一种检测外绝缘设备表面金属污秽的装置及方法与流程

本发明涉及外绝缘设备污秽检测领域，特别是涉及一种检测外绝缘设备表面金属污秽的装置，还涉及一种检测外绝缘设备表面金属污秽的方法。

背景技术：

在例如重金属矿、钢铁厂、发电厂、有色金属冶炼厂等重工业厂矿分布较为集中的重度污秽地区，金属粉尘会附着在例如绝缘子、套管、机柜等外绝缘设备表面，这些金属粉尘会畸化电场并可能造成闪络事故，对变电站的电力设备安全运行构成了严重威胁。而传统所采用的盐密灰密法并不能有效地判断外绝缘设备表面污秽中金属微粒的存在。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种检测外绝缘设备表面金属污秽的装置。

一种检测外绝缘设备表面金属污秽的装置，包括：

激光器，用于发射脉冲激光，所述脉冲激光用于激发所述表面金属污秽产生等离子体原子发射光波；

光谱仪，用于采集所述等离子体原子发射光波，以生成相应的等离子体原子发射光谱；以及

处理器，预存有定标模型；

其中，所述处理器用于根据所述等离子体原子发射光谱和所述定标模型，对所述表面金属污秽的参数进行分析检测。

在其中一个实施例中，所述装置还包括：

时序控制器，分别与所述激光器和所述光谱仪连接；

其中，所述时序控制器用于控制所述光谱仪的工作时序，以使所述光谱仪在所述表面金属污秽被完全激发后采集所述等离子体原子发射光波。

在其中一个实施例中，所述装置还包括：

反射镜，用于改变所述脉冲激光传播方向；

聚焦透镜，用于减小所述脉冲激光的光斑直径；

其中，所述反射镜和所述聚焦透镜设置在所述脉冲激光从所述激光器传播至所述表面金属污秽的光路中。

在其中一个实施例中，所述装置还包括：

可移动的工作平台，用于承载并移动待测表面金属污秽样品。

在其中一个实施例中，所述表面金属污秽的参数包括：

金属污秽的成分。

在其中一个实施例中，所述表面金属污秽的参数包括：

金属污秽各成分的浓度。

还提供一种检测外绝缘设备表面金属污秽的方法。

一种检测外绝缘设备表面金属污秽的方法，包括：

激发所述表面金属污秽产生等离子体原子发射光波；

采集所述等离子体原子发射光波，以生成相应的等离子体原子发射光谱；以及

将所述等离子体原子发射光谱和定标模型进行比对，分析检测所述表面金属污秽的参数。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：

采集所述表面金属污秽未被激发时的信号作为背景信号，并生成相应的背景信号光谱；

其中，采集所述等离子体原子发射光波，以生成相应的等离子体原子发射光谱的步骤，包括：

采集所述表面金属污秽激发后的信号，生成相应的第一信号光谱；

将所述第一信号光谱减去所述背景信号光谱，生成所述表面金属污秽的等离子体原子发射光谱。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：

对所述表面金属污秽的等离子体原子发射光谱进行小波变换去噪、面积归一化处理，以提高所生成的所述表面金属污秽的等离子体原子发射光谱的信噪比。

在其中一个实施例中，所述方法还包括建立所述定标模型，所述建立定标模型包括：

配置定标样品，分别将高岭土或硅藻土与不同浓度的单一金属混合，配置多个含不同浓度的单一金属的人工污秽；

激发所述人工污秽产生等离子体原子发射光波；

采集所述人工污秽的等离子体原子发射光波，以生成人工污秽的等离子体原子发射光谱；以及

结合特定的原子光谱数据库，利用数学方法对所采集到的多个所述人工污秽的等离子体原子发射光谱进行处理，得到等原子体原子发射光谱与金属污秽的参数的定标模型。

上述检测外绝缘设备表面金属污秽的装置及方法，通过激光器激发表面金属污秽产生等离子体原子发射光波，并通过光谱仪生成相应的等离子体原子发射光谱，再结合所述定标模型获得所述表面金属污秽的参数，可准确且全面的测量外绝缘设备表面污秽中的金属微粒。

附图说明

图1为一个实施例中检测外绝缘设备表面金属污秽的装置的结构框图；

图2为另一个实施例中检测外绝缘设备表面金属污秽的装置的结构框图；

图3为一个实施例中检测外绝缘设备表面金属污秽的装置的示意图；

图4为一个实施例中检测外绝缘设备表面金属污秽的方法的流程图；

图5为另一个实施例中检测外绝缘设备表面金属污秽的方法的流程图；

图6为图5实施例中建立定标模型的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为一个实施例中检测外绝缘设备表面金属污秽的装置的结构框图，如图1所示，一种检测外绝缘设备表面金属污秽的装置10，可包括激光器110、光谱仪120以及处理器130，其中，激光器110可用于发射脉冲激光，所述脉冲激光可用于激发表面金属污秽20产生等离子体原子发射光波；光谱仪120可用于采集所述的等离子体原子发射光波，并可根据所采集到的等离子体原子发射光波生成相应的等离子体原子发射光谱；处理器130预存有定标模型，可根据所述等离子体原子发射光谱和所述定标模型，分析检测获得表面金属污秽20的相关参数。

具体地，激光器110可采用稳定性高的调q脉冲nd:yag激光器，并且可发出脉宽小于等于30ns的脉冲激光，表面金属污秽表面上很小一部分(微克或者纳克量级，投影面积小于1mm)会被脉冲激光瞬间加热，而后形成透明的等离子体，在大气中等离子体存在的时间很短，随着等离子体消失发射紫外波段或者可见光波段的光波；光谱仪120可对所采集的等离子体原子发射光波信号进行放大，通过调节光谱仪光强增益可有效提高信噪比，光谱仪120可为光纤光谱仪，所述光纤光谱仪可包括光纤和光谱仪本体，所述光纤可采集所述等离子体原子发射光波，并且可将采集到的所述等离子体原子发射光波传输并耦合进光谱仪本体，由于光纤的轻便性、强抗干扰能力以及可弯曲等优良工作性能，使得光谱仪的搭建非常灵活；处理器130可为电脑。

在其中一个实施例中，如图2所示，一种检测外绝缘设备表面金属污秽的装置10还可包括时序控制器140，分别与激光器110和光谱仪120连接，时序控制器140用于控制光谱仪120的工作时序，以使光谱仪120在表面金属污秽20被完全激发后，再采集所述等离子体原子发射光波，从而所采集的所述等离子体原子发射光波更为精确；具体地，脉冲激光照射到表面金属污秽20表面的前30微秒左右的时间内，表面金属污秽20还未完全被激发，光谱仪120采集到的主要是背景信号，所生成的是连续的背景发射光谱，30微秒左右的时间后，光谱仪120采集到的才是表面金属污秽20的等离子体原子发射光波，从而可生成准确的表面金属污秽的等离子体原子发射光谱，通过控制光谱仪120的电荷耦合器的门宽时延，可使得光谱仪120按照所需的时序工作。

在其中一个实施例中，如图2所示，一种检测外绝缘设备表面金属污秽的装置10还可包括反射镜150和聚焦透镜160，其中，反射镜150和聚焦透镜160设置在脉冲激光从激光器110传播至表面金属污秽20的光路中，反射镜150的镜面与脉冲激光的光轴成45°，聚焦透镜160的光轴与脉冲激光的光轴重合，并且，反射镜150和聚焦透镜160的摆放顺序可调换，反射镜150可用于改变脉冲激光传播方向，聚焦透镜160可用于减小所述脉冲激光的光斑直径。

在其中一个实施例中，一种检测外绝缘设备表面金属污秽的装置10还可包括可移动的工作平台170，可通过移动工作平台170使得聚焦透镜的焦点恰好位于表面金属污秽20上，以便最大效率激发表面金属污秽20产生等离子体原子发射光波，同时，也可移动工作平台170使得表面金属污秽20恰好位于光谱仪120探头焦点上，以便最大效率收集等离子体原子发射光波，还可以移动工作平台170实现表面金属污秽不同采样点的检测。

在其中一个实施例中，所述表面金属污秽的参数可包括金属污秽的成分，也可包括金属污秽各成分的浓度，也可包括其他能从所述等离子体原子发射光谱中获取的参数。

下面结合具体的应用，对本申请中检测外绝缘设备表面金属污秽的装置进行详细说明：

图3为一个实施例中检测外绝缘设备表面金属污秽的装置的示意图，如图3所示，在一个可选的实施例中，一种检测外绝缘设备表面金属污秽的装置，可包括激光器、反射镜、聚焦透镜、工作平台、光纤光谱仪、时序控制器以及电脑，激光器可发射高能量脉冲激光，并经过反射镜反射和聚焦透镜聚焦后照射在置于工作平台的表面金属污秽上，表面金属污秽激发，并发射等离子体原子发射光波，光纤光谱仪采集所述光波并生成相应的等离子体原子发射光谱，通过时序控制器控制光纤光谱仪的工作时序，再通过电脑对比分析所述的等离子体原子发射光谱和定标模型，从而获得表面金属污秽的金属成分和各金属成分的浓度。

上述检测外绝缘设备表面金属污秽的装置，通过激光器激发表面金属污秽产生等离子体原子发射光波，并通过光谱仪生成相应的等离子体原子发射光谱，再结合所述定标模型获得所述表面金属污秽的金属成分和各成分的浓度，可准确且全面的测量外绝缘设备表面污秽中的金属微粒。

本发明还提供一种检测外绝缘设备表面金属污秽的方法。如图4所示，一种检测外绝缘设备表面金属污秽的方法，包括：

s210，激发所述表面金属污秽产生等离子体原子发射光波；

s220，采集所述等离子体原子发射光波，以生成相应的等离子体原子发射光谱；以及

s230，将所述等离子体原子发射光谱与定标模型进行比对，分析检测所述表面金属污秽的参数。

具体地，可以通过移动表面金属污秽，激发所述表面金属污秽表面上的多个取样点(比如5个)，从而采集相应的等离子体原子发射光波，生成相应的等离子体原子发射光谱，再将多个取样点的光谱信息取平均作为所述表面金属污秽的等离子体原子发射光谱。

图5为另一个实施例中检测外绝缘设备表面金属污秽的方法的流程图，如图5所示，一种检测外绝缘设备表面金属污秽的方法，还包括：

s240，采集所述表面金属污秽未被激发时的信号作为背景信号，并生成相应的背景信号光谱；

具体地，在激光器未开始工作，没有激光输出时，采集背景信号，生成相应的背景信号光谱。

在其中一个实施例中，s220可包括：

s221，采集所述表面金属污秽激发后的信号，生成相应的第一信号光谱；

s222，将所述第一信号光谱减去所述背景信号光谱，生成所述表面金属污秽的等离子体原子发射光谱；

具体地，所述表面金属污秽激发后的信号包括所述表面金属污秽产生的等离子体原子发射光波和所述背景信号；从而，最终所获得的是不包括背景信号光谱的表面金属污秽的等离子体原子发射光谱，保证了测量结果更精确。

在其中一个实施例中，一种检测外绝缘设备表面金属污秽的方法，还可包括：

s250，对所述表面金属污秽的等离子体原子发射光谱进行小波变换去噪、面积归一化处理，以提高所生成的所述表面金属污秽的等离子体原子发射光谱的信噪比，从而使得所生成的所述表面金属污秽的等离子体原子发射光谱更为准确。

在其中一个实施例中，一种检测外绝缘设备表面金属污秽的方法，还可包括：s260，建立定标模型。如图6所示，s260可包括：

s261，配置定标样品。

具体地，在其中一个实施例中，选取绝缘子、套管等外绝缘设备表面日常积累的金属污秽种类配置人工污秽，例如镍(ni)、铜(cu)、锰(mn)、铁(fe)、锌(zn)等典型元素，并根据特定的原子光谱数据库例如美国国家标准与技术研究院(nationalinstituteofstandardsandtechnology，nist)所公布的原子光谱数据库(atomicspectradatabase)选取以上元素对应的共振波长作为光谱选择波长，例如ni的共振波长为352.454nm，则ni的光谱选择波长采用352.454nm；根据所选取的金属元素，与高岭土或者硅藻土混合，分别配置6种以上质量分数在0.1％～15％的人工污秽(例如0.1％、3％、6％、9％、12％、15％)；再将配置好的人工污秽在压片机上施加10mpa～15mpa(例如10mpa、11mpa、12mpa、13mpa、14mpa、15mpa)的压力，得到粉饼状的定标样品。

s262，激发所述定标样品产生等离子体原子发射光波。

s263，采集所述定标样品的等离子体原子发射光波，以生成定标样品的等离子体原子发射光谱。

具体地，将定标样品放置在工作平台上，调整聚焦透镜聚焦位置使出射激光作用在定标样品表面，利用激光器发出脉宽小于等于30ns的激光使得所述定标样品被气化形成等离子体，光谱仪采集等离子体膨胀冷却过程中发射的光波，从而生成定标样品的等离子体原子发射光谱，每个定标样品表面随机选择5个试验点，试验点的选择可通过移动工作平台进行操作，将5个试验点的光谱求均值，作为所述定标样品的光谱信息。

s264，结合特定的原子光谱数据库，利用数学方法对所采集到的多个所述定标样品的等离子体原子发射光谱进行处理，得到等原子体原子发射光谱与金属污秽的参数的定标模型。

具体地，等原子体原子发射光谱与金属污秽的参数的定标模型可为等原子体原子发射光谱与金属污秽的成分和各成分浓度的定标模型，按照所选取的元素种类和相应的光谱选择波长，选取各定标样品对应的元素谱线位置和光谱强度，再结合相应的定标样品金属质量分数，汇总得到所有定标样品的光谱强度和浓度信息，将浓度作为因变量，光谱强度作为自变量，采用数学方法得到等原子体原子发射光谱与金属污秽的成分和各成分的浓度的定标模型。

在其中一个实施例中，数学方法可为一元线性定标曲线法或偏最小二乘法。具体地，一元线性定标曲线法，即在一张以光谱强度为横坐标，浓度为纵坐标的坐标图中，分别绘制相同元素(光谱强度，浓度)下的坐标点，一元线性回归法拟合这些坐标点得到一元线性曲线；偏最小二乘法，即建立多个元素光谱强度为因变量，浓度为自变量模型，获取多元素作用下的光谱强度和浓度的多元线性关系。数学模型的选取可遵循以下规则：当一元线性定标曲线法得到方程的线性度(r2)低于0.75时，选择偏最小二乘法数学模型作为定标数据库模型。

需要说明的是，本发明所提供的检测外绝缘设备表面金属污秽的装置及方法可用于表面金属污秽采样检测，也可用于外绝缘设备在带电情况下的在线监测，迅速便捷，且对外绝缘设备本身没有伤害。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。