一种U型振荡管测密度的变压器油含气量测试装置及方法

摘要

一种U型振荡管测密度的变压器油含气量测试装置及方法，属于电力系统检测技术领域，解决如何根据被测油样在真空脱气前后油样密度的变化来计算出油中含气量，从而提高测试的精度的问题，本发明的装置利用U型振荡管测量油样的密度，具有非常高的测量精度，能够满足油样脱气前后密度变化的准确测定，本发明的方法首次提出根据被测油样在真空脱气前后油样密度的变化来计算出油中含气量，是一个全新测试原理的测试方法，该方法操作简单，便于在现场开展试验，能够适应不同含气量油样的测量。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统检测技术领域，涉及一种U型振荡管测密度的变压器油含气量测试装置及方法。

背景技术

二氧化碳洗脱法是利用二氧化碳的过饱和将油中溶解气体置换并携带出来，然后同时通过装有氢氧化钾溶液的吸收管，使二氧化碳被碱液完全吸收，使油中溶解气体全部进入量气管，据此测定出油中溶解气体的含量。但是二氧化碳洗脱法这种方法存在的问题是CO

气相色谱法是目前应用最较为广泛的检测变压器油含气量的方法，其检测方法主要是利用机械振荡法或自动顶空脱气法脱出变压器油中的气体，然后用气相色谱仪分离、检测各气体组分，然后进行结果计算，以体积分数(％)表示计算的结果，以此得到变压器油中的含气量。气相色谱法检测精度高，重复性好，但色谱检测时间长，脱气过程人工环节多，对检测结果影响大。由于含气量的指标要求高(1000kV设备变压器油注油后含气量要求≤0.8％)，这对检测仪器设备的精密度提出了严苛的要求，由于实验条件的限制，只能在实验室内对油样进行测试。然而通过从现场将设备中的变压器油样用密封针管取回实验室进行检测这个过程中受到的人为因素和环境因素的影响太大，即使实验室的仪器再精密，检测过程再严谨，检测结果依然可能出现较大误差。

真空压差法测定绝缘油中含气量主要是将被测油样通过适当的方式进入高真空的脱气室，使试油中的溶解气体迅速释放出来，根据试油进入脱气室前、后释放气体产生的压力差值，结合室温、试油量、脱气室容积、脱气室温度等参数计算出油中溶解气体的含量，以标准状况下(101.3kPa、0℃)气体对试油的体积分数(％)来表示被测油样中的含气量，这种方法也被称为全脱气方法。

真空压差法具有测定快速准确的优点。真空压差法根据所使用的真空计不同，可分为U形柱压差计法和电子真空计压差法。

U形油柱压差计法对仪器设备密封性要求高，加之使用有毒的纯水银，常因仪器精度不高使脱气不完全，当真空度出现很小的偏差时，含气量的测定就有很大的误差。且该检测操作复杂，对试验人员的操作熟练度要求很高。

电子真空计压差法所使用的仪器由金属容器和电子真空器件、电子测量器件以及电子控制器件构成，装置智能化程度高，试验操作简单，准确度高等优点，随着装置的集成程度变高，亦可实现现场含气量的测量。例如，现有技术中公布日期为2017年8月18日、公布号为CN107063920A的中国发明专利申请《一种绝缘油中含气量的测量装置及方法》公开了一种改良的电子真空计真空压差法，该方法通过活塞的移动实现初始状态的绝对真空，无需预抽真空实现绝缘油中含气量的测量，该方法改良的方法能够实现现场含气量的快速检测。

但目前电子真空计压差法测量原理普遍是将一定体积的变压器油在真空条件下脱气，脱出气体将降低脱气容器的真空度，根据真空度的变化来计算含气量。也就是说测试所使用的变压器油的体积恒定，油中所含气体量不同，脱气容器的真空度变化量也不同。由于不同条件下的变压器油含气量差异很大，开放式油箱中油的含气量能够达到10％左右，对于特高压用油在热油循环后含气量要求不高于0.8％。对于不同含气量的油，显然脱气程度不同，脱出气体的绝对量不同，测试结果所表现出来的装置真空度的变化量也不同。为提高低含气量油的脱气效率，一般会采用增大真空体积，也就是增大脱气容器的体积，虽然脱气效率提高了，但气相的气体组分浓度是降低的，对应的真空计的压差变化是减小的，这对装置的精密度有更高的要求。

发明内容

本发明的目的在于如何根据被测油样在真空脱气前后油样密度的变化来计算出油中含气量，从而提高测试的精度。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

一种U型振荡管测密度的变压器油含气量测试装置，包括：U型振荡管(1)，磁铁(2)，电子激发振荡器(3)，真空脱气室(4)，油样缓冲室(5)，真空泵(6)，第一温度传感器(7)，第二温度传感器(8)，第三温度传感器(9)，控温保温层(10)，第一阀门(11)，第二阀门(12)，第三阀门(13)，第四阀门(14)，第五阀门(15)，第六阀门(16)，频率计数器(17)；所述的U型振荡管(1)、磁铁(2)、电子激发振荡器(3)、真空脱气室(4)、油样缓冲室(5)、第一温度传感器(7)、第三温度传感器(9)、第三阀门(13)、第四阀门(14)、频率计数器(17)均安装在控温保温层(10)内部；所述的U型振荡管(1)的左侧顶部端口与输入介质管路相连，所述的输入介质管路延伸至控温保温层(10)的外部，输入介质管路上设置有第一阀门(11)；U型振荡管(1)的右侧顶部端口与输出介质管路相连，所述的输出介质管路延伸至控温保温层(10)的外部，输出介质管路上设置有第二阀门(12)；U型振荡管(1)的底部固定有磁铁(2)，磁铁(2)底部安装有电子激发振荡器(3)，U型振荡管(1)的两个竖管上各安装一个频率计数器(17)，用于测量U型振荡管(1)的振动频率；所述的真空脱气室(4)为一密闭容器，其内设置有油样缓冲室(5)，真空脱气室(4)上部与真空泵(6)通过管路相连，连接管路上有第六阀门(16)，真空脱气室(4)底部设置有排空管路，排空管路上设置有第五阀门(15)；所述的油样缓冲室(5)的上部敞口，其下部的两个接口分别与U型振荡管(1)的两个端口通过管路相连，管路上分别设置有第三阀门(13)、第四阀门(14)；所述的第一温度传感器(7)设置在控温保温层(10)的内部侧壁上，第二温度传感器(8)设置在控温保温层(10)的外部侧壁上，第三温度传感器(9)设置在U型振荡管(1)的的两个竖管之间。

本发明的装置利用U型振荡管测量油样的密度，具有非常高的测量精度，能够满足油样脱气前后密度变化的准确测定。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的U型振荡管(1)的左侧顶部端口和右侧顶部端口分别通过硬质硅胶管与输入介质管路以及输出介质管路相连。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的真空泵(6)的绝对残压不大于10Pa。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的第一温度传感器(7)、第二温度传感器(8)、第三温度传感器(9)的测量精度为±0.1℃，所述的控温保温层(10)的控温精度为±0.1℃。

一种应用于所述的一种U型振荡管测密度的变压器油含气量测试装置的方法，包括以下步骤：

S101、装置标定；分别采用洁净空气和纯水作为标准物质对U型振荡管(1)进行标定，并计算出U型振荡管(1)的仪器常数F；

S102、待测油样密度测定；利用待测油样对U型振荡管(1)进行冲洗，待U型振荡管(1)中的待测油样无气泡且温度达到设定值并稳定后，计算出待测油样的密度ρ

S103、待测油样真空脱气后密度测定；利用真空泵(6)对U型振荡管(1)中的待测油样进行真空脱气处理，缓慢地将待测油样中溶解的气体脱除，待脱气结束，对U型振荡管(1)中经脱气处理后的油样进行测量，计算出真空脱气后待测油样的密度ρ

S104、待测油样中的含气量计算；根据ρ

本发明的方法首次提出根据被测油样在真空脱气前后油样密度的变化来计算出油中含气量，是一个全新测试原理的测试方法，该方法操作简单，便于在现场开展试验，能够适应不同含气量油样的测量。

作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S101中采用洁净空气作为标准物质对U型振荡管(1)进行标定的过程为：开始测试前所有阀门处于关闭状态，此时打开第一阀门(11)、第二阀门(12)，将洁净空气从第一阀门(11)通入装置，对U型振荡管(1)进行吹扫不少于10min，先后关闭第一阀门(11)和第二阀门(12)，通过控温保温层(10)启动控温功能，待第一温度传感器(7)、第二温度传感器(8)、第三温度传感器(9)的温度稳定在20±0.1℃后，启动装置的测试功能，通过电子激发振荡器(3)使磁铁(2)产生固定频率的振荡，通过频率计数器(17)及第三温度传感器(9)记录振荡周期T

作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S101中采用纯水作为标准物质对U型振荡管(1)进行标定的过程为：开始测试前所有的阀门处于关闭状态，打开第一阀门(11)、第二阀门(12)，纯水通过第一阀门(11)进入U型振荡管(1)，并从第二阀门(12)排出，利用纯水对U型振荡管(1)及管路进行冲洗3～5min，待U型振荡管(1)及管路中无气泡后，先后关闭第一阀门(11)和第二阀门(12)，通过控温保温层(10)启动控温功能，待第一温度传感器(7)、第二温度传感器(8)、第三温度传感器(9)的温度稳定在20±0.1℃后，启动装置的测试功能，通过电子激发振荡器(3)使磁铁(2)产生固定频率的振荡，通过频率计数器(17)及第三温度传感器(9)记录振荡周期T

作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S102中待测油样密度测定的过程为：开始测试前所有阀门处于关闭状态，打开第一阀门(11)和第二阀门(12)，使待测油样进入U型振荡管(1)，利用待测油样对U型振荡管(1)进行冲洗3～5min，然后打开第三阀门(13)、第四阀门(14)、第五阀门(15)，关闭第二阀门(12)，待测油样从第三阀门(13)、第四阀门(14)进入油样缓冲室(5)进行冲洗，冲洗后油样通过第五阀门(15)排出；当待测油样充满U型振荡管(1)和油样缓冲室(5)以及相应管路且油中无气泡后，关闭第一阀门(11)、第三阀门(13)、第四阀门(14)、和第五阀门(15)，通过控温保温层(10)启动控温功能，待第一温度传感器(7)，第二温度传感器(8)，第三温度传感器(9)的温度稳定在20±0.1℃后，启动装置的测试功能，通过电子激发振荡器(3)使磁铁(2)产生固定频率的振荡，通过频率计数器(17)及第三温度传感器(9)记录振荡周期T

作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S103中待测油样真空脱气后密度测定的过程为：打开第三阀门(13)、第四阀门(14)和第六阀门(16)，打开真空泵(6)，对油样进行抽真空脱气，保持真空度为-0.05Mpa，抽10min，再调节真空度至-0.1Mpa继续抽20min后，关闭真空泵(6)和第六阀门(16)，通过10-控温保温层启动控温功能，待第一温度传感器(7)、第二温度传感器(8)、第三温度传感器(9)的温度稳定在20±0.1℃后，启动装置的测试功能，通过电子激发振荡器(3)使磁铁(2)产生固定频率的振荡，通过频率计数器(17)及第三温度传感器(9)记录振荡周期T

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的仪器常数F的计算公式如下：

式中：ρ

作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S102中计算出待测油样的密度ρ

式中，T

作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S103中计算出真空脱气后待测油样的密度ρ

式中，T

作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S104中计算得到待测油样的含气量体积V

ρ

式中，ρ

作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S104中计算出待测油的含气量G的公式为：

式中，t表示试验装置恒定温度，0.0008表示油的热膨胀系数，单位为1/℃。

本发明的优点在于：

(1)本发明首次提出根据被测油样在真空脱气前后油样密度的变化来计算出油中含气量，是一个全新测试原理的测试方法，利用U型振荡管测量油样的密度，具有非常高的测量精度，能够满足油样脱气前后密度变化的准确测定，该方法操作简单，便于在现场开展试验，能够适应不同含气量油样的测量；

(2)采用直接对U型振荡管中待测油样进行抽真空的方式，抽完真空后立即测试，有效避免了气体回溶；同时可以控制真空泵的脱气时间来灵活实现含气量的快速测量和精确测量；

(3)设计的油样缓冲室即能够降低真空脱气过程对U型振荡管中油样的扰动，使U型振荡管两端压力平衡；

(4)本发明的装置可直接连接于用油电力设备上用于变压器油含气量的在线监测。

附图说明

图1是本发明实施例的一种U型振荡管测密度的变压器油含气量测试装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的一种U型振荡管测密度的变压器油含气量测试方法的流程图；

图中的附图标记：1-U型振荡管，2-磁铁，3-电子激发振荡器，4-真空脱气室，5-油样缓冲室，6-真空泵，7-第一温度传感器，8-第二温度传感器，9-第三温度传感器，10-控温保温层，11-第一阀门，12-第二阀门，13-第三阀门，14-第四阀门，15-第五阀门，16-第六阀门，17-频率计数器。

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，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。

下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：

实施例一

1、装置的连接关系

如图1所示，一种U型振荡管测密度的变压器油含气量测试装置，包括：U型振荡管1，磁铁2，电子激发振荡器3，真空脱气室4，油样缓冲室5，真空泵6，第一温度传感器7，第二温度传感器8，第三温度传感器9，控温保温层10，第一阀门11，第二阀门12，第三阀门13，第四阀门14，第五阀门15，第六阀门16，频率计数器17。

所述的U型振荡管1、磁铁2、电子激发振荡器3、真空脱气室4、油样缓冲室5、第一温度传感器7、第三温度传感器9、第三阀门13、第四阀门14、频率计数器17均安装在控温保温层10内部；所述的U型振荡管1为硼化玻璃材质，容积为3mL通过注纯水称重法进行标定，U型振荡管1的左侧顶部端口通过硬质硅胶管与输入介质管路相连，所述的输入介质管路延伸至控温保温层10的外部，输入介质管路上设置有第一阀门11；U型振荡管1的右侧顶部端口通过硬质硅胶管与输出介质管路相连，所述的输出介质管路延伸至控温保温层10的外部，输出介质管路上设置有第二阀门12；U型振荡管1的底部固定有磁铁2，磁铁2底部安装有电子激发振荡器3，U型振荡管1的两个竖管上各安装一个频率计数器17，用于测量U型振荡管1的振动频率。

所述的真空脱气室4为一密闭容器，其内设置有油样缓冲室5，真空脱气室4用于对油样进行真空脱气；真空脱气室4上部与真空泵6通过管路相连，连接管路上有第六阀门16，真空脱气室4底部设置有排空管路，排空管路上设置有第五阀门15；所述的真空泵6的绝对残压不大于10Pa。

所述的油样缓冲室5为一个玻璃容器，容积为3mL，油样缓冲室5的上部敞口，其下部的两个接口分别与U型振荡管1的两个端口通过管路相连，管路上分别设置有第三阀门13、第四阀门14；油样缓冲室5的作用有两个，一个是用于缓解抽真空过程对U型振荡管1中油样的扰动，同时保障U型振荡管1两个端口所受到的真空作用相同；另外一个作用是用于对U型振荡管1内的油样进行缓冲，在抽真空过程中，气泡从油中析出并向上运动，U型振荡管1中油被气泡排开，导致U型振荡管1中油的体积变化，此时上部油样补充室中的油样自动向下流动，对U型振荡管1进行补充，防止由于抽真空导致U型振荡管1中油量不满。

所述的第一温度传感器7设置在控温保温层10的内部侧壁上，第二温度传感器8设置在控温保温层10的外部侧壁上，第三温度传感器9设置在U型振荡管1的的两个竖管之间；分别用于测量发热体温度、外界环境温度以及U型振荡管1内温度，温度传感器的测量精度为±0.1℃。

所述的控温保温层10用于对测试区域进行温度调节和控制，由控温功能和保温功能组成，控温功能通过微型处理器控制帕尔贴发热元件时间对测试区域的温度控制，控温精度为±0.1℃。

2、装置的检测原理

U型振荡管被广泛应用于液体和气体的密度检测，其具有快速、可靠、准确率高、测量精度高等优点。U型振荡管法检测物质密度的原理是利用基于电磁引发的玻璃U型振荡管的振荡频率，即利用一块磁铁固定在U型振荡管上，由电子激发振荡器使其产生振动，U型振荡管的振动周期将被振动传感器测量得到，每一个U型振荡管都有其特征频率或按固有频率振动。当U型振荡管内充满物体后，其频率为管内填充物质质量的函数。当物质的质量增加时其频率会降低，即振动周期T增加。测量时，选择某些物质作为标准物质，测量频率后通过被测物质与标准物质之间的振动频率的差值计算出被测物质的密度值。

U型振荡管在进行测试前需测定仪器常数F，一般采用至少两种标准物质经常测定，该两种标准物质的密度区间应涵盖试验样品的密度范围。对于变压器油，其密度一般在890kg/m

公式(1)中：F表示U型振荡管测试仪仪器的常数；ρ

因此，利用U型振荡管对油样进行检测，根据测得的油样的振动周期T

公式(2)中，ρ

U型振荡管法用于测变压器油含气量的原理是基于油中所含气体导致油的密度变化来进行测量和计算的。首先利用U型振荡管振荡法测定出未经处理的待测油样的密度ρ

ρ

公式(3)和(4)中，ρ

变压器油中所含气体种类包括洁净空气(氧气和氮气)、二氧化碳、一氧化碳以及气态烃类和氢气，一般烃类和氢气由设备故障导致油分解而产生，油中含量非常低，在10

由V

公式(5)中，G表示油中含气量，单位为％；V

3、装置的操作流程

(1)装置标定

装置在首次使用时需进行标定，采用洁净空气和纯水作为标准物质对U型振荡管进行标定。首先将洁净空气通入U型振荡管1中，待洁净空气和U型振荡管1温度达到设定温度并稳定后，记录振动周期T

(a)洁净空气标定：开始测试前所有阀门处于关闭状态，此时打开第一阀门11、第二阀门12，将洁净空气从第一阀门11通入装置，对U型振荡管1进行吹扫不少于10min，先后关闭第一阀门11和第二阀门12，通过控温保温层10启动控温功能，待第一温度传感器7、第二温度传感器8、第三温度传感器9的温度稳定在20±0.1℃后，启动装置的测试功能，通过电子激发振荡器3使磁铁2产生固定频率的振荡，通过频率计数器17及第三温度传感器9记录振荡周期T

(b)纯水标定：开始测试前所有的阀门处于关闭状态，打开第一阀门11、第二阀门12，纯水通过第一阀门11进入U型振荡管1，并从第二阀门12排出，利用纯水对U型振荡管1以及相应管路进行缓慢冲洗3～5min，待U型振荡管1及相应管路中无气泡后，先后关闭第一阀门11和第二阀门12，通过控温保温层10启动控温功能，待第一温度传感器7、第二温度传感器8、第三温度传感器9的温度稳定在20±0.1℃后，启动装置的测试功能，通过电子激发振荡器3使磁铁2产生固定频率的振荡，通过频率计数器17及第三温度传感器9记录振荡周期T

结束测试后，将U型振荡管1中的纯水排出，打开第一阀门11和第二阀门12，从第一阀门11处通入干燥纯净洁净空气将U型振荡管1及相应管路吹干后，关闭所有阀门。

(2)待测油样密度测定

利用待测油样对U型振荡管1进行冲洗，待U型振荡管1中的待测油样无气泡且温度达到设定值并稳定后，测量并记录振动周期T

开始测试前所有阀门处于关闭状态，打开第一阀门11和第二阀门12，使待测油样进入U型振荡管1，利用待测油样对U型振荡管1进行缓慢冲洗3～5min，然后打开第三阀门13、第四阀门14、第五阀门15，关闭第二阀门12，待测油样从第三阀门13、第四阀门14进入油样缓冲室5进行冲洗，冲洗后油样通过第五阀门15排出；当待测油样充满U型振荡管1和油样缓冲室5以及相应管路且油中无气泡后，关闭第一阀门11、第三阀门13、第四阀门14、和第五阀门15，通过控温保温层10启动控温功能，待第一温度传感器7，第二温度传感器8，第三温度传感器9的温度稳定在20±0.1℃后，启动装置的测试功能，通过电子激发振荡器3使磁铁2产生固定频率的振荡，通过频率计数器17及第三温度传感器9记录振荡周期T

(3)待测油样真空脱气后密度测定

利用真空泵6对U型振荡管1中的待测油样进行真空脱气处理，缓慢地将待测油样中溶解的气体脱除，待脱气结束，对U型振荡管1中经脱气处理后的油进行测量，记录振动周期T

打开第三阀门13、第四阀门14和第六阀门16，打开真空泵6，对油样进行抽真空脱气，保持真空度为-0.05Mpa，抽10min，再调节真空度至-0.1Mpa继续抽20min后，关闭真空泵6和第六阀门16，通过控温保温层10启动控温功能，待第一温度传感器7、第二温度传感器8、第三温度传感器9的温度稳定在20±0.1℃后，启动装置的测试功能，通过电子激发振荡器3使磁铁2产生固定频率的振荡，通过频率计数器17及第三温度传感器9记录振荡周期T

(4)待测油样中的含气量计算

由待测油密度ρ

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。