基于MEMS技术的热导池检测器在变压器油中气体监测系统的应用研究

基金项目 国家自然科学基金资助项目 50277039 作者简介 黄德祥 1978 男 海南儋州人 中南大学硕士研究生 研究方向为传感器电子学 E Mail tfirst 基于 MEMS 技术的热导池检测器在变压器油中气 体监测系统的应用研究 黄德祥 1 2 曹建1 2 王会海1 2 丁家峰1 2 1 中南大学物理科学与技术学院 湖南 长沙 410083 2 华电云通电力技术有限公司研发部 湖南 长沙 410007 摘要摘要 基于 MEMS 技术设计的热导池检测器具有重量轻 体积小 成本低 灵敏度高等 特点 本文首先介绍了用于变压器油中气体监测的色谱分析技术及存在的不足 分析了热导池 检测器的工作原理和 MEMS 技术的特点 在此基础上根据实际的需求 设计了一个由基于 MEMS 技术的 TCD 构成的变压器油中气体在线监测系统 实验表明 该系统灵敏度 稳定性等均达到 了现场检测的需求 能够应用于工业现场 关键词 色谱技术 微机电系统 热导池检测器 变压器 中图分类号 TP274 5 文献标识码 A Application study of thermal conductivity detector based on MEMS for the gas monitoring system of transformer oil Huang De xiang1 2 Cao Jian1 2 Wang Hui hai1 2 Ding Jia feng1 2 1 College of Physics Science 2 R Micro Electro Mechanical System Thermal Conductivity Detector Transformer 1引言引言 变压器是电力系统中十分重要的设备 因此对变压器的运行状态进行监控是保证电网安全 运行的关键 以变压器油中溶解的气体作为变压器故障监测的方法结合色谱检测技术已经被实 践证明是行之有效的手段之一 变压器色谱技术中气体的定量检测常采用热导池检测器 TCD 和氢火焰检测器 FID 虽然这两种检测器的技术都比较成熟 但都存在体积大 成本高 灵 敏度低 反应时间长等缺点 1 2 因此 对其进行改进以适应现场的需求是十分必要的 20 世纪 80 年代以来 随着半导体工艺 特别是集成电路工艺技术的发展 依赖集成电路 工艺的先进技术而发展起来了一类全新的微机电系统 Micro Electro Mechanical System 简 称 MEMS 技术 它是在微米量级内设计和制造 集成了多种元件并适于低成本 大批量生产 具有小巧 高集成度 功能强大 能承受恶劣环境条件等特点 3 4 目前 以 MEMS 技术设计制 造的热导池检测器 TCD 正在逐步运用于色谱检测技术 它可以弥补现行检测技术中的不足 更适合于现场的运行 本文在分析现行色谱技术的优缺点基础上 提出了将基于 MEMS 技术的 TCD 应用于变压器油溶解气体的在线监测 设计了一套变压器油在线监测系统 使系统具有灵 敏度高 反应时间短 小巧灵活 简单 轻便的特点 并且系统的设计思想及方法 将在色谱 检测技术领域中产生一定的影响 2 2色谱技术及现状色谱技术及现状 5 6 5 6 色谱法是一种重要的分离分析方法 它是利用混合物不同组分在两相 固定相和流动相 中具有不同的分配系数 当两相作相对运动时 不同组分在两相中进行多次反复分配实现按成 份分离后 通过检测器得以检测 进行定性定量分析 变压器油中溶解气体在线色谱监测技术 主要包括三个层次 其流程图如图 1 所示 图 1 色谱检测流程图 Figure 1 The flowchart of gas chromatography 油气分离 气相色谱柱定 性分类 气体定量 检测 1 油气分离 变压器在运行过程中会产生气体 气体会溶解到油中 所以要检测气体 含量 必须将气体从油中分离出来 目前常用的油气分离方法有 薄膜渗透法 真空泵法 载 气洗脱法等 这些技术都已经十分成熟 2 气相色谱柱定性分类 从变压器油中分离出来的是包含有 H2 CO CO2 N2 O2 CH4 C2H4 C2H2 C2H6等的混合气体 其中诊断变压器故障需要检测的主 要是 H2 CO CH4 C2H4 C2H2 C2H6 要检测这几种气体的含量 必须将它们相互分离开来 气相色谱柱就是利用具有不同的分配系数的各种气体通过色谱柱来实现分离的 以上 6 种气体 中 H2最先被分离 其后依次是 CO CH4 C2H4 C2H6 C2H2 目前色谱柱技术也已相当成熟 并 且能对气体实现很好的分离 3 气体定量检测 气体定量检测就是采用一些方法对从色谱柱中分离出来的气体进行 测量 以确定其含量 目前 用于变压器油中气体监测的气体定量检测方法主要是传感器检测 法 FID 检测法和 TCD 检测法 传感器检测法用于变压器油中气体在线监测 由于气体分子吸 附在半导体传感器表面 使得传感器老化 存在交叉干扰 寿命低 灵敏度不高 成本高 稳 定性差等缺点 FID 检测法虽然具有灵敏度高 反应快等优点 但是这种检测方法要求三种载 气 不能检测惰性气体 CO CO2 空气等 并且由于用 FID 进行检测需要点燃被测气体 是一 种破坏性气体检测方法 不利于检测气体的回收利用 而且设备体积庞大 而现有的 TCD 检测 法同样具有灵敏度不高 体积过于庞大 不适于现场测量等特点 根据以上分析 变压器油中气体在线监测技术中 油气分离和定性分类技术已经得到很好 的解决方法 定量检测则需要改进 以满足现场监测的需求 3 3TCDTCD 及及 MEMSMEMS 7 10 7 10 热导池检测器 TCD 是一种结构简单 性能稳定 线性范围宽 对所有物质均有响应的 检测器 TCD 的原理是基于不同物质具有不同的热导系数 通过发热电阻丝时热量损失的比率 即可用来量度气体的组分和质量 其测量原理如图 2 所示 记 录 器 DC A B 测量池 参比池 R4R2 R1R3 mA 图 2 TCD 测量原理 Figure 2 The measuring principle of TCD 它实际上是由参比池电阻 R1 测量池电阻 R2 电阻 R3和 R4构成一个惠斯顿电桥 由恒定 的电流加热 当纯载气进入参比池和测量池一段时间后 热导池便达到热平衡 使电桥处于平 衡状态 此时 记录器上记录的是一条直线 基线 当样品以及载气一起进入测量池时 由 于混合气体的导热系数不同于纯载气的导热系数 故引起测量池中热敏电阻丝上的温度发生变 化 其电阻值也随之改变 此时破坏了平衡 A B 两点间的电位不再相同 记录器上出现色谱 峰 此时通过一定的计算方法 就可以计算出气体的含量 影响 TCD 灵敏度的主要因素是 桥 路电流 载气的热导系数 热导池体积以及热导池的死体积等 前几项因素均可以得到方便灵 活的调节 而至于热导池的死体积这一因素 由于采用机械方法制作的 TCD 的检测池体积很难 做得小 这就导致死体积不能充分地减小 而使得其对某些气体灵敏度不高 这也就是为什么 在现有的变压器油中气体在线监测系统当中 要分别采用 FID 检测烃类气体 和气体传感器 用于检测 H2 CO 进行检测的原因 常见的改进方法是采用补充气以减少死体积影响 但这 样也只有被检测气体浓度很高时才能得到足够响应 因此要提高 TCD 的灵敏度 主要得从减小 死体积入手 MEMS 技术是在微电子技术的基础上发展起来的 融合了硅微加工和精密机械加工等多种微 加工技术 并应用现代信息技术构成的微型系统 微机械加工技术大体可以分为体微机械加工 技术和面微机械加工技术 体微机械加工是一种去除加工 就是用包括腐蚀 激光加工 机械 钻孔等工艺将衬底中的重要部分去除 例如在硅衬底上的蚀刻腔 面微机械加工可以看作是一 种添加工艺 通过镀膜和图形化工艺在晶片表面生成预期的结构 MEMS 技术的应用除了能明显 减少器件体积和重量外 还具有增强功能 提高可靠性以及降低成本的优势 MEMS 系统示意图 如图 3 所示 图 3 MEMS 传感器框图 Figure 3 The Diagram of MEMS sensors 基于 MEMS 技术的 TCD 采用硅微加工技术和精密机械加工技术将包括参比池 检测池 气 体通道等检测电路集成到了一块硅片上 并在其上集成控制电路 I O 接口等 由于 MEMS 技术 的特点 使得采用这种技术制作的 TCD 的体积非常小 可达 20ul 左右 这就有效的减少了 TCD 传感器 控制 电路 电源管理 I O 用户 外界 中死体积 大大地提高了 TCD 的灵敏度 其灵敏度可达到 0 5ppm 以下 完全可以用于变压器油 中气体的在线监测系统 4 4变压器油气体监测系统变压器油气体监测系统 11 12 11 12 通过上文的分析讨论 本文设计了一套变压器油中气体检测的在线监测系统 系统框图如 图 4 所示 油气分离 装置 色谱柱 定量管 载 气 瓶 减压阀净化器稳流阀流量计 载气 WLD 加热恒流源 进样口 A D转换器MCU 阀1 阀2 阀4 阀3 排气 三通 三通 图 4 变压器油中气体监测系统框图 Figure 4 Diagram of the gas monitoring system of transformer oil 其基本工作流程是 变压器油中的气体在分离装置的作用下从油中分离开来 当阀 2 阀 3 打开 阀 1 阀 2 关闭时 只有载气通过定量管进入 TCD 中 这时测出的是基线 当打开阀 1 其余的阀关闭时 组分气体通过阀 1 进入定量管 当阀 1 阀 4 关闭 阀 2 阀 3 打开时 组分气体在载气的推动作用下进入色谱柱实现气体的定性分离 分离出来的各类气体进入 TCD 内进行定量检测 从而产生电信号经过 A D 转换之后 送入 MCU 中进行数据的处理 当阀 4 打 开 其余的阀关闭时 系统排出尾气 系统考虑到 TCD 的灵敏度 采用了 He 作为载气 可以在一定程度上提高 TCD 的灵敏度 通过多次试验 系统选用国外某公司设计制造的基于 MEMS 技术的 TCD WLD 它是通过 铂金的稀释堆积作用在硅衬底上形成的惰性的相对稳定的化合物作为热敏电阻 感应通过的气 体 而达到检测的目的 该传感器芯片封装外型如下图所示 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 图 5 WLD 外观 Figure 5 The appearance of WLD 该芯片尺寸为 4mm 11mm 13mm 芯片的性能参数如下 测量体积 20nl桥路电流 25mA 热敏电阻 60 工作压力 100Kpa 最大压力 350Kpa反应时间 230 S 适用载气 H2 He N2加热速率 10 S 加热电流 180mA 灵敏度 1ppm 测量气体为戊烷 载气为 He 7ppm 测量气体为丙烷 载气为 He 10ppm 测量气体为氢气 载气为 He 10ppm 测量气体为一氧化碳 载气为 He 系统中 由于从 WLD 出来的电流信号比较强 所以没有接放大器而直接接到了 A D 转换器 A D 转换器采用 24 位的 LT2440 通过 LT2440 芯片后 数字信号直接进入 MCU 中进行数据的进 一步处理 5 5实验结果及讨论实验结果及讨论 在实验室中用该系统对变压器油中气体进行监测试验 实验条件 载气压力 0 1Mpa柱箱温度 50 汽化温度 100 检测器工作温度 120 载气 He 混合气体经过色谱柱后 实验结果如图 6 所示 由图可见该系统能够很好地将组分气体分 离开来 送进 TCD 进行检测 注 下图中横坐标为 tR min 纵坐标为 响应值 pA H2 CO CH4 C2H4 C2H6 C2H2 图 6 色谱图 Figure 6 gas chromatogram 图 7 是在同样的实验条件下 基线的稳定性图 将其起伏信号转换成电压信号之后 峰 谷值最大不超过 0 5mV 说明该检测器稳定性能较好 0 5mV t V 图 7 检测器稳定性测量 Figure 7 Measurement of the detector s stability 图 8 是在上述实验条件下 H2的灵敏度测试图 在 H2浓度为 10ppm 时 H2色谱峰对应电压 为 1mV 1mV H2 t V 图 8 H2灵敏度测试 Figure 8 Measurement of sensitivity of hydrogen 从实验结果可以看到用基于 MEMS 技术的 TCD 作为变压器油中气体的检测器能够稳定 准 确地测量出气体的含量 6 6结论与展望结论与展望 通过前文的讨论及试验 表明了基于 MEMS 技术的 TCD 能够很好的满足在线监测的要求 具有载气耗气量小 灵敏度高 反应时间短 体积小 方便 经济 易于维护等优点 但变压 器油中气体检测技术还需要更进一步的研究 使系统结构及性能更加合理 半导体工艺与微加工工艺的结合大大地推动了色谱技术地发展 目前 MEMS 技术的 TCD 的 研究取得了一些突破性的进展 如将色谱分离柱及检测器集成在一块硅片上 这大大提高色谱 检测的灵敏度以及体积 使得检测系统更加方便灵活 但还有许多问题有待进一步探索和解决 1 MEMS 热导池检测器结构的研究 为了有效充分的利用现有的技术 需要合理的安排 基于 MEMS 技术的 TCD 的体积 以提高其灵敏度 2 MEMS 热导池检测器相关材料的研究 目前使用的微机械材料基本上还是延用 IC 材 料 为了使 TCD 的灵敏度更高 稳定性更强 需要研究新型的材料 3 微细加工工艺的研究 工艺是实现热导池检测微系统集成的关键 当前的微细加工 技术主要采用 IC 的一些工艺 为了使微系统体积更小 需要研究新的微细加工工艺以满足 MEMS TCD 器件的要求 参考文献 参考文献 1 N Maksymovych O Ripko O Maksymovych et al Adsorption semiconductor detector for malfunction diagnosis of high voltage transformers J Sensors and Actuator 2003 93 321 326 2 廖瑞金 陈伟根等 变压器油中气体色谱的微机在线监测 J 高电压技术 1996 22 3 30 32 3 赵晓峰 温殿忠 MEMS 研究与发展前景 J 黑龙江大学自然科学学报 2002 19 1 64 69 4 Nagel D J Zaghloul M E MEMS Micro technology mega impact IEEE Circuits