专利名称：用于确定介质中夹带的物质的存在的器件和方法
技术领域：
本发明的领域通常涉及电カ产生系统，并且更特别地，涉及用于使用微波发射器来确定介质中物质的存在的传感器组件(sensor assembly)和方法。
背景技术：
至少ー些已知的电カ产生系统包括可能随时间变得损坏或磨损的ー个或多个部件。例如，至少ー些已知的电カ产生系统包括电气变压器(electric transformer)。此外，至少ー些已知的电气变压器包括容纳在变压器内的油以冷却变压器并提供电气绝缘。油的质量可能随着时间而改变，并且油可能具有污染物。例如，油可以分解成溶解于油中的各种气体成分。用老化的油的继续操作可能引起变压器(例如变压器中的布线)的损坏和/或可能带来变压器和/或系统的过早失效。因此，对变压器内的油进行定期测试是必要的。 ー种测量油质量的方式是测量介电常数。例如，与新的油样本比较，老的油样本的介电常数的改变可以指示油中夹带的污染物(例如溶解的气体、水或颗粒)的存在或者油的化学性质的改变(例如添加剂耗尽或氧化)。当检测到油样本的介电常数改变时，还可检测该油样本中的污染物的类型。例如，为了检测变压器中溶解的气体的存在，至少可以使用ー些已知的传感器系统。这些传感器系统中的ー些使用在线(in-line)探測器(probe)测量来确定变压器中溶解的气体的存在。例如，在从变压器中获得油样本后，使用光谱仪来分析油。更具体地，光谱仪相对于包括新的、无污染的油样本的标准来分析该样本。这样的传感器系统为识别油中的各种气体成分提供了充足的信息。然而，由于分析通常在远离变压器的位置进行，所以这样的系统可能是冗长的和昂贵的。此外，由于必须将油样本带到另一位置，因此传感器系统不能提供实时数据。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种用于确定介质中夹带的至少ー个物质的存在的方法。该方法包括发送至少ー个微波信号到微波发射器。由微波发射器从微波信号产生至少ー个电磁场。检测介质的介电常数在从微波发射器接收的频率处的改变。此外，将从微波发射器接收的频率的期望功率电平与该频率的实际功率电平比较以确定介质中夹带的物质的存在。在另ー实施例中，提供了一种用于与电カ产生系统一起使用的传感器组件。该传感器组件包括至少ー个包含微波发射器的探測器，其中微波发射器配置为从至少ー个微波信号产生至少ー个电磁场。此外，传感器组件包括至少ー个耦合到探測器的信号处理装置。信号处理装置配置为检测介质的介电常数在从微波发射器接收的频率处的改变并将从微波发射器接收的频率的期望功率电平与该频率的实际功率电平比较以确定介质中夹带的至少ー个物质的存在。在又一实施例中，提供了ー种电カ产生系统。该电カ产生系统包括包含至少ー个变压器的机器，其中变压器包括容纳于其中的介质。传感器组件邻近变压器放置。传感器组件包括至少ー个包含微波发射器的探測器，其中微波发射器配置为从至少ー个微波信号产生至少ー个电磁场。此外，传感器组件包括至少ー个耦合到探測器的信号处理装置。信号处理装置配置为检测介质的介电常数在从微波发射器接收的频率处的改变并将从微波发射器接收的频率的期望功率电平与该频率的实际功率电平比较以确定介质中夹带的至少ー个物质的存在。
图I是示范性电カ产生系统的框图；图2是可用于与图I所示的电カ产生系统一起使用的示范性传感器组件的框图；图3是可由图2所示的传感器组件产生的示范性功率差响应(power differenceresponse)的图形示图；以及 图4是可用于使用图2所示的传感器组件来确定介质中物质的存在的示范性方法的流程图。
具体实施例本文所述的示范性方法、器件和系统克服了与已知的用于变压器的传感器系统关联的至少ー些缺点。特别地，本文所述的实施例提供了ー种传感器组件，其检测介质的介电常数的改变并实时确定引起介电常数的改变的介质中的至少ー个物质的存在。更具体地，传感器组件包括包含微波发射器的探測器、以及至少ー个耦合到探測器的信号处理装置。信号处理装置配置为检测介质的介电常数在从微波发射器接收的频率处的改变并将从微波发射器接收的频率的期望功率电平与该频率的实际功率电平比较以确定介质中夹带的至少ー个物质的存在。该比较使传感器组件能确定在变压器的油中任何气体成分的存在。图I图示了包括机器102的示范性的电カ产生系统100，机器102例如但不限于风カ涡轮机、水电蒸汽涡轮机、燃气涡轮机、和/或压缩机。在示范性实施例中，机器102使耦合到负载106 (例如发电机)的驱动轴(drive shaft) 104旋转。此外，负载106稱合到至少ー个变压器107。在示范性实施例中，变压器107可以是升压或降压变压器。此外，应该注意到，如本文所使用的，术语“耦合”不限于部件之间的直接机械和/或电气连接，而是还可包括多个部件之间的间接机械和/或电气连接。在示范性实施例中，驱动轴104至少部分地由装在机器102内和/或负载106内的一个或多个轴承(未示出)支撑。备选地或此外，轴承可装在单独的支撑结构108中(如齿轮箱中)或者使电カ产生系统100能如本文所述地起作用的任何其他结构。在示范性实施例中，电カ产生系统100包括至少ー个传感器组件110，其測量和/或监测变压器107内所容纳的介质111。在示范性实施例中，介质111为液体介质。更具体地，在示范性实施例中，介质111为油。备选地，介质111可以是使变压器107和系统100能如本文所述地起作用的任何其他类型的介质。此外，在示范性实施例中，传感器组件110放置于紧邻变压器107，使得作为传感器组件110的部件的微波发射器(图I中未示出)至少部分浸在介质111内。在示范性实施例中，传感器组件110測量和/或监测介质111中至少ー个物质(未示出)的存在，该物质例如为气体成分。如以下更详细解释的，在示范性实施例中，传感器组件110使用ー个或多个微波信号来检测介质111的介电常数在从微波发射器接收的频率处的改变并将从微波发射器接收的频率的期望功率电平与该频率的实际功率电平比较以确定介质111中任何气体成分的存在。在示范性实施例中，该比较的结果被称为传感器组件110的“功率差响应”(在图I中未示出)。备选地，传感器组件110可用于测量和/或监测电カ产生系统100的任何其他部件，和/或可以是使系统100能如本文所述地起作用的任何其他传感器或换能器组件。如本文所使用的，术语“微波”是指ー种信号或分量，其接收和/或发送具有频率在约300兆赫兹(MHz)到约300吉赫兹(GHz)之间的信号。此外，在示范性实施例中，电カ产生系统100包括诊断系统112，其耦合到ー个或多个传感器组件110。诊断系统112处理和/或分析由传感器组件110产生的一个或多个信号。如本文所使用的，术语“处理”是指对信号的至少ー个特性进行操作、调整、滤波、缓冲、和/或变更。更具体地，在示范性实施例中，传感器组件110经由数据通道(dataconduit) 113或数据通道115耦合到诊断系统112。备选地，传感器组件110可无线耦合到诊断系统112。在诊断系统112处理和/或分析从传感器组件110产生的信号后，诊断系统112随 后将已处理的信号发送到电カ产生系统100中所包括的显示装置116。显示装置116经由数据通道118耦合到诊断系统112。更具体地，在示范性实施例中，信号经由数据通道118发送到显示装置116以显示或输出到用户。备选地，显示装置116可无线耦合到诊断系统112。在操作期间，在示范性实施例中，由于介质111的老化(例如，介质111可能分解成溶解于介质111中的各种气体成分)，从而导致液体介质111的共振频率偏移以及介质111的介电常数的改变。在示范性实施例中，传感器组件110測量和/或监测液体介质111中的共振频率偏移和/或电磁响应幅度的改变以检测和/或识别介质111的介电常数的改变。传感器组件110还产生表示从微波发射器接收的频率的期望功率电平与该频率的实际功率电平之间的比较的信号(下文中称为“功率差信号”)。该功率电平信号发送到诊断系统112以进行处理和/或分析。在诊断系统112处理和/或分析该功率电平信号后，该功率电平信号随后被发送到显示装置116以显示或输出到用户。功率差信号使用户能识别介质111中夹带的至少ー个物质的存在。图2是传感器组件110的示意图。在示范性实施例中，传感器组件110包括信号处理装置200和经由数据通道204耦合到信号处理装置200的探測器202。备选地，探測器202可无线耦合到信号处理装置200。此外，在示范性实施例中，探測器202包括发射器206，其耦合到探测器壳体208和/或放置在探测器壳体208内以产生至少ー个电磁场209。发射器206经由数据通道204耦合到信号处理装置200。备选地，发射器206可无线耦合到信号处理装置200。此外，在示范性实施例中，探测器202浸在介质111中。更具体地，在示范性实施例中，发射器206和探测器壳体208浸在液体介质111中。此外，在示范性实施例中，探測器202为包括微波发射器206的微波探測器202。发射器206从至少一个微波信号(其包括预定频率范围内的多个频率分量)产生电磁场209。更具体地，在示范性实施例中，微波发射器206为宽带发射器，其接收和/或发送具有频率在近似IGHz和近似20GHz之间的信号。此外，在示范性实施例中，信号处理装置200包括耦合到接收功率检测器214和信号调理装置(signal conditioning device) 216 的定向稱合装置 210 (directionalcoupling device)。此外，在示范性实施例中，信号调理装置216包括信号产生器218、减法器220和存储器装置222。在示范性实施例中，存储器装置222使能存储和检索例如可执行指令和/或其他数据的信息。存储器装置222可包括一个或多个计算机可读介质，例如但不限干，动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、固态盘、和/或硬盘。存储器装置222可配置为存储可执行指令、配置数据、地理数据(例如地形数据和/或障碍物)、公用网络设备数据、和/或任何其他类型的数据 ，但不限于此。更具体地，在示范性实施例中，存储器装置222存储可用于变压器107中的标准清洁的并且无污染的油样本在近似IGHz和20GHz之间的每个频率等级处的期望功率电平。此夕卜，在示范性实施例中，存储器装置222可包括随机存取存储器(RAM)，其可包括非易失性RAM(NVRAM)、磁性RAM(MRAM)、铁电RAM(FeRAM)和其他形式的存储器。存储器装置222还可包括只读存储器(ROM)、闪速存储器和/或电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)。存储器装置222可包括任何其他适合的磁性、光学和/或半导体存储器自身或其与其他形式的存储器的组合。存储器装置222还可以是或者包括可分离或可移除存储器，包括但不限干，合适的盒式磁带、盘、⑶ROM、DVD或USB存储器。此外，存储器装置222可以是数据库。术语“数据库”泛指数据的任何集合，包括分层数据库、关系数据库、平面文件数据库、对象关系数据库、面向对象的数据库、和存储在计算机系统中的记录或数据的其他任何结构的集合。上述例子仅是示范性的，因而并不g在以任何方式限制术语数据库的定义和/或意义。数据库的例子包括、但不限于仅包括Oracle Database、MySQL、IBM DB2、Microsoft SQLServer、Sybase 和PostgreSQL。然而，可以使用使能本文所述的系统和方法的任何数据库。(Oracle是加利福尼亚雷德伍德海岸Oracle公司的注册商标；IBM是纽约阿蒙克国际商业机器公司的注册商标Microsoft是华盛顿雷德蒙德微软公司的注册 商标；以及Sybase是加利福尼亚都柏林Sybase的注册 商标。)在操作期间，在示范性实施例中，信号产生器218产生至少ー个具有微波频率的电信号(下文中称为“微波信号”)。信号产生器218将微波信号发送到定向耦合装置210。更具体地，在示范性实施例中，信号产生器218递增地发送微波信号到定向耦合装置210，其中所发送的第一微波信号包括近似IGHz的频率分量，并且所发送的最终微波信号包括近似20GHz的频率分量。备选地，信号产生器218可以以任何方式发送微波信号到定向耦合装置210，使得传感器组件110和/或电カ产生系统100 (在图I中示出)可如本文所述地起作用。随后定向耦合装置210将每个微波信号发送到发射器206。随着通过发射器206发送姆个微波信号，从发射器206发射电磁场209并且发射出探测器壳体208。如果气体成分(未示出)进入电磁场209，则在气体成分和场209之间可能发生电磁耦合。更具体地，电磁场209中气体成分的存在和该气体成分的介电常数(其不同于标准的清洁并且无污染的油样本的介电常数)因为气体成分中的感应和/或电容效应而干扰电磁场209。这样的干扰可能引起电磁场209的至少一部分作为电流和/或电荷而感应和/或电容耦合到气体成分。在该情况下，发射器206失调(即，发射器206的谐振频率降低和/或改变等)，并且载荷(loading)引入到发射器206。引入发射器206的载荷引起待经由数据通道204发送到定向稱合装置210的微波信号(下文称为“失调的载荷信号(detuned loading signal)”)的反射。此外，在示范性实施例中，对经由发射器206发送的每个微波信号均可能产生失调的载荷信号。在示范性实施例中，每个失调的载荷信号具有与微波信号的功率幅度和/或相位不同的功率幅度和/或不同的相位。此外，在示范性实施例中，每个失调的载荷信号的功率幅度取决于介质111中每个气体成分的存在和/或介质111中每个气体成分的量。定向耦合装置210将每个失调的载荷信号发送到接收功率检测器214。在示范性实施例中，接收功率检测器214測量每个失调的载荷信号中所含的功率量并将表示每个测量的失调的载荷信号功率的信号(下文称为“实际功率电平信号”)发送到信号调理装置216。此外，存储器装置222同时将表示可用于变压器107中的标准清洁的并且无污 染的油样本从近似IGHz和20GHz之间的每个频率等级处的每个期望功率电平的信号(下文称为“期望功率电平信号”)发送到減法器220。在示范性实施例中，減法器220接收实际功率电平信号和期望功率电平信号，并计算所接收的每个实际功率电平和每个期望功率电平之间的差。如果每个实际功率电平和每个期望功率电平之间的差近似为零，则介质111的介电常数没有改变，并且其结果是介质111在其中不含有气体成分和/或介质111中气体成分的存在极少。备选地，如果每个实际功率电平和每个期望功率电平之间的差大于零，则介质111的介电常数有改变，并且其结果是介质111中有气体成分的存在。減法器220将表示每个计算出的差的信号(即，“功率差信号”)发送到诊断系统112(在图I中示出)。在示范性实施例中，功率差信号的幅度与电磁场209中的气体成分和探測器202之间的谐振频率的偏移大体成比例，例如成反比或者成指数比。此外，在示范性实施例中，減法器220将带有缩放因子的每个功率差信号发送到诊断系统112，以使能诊断系统112中的处理和/或分析。減法器220能利用模拟或数字信号处理技木，以及使用两者的混合体(hybrid mix)。在示范性实施例中，诊断系统112可通过通道118 (在图I中示出)发送表示谐振频率偏移和/或介质111中电磁响应的幅度的改变的信号到显示装置116(在图I中示出)，使得当与可用于变压器107中的标准的清洁的和无污染的油样本比较时，用户可检测和/或识别到介质111的介电常数的改变。诊断系统112还可通过通道118发送每个功率差信号到显示装置116。在示范性实施例中，显示装置116提供每个频率偏移和/或每个功率差信号的图形表示。这样的表示可以以波形、图和/或图表的形式提供到用户。图3是可由传感器组件110 (在图I和2中示出)产生的示范性功率差响应300的图形视图。更具体地，功率差响应300是以GHz (图3的横坐标轴上所示)在具体频率320处微波信号内含有的功率310(图3的纵坐标轴上所示)的量的比较。在示范性实施例中，信号产生器218 (在图2中示出)产生包括预定频带330内的多个频率分量的微波信号，预定频带330包括近似IGHz与近似20GHz之间的频率范围。在示范性实施例中，该频带330包括第一频带332、第二频带334、第三频带336和第四频带338。更具体地，在示范性实施例中，第二频带334以2的幂与第一频带332成比例。例如，第一频带332包括近似IGHz和近似2GHz之间的频率，第二频带334包括近似2GHz到近似4GHz之间的频率。此外，第三频带336包括近似4GHz到近似8GHz之间的频率。另外，第四频带338包括近似8GHz和近似16GHz之间的频率。备选地，用户可产生功率差响应300的任何类型的输出和/或图形表示，例如对于用户的需要是恰当的和/或合适的对数和/或线性缩放表示。此外，在示范性实施例中，功率差响应300将期望功率电平响应曲线350与实际功率电平响应曲线360比较。期望功率电平响应曲线350包括从发射器206 (在图2中示出)接收的每个频率的期望功率电平，并且实际功率电平响应曲线360包括从发射器206接收的每个频率的实际功率电平。如果每个实际功率电平和每个期望功率电平之间的差近似为零，则介质111 (在图I和2中示出)在其中不含气体成分和/或介质111中的气体成分的存在极少。备选地，如果每个实际功率电平和每个期望功率电平之间的差大于零，则在介质111中有气体成分的存在。此外，在示范性实施例中，实际功率电平响应360中产生的幅度370与介质111中气体成分的量近似相关。图4是示范性方法400的流程图，其可实施以使用传感器组件110 (在图I和2中示出)来确定介质111 (在图I和2中示出)中夹带的如气体成分的物质(未示出)的存 在。在示范性实施例中，将至少一个微波信号发送402到微波发射器206 (在图2中示出)。由微波发射器206从微波信号产生404至少ー个电磁场209 (在图2中不出)。由气体成分与电磁场209之间的互相作用将载荷引入406到微波发射器206。检测407介质111的介电常数在从微波发射器206接收的频率处的改变。此外，将从微波发射器206接收的频率的期望功率电平与该频率的实际功率电平比较408以确定介质111中气体成分的存在。与已知的传感器组件相比，本文所述的实施例提供了ー种传感器组件，其检测介质的介电常数的改变并实时确定介质内的引起介电常数的改变的至少ー个物质的存在。更具体地，传感器组件包括包含微波发射器的探測器和耦合到该探测器的至少ー个信号处理装置。信号处理装置配置为检测介质的介电常数在从微波发射器接收的频率处的改变并将从微波发射器接收的频率的期望功率电平与该频率的实际功率电平比较以确定介质中夹带的至少ー个物质的存在。该比较使传感器组件能确定变压器的油中任何气体成分的存在。上文详细描述了用于确定介质内夹带的物质的存在的传感器组件和方法的示范性实施例。这些方法和传感器组件并不限于本文所述的具体实施例，相反，可以与本文所述的其他部件和/或步骤独立地并且分开地利用传感器组件的部件和/或方法的步骤。例如，传感器组件还可与其他測量系统和方法组合使用，并且并不限于仅与本文所述的电カ产生系统一起实践。相反地，示范性实施例可与许多其他測量和/或监测应用结合实施和利用。尽管本发明的各种实施例的具体特征可能只在一些附图中示出而未在其他附图中示出，但这仅仅是为了方便起见。根据本发明的原理，一个附图的任何特征均可与任何其他附图的任何特征组合提及和/或要求保护。本书面说明使用包括最佳模式的例子来公开本发明，并使本领域的任何技术人员能实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及进行任何并入的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并可包括本领域技术人员想到的其他例子。如果这些其他例子具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果其包括与权利要求的字面语言没有实质性差别的等效结构元件，则这些其他例子_在落在权利要求的范围内。部件列表
权利要求
1.一种用于与电カ产生系统(100) —起使用的传感器组件(110)，所述传感器组件包括 至少ー个包括微波发射器(206)的探測器(202)，所述微波发射器配置为从至少ー个微波信号产生至少ー个电磁场(209);以及 耦合到所述至少一个探测器的至少ー个信号处理装置(200)，其中所述至少ー个信号处理装置配置为检测介质(111)的介电常数在从所述微波发射器接收的频率处的改变并将从所述微波发射器接收的所述频率的期望功率电平与所述频率的实际功率电平比较以确定所述介质中夹带的至少ー个物质的存在。
2.根据权利要求I所述的传感器组件(110)，其中当所述至少一个物质与所述至少一个电磁场(209)互相作用时，将载荷引入到所述微波发射器(206)。
3.根据权利要求I所述的传感器组件(110)，其中所述至少一个微波信号包括预定频率范围内的多个频率分量。
4.根据权利要求3所述的传感器组件(110)，其中所述预定频率范围在近似IGHz和近似20GHz之间。
5.根据权利要求I所述的传感器组件(110)，其中所述微波发射器(206)为宽带发射器。
6.根据权利要求I所述的传感器组件(110)，其中所述微波发射器(206)浸在所述介质(111)中。
7.根据权利要求I所述的传感器组件(110)，其中所述介质(111)为液体介质。
8.一种电カ产生系统(100),包括 包括至少ー个变压器(107)的机器(102)，所述变压器(107)包含容纳在其中的介质(111); 邻近所述至少一个变压器放置的传感器组件(110)，所述传感器组件包括 至少ー个包括微波发射器(206)的探測器(202)，所述微波发射器配置为从至少ー个微波信号产生至少ー个电磁场(209);以及 耦合到所述至少一个探测器的至少ー个信号处理装置(200)，其中所述至少ー个信号处理装置配置为检测所述介质的介电常数在从所述微波发射器接收的频率处的改变并将从所述微波发射器接收的所述频率的期望功率电平与所述频率的实际功率电平比较以确定所述介质中夹带的至少ー个物质的存在。
9.根据权利要求8所述的电カ产生系统(100)，其中当所述至少一个物质与所述至少ー个电磁场(209)互相作用时,将载荷引入到所述微波发射器(206)。
10.根据权利要求8所述的电カ产生系统(100)，其中所述至少一个微波信号包括预定频率范围内的多个频率分量。
全文摘要
本发明的名称是用于确定介质中夹带的物质的存在的器件和方法。提供了一种用于与电力产生系统(100)一起使用的传感器组件(110)。该传感器组件包括至少一个包括微波发射器(206)的探测器(202)，其中微波发射器配置为从至少一个微波信号产生至少一个电磁场(209)。此外，传感器组件包括耦合到探测器的至少一个信号处理装置(200)。信号处理装置配置为检测介质(111)的介电常数在从微波发射器接收的频率处的改变并将从微波发射器接收的频率的期望功率电平与该频率的实际功率电平比较以确定介质中夹带的至少一个物质的存在。
文档编号G01N22/00GK102809571SQ20121019552
公开日2012年12月5日 申请日期2012年4月6日 优先权日2011年4月7日
发明者B·L·谢克曼 申请人:通用电气公司
专业数控铣床产品供应商
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