一种气体吸收池的制作方法

本实用新型属于精密检测仪器领域，具体涉及一种气体吸收池，尤其涉及一种用于检测变压器油中溶解气体的气体吸收池。

背景技术：

采用光谱法测量单一组分或多组分气体的技术在工业中的应用已越来越广泛。比如激光光谱测量仪器可用于监测变压器油中溶解气体。由于气体吸收的“指纹”特性，光在通过充满被检测气体的吸收池后，某个单一频率的光被池中气体所吸收，单一频率反映了气体成分，单一频率光强的变化则反映了被检测气体的浓度。目前工业生产和环境监测领域的很多气体成分检测技术主要使用的是中红外和近红外光谱检测技术。由于气体吸收的横截面积很小，所以一般需要通过增加光程来提高气体检测灵敏度。

现有技术的气体吸收池，主要有长光程池和可调光程池两类。长光程池，通过在吸收池内部气室放置多片反射镜，使得光在气室内完成多次反射，利用短的距离来增加光程，提高检测灵敏度。可调光程池的结构基本同长光程池，不同的是可通过调节反射次数来控制光程的变化。两种都是通过控制光程以求达到目标检测灵敏度。长光程池和可调光程池中的光学元件多，调光结构复杂，使得其容积相对较大。另，长光程池和可调光程池对反射镜的镀膜工艺要求高，安装维护困难且成本高，抗震动性差，因而环境适应性较差。

针对长光程池和可调光程池的上述缺陷，本申请人在专利CN201720864607.3中公开了一种小容积短光程气体吸收池1’，参见附图3。该气体吸收池1’具有结构简单、光程短、容积小、易安装拆卸、抗震性好等优点。但是，在生产加工中，申请人发现其存在腔体加工难度大、内壁光洁度难以保障、成品合格率低的缺陷，从而导致产品成本过高。例如，当腔体为设有螺孔的金属圆管时，需要在不锈钢材料上开孔，很难做到很高的直线度以及高的管壁光洁度，导致成品合格率降低，从而使得生产成本提升。另，管壁光洁度在不能达到很高的指标情况下，会给检测信号本身带来一些额外的干扰，降低检测精度。

技术实现要素：

为解决上述问题，简化气体吸收池的加工安装工艺，减小加工难度，提高产品合格率，从而降低生产成本，本申请人在专利CN201720864607.3基础上做了结构上的进一步完善，设计出一种新型气体吸收池。具体而言，本实用新型的技术方案如下所述。

一种气体吸收池，包括：用于将光源的光进行准直的光纤准直模块，用于对准直后通过腔体气室的光进行聚焦、并使聚焦光出射的聚焦模块，位于光纤准直模块和聚焦模块之间、用于引入和排出待测气体的腔体模块，其中，光纤准直模块包括光纤准直器、用于调节光路的精密调光结构、用于将精密调光结构与腔体模块左端密闭固定在一起的光纤准直模块固定端，其中光纤准直器的准直透镜端插入精密调光结构的中心通孔中并固定；聚焦模块上包括聚焦透镜、用于固定聚焦透镜并且与腔体模块右端密闭固定在一起的聚焦模块固定端；腔体模块的两端分别与光纤准直模块固定端和聚焦模块固定端密闭连接，腔体模块的中空部分是用于容纳待测气体的腔体气室，准直后的光束通过腔体气室传输到聚焦模块；所述腔体模块包括沿光束路线设置的不锈钢管件、分别与不锈钢管件两端密闭连接的第一腔体和第二腔体，其中第一腔体左端与光纤准直模块固定端密闭连接，并设置有出气口或者进气口；第二腔体右端与聚焦模块固定端密闭连接，并设置有进气口或者出气口，第一腔体和第二腔体之一或两者在壁上设置有螺孔用于安装至少一个传感器用来检测腔体气室的温度和压力等参数，以便用来对检测结果进行修正，聚焦透镜的光轴与不锈钢管件的中心轴线、光纤准直模块的光轴重合，其中从所述左端至所述右端的方向是沿光束方向。

上述气体吸收池的腔体模块中，出气口、进气口和传感器安装螺孔设置在第一腔体和第二腔体上，由于第一腔体和第二腔体的尺寸大于不锈钢管件直径，使得出气口、进气口和传感器安装螺孔的位置安排、设计和加工更加容易，避免了在不锈钢管件上进行开孔和/或焊接，能够保持管体内壁的完整性和高光洁度，因而有效地避免了管体内壁对于光信号的干扰，达到提高检测信号信噪比的效果。上述气体吸收池的这种设计使得生产工艺简单，大大降低了吸收池的废品率，从而降低了生产成本。

在一种优选的实施方式中，第一腔体和/或第二腔体上设置的进气口或者出气口可以呈螺孔形式。优选地，进气口或者出气口的螺孔与安装传感器的螺孔(或称传感器安装螺孔)相垂直。

上述气体吸收池在小容积、短光程条件下，能达到很高的检测精度，比如在变压器油中溶解气体检测中的应用，优于国家电网企业标准规定的最低检测限。

根据本实用新型的一个方面，上述光源的光可以是任何可用于检测气体的光，波长范围为200-6000nm、优选200-1800nm，包括但不限于可见光、紫外光、红外光和/或近红外光。进一步地，优选从光源发射的光是激光。

根据本实用新型的一个方面，所述光纤准直模块还包括光纤准直模块保护壳，用来罩住光纤准直器、精密调光结构、光纤准直模块固定端，保护这些部件不受外界环境及物体的影响。

根据本实用新型的一个方面，上述气体吸收池还包括用于固定所述光纤准直模块和所述腔体模块以及所述准直模块的吸收池底座。

优选地，上述不锈钢管件是商品不锈钢管件，两端与第一腔体和第二腔体的连接方式是螺纹或焊接连接。由于不锈钢管件内壁光洁度高，避免了其他因素对于光信号的影响，提高了检测信号质量，使得检测信号信噪比更高。同时，由于不锈钢管件可以采用商品不锈钢管件、尤其是小口径不锈钢管商品，可以显著降低原材料成本。

进一步地，气体吸收池还包括用于接入光源的入光口。在一种实施方式中，所述入光口位于第一腔体上。比如，入光口安装有法兰，用于连接光源和光纤准直模块。

根据本实用新型的一个方面，所述聚焦模块固定端上设置有出光口(即聚焦透镜出射口)，聚焦透镜的光轴与不锈钢管件的中心轴线、光纤准直模块的光轴重合。比如，该出光口设置在聚焦模块固定端上。

根据本实用新型的一个方面，所述光纤准直模块固定端上有中心通孔，该中心通孔中固定有斜窗片，用来减小光学标准具干扰。

根据本实用新型的一个方面，所述聚焦模块固定端后部可进一步连接光电探测模块，该光电探测模块用于接收从所述出光口透射出的光，并转换为电信号。

本实用新型还提供了上述气体吸收池在气体检测中的应用。

根据本实用新型的一个方面，上述气体吸收池可用于检测变压器油中溶解气体。

在一种优选的实施方式中，所述变压器油中溶解气体选自N2、O2、H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO、CO2中的一种或两种以上。

相对于专利CN201720864607.3公开的气体吸收池而言，本实用新型的气体吸收池除了保留其结构简单、光程短、容积小、易安装拆卸、抗震性好、环境实用性强等优点外，还减小了加工难度和安装难度，大大提高了产品合格率，合格率高于95％，从而降低了生产成本；进一步提高了腔体模块腔体气室的气密性，并且由于管体内壁光洁度高，减少了其他因素对于光信号的干扰，使得检测信号信噪比更高。

附图说明

图1是根据本实用新型的一个气体吸收池实施例的俯视图。其中的附图标记说明如下：1、气体吸收池；2、光纤准直模块；21、光纤准直器；22、精密调光结构；23、光纤准直模块固定端；24、光纤准直模块保护壳；3、聚焦模块；31、聚焦透镜；32、聚焦模块固定端；33、出光口；4、腔体模块；41、不锈钢管件；421、入光口；42、第一腔体；43、第二腔体；44、出气口；45、进气口；46、传感器；5、吸收池底座。

图2是图1所示气体吸收池实施例的主视图。

图3是专利CN201720864607.3中公开的气体吸收池的结构示意图。需注意的是，其中的附图标记并不代表图1所示本实用新型示意图中的附图标记。

具体实施方式

下面将结合附图，对本实用新型的技术方案进行描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式；并且附图中所示的结构仅仅是示意性的，并不代表实物。需要说明的是，基于本实用新型中的这些实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本文中，术语“气体吸收池”和“吸收池”表示相同的意义，可以互换。

在本文中，术语“腔体气室”和“气室”表示相同的意义，可以互换。

在本文中，术语“吸收池底座”和“底座”表示相同的意义，可以互换。

本文中，术语“左”表示在本实用新型的气体吸收池中沿光束方向的上游位置关系，但并不意味着实际安装操作中必须朝向某一固定方向，仅仅为了显示各个部件之间的位置关系或连接关系。类似地，术语“右”、“上”、“下”等并不构成绝对的空间关系限制，只是一种相对的概念。这是本领域技术人员都能够理解的。有时为了在文字上描述方便，会面向附图方向，将光束方向上游一侧称为“前”、光束方向下游一侧称为“后”，只是一种相对的概念，这是本领域技术人员都能够理解的。

参见图1和图2，本实用新型的气体吸收池1主要包括光纤准直模块2、聚焦模块3、腔体模块4这三个部分。其中光纤准直模块2用于将光源的光进行准直后入射至腔体模块4的腔体气室内，以便供腔体气室内的待测气体吸收。光纤准直模块2主要包括光纤准直器21、用于调节光路从而使光束与下述聚焦透镜31的光轴共轴的精密调光结构22、用于将精密调光结构22与腔体模块4左端的第一腔体42密闭固定在一起的光纤准直模块固定端23。优选地，光纤准直模块2还包括光纤准直模块保护壳24，该保护壳24用来罩住光纤准直器21、精密调光结构22、光纤准直模块固定端23，保护这些部件不受外界环境及物体的影响。优选地，光纤准直器21的准直透镜端插入精密调光结构22的中心通孔中并固定。

光纤准直模块固定端23上设有中心通孔，该中心通孔中可以固定有斜窗片，用来减小光学标准具干扰，保证气体检测准确性。

聚焦模块3主要包括聚焦透镜31、用于固定聚焦透镜31并且与腔体模块4右端的第二腔室43密闭固定在一起的聚焦模块固定端32。聚焦模块固定端32上设置有出光口33(即聚焦透镜出射口33)。

腔体模块4包括沿光束路线设置的不锈钢管件41、位于前端(即左端)的第一腔体42、位于后端(即右端)的第二腔体43，第一腔体42和第二腔体43分别与光纤准直模块固定端23和聚焦模块固定端32密闭连接，腔体模块4的中空部分是用于容纳待测气体的腔体气室，准直后的光束通过腔体气室传输到聚焦模块3，聚焦透镜31的光轴与腔体模块4中不锈钢管件41的中心轴线、光纤准直模块2的光轴重合。

不锈钢管件41优选是商品不锈钢管件，前后两端分别与第一腔体42和第二腔体43的连接方式是螺纹连接或焊接。由于不锈钢管件41内壁光洁度高，避免了其他因素对于光信号的影响，提高了检测信号质量，使得检测信号信噪比更高。同时，由于不锈钢管件41可以采用商品不锈钢管件、尤其是小口径不锈钢管商品，可以显著降低原材料成本。

第一腔体42左端与光纤准直模块固定端23密闭连接，第一腔体42壁上(比如图1所示俯视图和图2所示主视图的侧面位置)设置有可以呈螺孔形式的出气口44或者进气口45；第二腔体43右端与聚焦模块固定端32密闭连接，第二腔体43壁上(比如图1所示俯视图和图2所示主视图的侧面位置)设置有进气口45或者出气口44，第一腔体42和第二腔体43之一或两者的壁面合适的部位比如在图1所示俯视图和图2所示主视图的顶部位置设有连接孔比如螺孔和/或插孔用于安装至少一个传感器46用来检测腔体气室的温度和压力等参数，以便用来对检测结果进行修正。图1和图2中示出了第一腔体42和第二腔体43顶部上都设置有螺孔安装传感器46的实施例。应理解，进气口45和出气口44的位置可以根据实际需要进行切换。

第一腔体42和第二腔体43的形状，比如俯视时可以大体为“L”型结构(如图1所示)。由于第一腔体42和第二腔体43的尺寸大于不锈钢管件41直径，使得出气口44、进气口45和传感器46安装螺孔的位置安排、设计和加工更加容易，避免了在不锈钢管件41上进行开孔和/或焊接，能够保持不锈钢管件41内壁的完整性和高光洁度。

在一种实施方式中，第一腔体42上可以设有入光口421，入光口421安装有法兰用于连接光源。

不锈钢管件41两端与第一腔体42和第二腔体43的连接方式优选是螺纹连接。

在一种优选的实施方式中，上述精密调光结构22可利用三角形的稳定性原理，采用双三角形嵌套结构，实现光路的精密调节，使得光路调节简单、结构稳定且抗震性好。

在一种优选地实施方式中，吸收池1还包括用于固定支撑整个吸收池1的底座5。

优选地，第一腔体42和第二腔体43底部可以分别设有螺纹孔，与吸收池底座5及工作台(未图示)螺纹固定连接；吸收池底座5上设有螺纹孔，与工作台螺纹固定连接，保证吸收池1的抗震性。

上述聚焦模块3后部可进一步连接光电探测模块，该光电探测模块用于接收从出光口33出射的光线、并转换为电信号。

上述气体吸收池1可应用于检测气体。比如可用于检测变压器油中溶解气体。

变压器油中气体组分和浓度很大程度地反映了变压器的热电故障程度和使用寿命，变压器油中气体分析己成为变压器内部潜伏性故障检测的有效技术手段。研究和发展变压器油中的多组分气体、在线检测技术具有重要的理论和现实意义。变压器油中溶解气体组分主要有N2、O2、H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO、CO2等气体。正常情况下油浸式电力变压器内的油和绝缘纸材料在热和电的共同作用下，会逐渐老化和分解，产生少量的低分子烃类及CO2、CO等气体。若变压器内部发生过热性故障、放电性故障或受潮情况时，这些气体的产量会迅速增加。因此通过在线监测变压器油中气体种类及含量可以反映变压器的运行状况，及时准确地检测出电力变压器潜伏性故障。

通过实验发现，本实用新型的气体吸收池1通过红外光和/或近红外光的激光用于检测变压器油中溶解气体组分比如N2、O2、H2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、CO、CO2等气体时，具有极高的检测灵敏度和可靠性，比如气体吸收池1对于上述气体的检测下限低于国家电网公司企业标准规定的最低检测限值，因此能够有效地实现在线检测，减少变压器故障的误报率。

需说明的是，在本文中的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上实施例仅用以说明本实用新型专利的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型专利进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型专利各实施例技术方案的精神和范围。