分析气体混合物的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本申请题为“分析气体混合物的方法和系统”。呈现系统。该系统包括：用气体混合物填充的吸收池；镜兼窗口，其包括充当第一镜的第一部分和充当第一窗口的第二部分；第二镜；多个辐射源，用于产生多个光束，其通过第一窗口被引导到吸收池内、接着该多个光束在第一镜与第二镜之间反射来照射气体混合物，从而导致产生通过第二窗口传出吸收池的多个传送光束；检测器，其检测多个传送光束的至少一个特性，从而导致产生一个或多个响应信号；和处理子系统，其至少基于该一个或多个响应信号来分析气体混合物。
【专利说明】
分析气体混合物的方法和系统
技术领域
[0001]本文公开的主题涉及使用光谱技术的溶解气体分析。具体地，主题涉及使用波长调制光谱技术来准确测量气体浓度。【背景技术】
[0002]例如变压器等电气设备为了绝缘目的使用例如蓖麻油、矿物油和合成油等流体。 流体的参数指示电气部件中的早期故障。流体的参数除其他事物外还包括总可燃气体 (TCG)的信息。总可燃气体的示例包括一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、氧气和氮气。具体地，一氧化碳和二氧化碳的浓度随着电气设备的热老化和绝缘退化而增加。此外，碳氢化合物(例如乙炔和乙烯)的浓度由于电晕和起弧引起的介电击穿而增加。此外，氧气和氮气的浓度指示设备的气体加压系统的状况。因此，采用溶解气体分析(DGA)技术来确定在电气设备中使用的流体的气体组成的浓度以预测早期故障。
[0003]从设备提取的流体样品分析气体浓度的方法采用光谱技术。常规光谱技术包括离线DGA技术和基于吸收光谱的技术。然而，离线DGA技术受到不确定性问题的影响。此外，采用直接吸收光谱信号的技术由于差的信噪比而不太灵敏。一般，常规光谱技术在有限浓度范围确定气体组成的浓度并且基于调制光束来提高检测灵敏度。来自光谱技术(例如波长调制光谱技术)的测量受到气体的环境条件的影响，尤其是溶解气体的环境压力条件。
[0004]此外，可需要长的路径长度来提供吸收光谱技术中的信噪比。这通过使用多程池 (MPC)实现，其中激光束在包含气体混合物的腔中的两个镜之间反弹。然而，典型的MPC可由于使用多个光学元件和多个激光器而复杂、笨重且昂贵。
【发明内容】
[0005]根据一个实施例，呈现系统。该系统包括:用气体混合物填充的吸收池，其包括镜兼窗口(mirror-cum-window)、第二镜，该镜兼窗口包括充当第一镜的第一部分和充当第一窗口的第二部分;多个辐射源，用于产生多个光束，其通过第一窗口被引导到吸收池内、接着该多个光束在第一镜与第二镜之间反射来照射气体混合物，从而导致产生通过第二窗口传出吸收池的多个传送光束;检测器，其检测多个传送光束的至少一个特性，从而导致产生一个或多个响应信号；和处理子系统，其至少基于该一个或多个响应信号来分析气体混合物。
[0006]根据另一个实施例，呈现系统。该系统包括用气体混合物填充的吸收池;第一镜兼窗口，其包括充当第一镜的第一部分和充当第一窗口的第二部分;第二镜兼窗口，其包括充当第二镜的第一部分和充当第二窗口的第二部分;多个辐射源，用于产生多个光束，其通过第一窗口被引导到吸收池内、接着该多个光束在第一镜与第二镜之间反射来照射气体混合物，从而导致产生多个传送光束;检测器，其检测多个传送光束的至少一个特性，从而导致产生一个或多个响应信号；和处理子系统，其至少基于一个或多个响应信号来分析气体混合物。
[0007]技术方案1:一种系统，其包括:用气体混合物填充的吸收池，其包括:镜兼窗口，其包括充当第一镜的第一部分和充当第一窗口的第二部分;第二镜;多个福射源，用于产生多个光束，所述多个光束通过所述第一窗口被引导到所述吸收池内、接着所述多个光束在所述第一镜与所述第二镜之间反射来照射所述气体混合物，从而导致产生通过所述第二窗口传出所述吸收池的多个传送光束;检测器，其检测所述多个传送光束的至少一个特性，从而导致产生一个或多个响应信号；和处理子系统，其至少基于所述一个或多个响应信号来分析所述气体混合物。
[0008]技术方案2:如技术方案1所述的系统，其中所述镜兼窗口和所述检测器围绕所述吸收池的第一端定位。
[0009]技术方案3:如技术方案2所述的系统，其中所述第一窗口环绕所述第一镜的外围。
[0010]技术方案4:如技术方案1所述的系统，其中所述第一镜通过在楔形表面上涂覆图案化反射材料而制成，其中所述图案化反射材料包括金、银、铝、反射电介质或其组合。
[0011]技术方案5:如技术方案3所述的系统，其中所述第一窗口的特征在于环形形状并且所述第一镜的特征在于圆形形状。
[0012]技术方案6:如技术方案3所述的系统，其中所述镜兼窗口进一步包括充当第二窗口的第三部分，并且所述第一镜环绕所述第二窗口的外围。
[0013]技术方案7:如技术方案6所述的系统，其中所述第一镜和所述第一窗口的特征在于环形形状并且所述第二窗口的特征在于圆形形状。[〇〇14]技术方案8:如技术方案2所述的系统，其中所述第一窗口和所述第二窗口是在所述镜兼窗口中形成的孔。
[0015]技术方案9:如技术方案1所述的系统，其中所述镜兼窗口和所述第二镜包括楔形形状、扁平形状或凹形形状中的至少一个。
[0016]技术方案10:如技术方案1所述的系统，其中所述多个辐射源关于通过所述镜兼窗口中心的轴径向定位。
[0017]技术方案11:如技术方案1所述的系统，其中所述多个辐射源、所述检测器和所述镜兼窗口围绕所述吸收池的第一端定位。
[0018]技术方案12:如技术方案1所述的系统，其中所述多个辐射源和所述镜兼窗口围绕所述吸收池的第一端定位并且所述检测器围绕所述吸收池的第二端定位，并且其中所述吸收池的第二端与所述吸收池的第一端相对。
[0019]技术方案13:如技术方案1所述的系统，其中所述多个辐射源采用圆形方式设置使得所述多个辐射源的位点不共线。
[0020]技术方案14:如技术方案1所述的系统，其中所述多个辐射源定位在单个假象平面上，或所述多个辐射源定位在不同假象平面上。
[0021]技术方案15:如技术方案1所述的系统，其中所述多个辐射源定位在离彼此大致相等的角距离处。
[0022]技术方案16:如技术方案2所述的系统，其中在所述吸收池的第一端周围定位的第一镜的反射表面面对在所述吸收池的第二端周围定位的第二镜的反射表面。
[0023]技术方案17: —种系统，其包括:用气体混合物填充的吸收池，其包括:第一镜兼窗口，其包括充当第一镜的第一部分和充当第一窗口的第二部分;第二镜兼窗口，其包括充当第二镜的第一部分和充当第二窗口的第二部分;多个辐射源，用于产生多个光束，其通过所述第一窗口被引导到所述吸收池内、接着所述多个光束在所述第一镜与所述第二镜之间反射来照射所述气体混合物，从而导致产生多个传送光束;检测器，其检测所述多个传送光束的至少一个特性，从而导致产生一个或多个响应信号;和处理子系统，其至少基于所述一个或多个响应信号来分析所述气体混合物。
[0024]技术方案18:如技术方案17所述的系统，其中所述第一窗口环绕所述第一镜兼窗口中第一镜的外围，并且所述第二镜环绕所述第二镜兼窗口的第二窗口的外围。
[0025]技术方案19:如技术方案17所述的系统，其中所述第一镜兼窗口和所述多个福射源在所述吸收池的第一端周围定位，并且所述第二镜兼窗口和所述检测器在所述吸收池的第二端周围定位，其中所述第二端与所述吸收池的第一端相对。【附图说明】
[0026]当参考附图(其中所有图中类似的符号代表类似部件)阅读下列详细描述时，本发明的实施例的这些和其他特征和方面将变得更好理解，其中:图1是根据本技术的某些实施例用于分析气体混合物的气体分析器系统的框图的示例；图2(A)示出根据一个实施例在图1中示出的箭头方向查看时镜兼窗口的视图；图2(B)示出根据另一个实施例在图1中示出的箭头方向查看时镜兼窗口的视图；以及图3是根据本系统的某些实施例用于分析气体混合物的气体分析器系统的框图。【具体实施方式】
[0027]除非另外限定，本文使用的技术和科学术语具有与由本公开所属的领域内技术人员通常所理解的相同的含义。术语“一”不指示数量的限制，相反指示存在所引用项中的至少一个。术语“或”意指为包括性的并且表示所列项目中的一个、一些或全部。“包括”、“包含”或 “具有”及其变化形式在本文的使用意指包含之后列出的项目和其等同物以及另外的项目。 术语“控制系统”或“控制器”可包括单个部件或多个部件，其是主动和/或被动的，并且连接或用别的方式耦合在一起来提供描述的功能或多个功能。
[0028]图1是根据本技术的某些实施例用于分析气体混合物102的气体分析器系统100的框图的示例。在目前预想的配置中，系统100是电磁辐射吸收光谱设备。系统100包括吸收池 104,其用气体混合物102填充。吸收池104例如可以是圆柱体或立方体。在一个实施例中，当需要检测大气中存在的气体时，吸收池104可暴露于大气。
[0029]系统100包括定位在吸收池104的第一端108处的镜兼窗口 106、和定位在第二端 112(其与吸收池104的第一端108相对)处的第二镜110。镜兼窗口 106包括充当第一镜114的第一部分114和充当第一窗口 116的第二部分116。镜兼窗口 106和第二镜110定位在吸收池 104的相对端108、112上使得第一镜114的反射表面115面对第二镜110的反射表面119。
[0030]在一个实施例中，镜兼窗口 106是圆形板或方形板。在一个实施例中，第二窗口 116 环绕第一镜114的外围。镜兼窗口 106可由包括楔形衬底的材料制成，例如熔融石英、准分子级熔融石英、氟化钙、硒化锌、氟化镁、锗、玻璃、蓝宝石或类似物。可例如基于辐射波长范围来选择材料。衬底的材料应是这样的，其使得它传送入射激光辐射。第一镜114例如通过在楔形衬底上涂覆图案化反射材料而制成。图案化反射材料例如可包括金、银、铝、反射电介质或类似物。在一个实施例中，镜兼窗口 106进一步包括第三部分118，其充当第二窗口 118。 在一个实施例中，当吸收池104暴露于环境时，第一窗口 116和/或第二窗口 118是在镜兼窗口 106中形成的孔。在一个实施例中，当镜兼窗口 106包括第二窗口 118时，则第一窗口 116 和/或第一镜114在形状上是环形，并且第二窗口 118在形状上可以是圆形但在形状上不是环形，并且第一镜114环绕圆形第二窗口 118的外围。[〇〇31]图2(A)示出根据一个实施例在图1中示出的箭头117的方向查看时镜兼窗口 106的视图200。在图2(A)的实施例中，镜兼窗口 106包括第一镜114、第一窗口 116和第二窗口 118。 尽管在图2(A)的实施例中镜兼窗口 106、第一镜114、第一窗口 116和第二窗口 118是圆形的， 然而镜兼窗口 106、第一镜114、第一窗口 116和第二窗口 118可具有任何其他形状。如在图2 (A)中不出的，第一窗口 116环绕第一镜114的外围，并且第一镜114环绕第二窗口 118的外围。此外，在图2A的实施例中，第一镜114和第一窗口 116具有环形形状，并且第二窗口 118具有圆形形状而不是环形形状。
[0032]返回参考图1，在某些实施例中，镜兼窗口 106可不包括第二窗口 118。在一个实施例中，当镜兼窗口 106不包括第二窗口 118时，则第一镜114在形状上是圆形而不是环形形状。图2(B)示出根据另一个实施例在图1中示出的箭头117的方向查看时镜兼窗口 106’的视图202。图2(B)示出镜兼窗口 106’的视图，其包括第一镜114和第一窗口 116,并且不包括第二窗口 118。如在图2(B)中示出的，第一窗口 116在形状上是环形，第一镜114在形状上是圆形但在形状上不是环形。此外，第一窗口 116环绕第一镜114的外围。
[0033]返回参考图1，由于第一镜114和第一窗口 116,单个镜兼窗口 106充当一个或多个窗口和镜。在目前预想的配置，镜兼窗口 106能够通过围绕第一镜114外围的第一窗口 116将光传送到吸收池104内，并且围绕第一镜114的中心或环形区域反射光。此外，在镜兼窗口 106中存在第二窗口 118时的实施例中，镜兼窗口 106此外能够通过第二窗口 118并且在第二窗口 118的中心周围传出光。[〇〇34] 此外，系统100包括多个辐射源120、122、124。在目前预想的配置中，辐射源120、 122、124是可调谐辐射源。尽管目前预想的配置示出三个辐射源120、122、124，然而系统100 可包括更多或更少的辐射源。辐射源120、122、124例如可以是相干源、非相干源、可见光源、 红外光源或类似物。相干源例如是可调谐激光源、二极管激光器、激光器、量子级联激光器或类似物。非相干源可以是发光二极管(LED)。辐射源120、122、124可关于通过镜兼窗口 106 的中心的轴105径向定位。辐射源120、122、124例如可在离彼此约最远可能距离处定位。特别地，在一个实施例中，多个辐射源120、122、124可定位在离彼此大致相等的角距离处。例如，在目前预想的配置中，辐射源120、122、124呈圆形定位在离彼此约120度的角距离处。在一个实施例中，辐射源120、122、124中的一个或多个以可调整温度、电流、准直和指向安装在外壳中。在一个实施例中，辐射源120、122、124中的每个以可调整温度、电流、准直和指向安装在独立外壳中。在一个实施例中，辐射源120、122、124中的每个定位在单个假象平面上。在另一个实施例中，辐射源120、122、124中的一个或多个在不同假象平面上。在目前预想的配置中，多个辐射源120、122、124采用圆形方式设置使得多个辐射源120、122、124的位点不共线。
[0035] 辐射源120、122、124产生多个光束126、128、130并且将其引导到吸收池104内。在目前预想的配置中，第一辐射源120产生第一光束126并且将其引导到吸收池104内。相似地，第二辐射源122产生第二光束128并且将其引导到吸收池104内。另外，第三辐射源124产生第三光束130并且将其引导到吸收池104内。注意由于系统100的空间约束和二维视图，在吸收池104内部未示出第三光束130并且经由虚线示出它。在一个实施例中，在时戳t，辐射源120、122、124同时产生光束126、128、130,其由相对于彼此不同的吸收波长和不同的调制频率表征。[〇〇36]光束126、128、130到吸收池104内的引导照射吸收池104中填充的气体混合物102。 在目前预想的配置中，吸收池104是多程吸收池104并且因此光束126、128、130在第一镜114 与第二镜110之间多次反射来增加长度不变的吸收池104中光束126、128、130的总光程长度以提高气体分析器系统100的检测灵敏度和分析灵敏度。气体混合物102被光束126、128、 130的照射导致气体混合物102吸收光束126、128、130的光子。例如，当第一光束126由气体混合物102中存在的第一个体气体61的吸收波长W1表征时，则气体混合物102中存在的第一个体气体G1吸收第一光束126的至少一些光子。相似地，当第二光束128由气体混合物102中存在的第二个体气体G2的吸收波长W2表征时，则第二个体气体G2吸收第二光束128的至少一些光子。相似地，当第三光束130由气体混合物102中存在的第三个体气体G3的吸收波长 W3表征时，则第三个体气体G3吸收第三光束130的至少一些光子。[〇〇37] 光束126、128、130的光子被气体混合物102的吸收改变光束126、128、130的一个或多个特性。在下文，改变的光束126、128、130称为“传送光束”。在目前预想的配置中，第一光束126的光子的吸收改变第一光束126的至少一个特性来产生第一传送光束132。相似地，在目前预想的配置中，第二光束128的光子被气体混合物102的吸收改变第二光束128的至少一个特性来产生第二传送光束134。此外，第二光束130的吸收改变第三光束130的至少一个特性来产生第三传送光束(由于空间约束而未在图1中示出)。
[0038]系统100进一步包括操作耦合于吸收池104的检测器136。检测器136的位置基于镜兼窗口 106中第二窗口 118的存在或缺乏。因为在目前预想的配置中，镜兼窗口 106包括第二窗口 118,因此检测器136和第二窗口 114定位在吸收池104的相同端108处，并且检测器136 与镜兼窗口 106平行。系统100的另一个实施例(其中镜兼窗口 106不包括第二窗口 118,其导向检测器136的另一个位置)参考图3示出。[〇〇39] 检测器136接收第一传送光束132、第二传送光束134和第三传送光束(未示出)。此夕卜，检测器136基于传送光束132、134的至少一个特性产生一个或多个响应信号。传送光束 132、134的特性例如可包括传送光束132、134的强度和/或能量。在目前预想的配置中，检测器136基于第一传送光束132的特性确定第一响应信号137。此外，在目前预想的配置中，检测器136基于第二传送光束134的特性确定第二响应信号138。相似地，检测器136可基于第三传送光束(未示出)的特性确定第三响应信号(未示出)。注意尽管在目前预想的配置中产生三个响应信号137、138,可基于系统100中使用的辐射源数量产生超过或不到三个响应信号。响应信号137、138例如代表作为波长函数的传送光束132、134的强度。
[0040]此外，系统100包括与检测器136操作通信的处理子系统140。该处理子系统140包括至少一个算术逻辑单元、微处理器、通用控制器或处理器阵列来执行期望运算或运行计算机程序。处理子系统140包括存储器142。该存储器142可以是非暂时性存储介质。例如，存储器142可以是动态随机存取存储器(DRAM)设备、静态随机存取存储器(SRAM)设备、闪存或其他存储器设备。在一个实施例中，存储器142可包括非易失性存储器或相似的永久存储设备、例如硬盘驱动器、软盘驱动器等媒体、压缩盘只读存储器(CD-ROM)设备、数字多功能盘只读存储器(DVD-ROM)设备、数字多功能盘随机存取存储器(DVD-RAM)设备、数字多功能盘可重写(DVD-RW)设备、闪存设备或其他非易失性存储设备。[〇〇411处理子系统140接收响应信号137、138。在目前预想的配置中，对处理子系统140编程以至少基于响应信号137、138分析气体混合物102。例如，处理子系统140可应用比尔朗伯定律以基于气体混合物102对确定波长的光束126、128、130的吸收量测量气体混合物102中存在的个体气体的浓度。光束126、128、130的吸收量例如可基于光束126、128、130的强度和响应信号137、138来确定。[〇〇42]在目前预想的配置中，处理子系统140可基于气体混合物102对光束126的吸收量确定气体混合物102中个体气体G1的存在和浓度，其中光束126的吸收量可基于响应信号 137和光束126的强度确定。相似地，在目前预想的配置中，处理子系统140可基于气体混合物102对光束128的吸收量确定气体混合物102中个体气体G2的存在和浓度，其中光束128的吸收量可基于响应信号138和气体混合物102中光束128的强度确定。相似地，处理子系统 140可至少基于第二响应信号138的特性确定个体气体G2的存在和浓度。
[0043]现在参考图3,呈现根据本系统的某些实施例用于分析气体混合物102的气体分析器系统100’的框图。特别地，气体分析器系统100’是图1中呈现的系统100的实施例。在目前预想的配置中，系统100’包括第一镜兼窗口 302和第二镜兼窗口 304。该第一镜兼窗口 302定位在吸收池104的第一端108上并且第二镜兼窗口 304定位在吸收池104的相对端112上。在目前预想的配置中，第一镜兼窗口 302与参考图2B示出的镜兼窗口 106’相似，其包括环绕第一镜114外围的第一窗口 116并且不包括第二窗口 118。此外，第二镜兼窗口 304包括充当第二镜306的第一部分306和充当第二窗口308的第二部分308。在目前预想的配置中，第一窗口 116环绕第一镜兼窗口 106的第一镜114的外围，并且第二镜306环绕第二窗口308的外围。 第二镜306环绕第二窗口 308的外围。在目前预想的配置中，第二镜306在形状上是环绕圆形和非环形第二窗口 308的环形。如在图3中示出的，第一镜兼窗口 302和辐射源120、122、124 定位在吸收池104的第一端108周围，并且第二镜兼窗口 304和检测器136定位在吸收池104 的第二端112周围。[〇〇44]与图1相似，辐射源120、122、124产生光束126、128、130并且将其分别引导到吸收池104内来照射气体混合物102,从而导致产生传送光束132、134。检测器136从吸收池104接收传输光束132、134并且基于传送光束132、134的至少一个特性产生响应信号137、138。此夕卜，如参考图1论述的，处理子系统140从检测器136接收响应信号137、138,并且至少基于响应信号136、138分析气体混合物102。例如，处理子系统140可使用比尔朗伯定律分析气体混合物102。
[0045]尽管本文仅说明和描述本发明的某些特征，本领域内技术人员将想到许多修改和改变。因此，理解附上的权利要求意在涵盖所有这样的修改和改变，它们落入本发明的真正精神内。
【主权项】
1.一种系统，其包括:用气体混合物填充的吸收池，其包括:镜兼窗口，其包括充当第一镜的第一部分和充当第一窗口的第二部分；第二镜；多个辐射源，用于产生多个光束，所述多个光束通过所述第一窗口被引导到所述吸收 池内、接着所述多个光束在所述第一镜与所述第二镜之间反射来照射所述气体混合物，从 而导致产生通过所述第二窗口传出所述吸收池的多个传送光束；检测器，其检测所述多个传送光束的至少一个特性，从而导致产生一个或多个响应信 号;和处理子系统，其至少基于所述一个或多个响应信号来分析所述气体混合物。2.如权利要求1所述的系统，其中所述镜兼窗口和所述检测器围绕所述吸收池的第一端定位。3.如权利要求2所述的系统，其中所述第一窗口环绕所述第一镜的外围。4.如权利要求1所述的系统，其中所述第一镜通过在楔形表面上涂覆图案化反射材料 而制成，其中所述图案化反射材料包括金、银、铝、反射电介质或其组合。5.如权利要求3所述的系统，其中所述第一窗口的特征在于环形形状并且所述第一镜 的特征在于圆形形状。6.如权利要求3所述的系统，其中所述镜兼窗口进一步包括充当第二窗口的第三部分， 并且所述第一镜环绕所述第二窗口的外围。7.如权利要求6所述的系统，其中所述第一镜和所述第一窗口的特征在于环形形状并 且所述第二窗口的特征在于圆形形状。8.如权利要求2所述的系统，其中所述第一窗口和所述第二窗口是在所述镜兼窗口中 形成的孔。9.如权利要求1所述的系统，其中所述镜兼窗口和所述第二镜包括楔形形状、扁平形状 或凹形形状中的至少一个。10.如权利要求1所述的系统，其中所述多个辐射源关于通过所述镜兼窗口中心的轴径 向定位。
【文档编号】G01N21/25GK106018291SQ201610172148
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】M.M.迈尔斯, D.P.罗宾逊, S.麦蒂, N.卡伍里塞图马达文
【申请人】通用电气公司