和管壳6之间的第二固定套管8及套设在第二固定套管8外并位于第二固定套管8和管壳6之间的密封圈9,第一固定套管7的一端设有封盖10,电缆排线4的一端穿过封盖10并电缆排线4与第一固定套管7固定设置,电缆排线4的另一端位于第一固定套管7的空腔内,氢气敏感芯片5悬置于第一固定套管7的空腔内。密封圈9的材质为耐油氟橡胶。第一固定套管7的设置封盖10是为了防止变压器油通过第一固定套管7的空腔进一步向靠近电路模块3方向流动,第一固定套管7和第二固定套管8之间的缝隙采用密封胶密封。
[0042]电路模块3上设有用于与其他设备连接的通讯接口,外壳11上开设有开口 12,通讯接口穿过开口 12与其他设备连接。其他设备可以为计算机。
[0043]氢气传感器I还包括设置在管壳6的管腔内的用于保护氢气敏感芯片5的筛网13及设置在管壳6的管腔内的用于固定筛网13的压环14,固定机构、筛网13、压环14在管壳6的管腔内沿管壳6的长度方向依次设置。
[0044]上述氢气敏感芯片5的制备方法,包括如下步骤:
(1)选择厚度为0.5mm的P型单晶Si作为基底,电阻率I?3 Ω.cm;
(2)通过热氧化法,在基底表面氧化生成S12膜层,膜厚50?lOOnm,然后在S1J莫表面通过LPCVD或者PECVD等CVD法沉积的Si3N4膜层,膜厚10?50nm,作为电气绝缘层;
(3)通过光刻技术,在电气绝缘层表面制作温度传感元件掩膜图形,选择磁控溅射或电子束蒸发淀积铂膜,膜厚50?200nm,电阻阻值在200?500 Ω,作为温度传感元件;
(4)通过光刻技术在电气绝缘层表面制作加热元件掩膜图形,选择磁控溅射或电子束蒸发淀积金膜,膜厚200?500nm,电阻阻值在10?100 Ω,作为加热元件;
(5)通过光刻技术在电气绝缘层表面制作催化金属电阻纳米薄膜的掩膜图形,选择磁控溅射双靶共溅,淀积制备钯-铬合金膜,膜厚50?lOOnm,电阻阻值在500?1000 Ω,作为检测第一氢气浓度范围的催化金属薄膜电阻;
(6)通过光刻技术在电气绝缘层表面制作MOS管的掩膜图形,磁控溅射双靶共溅,淀积制备钯-铬合金,膜厚10?20nm,形成薄膜MOS管;
(7)在基底的背面淀积Ti/Au电极,形成MOS管另一电极区域;
(8)通过光刻技术在电气绝缘层表面制作引线键合区域的掩膜图形,电极Ti/Au,形成引线键合区;
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