用于變壓器油中氣體檢測的光聲光譜技術(shù)

1、用于變壓器油中氣體檢測的光聲光譜技術(shù)云玉新1,2，劉民1(1. 山東電力研究院，濟(jì)南 250002; 2.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400030)摘 要：光聲光譜技術(shù)作為一種新型的氣體檢測技術(shù)，將其用于油中溶解氣體的在線監(jiān)測能夠克服色譜柱、氣敏傳感器等傳統(tǒng)在線監(jiān)測技術(shù)的取樣復(fù)雜、交叉敏感等諸多不足，具有良好的應(yīng)用前景。該文基于光聲光譜技術(shù)的基本原理，針對變壓器早期故障診斷中最受關(guān)注的乙炔氣體，利用分布反饋半導(dǎo)體激光器構(gòu)建了一種便攜式、可調(diào)諧的光聲光譜氣體檢測裝置，對乙炔氣體的光聲光譜檢測方法進(jìn)行了研究。實驗結(jié)果表明，在低氣體濃度、低激光功率條件下，光聲信號與氣體

2、濃度、激光功率間具有良好的線性關(guān)系，該裝置對乙炔的最低濃度檢測限約為1.4mL/L。關(guān)鍵詞：光聲光譜；氣體檢測；乙炔引言近年來，隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展及人民生活對供電可靠性要求的日益增高，電氣設(shè)備的維修方式正從定期維修逐步向狀態(tài)維修過渡。油中溶解氣體的在線監(jiān)測及建立在此基礎(chǔ)上的故障診斷技術(shù)能夠為變壓器類電氣設(shè)備的狀態(tài)維修提供重要的數(shù)據(jù)支持和理論判據(jù)，因而成為該類設(shè)備實現(xiàn)狀態(tài)維修的一項必不可少的關(guān)鍵技術(shù)1。為了實現(xiàn)油中溶解氣體的在線監(jiān)測，人們已提出了多種方法如氣相色譜法、氣敏傳感器法、傅里葉紅外光譜法等。但在長期使用中，這些方法存在取樣復(fù)雜、交叉敏感、長期穩(wěn)定性差、檢測氣體組分不夠齊全等缺點。當(dāng)

3、前，一種新型的氣體傳感技術(shù)光聲光譜技術(shù)由于具有靈敏度高、選擇性好、檢測范圍寬等優(yōu)點，而成為微量氣體檢測領(lǐng)域的研究熱點2。在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7252-20013認(rèn)定的甲烷等故障特征氣體中，乙炔往往伴隨變壓器內(nèi)部放電性故障的出現(xiàn)而產(chǎn)生，是受到格外關(guān)注的一種氣體。本文基于光聲光譜技術(shù)的基本原理，利用分布反饋半導(dǎo)體激光器構(gòu)建一種便攜式、可調(diào)諧的光聲光譜氣體檢測裝置，對乙炔的光聲光譜檢測方法進(jìn)行了研究。1. 實驗裝置1.1 概述光聲光譜技術(shù)是基于光聲效應(yīng)，通過直接測量物質(zhì)因吸收光能而產(chǎn)生的熱能的一種光譜量熱技術(shù)4。在氣體的光聲效應(yīng)中，氣體分子吸收經(jīng)過調(diào)制的特定波長紅外輻射而被激發(fā)到高能態(tài)，由于高能態(tài)極

4、不穩(wěn)定，分子隨即以無輻射躍遷形式將吸收的光能變?yōu)闊崮芏氐交鶓B(tài)；由于光能是周期調(diào)制的，這使得密閉于氣池中的氣體分子的熱能也呈周期性變化，宏觀上表現(xiàn)為壓力的變化，即產(chǎn)生聲波。由于聲波的頻率與光源調(diào)制頻率相同，而其強(qiáng)度則與吸收氣體的濃度有關(guān)，因此，建立氣體濃度與聲波強(qiáng)度的定量關(guān)系，就可以準(zhǔn)確檢測出氣池中各氣體的濃度。據(jù)此原理，本文構(gòu)建的用于檢測乙炔氣體的光聲光譜檢測裝置如圖1所示。激光器發(fā)出能被乙炔分子吸收的特定波長紅外輻射，經(jīng)斬波器SR540調(diào)制成一定頻率的斷續(xù)光束后，沿光聲池的縱向軸線射入其中，此時，氣體受到周期光束的激勵而產(chǎn)生光聲效應(yīng)；由微音器EK3024檢測到的正弦波信號與斬波器輸出的方波

5、信號分別作為待檢信號和參考信號送入鎖相放大器SR830，經(jīng)互相關(guān)檢測，提取出光聲信號的強(qiáng)度值，送入計算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。在圖1所示的裝置中，紅外光源的選擇與光聲池的設(shè)計是構(gòu)建氣體光聲光譜檢測裝置的關(guān)鍵。諧振腔微音器緩沖室窗口片進(jìn)氣口出氣口鎖相放大器激光控制器驅(qū)動 計算機(jī)溫度 電流 微音器光聲信號參考信號激光器斬波器光聲池圖1 氣體的光聲光譜檢測裝置1.2 紅外光源的選擇按照輻射特性，光源可分為非相干光源和相干的激光光源兩類。與非相干光源相比，激光光源具有功率大、單色性及準(zhǔn)直性好的特點，能夠提高氣體的檢測靈敏度，降低氣體間的交叉吸收干擾，便于光聲池的優(yōu)化設(shè)計，因而，本文采用了激光光源。在現(xiàn)有的激光

6、光源中，分布反饋半導(dǎo)體激光器具有可調(diào)諧、窄線寬、長壽命、室溫工作、操作簡便、體積輕巧、價格低廉等優(yōu)點，適合工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用要求，本文選用NEL公司的分布反饋半導(dǎo)體激光器作為光聲光譜檢測裝置的光源。要激發(fā)起氣體的光聲效應(yīng)，一個必要條件是激光器的工作波長必須與氣體的特征吸收譜線相一致，因此，激光器工作波長的確定是選擇光源的關(guān)鍵問題。由于市場上現(xiàn)有分布反饋半導(dǎo)體激光器的輻射波長均在2mm以下的近紅外區(qū)，圖2給出乙炔分子在該區(qū)域中吸收最強(qiáng)的一段紅外光譜。由圖2可以看出，相同條件下，為了使乙炔對紅外輻射的吸收更強(qiáng)，選擇乙炔在該波段具有最強(qiáng)吸收的吸收譜線所對應(yīng)的波長1520nm作為激光器的工作波長。吸收系數(shù)

7、/cm-1MPa-1 波數(shù)/cm-1 圖2 乙炔的近紅外光譜 圖3 縱向共振光聲池的縱剖面1.3 光聲池的設(shè)計根據(jù)工作方式的不同，光聲池可分為共振式和非共振式兩種。所謂共振光聲池是指光聲池的聲學(xué)共振頻率與入射光束的調(diào)制頻率相同。相比于非共振光聲池，共振光聲池具有受低頻噪聲影響小、信噪比高、可檢測流動氣體等優(yōu)點，因而，本文將光聲池設(shè)計為共振式。由于圓柱形光聲池能與軸對稱的光束、軸對稱的激發(fā)聲場很好地匹配，且易于加工，本文以黃銅為材料，設(shè)計制作了圓柱形光聲池，光聲池內(nèi)表面拋光，并用透過率大于90%的石英窗片密封兩端口，其縱向剖面如圖3所示。圖中的光聲池內(nèi)腔由諧振腔和緩沖室兩部分組成，中部的諧振腔長

8、10cm、直徑1cm；緩沖室的作用是用來隔離窗口片因光吸收而產(chǎn)生的噪聲，理論研究表明，緩沖室的長度為1/2諧振腔長度且半徑大于諧振腔半徑的3倍時，有較好的隔離效果5，因此，緩沖室的長度取5cm，直徑取4cm。若光束調(diào)制頻率與光聲池的一階縱向共振模式的聲學(xué)頻率一致時，光聲池諧振腔內(nèi)的聲場分布可表示為： (1)式中，Pj為聲波強(qiáng)度；Aj為聲波振幅；Lc為諧振腔長度；z為沿諧振腔軸線，以左端點為原點的坐標(biāo)值。可見，在z=Lc/2處，聲波最強(qiáng)，將微音器EK3024安置在該處并使其開口剛好與諧振腔管壁平齊，可以獲得最好的檢測效果；而在z=0，或z=Lc處，聲場最弱，將光聲池的進(jìn)、出氣口設(shè)置在該位置，可以

9、減弱池中氣體流動而引起噪聲。2. 實驗結(jié)果與分析2.1 激光器的輻射特性實驗中，使用Thorlabs公司的激光控制器ITC502調(diào)節(jié)分布反饋半導(dǎo)體激光器的工作溫度和注入電流；而用Adventest公司的光譜分析儀Q8384來記錄激光器的輻射波長。圖4(a)和圖4(b)分別是激光器在不同工作溫度和不同注入電流情況下的輻射波長變化曲線，可以看出，激光器隨工作溫度或注入電流的升高，其輻射波長以近似線性增大。圖4(a)表明，在圖示注入電流情況下，工作溫度為2040時，激光器的波長調(diào)諧范圍約為1518.51521.6nm，其溫度調(diào)諧率約為0.095nm/；而圖4(b)表明，在圖示任一工作溫度下，注入電流

10、從20mA增至100mA時，激光器的波長增量不超過0.5nm，其電流調(diào)諧率約為0.006nm/mA。(a)輻射波長與工作溫度的關(guān)系 (b)輻射波長與注入電流的關(guān)系圖4 激光器輻射波長與工作溫度和注入電流的關(guān)系2.2 光聲池的品質(zhì)因數(shù)和共振頻率品質(zhì)因數(shù)Q的實際值要用實驗方法來標(biāo)定，其值定義為6： (2)式中，f為共振峰值所對應(yīng)的頻率，Df為1/共振峰f處的全線寬，f和Df的具體值可由光聲池的頻率響應(yīng)曲線獲得。圖5是以氮氣為背景氣體，光聲池的一階縱向共振頻率響應(yīng)曲線，用Lorentz函數(shù)擬合實驗結(jié)果，可以得到：Hz，Hz，所以。光聲信號/mV頻率/Hz圖5 光聲池的頻率響應(yīng)曲線2.3 光聲信號與激

11、光功率、乙炔濃度的關(guān)系將濃度為997.8mL/L的乙炔標(biāo)準(zhǔn)氣體充入光聲池；調(diào)節(jié)并保持?jǐn)夭ㄆ鞯臄夭l率至光聲池的一階縱向共振頻率1403Hz；設(shè)置鎖相放大器的積分時間為1s；將DFB激光器設(shè)為恒功率工作模式，并設(shè)置激光器的輸出功率為不同的期望值，這里需注意的是，在調(diào)節(jié)輸出功率時會使激光器的輻射波長偏離乙炔的特征吸收譜線1520nm，因此，必須對激光器的輻射波長進(jìn)行校正，校正時可以使用2.1節(jié)給出的激光器輻射波長與其工作溫度和注入電流的關(guān)系曲線，也可采用如下方法：將輸出功率設(shè)為期望值后，微調(diào)激光器的工作溫度，當(dāng)光聲信號出現(xiàn)最大值時，可以斷定激光器波長被調(diào)回至1520nm；記錄激光器不同功率下的光聲

12、信號，得到圖6所示的光聲信號與激光功率的關(guān)系曲線?？梢?，當(dāng)激光器輸出功率為315mW時，光聲信號隨激光功率以線性規(guī)律變化，用一元線性回歸方法擬合實驗結(jié)果，其擬合優(yōu)度。設(shè)置鎖相放大器的積分時間為1s；調(diào)節(jié)并保持?jǐn)夭ㄆ鞯臄夭l率至光聲池的一階縱向共振頻率1403Hz；將激光器設(shè)為恒功率工作模式，并將其輸出功率設(shè)置為15mW，調(diào)節(jié)激光器的工作溫度，使其輻射波長為1520nm；然后對5種配制的不同濃度乙炔氣體的光聲信號進(jìn)行測量，得到的實驗結(jié)果如圖7所示。顯然，在圖7所示的濃度范圍內(nèi)，光聲信號與乙炔濃度同樣遵循線性關(guān)系，用一元線性回歸方法擬合實驗結(jié)果，其擬合優(yōu)度。光聲信號/mV實驗數(shù)據(jù)擬和曲線實驗數(shù)據(jù)擬

13、和曲線 激光功率/mW 圖6 乙炔光聲信號與激光功率的關(guān)系光聲信號/mV 濃度/(mL/L) 圖7光聲信號與乙炔濃度的關(guān)系2.4乙炔的最低檢測限光聲光譜技術(shù)檢測氣體的最低濃度主要受系統(tǒng)噪聲的限制。光聲檢測系統(tǒng)中的噪聲主要來源于斬波器振動與摩擦及窗口片與池內(nèi)壁的光吸收而引起的相干噪聲、電子檢測系統(tǒng)的電噪聲、氣體分子Brown運動噪聲及環(huán)境噪聲。為測定本文光聲光譜系統(tǒng)的噪聲，實驗時，將光聲池充滿純凈氮氣，其余實驗條件與圖7的實驗條件相同，以10s為間隔，對300s時間段內(nèi)系統(tǒng)的噪聲測量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，以均值和方差表示的噪聲水平是1.8±0.5mV。當(dāng)信噪比SNR=1時，由圖8給出的11

14、0000mL/L范圍內(nèi)不同濃度的乙炔及其光聲信號的線性擬合結(jié)果可知，在系統(tǒng)現(xiàn)有噪聲水平下，裝置對乙炔的最低檢測限約為1.4mL/L。光聲信號/µV1.8 濃度/mL/L 圖8 乙炔濃度的最低檢測限結(jié)論油中溶解氣體的在線監(jiān)測技術(shù)雖已歷經(jīng)四十余年的研究，但由于現(xiàn)場運行環(huán)境的復(fù)雜性，現(xiàn)有技術(shù)仍存在無法滿足現(xiàn)場要求的諸多不足。本文以乙炔為對象，對在油中溶解氣體在線監(jiān)測中具有良好應(yīng)用前景的光聲光譜技術(shù)進(jìn)行了研究。利用構(gòu)建的光聲光譜裝置，對分布反饋半導(dǎo)體激光器的輻射特性研究的結(jié)果表明激光器的輻射波長隨工作溫度或注入電流的升高以近似線性升高；光聲信號與激光功率和氣體濃度的實驗結(jié)果表明，在低氣體濃度

15、、低激光功率下，光聲信號與激光功率、氣體濃度遵循線性變化規(guī)律；激光功率為15mW時，該裝置對乙炔的最低檢測限為1.4mL/L。參考文獻(xiàn)1 孫才新. 輸變電設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)現(xiàn)狀和前景J. 中國電力, 2005, 38(2): 17.2 Frans J. M. Harren, Gina Cotti, Jos Oomens, and Sacco te Lintel Hekkert. Photoacoustic spectroscopy in trace gas monitoring. In Encyclopedia of Analytical ChemistryM. John Wile

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