Anwendung und Vorteile der photoakustischen Spektroskopie zur Gasüberwachung in Transformatorenölen

• Technische GrundsätzePhotoakustische Spektroskopie: Die photoakustische Spektroskopie nutzt die Absorptionseigenschaften von Gasmolekülen bei bestimmten Lichtwellenlängen zum Nachweis. Das aus dem Öl austretende Gasgemisch wird durch das modulierte Licht bestrahlt, die Gasmoleküle absorbieren die Lichtenergie und geben dann durch den nicht-strahlenden Sprung Wärme ab, wodurch die Ausdehnung des Gases in der Mikroregion akustische Signale erzeugt.
• Zentrale StärkenKeine Notwendigkeit für Trägergas und Säulen, wodurch der Verbrauch von Verbrauchsmaterialien und die Notwendigkeit eines regelmäßigen Austauschs der herkömmlichen Chromatographie entfällt, was zu einer erheblichen Reduzierung des Wartungsaufwands und der langfristigen Betriebskosten führt.
• ErfassungsbereichDie wichtigsten Produkte können 3~7 Arten von charakteristischen Gasen abdecken, die durch Umschalten verschiedener Wellenlängen von Filtern nachgewiesen werden können.
• Anwendbare SzenarienBesonders geeignet für unbeaufsichtigte Standorte mit eingeschränkten Wartungsbedingungen, an denen das Personal häufig schwer zu erreichen ist, und für kompakte Installationen, bei denen die Größe der Geräte und der Stromverbrauch entscheidend sind.

1. wie die photoakustische Spektroskopie funktioniert

Die photoakustische Spektroskopie beruht auf dem photoakustischen Effekt: Wenn Gasmoleküle moduliertes Licht einer bestimmten Wellenlänge absorbieren, werden sie in einen energiereichen Zustand versetzt und geben anschließend durch Molekülkollisionen Energie in Form von Wärme ab, was zu einer periodischen Ausdehnung und Kontraktion von Mikrobereichen des Gases führt, wodurch nachweisbare Schallwellen entstehen. Jedes Gasmolekül hat seinen eigenen einzigartigen spektralen Absorptions-Fingerabdruck (charakteristische Absorptionswellenlänge), so dass jedes Zielgas einzeln durch Auswahl verschiedener Filterwellenlängen nachgewiesen werden kann.

Im Gegensatz zur konventionellen Gaschromatographie, bei der ein Gasgemisch nach dem anderen in einer Säule aufgetrennt werden muss, bevor es separat detektiert werden kann, kommt die photoakustische Spektroskopie ohne einen physikalischen Trennungsschritt aus und nutzt spektrale Merkmale zur direkten Identifizierung der Gase. Dies macht eine Säule und ein Trägergassystem überflüssig und vereinfacht den Aufbau der Geräte erheblich.

2) Vergleich mit Gaschromatographie

3. technische Vorteile der photoakustischen Spektroskopie

3.1 Wartungsfreier Betrieb

Durch die fehlende Abhängigkeit von Trägergas und Säulen wird die Wartung vor Ort minimiert. Für abgelegene Umspannwerke, hochgelegene Gebiete oder Standorte mit eingeschränktem Zugang bedeutet die Wartungsfreiheit eine erhebliche Verringerung des Arbeitsaufwands und der Wartungshäufigkeit.

3.2 Schnelle Erkennung

Da keine chromatografischen Trennungen erforderlich sind, sind Einzelnachweise in der Regel schneller als Chromatografien. In Notfallszenarien, in denen ein schnelles Urteil erforderlich ist, bedeuten kürzere Detektionszyklen eine rechtzeitige Warnung vor Fehlern.

3.3 Kompaktheit

Durch den Wegfall des Gasleitungssystems und des Säulenthermostats können Größe und Gewicht des Geräts reduziert werden. Es eignet sich für Anwendungen mit engen Platzverhältnissen, wie z. B. kompakte Stromverteilungsräume oder mobile Überwachungsplattformen.

4. technische Einschränkungen

4.1 Begrenzter Bereich der nachweisbaren Gase

Derzeit können gängige photoakustische Spektroskopieprodukte aufgrund des Wellenlängenbereichs der verfügbaren Filter und der Probleme mit der spektralen Überlappung weniger Gase nachweisen als High-End-Gaschromatografiesysteme. Insbesondere die Empfindlichkeit der CO- und CO₂-Detektion kann bei einigen Produkten noch verbessert werden.

4.2 Spektrales Übersprechen

Verschiedene Gase können sich überlappende Absorptionsspitzen im Bereich ähnlicher Wellenlängen aufweisen, was zu Kreuzinterferenzen führt. Obwohl dies durch Software-Algorithmen kompensiert und korrigiert werden kann, ist es in Szenarien, in denen komplexe Gaskomponenten koexistieren, schwieriger, den Effekt der Kreuzinterferenz vollständig zu eliminieren als die physikalische Trennung durch Chromatographie.

4.3 Das Standardsystem wird weiter verbessert

Die Gaschromatographie wird in der Energiewirtschaft schon seit Jahrzehnten eingesetzt, und das Standardsystem ist perfekt. Da die photoakustische Spektroskopie eine relativ neue Technologie ist, befinden sich die entsprechenden Industriestandards noch in der Entwicklungs- und Verbesserungsphase, was die Akzeptanz einiger Anwender in gewissem Maße beeinträchtigt.

5. häufig gestellte Fragen

5.1 F. Kann die photoakustische Spektroskopie so genau sein wie die Chromatographie?

A: Die Genauigkeit der gängigen photoakustischen Spektroskopieprodukte liegt in ihren jeweiligen Nachweisbereichen nahe am Niveau der Chromatographie. High-End-Chromatographiesysteme haben jedoch immer noch gewisse Vorteile in Bezug auf den Reichtum der nachgewiesenen Gasspezies und das Signal-Rausch-Verhältnis bei sehr niedrigen Konzentrationen.

5.2 F. Stimmt es, dass photoakustische Spektroskopiegeräte völlig wartungsfrei sind?

A: Das Fehlen von Trägergas und Säulenwechsel ist sein größter Wartungsvorteil, aber es ist nicht völlig wartungsfrei. Die Lichtquelle hat eine bestimmte Lebensdauer, die Filter müssen sauber gehalten werden, und die Entgasungseinheit und die Teile des Ölkreislaufs müssen immer noch regelmäßig überprüft werden. Insgesamt ist der Wartungsaufwand jedoch deutlich geringer als bei der Chromatographie.

5.3 F: Für welche Szenarien ist die photoakustische Spektroskopie geeignet?

A: Die typischsten Anwendungsszenarien sind: abgelegene unbemannte Stationen, Stationen mit strengen Beschränkungen der Wartungshäufigkeit, kompakte Szenarien mit Platz- und Gewichtsbeschränkungen für die Installation und Projekte, bei denen die langfristigen Betriebs- und Wartungskosten kontrolliert werden sollen. Zentrale Hub-Stationen erfordern nach wie vor die volle Funktionsabdeckung der Chromatographiemethode.

5.4 Frage: Was sind die zukünftigen Trends in der photoakustischen Spektroskopie?

A: Mit den Fortschritten bei den mikrospektralen Geräten und den Signalverarbeitungsalgorithmen gibt es noch viel Raum für Verbesserungen bei den Arten der nachweisbaren Gase und der Empfindlichkeit. Es wird erwartet, dass die photoakustische Spektroskopie in den nächsten Jahren den Abstand zur Chromatographie in Bezug auf den Detektionsbereich allmählich verringern wird, was zu einem stärkeren Substitutionstrend auf den Märkten des unteren und mittleren Segments führen wird.

5.5 F: Entscheiden Sie sich für photoakustische Spektroskopie oder Chromatographie? Wie kann man sich entscheiden?

A: Wenn die Station über professionelles Betriebs- und Wartungspersonal verfügt und die umfassendsten Diagnoseinformationen benötigt, wählen Sie die Chromatographie. Handelt es sich um eine abgelegene und unbemannte Station, bei der die Forderung nach Wartungsfreiheit sehr hoch ist, sollte die photoakustische Spektroskopie gewählt werden. Handelt es sich um einen zentralen Haupttransformator, wird die Chromatographie empfohlen; handelt es sich um einen dezentralen Verteiltransformator, hat die photoakustische Spektroskopie die größeren Vorteile der Wartungsfreundlichkeit.

6. empfehlungen für die auswahl

6.1 Optoakustische Spektroskopie-Lösungen werden bevorzugt für Szenarien mit eingeschränkten Wartungsbedingungen eingesetzt.

6.2 Szenarien, die eine hohe Diagnosetiefe erfordern, werden nach wie vor von der Chromatographie dominiert.

6.3 Beide können im selben Rastersystem verwendet werden, um hohe und niedrige Niveaus aufeinander abzustimmen und die Stärken des jeweils anderen zu ergänzen.

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