一种基于微流控的变压器油微水检测系统

摘要

本发明涉及精密检测仪器技术领域，具体涉及一种基于微流控的变压器油微水检测系统，微流控芯片电连接检测电路，检测电路电连接微处理器，微处理器电连接上位机；减少了介电常数法参考电容选取对测量结果的影响；同时以微流控芯片作为油品检测芯片，具有响应快、精度高、耗材少、简单方便等优点，所设计的微流控芯片可实现一次注入样品，多模式测量输出的效果，通过最小二乘法对多种工作模式下测量结果的线性回归拟合，最大程度减小寄生电容等环境因素对测量精度的影响。相比传统介电常数测量法，所用耗材少，测量电压输出范围宽，微水检测范围大，制作简单，精度高响应快等优点，在电容式湿度检测领域具有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及精密检测仪器技术领域，具体涉及一种基于微流控的变压器油微水检测系统。

背景技术

变压器油是电力变压器内部重要的绝缘介质，它在电力变压器中主要起绝缘、冷却和消弧的作用，油质的优劣直接影响到变压器的电器性能和运行寿命。因设备受潮和高电压强电场的作用下，变压器油中微水含量会随着运行时间的增加而增大。当油中微水含量超过一定阈值时，设备的绝缘性能将大大降低，严重时可导致绝缘击穿、烧毁设备等重大事故。因此，变压器油中微水含量的检测是变压器设备安全、稳定运行的重要保障。

国内油中水量测定较为普遍采用的是国标GB7600－87《运行中变压器油水分含量测定法(库仑法)》，但设备较昂贵，并且电解液的主要成份是甲醇、二氧化硫，有些还含有吡啶，属有毒有害物质，对实验人员的健康有危害，废液排放对环境还会造成污染。近年来，随着高分子材料的突飞猛进，介电常数法湿度测量技术得到了广泛应用。该技术利用高分子感湿膜的介电常数能随含水量变化而变化的原理，通过测量电容量的变化就能得到含水量的变化，其主要优点是响应时间快，滞后性小，在低湿处的灵敏度也高，稳定性好，制作简单，功耗低，能在较大的温度范围内使用，易于实现小型化和集成化。

微流控芯片技术是以芯片为操作平台，同时以分析化学为基础，以微机电加工技术为依托，以微管道网络为结构特征，具有液体流动可控、消耗试样和试剂极少、分析速度成十倍上百倍地提高等特点，它可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样品的同时分析，并且可以在线实现样品的预处理及分析全过程。本发明依托微流控芯片技术，将聚酰亚胺高分子感湿材料集成在微流控芯片中，通过设计微流控芯片中微管道网络结构的变化形成多种检测通道，根据不同检测通道中微水含量变化表征的样品电容量变化，可精确快速测量变压器油中微水含量。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于微流控的变压器油微水检测系统，解决了常规介电常数法参考电容选取对测量结果的影响以及传统介电常数测量法，所用耗材较多，测量电压输出范围较窄，微水检测范围较小等问题；本发明通过以下技术方案予以实现：

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种基于微流控的变压器油微水检测系统，包括微流控芯片、检测电路、微处理器与上位机，其特征在于：所述微流控芯片电连接所述检测电路，所述检测电路电连接所述微处理器，所述微处理器电连接所述上位机；

所述微流控芯片单元包括测试油注入池、测试油注入阀、叉指正电极、叉指负电极、测试油通道阀、标准油通道阀、标准油注入阀、标准油注入池、叉指电极表面覆盖的聚酰亚胺感湿介质、绝缘层与硅衬底，所述绝缘层设置在所述硅衬底的上表面；

在所述微流控芯片中，由6块相同的所述叉指正电极和6块相同的所述叉指负电极组成测试油检测通道，分别标记为P_L1、P_L2、P_L3、P_L4、P_L5、P_L6和N_L1、N_L2、N_L3、N_L4、N_L5、N_L6，由6块相同的所述叉指正电极和6块相同的所述叉指负电极组成标准油检测通道，分别标记为P_R1、P_R2、P_R3、P_R4、P_R5、P_R6和N_R1、N_R2、N_R3、N_R4、N_R5、N_R6，所述测试油通道阀的开通和闭合形成两种不同的流体微通道，所述流体微通道内有表面覆盖有聚酰亚胺感湿介质的叉指结构，当所述聚酰亚胺感湿介质吸湿后，其介电常数发生变化，所述叉指正电极与所述叉指负电极之间形成的电容容量发生变化，所述测试油通道阀与所述标准油通道阀独立操控互不影响；

所述检测电路由CAV424芯片及外围电路组成，所述标准油检测通道内的所述叉指正电极与所述叉指负电极构成参考电容分别从PR、NR两个电极引线端子引出，所述测试油检测通道内的所述叉指正电极与所述叉指负电极构成被测电容分别从PL、NL两个电极引线端子引出。

优选的，所述标准油检测通道内的所述叉指正电极构成的参考电容接所述CAV424芯片的16引脚，测试油检测通道内的所述叉指正电极与所述叉指负电极构成的被测电容接所述CAV424芯片的14引脚，所述CAV424芯片输出电压可表示为：

式中，分别为参考电容和被测电容的充电电压振幅，为参考电压，Gain为R_L1和R_L2调节的低通滤波器放大倍数。电容充电电压振幅值又可以表示为：

式中f_osc为参考振荡器的频率，V_Clamp为电容式积分器的放电电压(内部钳位成固定值)，C_X杂为芯片内部杂散电容，电容式积分器的电流I_CX是由外接电阻R_CX和参考电压V_M来确定：

将式(2)、(3)代入(1)中，另

忽略芯片内部杂散电容，另则

所述CAV424芯片的输出电压信号值与参考电容和被测电容差值呈线性关系，当被测电容值与参考电容值越接近，输出值越接近参考电压值。

优选的，在测试油注入阀、标准油注入阀、所述测试油通道阀与所述标准油通道阀的共同控制下，按照测试油通道和标准油通道的不同，互相组合，构成3种有效检测模式：

①打开所述测试油注入阀和所述标准油注入阀，关闭所述测试油通道阀与所述标准油通道阀；

测试油注入由P_L1N_L2—P_L2N_L2—P_L3N_L3构成的检测通道，标准油注入由P_R1N_R1—P_R2N_R2—P_R3N_R3构成的检测通道，微流控芯片中的12块叉指正电极和12块叉指负电极尺寸一致，故检测系统中作为参考电容的标准油等效电容表示为：

C_M1X1＝k₀3n3lε_油+C_σ油M1＝9k₀nlε_油+C_σ油M1

同样的，含有微水的测试油等效电容可表示为：

C_M1X2＝k₀3n3lε_油水+C_σ油水M1＝9k₀nlε_油水+C_σ油水M1

忽略叉指电极寄生电容，检测电路输出电压信号与电容间的关系可表示为：

由于水的介电常数远大于油，当测试油中微水含量越大，检测电路输出电压越大于参考电压信号，同时标准油的介电常数已知，可以通过上述关系得到测试油的介电常数，将测试油品看做油水混合物，进而按照下述关系得到含有微水量的体积分数d，

②打开所述测试油注入阀和所述标准油注入阀，关闭所述测试油通道阀，打开所述标准油通道阀；

测试油注入由P_L1N_L1—P_L2N_L2—P_L3N_L3构成的检测通道，标准油注入由P_R1N_R1—P_R2N_R2—P_R3N_R3—P_R4N_R4—P_R5N_R5—P_R6N_R6构成的检测通道，由于测试油检测通道未发生变化，其等效电容可由上述表示，即C_M2X2＝C_M1X2；

此时作为参考电容的标准油等效电容表示为：

C_M2X1＝k₀6n6lε_油+C_σ油M2＝36k₀nlε_油+C_σ油M2

忽略叉指电极寄生电容，工作模式二检测电路输出电压信号与电容间的关系可表示为：

同样的，可进一步得到所含微水量的体积分数，此时若油中含有水分极少，ε_油≈ε_油水时，检测电路检测输出电压比参考电压信号小，能够检测比模式一中含量更少的微水。

假设ε_油≈ε_油水时，取极限

则

假设标准油介电常数等于纯油(即ε_油＝2.3)所含水分极少(Δ＝0.001，对应体积分数d＝1.017e-5)，此时：

可以看出，通过比较模式一和模式二的检测电路输出差分电压值，可以明显拓宽芯片对微水含量检测范围。

③打开所述测试油注入阀和所述标准油注入阀，打开所述测试油通道阀和所述标准油通道阀；

测试油注入由P_L1N_L1—P_L2N_L2—P_L3N_L3—P_L4N_L4—P_L5N_L5—P_L6N_L6构成的检测通道，标准油注入由P_R1N_R1—P_R2N_R2—P_R3N_R3—P_R4N_R4—P_R5N_R5—P_R6N_R6构成的检测通道，由于标准油检测通道未发生变化，其等效电容可由上述式表示，即C_M3X1＝C_M2X1。此时测试油等效电容可表示为：

C_M3X2＝k₀6n6lε_油水+C_σ油水M3＝36k₀nlε_油水+C_σ油水M3

忽略叉指电极寄生电容，工作模式二检测电路输出电压信号与电容间的关系可表示为：

模式三与模式一相比，其检测通道的长度是模式一的两倍，结构上对称，通过模式一和模式三的多次测量和数据比对，可有效减少寄生电容对测量精度的影响。

优选的，所述绝缘层为二氧化硅绝缘层。

优选的，所述微流控芯片中的12块所述叉指正电极和12块所述叉指负电极尺寸一致。

优选的，所述标准油检测通道与所述测试油检测通道呈对称结构。

优选的，所述外围电路中包括有放大器，所述放大器的型号为AD620。

优选的，所述微处理器的型号为STM32F103。

(三)有益效果

本发明提供了一种基于微流控的变压器油微水检测系统，本装置不仅能够实现变压器油中微水含量的精密检测，同时以未运行的同标号标准变压器油作为参考测量标准，测量运行中的变压器油微水含量，减少了介电常数法参考电容选取对测量结果的影响；同时以微流控芯片作为油品检测芯片，具有响应快、精度高、耗材少、简单方便等优点。所设计的微流控芯片可实现一次注入样品，多模式测量输出的效果，通过最小二乘法对多种工作模式下测量结果的线性回归拟合，最大程度减小寄生电容等环境因素对测量精度的影响。相比传统介电常数测量法，所用耗材少，测量电压输出范围宽，微水检测范围大，制作简单，精度高响应快等优点，在电容式湿度检测领域具有广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明微流控芯片的结构示意图；

图3是本发明微流控芯片中叉指电极剖面图；

图4是本发明CAV424芯片构成的检测单元电路结构图。

图中：1、微流控芯片；1-1、测试油注入池；1-2、测试油注入阀；1-3、叉指正电极；1-4、叉指负电极；1-5、测试油通道阀；1-6、标准油通道阀；1-7、标准油注入阀；1-8、标准油注入池；1-9、聚酰亚胺感湿介质；1-10、绝缘层；1-11、硅衬底；2、检测电路；3、微处理器；4、上位机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

实施例1：

在本实施方式中，以叉指电极结构模型为例，阐述测试油中含水量转换成叉指电极电容量表征的过程。微流控芯片的制作工艺可分为八个步骤，依次为硅片衬底的清洗与氧化、溅射下电极、涂聚酰胺酸并亚胺化、溅射上电极、刻蚀划片道、腐蚀上电极、刻蚀下电极引线孔、切片并压焊封装。叉指电极结构剖面如图3所示，叉指电极电容可以等效成电场线穿过聚酰亚胺介质层的理想输出电容C0、电场线穿过二氧化硅层寄生电容C1和电场线穿过硅衬底层寄生电容C2组成。叉指电极等效电容表达式为：

C0＝C1+C2 (1)

按照Gerwen在文献“Nanoscaled interdigitated electrode arrays forbiochemical sensors[J].Sensors and Actuators B 1998,49:73-76”中的结论，

式中，n表示叉指结构总数量，ε为聚酰亚胺与水混合后的介电常数，h为电极的厚度，l表示电极的长度，W表示两相邻电极之间的间距，C_σ为等效寄生电容，与穿过绝缘层和硅基底的电场线的数量有关，为减小寄生电容，采取悬臂梁结构的悬浮型叉指。本发明装置中的电极形状相同尺寸一致，则叉指电极电容可进一步表示为

C₀＝k₀nlε+C_σ>

式中可以看出，叉指电极电容与叉指结构数量、介质的介电常数以及电极的长度成正比。

下面结合CAV424的典型应用电路，阐述微流控芯片中测试油和标准油的叉指电极的电容量与CAV424芯片输出信号的关系。CAV424芯片的检测电路如图4所示，标准油检测通道的叉指电极电容作为参考电容接芯片的16引脚，测试油检测通道的叉指电极电容作为被测电容接芯片的14引脚，其工作原理为一个由电容C_OSC确定频率的参考振荡器控制着2个相位恒定和周期相同的对称构造的积分器。这两个积分器的振幅通过参考电容和被测电容来确定，比较两个积分器的电压振幅差值就可以给出参考电容和被测电容的相对电容变化差值。该差分信号通过一个二级低通滤波器转换成直流电压信号并经过输出可调的差分信号输出级输出。调整C_L1和C_L2、R_L1和R_L2可改变低通滤波器的滤波常数和放大倍数。检测中芯片输出信号需要放大，本实施例中选择具有高输入阻抗、高共模抑制比、高增益的仪用放大器AD620，CAV424的两路输出信号经差分放大后，输入给微处理器单元的A/D转换端口进行采样处理。CAV424芯片输出电压可表示为：

式中，分别为参考电容和被测电容的充电电压振幅，V_M为参考电压，Gain为R_L1和R_L2调节的低通滤波器放大倍数。电容充电电压振幅值又可以表示为

式中f_osc为参考振荡器的频率，V_Clamp为电容式积分器的放电电压(内部钳位成固定值)，C_X杂为芯片内部杂散电容，电容式积分器的电流I_CX是由外接电阻R_CX和参考电压V_M来确定：

将式(5)、(6)代入(4)中，另

忽略芯片内部杂散电容，另则

可以看出，CAV424输出电压信号值与参考电容和被测电容差值呈线性关系，当被测电容值与参考电容值越接近，输出值越接近参考电压值。纯油的介电常数约为2.3，纯水的介电常数约为80，单位体积的被测样品油内含有水分越多，其介电常数相对于纯油越大，由式(3)可知，其叉指电极表征电容值越大，检测输出电压信号与参考电压信号差值越大。

实施例2：

在本实施方式中，以微流控芯片结构为例，阐述基于微流控芯片的变压器油检测和含水量模型建立过程。

工作模式一：打开测试油注入阀1-2和标准油注入阀1-7，关闭测试油通道阀1-5、标准油通道阀1-6。测试油注入由P_L1N_L1—P_L2N_L2—P_L3N_L3构成的检测通道，标准油注入由P_R1N_R1—P_R2N_R2—P_R3N_R3构成的测试油检测通道，本发明中微流控芯片中的12块叉指正电极和12块叉指负电极尺寸一致，故检测系统中作为参考电容的标准油等效电容表示为：

C_M1X1＝k₀3n3lε_油+C_σ油M1＝9k₀nlε_油+C_σ油M1>

同理，含有微水的测试油等效电容可表示为：

C_M1X2＝k₀3n3lε_油水+C_σ油水M1＝9k₀nlε_油水+C_σ油水M1>

忽略叉指电极寄生电容，检测电路输出电压信号与电容间的关系可表示为

由于水的介电常数远大于油，当测试油中微水含量越大，检测电路输出电压越大于参考电压信号，同时标准油的介电常数已知，可以通过上述关系得到测试油的介电常数，将测试油品看做油水混合物，进而按照下述关系得到含有微水量的体积分数d，

工作模式二：打开测试油注入阀1-2和标准油注入阀1-7，关闭测试油通道阀1-5，打开标准油通道阀1-6。测试油注入由P_L1N_L1—P_L2N_L2—P_L3N_L3构成的检测通道，标准油注入由P_R1N_R1—P_R2N_R2—P_R3N_R3—P_R4N_R4—P_R5N_R5—P_R6N_R6构成的检测通道，由于测试油检测通道未发生变化，其等效电容可由上述表示，即C_M2X2＝C_M1X2。

此时作为参考电容的标准油等效电容表示为：

C_M2X1＝k₀6n6lε_油+C_σ油M2＝36k₀nlε_油+C_σ油M2>

忽略叉指电极寄生电容，工作模式二检测电路输出电压信号与电容间的关系可表示为：

同理，可进一步得到所含微水量的体积分数。此时若油中含有水分极少，ε_油≈ε_油水时，检测电路检测输出电压比参考电压信号小，能够检测比模式一中含量更少的微水。

假设ε_油≈ε_油水时，取极限

则

假设标准油介电常数等于纯油(即ε_油＝2.3)所含水分极少(Δ＝0.001，对应体积分数d＝1.017e-5)，此时

可以看出，通过比较模式一和模式二的检测电路输出差分电压值，可以明显拓宽芯片对微水含量检测范围(远大于单独模式一可检测含量)。

工作模式三：打开测试油注入阀1-2和标准油注入阀1-7，打开测试油通道阀1-5、标准油通道阀1-6。测试油注入由P_L1N_L1—P_L2N_L2—P_L3N_L3—P_L4N_L4—P_L5N_L5—P_L6N_L6构成的检测通道，标准油注入由P_R1N_R1—P_R2N_R2—P_R3N_R3—P_R4N_R4—P_R5N_R5—P_R6N_R6构成的检测通道，由于标准油检测通道未发生变化，其等效电容可由上述表示，即C_M3X1＝C_M2X1。此时测试油等效电容可表示为：

C_M3X2＝k₀6n6lε_油水+C_σ油水M3＝36k₀nlε_油水+C_σ油水M3>

忽略叉指电极寄生电容，工作模式二检测电路输出电压信号与电容间的关系可表示为：

模式三与模式一相比，其检测通道的长度是模式一的两倍，结构上对称，通过模式一和模式三的多次测量和数据比对，可有效减少寄生电容对测量精度的影响。

实施例3：

本实施方式中，以上述含水量模型和检测数据为例，阐述基于微流控芯片的变压器油检测结果数值分析和上位机显示。本发明中，一次注入标准油和测量油的样品原液，按照上述顺序可一次实现三种测量模式，通过对三种模式得出的测量结果进行分析和比对，可在上位机系统中得到“含水量相对值”、“单位体积含水量”、“含水量警戒曲线”等多种显示方式和结论，便于使用者方便获取变压器运行健康状况。实际检测中，为进一步减少寄生电容等环境因素对理论计算结果的影响，用最小二乘法对变压器油中微水含量和油品叉指等效电容CAV424芯片检测输出值建立线性回归模型。设微水含量d与其叉指电容检测输出电压V_out之间的关系为：

V_out＝β₀+β₁d>

根据最小二乘原理，可得β₀、β₁的计算式为

式中，β₀、β₁为回归系数，d_i、V_outi分别为第i组数据d和V_out的实测值，和分别为全部数据d和V_out的算术平均值，n为全部实验数据的组数。引进拟合优度R²评价拟合效果进行统计校验，R²越接近1，说明回归方程拟合度越好。R²计算式为：

式中为第i组数据V_out的拟合值。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。