一种氢气传感器可靠性验证平台的制作方法

1.本发明属于传感器验真技术领域，特别涉及一种氢气传感器可靠性验证平台。


背景技术：

2.电力变压器是电力厂站的重要设备之一，为保证其安全健康运行，往往在变压器内部和外部装设多种特征参量传感器，其中油中溶解氢气传感器是变压器多参量传感系统的重要组成部分。充油式电力变压器内部的主要绝缘材料包括变压器油、纸等，在长期运行的过程中可能会发生诸如局部放电、过热等故障进而导致变压器油中的绝缘材料裂解产生ch4、c2h2、h2、co、co2等特征气体，氢气传感器通过监测变压器油中溶解氢气含量，可反应变压器的内部绝缘情况。为了确保氢气传感器的可靠性，对其灵敏度、检测范围和长时间工作可靠性等指标进行验真是十分重要的。
3.目前对于气体传感器的标定、验真手段与相应设备已得到了较为广泛的研究，但在变压器油中溶解氢气传感器的验真领域研究较少，变压器油中溶解氢气具有浓度低、气体易逸散、受温度影响大的特点，传统的气体传感器性能验真手段很难适用，且氢气传感器具有灵敏度、检测范围、长时间工作可靠性等多个关键指标，传统验真系统仅能对某一指标进行验真，无法适用于多个指标。
4.因此，需要一种氢气传感器可靠性验证平台。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种氢气传感器可靠性验证平台，从而克服传统验真系统仅能对某一指标进行验真，无法适用于多个指标的缺陷。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种氢气传感器可靠性验证平台，包括：气瓶，所述气瓶至少为两个，用于存储需要配气的气体；气体混合腔，所述气体混合腔与所有气瓶连接，用于进行混合气体配置；油气混合腔，所述油气混合腔与气体混合腔连接，所述气体混合腔利用气压差将混合后的气体充入油气混合腔，与油气混合腔内的变压器油充分混合，形成特定溶解气体浓度的标准油样；传感器验真腔，所述传感器验真腔与油气混合腔连接，用于放置氢气传感器，并对所述氢气传感器进行多性能参数的验真；以及恒温箱，所述气体混合腔、油气混合腔、传感器验真腔以及相连接的输气、输油管道均置于恒温箱内。
7.优选的，上述技术方案中，还包括油泵，所述油泵分别与油气混合腔和传感器验真腔连接。
8.优选的，上述技术方案中，还包括气体流量开关，所述气体混合腔与所有气瓶连接的每一条输气管道上均设有一个所述气体流量。
9.优选的，上述技术方案中，还包括真空泵，所述真空泵用于对所述气体混合腔、油
气混合腔、传感器验真腔和输气管道抽真空。
10.优选的，上述技术方案中，还包括气压表，所述气压表设置在油气混合腔上，用于监测油气混合腔内的气压，方便对油气混合。
11.优选的，上述技术方案中，还包括气体搅拌器，所述气体搅拌器设置在气体混合腔上，用于加速气体混合。
12.优选的，上述技术方案中，还包括液体搅拌器，所述液体搅拌器设置在油气混合腔上，用于加速气体与油混合。
13.优选的，上述技术方案中，所述油气混合腔与气相色谱仪检测连接，通过气相色谱仪检测标准油样中溶解气体的浓度。
14.优选的，上述技术方案中，所述气瓶数量为两只，分别装氢气和氮气。
15.优选的，上述技术方案中，所述油气混合腔在注油时应保证注油完毕后油面位置高于油气混合腔腔体的1/4深度，低于油气混合腔腔体的3/4深度，保证混合气体能够通入油中且油面不没过气压表。
16.与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：1. 本发明提出的氢气传感器可靠性验证平台，提出的气体混合腔和油气混合腔串联结构，首先在气体混合腔内配制所需浓度的氢气/氮气混合气体，再利用气压差将混合后的气体充入油气混合腔，形成特定溶解氢气浓度的标准油样，提高了油样的溶解氢气浓度精度，降低了溶解氢气浓度下限，适用于传感器的灵敏度和检测范围验真。标准油样通过输油管道流入传感器验真腔，在传感器验真腔内实现传感器多性能参数的验真；将所有腔体和输气、输油管道置于恒温箱的方案可以避免因温度改变引起气压和油中氢气浓度改变，提高了所配油样的长期可靠性。
17.2. 本发明提出的通过在油气混合腔和传感器验真腔之间引入油循环，通过持续油循环避免了因放置时间过长导致的传感器验真腔内油中溶解氢气浓度分布不均匀的现象，适用于传感器的长期可靠性验真。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是本发明其中一个实施例的氢气传感器可靠性验证平台的结构示意图；。
20.图2是本发明的气体/液体搅拌器与腔体连接方式结构示意图。
21.其中：1、氢气气瓶；2、氮气气瓶；3、电磁式气体流量开关；4、气体混合腔；5、油气混合腔；6、传感器验真腔；7、真空泵；8、油泵；9、气压表；10、输气管道；11、输油管道；12、恒温箱；13、气体搅拌器；14、液体搅拌器；15、搅拌器转轴；16、硅橡胶密封圈；17、腔体壁。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。
23.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”“上”、“下”、“前”、“后”“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“顶部”、“底部”、“顶面”、“底面”、“内”、“外”、“内侧”、“外侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
24.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到术语“第一”、“第二”、“第三”只是用于描述目的以及区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
25.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。下面根据本发明的整体结构，对其实施例进行说明。
26.本发明其中一个实施例所提供的氢气传感器可靠性验证平台包括：气瓶、气体混合腔、油气混合腔、传感器验真腔以及恒温箱气瓶至少为两个，用于存储需要配气的气体；气体混合腔通过输气管道与所有气瓶连接，用于进行混合气体配置；油气混合腔与气体混合腔连接，气体混合腔利用气压差将混合后的气体充入油气混合腔，与油气混合腔内的变压器油充分混合，形成特定溶解气体浓度的标准油样；传感器验真腔与油气混合腔连接，用于放置氢气传感器，并对氢气传感器进行多性能参数的验真；气体混合腔、油气混合腔、传感器验真腔以及相连接的输气、输油管道均置于恒温箱内。
27.上述的氢气传感器可靠性验证平台，气瓶分别通过输气管道与气体混合腔连接，在此腔中实现混合气体配制；气体混合腔混合气体后，利用气压差将混合后的气体充入油气混合腔，将混合后的气体与油气混合腔内的变压器油充分混合，形成特定溶解氢气浓度的标准油样；标准油样通过输油管道流入传感器验真腔，在传感器验真腔内实现传感器多性能参数的验真。为防止温度改变引起的气压和油样中氢气浓度改变，将气体混合腔、油气混合腔、传感器验真腔和与之相连的输气、输油管道置于恒温箱内。
28.其中一个实施例，为避免流入传感器验真腔的油样因放置时间过长而产生溶解气体析出和溶解气体浓度分布不均匀现象，将油气混合腔和传感器验真腔间连接油泵。通过加入油泵，从而引入油循环。
29.其中一个实施例，氢气传感器可靠性验证平台还包括气体流量开关，气体混合腔与所有气瓶连接的每一条输气管道上均设有一个气体流量。具体的，气体流量开关采用电磁式气体流量开关，通过电磁式气体流量开关来协助控制混合气体配置，控制气流流量。
30.其中一个实施例，氢气传感器可靠性验证平台还包括真空泵，真空泵用于对气体
混合腔、油气混合腔、传感器验真腔和输气管道抽真空。具体的，真空泵设置在气体混合腔和油气混合腔直接的输气管道中间。
31.其中一个实施例，氢气传感器可靠性验证平台还包括气压表，气压表设置在油气混合腔上，用于监测油气混合腔内的气压，方便对油气混合。具体的，气压表设置在油气混合腔的中上部，保证油气混合腔的注油孔注入适量变压器油后油面高于取油孔和油泵连接孔，低于气压表连接孔。气压表量程为-0.1~0.5 mpa，精度为0.01 mpa。
32.其中一个实施例，氢气传感器可靠性验证平台还包括气体搅拌器，气体搅拌器设置在气体混合腔上，用于加速气体混合。具体的，气体搅拌器设置在气体混合腔的下部，便于对气体搅拌，加速气体混合。气体搅拌器含有两片搅拌叶片，转速为120r/min。
33.氢气传感器可靠性验证平台还包括液体搅拌器，液体搅拌器设置在油气混合腔上，用于加速气体与油混合。具体的，液体搅拌器设置在油气混合腔的下部，便于对气体与油搅拌，加速气体混合。液体搅拌器含有两片搅拌叶片，转速为60r/min。
34.气体搅拌器13和液体搅拌器14与腔体连接方式为插接式，图2所示，为防止漏气漏油，气体搅拌器13和/或液体搅拌器14的搅拌器转轴插接在腔体壁17上，在插接位置处加入一层硅橡胶密封圈16。
35.其中一个实施例，油气混合腔与气相色谱仪检测连接，通过气相色谱仪检测标准油样中溶解气体的浓度。
36.其中一个实施例，气瓶的容积为10 l，压力为1 mpa，气瓶的瓶口内部设有单向阀，用于防止混合气体倒灌引起瓶内气体污染。气瓶数量为两只，分别装有纯度≥99.99%的氢气和氮气。
37.其中一个实施例，气体混合腔采用不锈钢材质，为使得气体混合腔内气体混合更加充分，气体混合腔的外形设计为球形，容积为2 l，壁厚2 mm。气体混合腔的腔体开有三个输气管道连接圆孔、一个气压表连接圆孔和一个气体搅拌器连接圆孔，其中三个输气管道连接孔分别通过输气管道连接氢气气瓶（对应开孔称为氢气孔）、氮气气瓶（对应开孔称为氮气孔）和油气混合腔（对应开孔称为送气孔），为控制氢气流量流速，氢气孔半径为2mm。氮气孔半径为5mm，送气孔半径为5mm。气压表连接圆孔半径与气压表类型相匹配。气体搅拌器连接圆孔半径与气体搅拌器转轴半径相匹配。
38.其中一个实施例，油气混合腔采用不锈钢材质，为使得油气混合更加充分、避免油循环“死油区”的出现，油气混合腔的外形设计为球形，容积为1 l，壁厚2 mm。油气混合腔的腔体表面开有半径5mm的一个注油孔和一个取油孔、一个气压表连接孔、一个半径1cm的油泵连接孔、一个半径5mm的输气孔、一个半径1cm的送油孔和一个液体搅拌器连接孔。注油孔和输气孔在腔体顶部，输气孔通过输气通道与气体混合腔连接；取油孔、油泵连接孔和搅拌器连接孔在腔体底部，取油孔与气象色谱仪连接，油泵连接孔与油泵连接，搅拌器连接孔用于安装液体搅拌器；气压表连接孔在腔体的3/4高度处，气压表连接孔用于安装气压表。
39.其中一个实施例，连接气体混合腔和油气混合腔的输气通道深入所述油气混合腔内部3/4深度，保证低于油面，将气体通入油中。
40.油气混合腔在注油时应保证注油完毕后油面位置高于腔体的1/4深度，低于腔体的3/4深度，保证混合气体能够通入油中且油面不没过气压表。
41.其中一个实施例，传感器验真腔采用不锈钢材质，为便于待测传感器的放置和避
免油循环“死油区”的出现，其外形设计为圆角长方体，长20cm，宽15cm，高5cm，壁厚2 mm。腔体底面开有半径5mm的一个进油孔，用于接收来自所述油气混合腔的标准油样；底面还开有一个半径1cm的油泵连接孔。
42.其中一个实施例，如图1所示，氢气传感器可靠性验证平台包括：气瓶、气体混合腔4、油气混合腔5、传感器验真腔6、恒温箱12、油泵8、电磁式气体流量开关3、真空泵7、气压表9、气体搅拌器13以及液体搅拌器14，其中，气瓶数量为两只，分别装有氢气（氢气气瓶1）和氮气（氮气气瓶2），两个气瓶分别通过输气管道10与气体混合腔4连接，在气体混合腔4中实现混合气体配制。气体混合腔4后串接油气混合腔5，利用气压差将混合后的气体充入油气混合腔5，与油气混合腔5内的变压器油充分混合，形成特定溶解氢气浓度的标准油样。标准油样通过输油管道10流入传感器验真腔6，在传感器验真腔6的腔体内实现传感器多性能参数的验真。为防止温度改变引起的气压和油样中氢气浓度改变，将气体混合腔4、油气混合腔5、传感器验真腔6和与之相连的输气、输油管道10、11置于恒温箱12内。为避免流入传感器验真腔6的油样因放置时间过长而产生溶解气体析出和溶解气体浓度分布不均匀现象，在油气混合腔5和传感器验真腔6间加入油泵，引入油循环。
43.接下来，对该实施例中一种氢气传感器可靠性验证平台的操作及工作原理进行详细说明，以使本领域技术人员更了解本发明：首先确定对氢气传感器验真的需求，确定配制目标油样中氢气的浓度（以摩尔分数表示，记为xb），其次开始油样配制。打开所述恒温箱12，将装置的温度控制在27℃，关闭氢气气瓶1、氮气气瓶2位置处的电磁式气体流量开关3，打开传感器验真腔6位置处的电磁式气体流量开关3，打开真空泵7对气体混合腔4、油气混合腔5、传感器验真腔6和输气管道11抽真空，通过控制氢气气瓶1、氮气气瓶2位置的电磁式气体流量开关3的气体流量，将氢气和氮气按比例充入气体混合腔4，当气体混合腔4的气压表9示数为0.3mpa时停止通气，开启气体搅拌器13搅拌3min以加速气体混合。在油气混合腔5的注油孔注入适量变压器油，保证油面高于取油孔和油泵连接孔，低于气压表连接孔。注油完毕后控制油气混合腔6位置的电磁式气体流量开关3将混气缓慢通入油气混合腔5，当油气混合腔5腔体的气压表9示数为0mpa时-停止通气，打开液体搅拌器14搅拌30min使得氢气充分溶解于油中，此时依据式：p
b = k
xb
xb计算出油中溶解氢气浓度，设混合气体中氢气体积比为x，则式中p
b = 0.1x (mpa)，k
xb
为溶解常数，可查表获得，xb为油中氢气摩尔分数。使用此法配制得到的油样中氢气浓度变化精度可达1ppm，氢气浓度范围可达2ppm~1000ppm。为进一步确定所配油样中溶解氢气浓度，可在取油口取少量油样接气相色谱仪检测。将配制的油样经所述输油管道11通入所述传感器验真腔6即可对传感器进行灵敏度和检测区间的验真。进行长时间工作可靠性验真时需在填充油样后打开所述油泵8，使油样在所述油气混合腔5和所述传感器验真腔6中形成循环，避免因放置时间过长导致的气体逸散和浓度分布不均。
44.综上所述，本发明提出一种氢气传感器可靠性验证平台，能够对变压器油中溶解氢气传感器进行灵敏度、检测范围、长时间工作可靠性三个指标的验真。通过控制配置室气体压力实现高浓度精度标准氢气油样配置；通过将装置置于恒温箱内和加入油循环泵，避免了温度改变引起油样中氢气浓度的变化。该系统可实现最低1ppm的传感器灵敏度验真与最大2ppm~1000ppm的传感器检测范围验真，满足变压器油中溶解氢气传感器的验真需求。
45.前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的，这些描述
并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化，尽管已经示出和描述了本发明的实施例，但本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对发明的限制，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合，对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够在阅读完本说明书后可在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下，可以根据需要对实施例做出没有创造性贡献的修改、替换、变型以及各种不同的选择和改变，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。