用于变压器油中气体检测的光声光谱技术.PDF
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用于变压器油中气体检测的光声光谱技术
云玉新1,2,刘民1
(1. 山东电力研究院,济南 250002;
2.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室,重庆 400030)
摘 要:光声光谱技术作为一种新型的气体检测技术,将其用于油中溶解气体的在线监测能够克服
色谱柱、气敏传感器等传统在线监测技术的取样复杂、交叉敏感等诸多不足,具有良好的应用前景。
该文基于光声光谱技术的基本原理,针对变压器早期故障诊断中最受关注的乙炔气体,利用分布反
馈半导体激光器构建了一种便携式、可调谐的光声光谱气体检测装置,对乙炔气体的光声光谱检测
方法进行了研究。实验结果表明,在低气体浓度、低激光功率条件下,光声信号与气体浓度、激光
功率间具有良好的线性关系,该装置对乙炔的最低浓度检测限约为1.4µL/L 。
关键词:光声光谱;气体检测;乙炔
引言
近年来,随着电力系统的不断发展及人民生活对供电可靠性要求的日益增高,电气设备的维修
方式正从定期维修逐步向状态维修过渡。油中溶解气体的在线监测及建立在此基础上的故障诊断技
术能够为变压器类电气设备的状态维修提供重要的数据支持和理论判据,因而成为该类设备实现状
态维修的一项必不可少的关键技术[1] 。为了实现油中溶解气体的在线监测,人们已提出了多种方法
如气相色谱法、气敏传感器法、傅里叶红外光谱法等。但在长期使用中,这些方法存在取样复杂、
交叉敏感、长期稳定性差、检测气体组分不够齐全等缺点。当前,一种新型的气体传感技术——光
声光谱技术由于具有灵敏度高、选择性好、检测范围宽等优点,而成为微量气体检测领域的研究热
点[2] 。
在国家标准GB/T 7252-2001[3]认定的甲烷等故障特征气体中,乙炔往往伴随变压器内部放电性
故障的出现而产生,是受到格外关注的一种气体。本文基于光声光谱技术的基本原理,利用分布反
馈半导体激光器构建一种便携式、可调谐的光声光谱气体检测装置,对乙炔的光声光谱检测方法进
行了研究。
1. 实验装置
1.1 概述
光声光谱技术是基于光声效应,通过直接测量物质因吸收光能而产生的热能的一种光谱量热技
术[4] 。在气体的光声效应中,气体分子吸收经过调制的特定波长红外辐射而被激发到高能态,由于
高能态极不稳定,分子随即以无辐射跃迁形式将吸收的光能变为热能而回到基态;由于光能是周期
调制的,这使得密闭于气池中的气体分子的热能也呈周期性变化,宏观上表现为压力的变化,即产
生声波。由于声波的频率与光源调制频率相同,而其强度则与吸收气体的浓度有关,因此,建立气
体浓度与声波强度的定量关系,就可以准确检测出气池中各气体的浓度。据此原理,本文构建的用
于检测乙炔气体的光声光谱检测装置如图 1 所示。激光器发出能被乙炔分子吸收的特定波长红外辐
射,经斩波器SR540 调制成一定频率的断续光束后,沿光声池的纵向轴线射入其中,此时,气体受
到周期光束的激励而产生光声效应;由微音器 EK3024 检测到的正弦波信号与斩波器输出的方波信
号分别作为待检信号和参考信号送入锁相放大器SR830,经互相关检测,提取出光声信号的强度值,
送入计算机进行后续处理。在图 1 所示的装置中,红外光源的选择与光声池的设计是构建气体光声
光谱检测装置的关键。
激光器 光声池
斩波器
微音器
温度 电流 驱动 参考信号 光声信号
激光 计算机 锁相
控制器 放大器
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