具有化学显色传感器组件的气体分析仪

背景技术

技术领域

本公开涉及用于测量室中的气体(例如，氢气)的浓度的设备和方法。还可测量温度和水分。在至少一个实施方案中，本公开涉及用于监测电气装备中的电绝缘油的设备和方法。

背景技术

电力分配、发电和工业领域通常认识到，油绝缘电气装备内的油和其他绝缘材料的热分解可导致生成多种“故障气体”。这些现象发生在诸如充油变压器(储油器和气体覆盖类型)、有载抽头变换器、变压器绕组、衬套等装备中。故障气体浓度的定量和分析可提供对装备状况的指示。因此，电气装备中特定故障气体的存在的检测和这些气体的浓度的量化可以是最佳操作策略和基于状况的维护程序的重要部分。

包括电压波动、负载波动、频繁切换、振动和高操作温度的各种变压器操作状况都可能导致变压器上的过大应力并且可能导致过早故障。这些状况增加电弧放电，局部放电和热降解的发生，这会导致变压器油和绝缘材料分解并产生相对大量的挥发性气体，包括甲烷、乙烯、乙炔和氢气。因此，有利的是监测电气装备中的介电流体的状况，从而以延长资产寿命、减少停机时间、避免安全风险并且使总体生命周期成本最小化的方式调整操作实践和计划维护。

目前，状况监测设备或装置已安装在大型传输电平资产上。然而，当考虑到购买和安装监测装置、安装电力电缆和安装通信电缆的成本时，这些装置迄今为止对于较小的电传输资产(诸如低于100MVA的变压器)是不可行的。除了这些成本之外，一些变压器位置不利于使电源和通信网络紧邻以用于报告由此类监测设备或装置监测的状况。

发明内容

本公开提供了以比典型装置更低的成本测量例如具有介电绝缘油的电气装备的室中故障气体(例如，氢气)浓度、温度和水分浓度的可靠设备和方法，同时还避免了与电力和通信电缆的安装相关的附加材料和劳动力成本。本公开的实施方案包括具有传感器的气体分析仪，该传感器优选地为自供电的并且在不需要附加电力或通信电线、电缆或导管的情况下传输数据。

优选地基于网络的计算机应用程序提供监测仪表板和通知系统，以确保可以快速查看跨越宽地理区域的电气资产(包括例如变压器)，以识别显示出故障风险增加的趋势的电气资产，同时还基于警报阈值接收自动通知。

在至少一个实施方案中，本文公开了气体分析仪，该气体分析仪包括适于插入到室中的外壳。外壳具有开放内部，化学显色传感器组件布置在开放内部中。化学显色传感器组件包括化学显色介质、相对于化学显色介质配置和布置以感测化学显色介质的颜色的电子颜色传感器，以及与电子颜色传感器通信的处理器。在操作中，将外壳插入室内，使化学显色介质暴露于室内的气体，化学显色介质根据室内的气体而改变颜色，并且电子颜色传感器检测化学显色介质的颜色并基于检测到的颜色将信号传送到处理器。在各种实施方案中，处理器被配置为基于从电子颜色传感器接收的信号生成关于室内气体的气体检测信息。

气体分析仪还可包括与处理器通信的发射器，其中发射器被配置为将气体检测信息的至少一部分从化学显色传感器组件传送到远程监测装备。在一些实施方案中，发射器可被配置为将气体检测信息传送到与气体分析仪分开的通信网关，并且通信网关被配置为将气体检测信息传送到另一个通信网关或传送到远程监测装备。

在各种实施方案中，气体分析仪还可包括位于外壳的开放内部中的温度和水分传感器。温度和水分传感器被配置为检测室内的温度和水分，并且基于所检测到的温度和水分将信号传送到处理器。处理器被配置为基于从温度和水分传感器接收的信号来生成温度和水分信息，并且发射器被配置为将所生成的温度和水分信息的至少一部分传送到通信网关，并且通信网关被配置为将温度和水分信息传送到远程监测装备。

在各种实施方案中，气体分析仪所连接的室可为包含介电绝缘流体的电变压器，并且室内的气体位于介电绝缘流体中。在此类情况下，化学显色介质暴露于介电绝缘流体并根据介电绝缘流体中(例如，溶解于介电绝缘流体中)的气体而改变颜色。化学显色介质对氢气体敏感，并且当暴露于介电绝缘流体中的氢气体时改变颜色。

在一些实施方案中，化学显色介质在暴露于氢气体时可逆地改变颜色。在其他实施方案中，化学显色介质在暴露于氢气体时不可逆地改变颜色。

在各种实施方案中，气体分析仪还可包括定位在化学显色介质和电子颜色传感器之间的透镜。此类一个或多个透镜可以是平坦的，例如充当窗，或者可以是弯曲的，以便提供光学效应，诸如聚集和聚焦从化学显色介质反射的光。

在各种实施方案中，化学显色介质可为其上沉积有化学显色材料作为金属氧化物膜的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基片。在其他实施方案中，化学显色介质可为玻璃纤维基片或者玻璃或刚性乙酰基聚合物基底，其上沉积有化学显色材料作为金属氧化物膜。在后一个实施方案中，玻璃或刚性乙酰基聚合物基底可为其上沉积有化学显色材料的透镜(例如，平窗或弯曲光学成形装置)。其他材料也可用于提供化学显色材料沉积在其上的基底。在各种实施方案中，透镜可以是布置在电子颜色传感器的视场中的半透明透镜，以允许通过电子颜色传感器检测化学显色介质的颜色。

在各种实施方案中：化学显色传感器组件还可包括设置在化学显色介质与室之间的透气膜；化学显色介质所暴露于的室内的气体可处于气相或液相；处理器可被配置为控制电子颜色传感器的操作；发射器可以是被配置为分别经由无线电信号传输或经由蜂窝信号传输无线地传送气体检测信息的RF发射器或蜂窝调制解调器，或者发射器可以是被配置为经由有线电信号传输和/或光信号传输传送气体检测信息的通信电路。气体分析仪还可包括定位系统，该定位系统被配置为检测其中插入有气体分析仪外壳的室的位置，其中该定位系统被配置为基于室的所检测到的位置来传送信号。

本文还公开了一种系统，该系统包括例如如上所述能够耦接到多个室的多个气体分析仪，连同与多个气体分析仪分开的通信网关。气体分析仪可分别插入多个室中的对应室中。每个气体分析仪还可包括与相应气体分析仪的处理器通信的发射器，其中发射器被配置为将来自相应气体分析仪的化学显色传感器组件的气体检测信息的至少一部分传送到通信网关，并且通信网关被配置为从多个气体分析仪接收气体检测信息，并且进一步将气体检测信息传送到远程监测装备。

在各种实施方案中，通信网关可包括耦接到电池充电控制器的能够再充电的电池。电池充电控制器可具有一个或多个电输入，该一个或多个电输入被配置为从包括光伏电池、电流互感器、压电功率采集器或电力电缆中的至少一者的电源接收电力。在一些实施方案中，光伏电池设置在通信网关上或集成到通信网关中以向电池充电控制器供电。

在各种实施方案中，通信网关还可包括被配置为通过通信网关控制信息传送的处理器，以及被配置为从多个气体分析仪接收通信并将信息传输到远程监测装备的收发器。收发器可为RF收发器、蜂窝调制解调器或有线通信电路中的至少一者，其被配置为分别经由无线电信号传输、蜂窝信号传输或有线信号传输将信息传送到远程监测装备。

附图说明

图1至图3示出了根据本公开的气体分析仪的一个示例性实施方案。

图4A是可用于诸如图1至图3所示的气体分析仪中的化学显色传感器组件的顶部左前透视图。

图4B是图4A所示的化学显色传感器组件的实施方案的顶部右前透视图。

图5是如图3所示的气体分析仪的侧正视图，其中有更多细节。

图6至图8是示出根据本公开的被配置用于与气体分析仪一起使用的通信网关的实施方案的示意图。

图9是示出耦接到变压器并且与无线通信网关和远程监测装备通信的气体分析仪的各方面的系统的框图。

图10示出了具有化学显色传感器组件的气体分析仪的另一个实施方案的分解图。

图11示出了图10所示的光学叠堆的至少一个实施方案的部件的分解图。

图12示出了根据本公开构造的通信网关120的实施方案的分解图。

具体实施方式

图1至图3示出了根据本公开配置的气体分析仪1的一个示例。在该示例中，气体分析仪被配置用于容易地连接到例如变压器或其他电气装备中的室。室可具有绝缘油，并且气体分析仪中的传感器被配置为测量绝缘油中的故障气体(例如，氢气)浓度。也可测量室中的温度和水分。

如下文进一步所示和讨论，气体分析仪1具有可插入室中的外壳。例如，使用对应的螺纹6，气体分析仪1可插入电气装备的充油主体中或插入绝缘油上方的电气装备的顶部空间中。外壳包括具有化学显色传感器组件3的开放内部，该化学显色传感器组件暴露于室中的气体(例如，溶解于绝缘油或顶部空间中的气相中)。化学显色传感器组件3具有对一种或多种特定气体敏感并在暴露于一种或多种特定气体(例如，氢气)时改变颜色的化学显色介质。另外，化学显色传感器组件3包括检测化学显色介质的颜色的电子传感器。化学显色介质的颜色指示绝缘油或顶部空间中的气体(例如，氢气)浓度。

在下文进一步描述的一些情况下，气体分析仪1包括在外壳的开放内部中的温度和水分传感器5，该温度和水分传感器检测室内的温度和水分浓度。温度和水分传感器5基于检测到的温度和水分将信号传送到化学显色传感器组件的处理器，该信号可基于所接收的信号生成温度和水分信息。

气体分析仪1在本地电子显示器上(例如，在分析仪的外表面上)显示故障气体(例如，氢气)浓度、温度和水分测量结果，并且/或者通过通信网络将故障气体浓度、温度和水分测量结果传输到远程监测装备，诸如计算机服务器。计算机服务器可例如在局域网或广域网中(例如，由被监测的电气装备的所有者)操作，或者计算机服务器可使用“云”计算服务来实现，该“云”计算服务提供可例如经由全球网络诸如互联网访问的共享计算机服务器资源。

通信网络可包括有线和/或无线通信链路以及一个或多个通信网关装置。利用有线通信链路，例如，气体分析仪1可耦接到电线(例如，铜)或光纤线(例如，经由以太网端口)，并且电线或光线将所传输的测量数据从分析仪传送到通信网关或远程监测装备。因此，气体分析仪的发射器中的通信电路可被配置为经由有线电信号传输和/或光信号传输来传送测量数据(气体检测信息)。

利用无线通信链路，通信网络可利用射频传输信道和/或蜂窝通信信道将测量数据从气体分析仪传输到通信网关或传输到远程监测装备(例如，计算机服务器，可能是云计算服务的一部分)。在一些实施方案中，可使用多种形式的无线通信。例如，气体分析仪1可具有用于插卡的插槽，该插卡包括RF发射器，用于使用无线电信号传输经由RF链路(例如，在RF网状网络中)将数据无线传输到本地的配备有RF的通信网关，该通信网关可使用另一个RF发射器将数据无线传输到另一个配备RF的网关，最终无线传输到配备有蜂窝卡/电路的网关，该蜂窝卡/电路使得能够使用蜂窝通信信道将数据传送到远程监测装备。在另外的其他实施方案中，可采用从单独气体分析仪到通信网关的有线和无线通信链路(例如，使用RF和/或蜂窝信号传输)，该通信网关然后耦接到将数据传送到远程监测装备的光纤或电接线通信网络。传输的数据优选地存储在远程监测装备处的数据库中，并且例如使用网络应用程序进行分析和显示，以提供所需的信息来支持被测量装备的操作计划和基于状况的维护程序。

图1示出了根据本公开配置的气体分析仪1的一个示例的顶部右前透视图。根据本公开，气体分析仪的其他示例可被不同地配置。图2和图3分别示出了图1所示的气体分析仪1的前正视图和右侧正视图。

在图3所示的视图中，气体分析仪1包括主体和通信天线2。主体优选地使用坚固的耐候性材料构造，诸如丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯等。气体分析仪还包括化学显色传感器组件3以及放气阀4与温度和湿度传感器5。当气体分析仪插入到室中时，例如在电气装备中，螺纹连接件6用于将气体分析仪1耦接并固定到室。

化学显色传感器组件3包括电子颜色传感器，该电子颜色传感器通信地耦接到处理器，诸如编程的微处理器或专用集成电路。处理器被配置为基于从气体分析仪中的电子颜色传感器接收的信号来生成关于气体分析仪1所暴露的室中的气体的气体检测信息。如下文将进一步讨论的，在一个或多个实施方案中，处理器可以通信地耦接到发射器，该发射器可以是例如射频(RF)收发器和/或蜂窝(例如，LTE)嵌入式调制解调器。发射器被配置为将气体检测信息的至少一部分从气体分析仪中的化学显色传感器组件传送到远程监测装备。

在图1至图3所示的实施方案中，通信天线2安装在气体分析仪1的主体外部，并且通过主体的正面连接到发射器。另选地，在其他实施方案中，通信天线2安装在主体内部。在任一种情况下，耦接到天线2的气体分析仪1的发射器可能经由与气体分析仪分开的一个或多个通信网关提供气体分析仪和远程监测装备之间的无线通信。在后一种情况下，发射器被配置为将气体检测信息传送到通信网关，并且通信网关被配置为将气体检测信息传送到远程监测装备。在一些情况下，用于将气体检测信息从气体分析仪1传送到远程监测装备的通信路径可包括多个通信网关。发射器还可被配置为将所生成的温度和水分信息(或其至少一部分)传送到通信网关，并且通信网关被配置为将温度和水分信息传送到远程监测装备。

在一些实施方案中，气体分析仪1包括具有GPS芯片的定位系统，该GPS芯片检测气体分析仪和气体分析仪插入其中的室的位置。定位系统被配置为基于室的检测到的位置传送信号。在其他实施方案中，电力管理可以限制气体分析仪1的处理器和传感器处于活动状态的时间量(例如，周期性地接通仅有限的秒数以获得和传输测量数据)，并且在此类实施方案中，GPS芯片将没有足够的时间来从GPS卫星获得位置数据。利用此类实施方案，GPS芯片可替代地在用于校准气体分析仪1中的传感器的校准工具中操作。在校准期间，特定气体分析仪的位置数据可由校准工具中的GPS芯片获得并下载到气体分析仪中的持久性存储器，以供稍后在化学显色传感器组件传送其已生成的测量数据时由气体分析仪报告。如果将气体分析仪1重新定位到不同装备并且再次校准气体分析仪，则将由校准工具中的GPS芯片获得的新位置数据下载到气体分析仪中的存储器，代替先前下载的位置数据。

转到图4A和图4B，化学显色传感器组件3的示例性实施方案包括用于透镜的第一孔7、用于放气阀的第二孔8以及用于温度和水分传感器的第三孔9。当在没有温度和水分传感器的情况下部署气体分析仪时，第三孔9优选地被堵塞。当将气体分析仪1插入(例如，变压器的)室中时，放气阀4允许空气逸出并且使室中的介电绝缘油或气体填充化学显色传感器组件3或其至少一部分。化学显色传感器组件3包含化学显色介质，该化学显色介质被配置为当暴露于气体分析仪所附接的电气装备的室的绝缘油或顶部空间中的特定气体(诸如氢气体)时改变颜色。

可用于或适用于本公开的气体分析仪的化学显色介质的一个示例在转让给Serveron Corporation的美国专利号8,999,723(“‘723专利”)中详细描述，该专利的公开内容并入本文。‘723专利描述了可靠的低成本感测装置，其检测并指示变压器中溶解的氢气体的存在。该装置包括六边形头部和化学显色传感器组件3，该化学显色传感器组件具有旋入到变压器的顶部空间中或充油主体中的暴露端部。

在该示例中，化学显色传感器组件3包含其上掺入或施加有氢敏感化学显色指示剂的指示剂膜形式的化学显色介质。指示剂膜通过半透明透镜(其可为部分或完全透明的)可见，诸如位于图4B所示的孔7中的透镜。当指示剂膜暴露于变压器中的氢气体时，化学显色指示剂的化学变化导致指示剂膜改变颜色。指示剂膜的颜色指示所检测到的氢气浓度并且透过透镜可见。

在该示例中，变压器(或气体分析仪所附接的其他电气装备)包括通向变压器内部的室的螺纹端口，在该室中包含绝缘油。螺纹端口可定位在变压器中绝缘油的液位上方或下方，并且接收化学显色传感器组件3的螺纹端6。因此，气体分析仪1可插入变压器的室中，使得化学显色传感器组件3位于油上方的顶部空间中或浸入油中。在任一种情况下，气体分析仪1被旋入变压器的螺纹端口中并且被紧密地紧固以防止泄漏。虽然在一些实施方案中，垫圈可用于确保气体分析仪和气体分析仪所附接的变压器之间的无泄漏密封，但在优选的实施方案中，特氟隆带或管涂料(螺纹化合物或管螺纹密封剂)用于密封变压器室中的气体分析仪1。

关于化学显色传感器组件3的实施方案的附加细节在图5中以图示方式示出，而化学显色传感器组件3的另一个实施方案在图10至图12中以图示方式示出。

在图5中，透镜10从化学显色介质(例如，指示剂膜)11向外装配，即，朝向气体分析仪1的主体并远离化学显色传感器组件3的螺纹开口6装配。然后可装配含氟弹性体膜12，可能邻近含氟弹性体O形环13和玻璃料14，如‘723专利中所述。含氟弹性体材料的使用仅以举例的方式给出，并不限于本公开。此外，可以使用或可以不使用O形环和玻璃料，并且不需要O形环和玻璃料，如将通过图10至图12所示的示例所见。

玻璃料14(如果包括的话)可定位在O形环13的圆周内，使得玻璃料14搁置在化学显色传感器组件3内的环形座上。玻璃料14可为多孔盘材料，油和/或其他液体或气体易于流过该多孔盘材料。在一些情况下，玻璃料14可为烧结青铜。在其他情况下，玻璃料14可由其他多孔材料制成，包括烧结玻璃、烧结金属、或金属丝网和/或其他材料。

化学显色介质11用对一种或多种特定气体(在该示例中为氢气)敏感的化学显色指示剂材料处理，使得当化学显色介质暴露于一种或多种特定气体(例如氢气)时，化学显色介质的颜色改变。合适的化学显色介质11的一个示例是如美国专利号6,895,805中所述的指示剂膜，该专利的公开内容以引用方式并入本文。化学显色介质11可以是在暴露于特定气体(诸如氢气体)时可逆地改变颜色的类型，或者是在暴露于这种气体时不可逆地改变颜色的类型，或者是这两种类型的组合。在包括玻璃料14的气体分析仪的实施方案中，玻璃料优选位于化学显色介质11附近并支撑化学显色介质11以防止机械损伤。

在使用指示剂膜作为化学显色介质11的实施方案中，化学显色介质可包括多层片材，该多层片材具有至少气体传感器层和气体传感器层沉积到其上的相邻载体层。载体层有利于处理指示剂膜11，并且可由切割成期望形状和尺寸的任何合适的片状材料形成。在至少一个非限制性示例中，化学显色介质11是其上沉积有化学显色材料(例如，作为金属氧化物膜)的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基片。在另一个非限制性示例中，化学显色介质11是其上沉积有化学显色材料(例如，金属氧化物膜)的玻璃纤维基片。

透镜10是由玻璃或适当塑性材料制成的半透明透镜(或透镜的组合)，其可装配到图4A和图4B中所示的孔7，以允许化学显色介质11的颜色的受保护观察。半透明透镜允许光穿过，并且可以是部分或完全透明的。透镜10可定位在化学显色介质11和电子颜色传感器之间。透镜10可以被构造成具有平坦表面，例如，作为向电子颜色传感器提供化学显色介质的视图的窗口，或者透镜10可以是弯曲的以便提供光学效果，诸如将从化学显色介质反射的光聚集和聚焦到化学显色传感器组件3的电子颜色传感器上。在一些实施方案中，化学显色介质11为其上沉积有化学显色材料(例如作为金属氧化物膜)的玻璃或刚性乙酰基聚合物基底。在一些实施方案中，化学显色介质11和透镜10组合，使得透镜10包括其上沉积有化学显色材料(例如作为金属氧化物膜)的玻璃或刚性乙酰基聚合物基底。

在包括玻璃料14的一些实施方案中，化学显色传感器组件3可包括邻近玻璃料14并在该玻璃料外部(如果使用的话)并且在化学显色介质(例如，指示剂膜)11内部的透气膜12。化学显色传感器组件的内部是打开的，使得化学显色介质11暴露于变压器的室中包含的气体和/或油(具有溶解的气体)中的任一者或两者，这取决于化学显色传感器组件3插入室中的位置。因此，化学显色传感器组件可包括设置在化学显色介质11与室之间的透气膜。化学显色介质11所暴露于的室内的气体可处于气相或溶解于液相(例如，绝缘油)中。

本文所述的气体分析仪可在变压器的制造期间或通过在变压器的安装之后插入变压器中而耦接到变压器(或其他电气装备)。在任一种情况下，使用如本文所述的变压器的(螺纹)端口将气体分析仪的化学显色传感器组件3插入(例如，旋入)变压器的室中。

化学显色传感器组件3被取向和布置成使得其中的电子颜色传感器具有经由透镜10的化学显色介质11的视场。如果化学显色介质11已暴露于气体诸如氢气(溶解于变压器的顶部空间中的绝缘油或自由气体中)，则化学显色介质11表现出颜色变化。如下文将描述的，电子颜色传感器被配置为感测化学显色介质11的颜色，并且将基于所感测的颜色(或指示所感测的颜色)的信号提供给传感器组件3的处理器，用于直接或经由一个或多个通信网关进一步处理和传送到远程监测装备。

如图4A和图4B所示，化学显色传感器组件3包括用于放气阀4的端口8，以及用于组合温度和水分传感器5的端口9。用于感测温度和水分(湿度)的合适电子器件是本领域普通技术人员已知的，并且可用于整合到组件3中。例如，化学显色传感器组件3可使用本领域已知的可商购获得的温度和水分传感器。

温度和水分传感器5优选地共同位于化学显色传感器组件3中，从而允许传感器组件3中的相对湿度被温度补偿，同时还提供第二独立温度传感器输出。温度传感器优选地位于水分传感器的有效区域处。在至少一个合适的实施方案中，略微吸湿的多孔材料在两个电极之间分层。随着湿度增加，非导电材料的介电常数改变，这继而改变了电极之间能够测量的电容。多孔材料略微膨胀或收缩，这取决于周围体积中水蒸气的量。在至少一个合适的实施方案中，1000欧姆铂电阻温度检测器安装在水分传感器的陶瓷传感器衬底的背面上。电阻温度检测器包括电阻温度计元件、内部连接线、保护壳以及连接线，视特定配置而定。信号调节电路也可与湿度感测电容器一起被包括在芯片上。

设置在气体分析仪的主体1内并且包括在化学显色传感器组件3中的是电子颜色传感器，该电子颜色传感器可感测化学显色介质11的颜色。在至少一个实施方案中，颜色传感器可以是由Texas Advanced Optoelectronic Solutions(TAOS)制造的TCS3200或TCS3210可编程RGB颜色光-频率转换器。可实现产生一个或多个期望波长的光的一个或多个照明元件(例如，LED)以在化学显色介质上或周围提供光，这使得颜色传感器能够检测和测量化学显色介质的颜色。

在一个合适的示例中，电子颜色传感器可包括单个集成电路上的硅光电二极管和电流-频率转换器。输出为具有与光强度(辐照度)成正比的频率的信号。数字输入和输出与化学显色传感器组件3的处理器或其他逻辑电路通信。在使用TCS3200的示例中，光-频率转换器读取8×8光电二极管阵列。光电二极管中的十六个光电二极管位于蓝色波长滤光器下方，光电二极管中的十六个光电二极管位于绿色波长滤光器下方，并且光电二极管中的十六个光电二极管位于红色波长滤光器下方，而其余十六个光电二极管不相对于任何颜色波长滤光器定位。在该实施方案中，定位在相同颜色波长滤光器下方的光电二极管并联连接。

虽然TCS3200基于感测到的RCG颜色空间输出信号，但适用于化学显色传感器组件3的其他电子颜色传感器包括例如检测CIE XYZ颜色空间中的颜色的传感器。此类传感器通常更昂贵并且提供更好的颜色测量，但对于如本文所述的气体分析仪的合适操作可能不是必需的。

在至少一个实施方案中，电子颜色传感器使用Atmega3238PB微处理器通信地耦接到定制配置的逻辑板。定制配置的板是有利的，因为其可提供更大的灵活性以使功率消耗和成本最小化。在其他实施方案中，可使用不同的计算逻辑布置(示例为Arduino UnoRev3)。Arduino Uno是基于ATmega328P的微控制器板。

在上述实施方案中，逻辑板被配置为(1)控制电子颜色传感器并暂时存储测量数据(例如，R、G、B值)，直到数据由气体分析仪的收发器在数据分组中发送；(2)控制温度和水分传感器以获得温度、相对湿度以及可能的时间戳值的测量结果；以及(3)将数据打包成带时间戳的数据分组，并通过收发器将分组发送到通信网关或远程监测装备。在至少一个实施方案中，逻辑板已使用具有集成到板上的HopeRF95/96/97/98(W)RF发射器的剥离式Dragino架构来实现。

在各种实施方案中，逻辑板和收发器可作为网状网络控制节点操作，该网状网络控制节点接收来自其他气体分析仪的数据并相应地重新传输数据。在其他实施方案中，特别是在采用电力管理技术的情况下，逻辑板不作为网状网络节点操作，而是简单地周期性地激活，使用其局部化学显色传感器组件3获得一系列测量结果，计算这些测量结果的平均值，并且将测量平均值传输到通信网关或远程监测装置，之后逻辑板返回到非活动状态。一般来讲，通信网关保持在连续或基本上连续的活动状态，使得其可在不同时间从不同的气体分析仪并且可能从其他通信网关接收测量数据，并且将测量数据重新传输到远程监测装备(或重新传输到又一个通信网关以最终在最终网关节点处传输到远程监测装备)。到远程监测装备的最终通信链路可由配备蜂窝的网关提供，该网关经由蜂窝数据通信信道(例如，TCP/IP上的LTE)将数据传送到远程监测装备(例如，云计算机服务器)。

逻辑板可实现加密，使得存在端对端加密数据(在经由RF信号传输数据之前加密，在通过蜂窝通信网关等发送数据时加密，在SQL数据库中加密等)。将检测到的颜色数据转换为表示故障气体(例如，氢气)浓度的值可由气体分析仪中的处理器执行，由远程监测装备中(例如，在远程监测装备中操作的网络应用程序和/或数据库的编程中)，或单独执行的应用程序中的处理器执行，可能由在云中的其他地方能够访问和能够操作的处理器执行。

本公开的至少一个实施方案可使用LoRa Shield，其为使用Arduino屏蔽形状因数并且基于开源库实现的长程收发器。LoRa Shield允许用户发送数据并且以低数据速率达到长程。其提供超长程扩频通信和高抗干扰性，同时使电流消耗最小化。基于RFM95W的LoRaShield针对专业的无线传感器网络应用，诸如灌溉系统、智能计量、智能城市、智能电话检测、建筑物自动化等。使用HopeRF的LoRa

这些装置还支持用于包括WMBus、IEEE802.15.4g的系统的高性能(G)FSK模式。LoRa Shield提供异常的相位噪声、选择性、接收器线性和IIP3，以实现比竞争装置显著更低的电流消耗。

图6至图8描绘了根据本公开的被配置用于与气体分析仪1一起使用的通信网关15的示例性实施方案的示意图。具体地讲，图6提供通信网关15的一个示例的透视图，该通信网关由布置在网关外壳的上表面上或其中的光伏太阳能电池16供电。利用该实施方案，通信网关15可被配置为生成并本地存储通信网关的操作所需的电力，而不需要硬接线到电源或以其他方式从其他源获得电力(例如，从现有供电电力线路采集功率)。通信网关15被示出为具有布置在网关外壳外部的通信天线17。图7示出了通信网关的前视图，该通信网关可以是图6所示的太阳能供电的通信网关15或由另一个源(例如，内部电池或到另一个电源的电抽头)供电的另一个通信网关18，其示例在图8中以透视图示出，具有内部布置的通信天线。

图9是示出耦接到变压器24的气体分析仪22的各方面的系统20的框图。气体分析仪22与通信网关26和远程监测装备28通信。类似于上文讨论的气体分析仪1，气体分析仪22由电池30供电。气体分析仪22中的微处理器32控制气体分析仪中的电子部件，诸如颜色传感器34和温度/湿度传感器36。在一些实施方案中，气体分析仪22还包括具有GPS芯片37的定位系统，该GPS芯片检测气体分析仪22和气体分析仪22所附接的室的位置。由相应的颜色传感器34、温度/湿度传感器36和GPS芯片37生成的数据由微处理器32处理并通过发射器38(RF收发器40和/或蜂窝调制解调器42)直接或通过通信网关26传输到远程监测装备28。例如，当通过蜂窝调制解调器42传输数据时，数据可直接传输到操作基于云的计算机服务器资源的远程监测装备28。当数据通过RF收发器40传输时，数据可通过RF收发器的网状网络(其中其他气体分析仪22和/或通信网关26充当网络中的节点)传输到远程监测装备28。

如图所示，通信网关26具有微处理器，该微处理器通信地耦接到RF收发器46和/或蜂窝调制解调器48。然后由通信网关26将数据传送到在远程监测装备28中操作的数据库50。远程监测装备28优选地被配置为评估所接收的数据，该数据表示基于由颜色传感器34感测到的化学显色介质35的颜色的检测到的气体浓度，或基于化学显色介质35的所感测到的颜色由气体分析仪22生成的气体检测信息。所接收的数据还可包括表示由温度和湿度传感器36感测到的温度和/或水分的数据。基于该数据，远程监测装备28可确定由气体分析仪22感测到的故障气体(例如，氢气)浓度是否趋向于或已达到警报或通知阈值水平。

通信网关26(以及气体分析仪22)可使用一种或多种功率采集技术来供电，包括光伏、压电功率采集和电感功率采集。用于通信网关的电池的充电可由充电控制器52控制。在各种具体实施中，通信网关26可以位于变压器、塔、夹层或与气体分析仪22分开的其他结构的顶部上。使用一种或多种功率采集技术供电的气体分析仪22还可具有充电控制器，该充电控制器控制气体分析仪中电池的充电。

存储在远程监测装备28的数据库50中的数据可根据诸如公司名称、站点、位置和资产标识之类的信息(可能作为元数据包括在数据库中)来组织，使得操作人员可根据定义的访问权限规则来识别、访问和分析数据。颜色测量数据到气体检测信息(例如，表示在特定变压器中检测到的氢气浓度的值)的转换可由气体分析仪22中的微处理器32，由通信网关26中的微处理器44和/或由操作远程监测装备28的网络应用程序54来执行。在远程监测装备中操作的计算机(例如，基于网络的)应用程序54可包括编程，该编程例如相对于阈值自动分析从各种气体检测分析仪接收的传感器数据或气体检测信息，并且提供自动通知56，该自动通知将操作人员的注意力引导至变压器24，从而显示氢气浓度增加以及因此故障风险增加的趋势。

本公开还包括一种系统，该系统包括耦接到多个室(例如，在多个变压器24中)的多个气体分析仪22。气体分析仪22可如上所述进行构造。系统还包括与多个气体分析仪分开的通信网关26。

利用该系统，多个气体分析仪中的每个气体分析仪22分别插入多个室中的对应室中。此外，每个气体分析仪22还包括与相应气体分析仪的处理器32通信的发射器38。每个气体分析仪22中的发射器38被配置为将气体检测信息的至少一部分从相应气体分析仪的化学显色传感器组件34、35传送到通信网关26。通信网关26被配置为从多个气体分析仪22接收气体检测信息，并且进一步将气体检测信息传送到远程监测装备28。

为了向上述系统中的通信网关26供电，能够再充电的电池可耦接到相应通信网关中的电池充电控制器52。电池充电控制器52可具有一个或多个电输入，该一个或多个电输入被配置为从包括光伏电池58、压电功率采集器60、电感电流变压器62或电力电缆(未示出)中的至少一者的电源接收电力。在一些情况下，光伏电池58设置在相应通信网关26的外壳上或集成到该外壳中，以向电池充电控制器52供电。在通信网关使用有线以太网连接耦接到网络的一些情况下，通信网关可被配置为使用以太网供电从网络汲取功率。

利用上述系统，通信网关26还可包括被配置为控制信息通过通信网关26的传送的处理器44。通信网关26中的收发器46被配置为从多个气体分析仪22接收通信并且将信息传输到远程监测装备28。收发器46可为RF收发器、蜂窝调制解调器或有线通信电路中的至少一者，其被配置为分别经由无线电信号传输、蜂窝信号传输或有线信号传输将信息传送到远程监测装备28。

从上述描述中可以理解，本公开还提供了监测变压器24(或其他电气装备)中气体(诸如氢气体)的存在和浓度的改进方法。该方法的实施方案包括将包括如前所述的化学显色传感器组件34、35的气体分析仪22的至少一部分插入到被监测的变压器/装备中。至少化学显色传感器组件的化学显色介质4暴露于变压器24中的室的内部空间。室的内部空间通常包含介电绝缘油。化学显色传感器组件中的在存在氢气体的情况下改变颜色的化学显色介质35定位在电子颜色传感器34的视场内。该方法还包括使颜色传感器34感测化学显色介质35的颜色并生成测量值，该测量值从气体分析仪22直接或通过通信网关26传输到远程监测系统28。在一些实施方案中，气体分析仪22中的微处理器32被编程为周期性地或响应于从远程监测系统28和/或通信网关26接收的触发命令来激活颜色传感器34。基于测量值或其他气体检测信息，该方法包括确定化学显色介质35是否指示存在超过可接受阈值的氢气体。在一些实施方案中，由颜色传感器34生成的测量值可指示化学显色介质35是否已从第一颜色变为第二颜色。基于测量值或所确定的颜色变化，可确定存在于变压器室24中的氢气体的浓度。然后优选地将氢气浓度传送并存储在于远程监测装备28中操作的数据库50(诸如基于云的SQL数据库)中，并且例如经由由远程监测装备操作的网络应用程序54呈现给操作人员。

将气体分析仪22插入变压器24中的步骤可包括将化学显色介质35直接暴露于变压器24的绝缘油。另选地，气体分析仪22可插入变压器24中，使得化学显色介质35暴露于变压器24中绝缘油上方的顶部空间，可能使得化学显色介质35不直接暴露于绝缘油，而是暴露于顶部空间中存在的气体。在一些实施方案中，气体分析仪22可安装在变压器24的填充塞中或安装在变压器24的排放阀中，其中化学显色介质35暴露于绝缘油中的溶解气体。

图10示出了具有化学显色传感器组件的气体分析仪70的另一个实施方案的分解图。气体分析仪70包括各种电气部件，这些电气部件大部分被组装在封装件72内，包括印刷电路板(PCB)74，该印刷电路板具有结合在其上的气体分析仪70的颜色传感器、处理器、发射器和其他操作电子电路。

电耦接到PCB 74的是电池组件76、电源开关78、温度和水分传感器组件80以及SMA连接器81。电池组件76向封装件72内的电气部件(包括PCB 74的电路和部件)提供电力。可被布置成至少部分地在封装件72外部的电源开关78允许用户手动激活或去激活气体分析仪70。在操作中，温度和水分传感器组件80感测气体分析仪70所附接到的室内的温度和水分(湿度)。温度和水分传感器组件80可根据由处理器在PCB 74上发出的控制信号来操作，并且将测量数据报告给处理器，如本文先前所述。SMA连接器81是同轴RF连接器，其允许校准装置耦接到气体分析仪70以校准气体分析仪。

与PCB 74上的颜色传感器相邻设置的是化学显色传感器组件，该化学显色传感器组件包括装配在光学叠堆盖84内的光学叠堆82。光学叠堆盖84和光学叠堆82均具有中心圆形孔，PCB 74上的颜色传感器可通过该中心圆形孔观察设置在光学叠堆82内的化学显色介质，如关于图11更详细地描述。

装配到封装件72的底部的是封装件基座86，该封装件基座具有中心孔，传感器外壳88的至少一部分通过该中心孔设置。传感器外壳88包括接收光学叠堆82的螺纹部分的中心孔90。与中心孔90相邻的是另一个孔92，该孔接收温度和水分传感器组件80的螺纹部分。传感器外壳88的一侧上是另外的孔94，该孔接收放气阀96的螺纹端，该放气阀例如在气体分析仪70安装在待监测的室中期间允许空气逸出化学显色传感器组件。传感器外壳88的底端98装配在室内，并且为室内的气体或液体(例如，介电绝缘流体)提供通道以流入气体分析仪70的化学显色传感器组件中。

图11示出了图10所示的光学叠堆82的至少一个实施方案的部件的分解图。光学叠堆82的中心是观察玻璃外壳100。装配在观察玻璃外壳100的顶端内的是半透明化学显色膜涂覆的玻璃102(其可构成透镜，如本文先前所述)。玻璃102直接涂覆有如本文所述的化学显色介质膜。化学显色膜涂覆玻璃102被夹在垫圈104和衬垫106之间，该垫圈和衬垫通过锁环108保持在观察玻璃外壳100内的适当位置。垫圈104和衬垫106抵靠化学显色膜涂覆玻璃102装配并且密封地接合涂覆玻璃102，以防止液体和/或气体流过涂覆玻璃102。锁环108具有外螺纹，该外螺纹对应于在观察玻璃外壳的顶端处限定在内部的观察玻璃外壳100的螺纹。当锁环108旋入观察玻璃外壳100中时，涂覆有化学显色膜的玻璃102牢固地且密封地保持在观察玻璃外壳100内。在另选的实施方案中，化学显色膜涂覆的玻璃102(以及垫圈、衬垫和/或锁环，根据需要)可直接集成到传感器外壳88(图10)中，而不是集成在旋入传感器外壳88中的单独的观察玻璃外壳100(光学叠堆82)中。

装配在观察玻璃外壳100的底端内的是多孔介质110，在该特定实施方案中，该多孔介质夹在保持器112和间隔件114之间。保持器112和/或间隔件114可由PTFE格网或其他材料构造而成，该PTFE格网或其他材料适当地允许被监测的室中的气体和/或绝缘油穿过观察玻璃外壳100到达化学显色膜涂覆的玻璃102。在一些实施方案中，保持器112和/或隔离件114可被排除，或者可采用另选网类型或材料。在图示实施方案中，灌封件116用于将保持器112、多孔介质110和间隔件114保持在观察玻璃外壳100的底端内。

多孔介质110优选地由提供白色背景的材料(例如，PTFE)制成，以改善化学显色介质在化学显色膜涂覆的玻璃102上的颜色的测量。PCB 74(图10)上的颜色传感器具有穿过锁环108和衬垫106的中心孔到达化学显色膜涂覆的玻璃102上的化学显色介质的视场。在化学显色膜涂覆的玻璃102后面的视场中的是白色多孔介质110。与多孔介质110相邻装配的间隔件114的格网基本上不会遮挡白色多孔介质110使其不被颜色传感器看到。多孔介质110的白色使得PCB 74的颜色传感器能够获得化学显色介质在化学显色膜涂覆的玻璃102上的颜色的更好读数。PTFE材料可为疏油的，使得来自室的气体/油可渗透保持器112、间隔件114和/或多孔介质110，而不改变由多孔介质提供的白色背景。光源诸如LED(图11中未示出)可结合到观察玻璃外壳100中，以在化学显色传感器组件内提供光，该光有利于通过颜色传感器感测化学显色介质的颜色。在一些实施方案中，代替涂覆玻璃102，在PCB 74上的颜色传感器的视场中的多孔介质110或间隔件114上涂覆化学显色介质是可接受的。

图12示出了根据本公开构造的通信网关120的实施方案的分解图。通信网关120包括封装件122和封装件盖124。设置在封装件122内的是电池保持器126，该电池保持器在操作中包括可用于为印刷电路板(PCB)128供电的一个或多个电池。PCB 128包括处理器、发射器和其上的相关联电路，它们耦接到天线130，该天线能够从上述一个或多个气体分析仪接收测量数据，并且可能向一个或多个气体分析仪发送控制信号(例如，触发测量数据的测量和传输)。发射器和天线130还能够将测量数据从通信网关122传输到另一个装置，诸如另一个通信网关，或传输到如本文先前所述的远程监测装备。在图示实施方案中，天线130被布置在网关封装件122的内部(类似于图8中所示的通信网关18)。

充电控制器132电耦接到电池保持器126中的一个或多个电池以便管理电池的再充电。在图示实施方案中，充电控制器132电耦接到设置在封装件122的外表面上的太阳能电池板134(类似于图6所示的通信网关15)。太阳能电池板134包含光伏电池，该光伏电池从日光生成电力，并且经由充电控制器132将电力馈送至网关封装件122内的一个或多个电池。

通断开关136进一步电耦接到PCB 128以允许通信网关120的手动激活和去激活。通断开关136可设置在网关封装件122的外壁中，以便提供对开关136的切换功能的外部访问。

鉴于以上描述，可开发并部署以用于基于状况的监测的气体分析仪1和系统20的各种非限制性示例可包括：

1)一种气体分析仪，该气体分析仪包括化学显色传感器组件，该化学显色传感器组件具有适于插入到具有介电绝缘油的电气装备诸如变压器中的第一端部以及暴露在变压器外部的第二端部，外壳组件具有带有开放内部的主体；化学显色传感器组件，该化学显色传感器组件位于主体的开放内部中；在主体的开放内部中的温度和水分传感器，以及在模块的第二端部上的颜色传感器、微处理器、RF屏蔽件/收发器和/或嵌入式蜂窝调制解调器和透镜，用于直接或通过外部通信网关与远程监测装备通信，以将数据从颜色传感器以及温度和水分传感器传输到远程监测装备。

2)根据实施例1所述的气体分析仪，其中主体的开放内部中的温度和水分传感器被配置为测量介电绝缘油的水分和温度。

3)根据实施例1所述的气体分析仪，其中主体的开放内部中的化学显色传感器对氢气体敏感并且在暴露于氢气体时改变颜色。

4)根据实施例3所述的气体分析仪，其中化学显色传感器在暴露于氢气体时可逆地改变颜色。

5)根据实施例4所述的气体分析仪，其中化学显色传感器包含具有金属氧化物膜的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基片。

6)根据实施例4所述的气体分析仪，其中化学显色传感器包含具有金属氧化物膜的玻璃纤维基片。

7)根据实施例3所述的气体分析仪，还包括邻近化学显色传感器的化学显色膜的玻璃料，其中玻璃料包含对油和氢气体而言是多孔的材料，并且玻璃料支撑化学显色膜。

8)根据实施例7所述的气体分析仪，其中玻璃料为烧结青铜材料。

9)根据实施例7所述的气体分析仪，其中玻璃料为二氧化硅材料。

10)根据实施例7所述的气体分析仪，还包括设置在玻璃料和化学显色膜之间的透气膜。

11)根据实施例10所述的气体分析仪，其中透气膜由含氟弹性体材料构成。

12)根据实施例10所述的气体分析仪，还包括与透气膜相邻的O形环，O形环防止介电绝缘油在透气膜周围泄漏。

13)根据实施例12所述的气体分析仪，其中O形环由含氟弹性体材料构成。

14)根据实施例1所述的气体分析仪，其中透镜是布置在颜色传感器的视场中的半透明透镜，以允许颜色传感器对化学显色传感器进行颜色测量。

15)根据实施例1所述的气体分析仪，其中颜色传感器被配置为检测和测量化学显色传感器的颜色。

16)根据实施例1所述的气体分析仪，其中微处理器被配置为控制由颜色传感器和/或温度和水分传感器采集的数据，并且将所采集的数据直接或通过外部药物网关传输到远程监测装备。

17)根据实施例1所述的气体分析仪，其中RF收发器被配置为传输和接收无线电发射。

18)根据实施例1所述的气体分析仪，其中嵌入式蜂窝调制解调器被配置为传输和接收发射。

19)根据实施例1所述的气体分析仪，其中远程监测装备包括网络应用程序，网络应用程序显示交互式应用程序以设置警报阈值、设置变压器名称标签信息、配置资产数据库、查看数据仪表板、查看趋势图、接收通知、提取数据和重置警报。

20)根据实施例1所述的气体分析仪，还包括用以为分析仪供电的一个或多个电池。

21)根据实施例1所述的气体分析仪，还包括化学显色传感器组件上的放气阀。

22)根据实施例1的所述气体分析仪，还包括全球定位系统(GPS)，该GPS被配置为提供分析仪所插入的变压器的位置数据。

23)一种包括根据实施例1所述的气体分析仪的系统，其中通信网关包括能够再充电的电池系统。

24)根据实施例23所述的系统，还包括具有一个或多个电输入的电池充电控制器，该一个或多个电输入被配置为从一个或多个电源接收电力输入，一个或多个电源包括光伏电池、电流变压器、压电功率采集器和电力电缆。

25)根据实施例24所述的系统，包括设置在通信网关上或集成到通信网关中的光伏板。

26)根据实施例24所述的系统，包括用于电流变压器或电源的输入连接。

27)根据实施例24所述的系统，包括通信网关中的微处理器，以控制通过通信网关的数据流。

28)根据实施例24所述的系统，包括通信网关中的射频收发器以发送和接收数据。

29)根据实施例24所述的系统，包括用以发送和接收数据的嵌入式蜂窝调制解调器。

30)根据实施例24所述的系统，包括用于将通信网关附连到金属表面的一个或多个磁性安装垫。

因此，上述示例的实施方案可包括无线传感器，该无线传感器测量例如变压器和其他电气资产的绝缘油中的氢气体含量、温度和水分。传感器旋入变压器或其他电气资产的顶部空间中或充油主体中。传感器的开放主体中的氢气敏感化学显色组件暴露于顶部空间或绝缘油。化学显色组件的颜色在暴露于氢气时改变。颜色传感器测量化学显色组件的颜色变化，并且要么在本地电子显示器上显示氢气浓度、温度和水分，要么通过通信网络将测量结果传输到数据库。无线网络通信可使用射频和/或蜂窝通信来传输数据。数据被存储在数据库中并被分析用于气体检测，并且使用例如网络应用程序显示以提供所需的信息来支持操作计划和基于状况的维护计划。

可组合本文所述的各种实施方案的各方面来提供另外的实施方案。本说明书中提及的所有美国专利全文以引用方式并入本文。必要时，可以修改实施方案的各个方面，以采用各专利的概念来提供另外的实施方案。

鉴于上文的详细说明，可以对这些实施方案作出这些和其他改变。

2018年9月17日提交的美国临时专利申请号62/732,548全文以引用方式并入本文。

一般来说，在随后的权利要求中，使用的术语不应解释成将权利要求书限制在本说明书和权利要求书中披露的具体实施方案中，而应解释成包括所有可能的实施方案以及这类权利要求书赋予的等效物的全部范围。因此，权利要求并不受本公开内容所限定。