多组分变压器油溶解气体的傅里叶变换红外光声光谱定量检测

油中溶解气体是表征充油型变压器早期故障的重要特征量之一,其组分和含量的高精度检测在变压器运行状态评估和故障预警中拥有重要的研究意义。光声痕量气体检测技术作为一种光学检测手段,具有无损、高检测灵敏度、大动态范围和样品无需前处理等优点,有望实现多种变压器油溶解气体的在线检测。基于傅里叶变换红外光谱仪,结合高精度T型共振光声池,建立傅里叶变换红外光声光谱检测系统,选用CO2和C2H2作为气体样品,开展多种变压油中溶解气体定量检测研究。所设计的T型共振光声池主要由相互垂直的吸收腔和共振腔构成,声探测器位于共振腔顶端远离入射光路,避免了杂散光引起的噪声对光声信号的干扰。光声池的共振频率主要由共振腔决定,共振腔与入射光路垂直,其长度不受水平面的狭窄空间的影响,故可在有限的尺寸下实现低频共振,满足光谱仪样品空间需求。实验选用380μL·L^-1 CO2∶1 000μL·L^-1 C2H2∶N2的混合气体作为待测样品,应用光谱仪中的宽谱光源,选用6 cm^-1空间分辨率,采集并分析该气体样品的红外光声谱。所有气体吸收峰清晰可见,说明该方法可完成多种气体的同时检测。在常温常压条件下, 2 349 cm^-1入射光能量仅为12.6μW时, CO2气体的检测精度为4μL·L^-1,满足国家电网公司企业标准(Q/GDW 536-2010)变压器油中溶解气体在线监测装置技术规范中在线监测装置技术指标对CO2气体最低监测极限值的要求;1 360 cm^-1入射光能量为30μW时, C2H2气体在的检测精度为5μL·L^-1,达到中华人民共和国电力行业标准变压器油中溶解气体分析和判断导则(DL/T 722-2014)中对运行中220 kV及以下的变压器和电抗器设备油中溶解气体含量C2H2含量上限的限定。实验结果表明基于T增强型光声池气体检测系统结合了傅里叶红外光谱的广谱特性和光声气体检测技术的高灵敏度,可实现多种变压器油中溶解气体的高精度定量检测,有望为变压器运行状态监测和故障类型分析评估提供理论依据。     

干涉型全光学光声光谱气体传感技术研究进展

光声光谱技术作为一种超高灵敏度的气体检测技术,声波传感器作为核心部件直接影响着系统的体积和检测极限。传统光声光谱技术使用电容式麦克风作为声波探测单元,但该器件的电学特性易受到高温环境和电磁干扰影响。在全光学光声光谱系统中,利用光学声波传感器对光声信号进行探测,避免了电子探测元件的使用,具有环境适应性强、灵敏度高等优点,且系统中全光学的设计可以极大地减小光声传感单元的体积。综述了基于干涉型光学声波传感器的全光学光声光谱气体传感技术的研究进展,并展望了其未来的发展方向。     

基于多参量的变压器油中特征气体拉曼光谱分析

油中特征气体(H_2, CO, CO_2, CH_4, C_2H_4, C_2H_6, C_2H_2)的快速准确检测是变压器在线监测的重要环节。激光拉曼光谱技术适用于特征气体的检测,能克服传统在线监测的诸多不足。在拉曼光谱图2 900～3 300 cm~(-1)谱段,甲烷(CH_4)和乙烷(C_2H_6)气体特征谱峰聚集,研究此谱段中不同含量比的混合气体样本对变压器油中混合气体定量分析具有重要意义。在单一特征气体拉曼光谱检测的研究基础上,选取预处理后光谱图中特征峰的谱峰高度、半高宽以及谱峰面积多个参量作为特征因素,对变压器油中混合气体进行定量分析。以二阶微扰理论分析计算得出,甲烷拉曼光谱中存在四个特征谱峰,选取的谱段中包含以3 111与3 284 cm~(-1)为拉曼频移中心的两峰,乙烷拉曼光谱中存在六个特征谱峰,选取谱段中存在3 111与3 187 cm~(-1)两峰,理论上通过谱段中携带的特征谱峰信息能够计算两种气体含量;通过拉曼光谱平台检测,混合气体光谱图特征谱峰会产生平移以及聚合,对光谱图中寻峰得到的中心频移为2 902, 2 918, 2 956和3 022 cm~(-1)的四个混合峰建立高斯函数模型,得到特征谱峰的谱峰高度、半高宽以及谱峰面积;建立偏最小二乘回归模型,以谱峰高度、半高宽、谱峰面积为自变量,两种气体含量为因变量计算分析。模型潜在因子取到t_6时,调整后的R~2为0.993,表明自变量与因变量具有确切关系,回归模型可靠。对回归方程参数分析发现,谱峰半高宽相比谱峰面积以及谱峰高度有显著贡献,符合预期目标,混合气体光谱图中四个特征谱峰对两种气体均有影响。通过实验可总结得出,针对甲烷乙烷混合气体,在室温25℃,积分时间15 s,积分次数2,狭缝100μm条件下,通过获取谱峰高度、谱峰面积以及半高宽三个参量,能够准确测量气体含量,为变压器油中多种特征气体的同时检测奠定了基础。     

光声光谱多组分气体检测技术研究进展

光声光谱气体检测技术是利用光声效应实现痕量气体检测的一项重要技术,具有高灵敏度、高选择性、零背景信号、可实时在线监测等优点,在环境监测、采矿冶金、能源电力、医疗卫生等领域发挥着至关重要的作用。考虑到气体检测应用环境的复杂性,实际的检测环境往往是多种组分气体同时存在且需要监测每种组分气体的含量,此时对多组分气体进行同时检测的技术就显得尤为重要。首先介绍了光声光谱气体检测技术的基本原理和特点,主要从光源和光声池的角度阐述了以光学复用方法为核心的光声光谱技术在多组分气体检测中的应用,并分析了石英增强光声光谱技术的特点及其在多组分气体检测中的应用,最后对光声光谱多组分气体检测技术的发展趋势进行了总结与展望。     

共振光声光谱系统中椭球形光声池的理论分析

实时在线气体检测在石油化工、现代工业、环境、医学诊断、智能电网中变压器在线监测等领域具有非常重要的意义。光声光谱气体检测技术是一种基于光声效应的气体检测技术,由于其具有检测灵敏度高、选择性强、分辨率高、检测范围宽、可实时在线监测等优点,已被广泛用于痕量气体检测。在光声光谱系统中,光声池是最重要的组成部分,其性能的好坏对于系统检测灵敏度和分辨率有着直接的影响。近些年来,光声光谱气体检测系统主要采用标准圆柱形共振光声池,系统的检测灵敏度和分辨率主要由微音器决定。为了进一步提高光声光谱法对于痕量气体检测的灵敏度和分辨率,对光声池进行深入研究分析,提出一种高灵敏度的椭球形共振光声池。结合气体热动力学和声学理论,利用COMSOL软件中的热声学模块分别对椭球形光声池和传统的圆柱形光声池进行了有限元方法分析,建立了其声学特征模型,并且对光声池的共振频率,光声池谐振腔内的声压分布情况以及声压级大小等声学特性进行了仿真研究。模拟了椭球形光声池的共振频率和声压信号大小与光声池谐振腔长度和中心半径之间的关系,从而优化了光声池的尺寸结构,选取了长度为100 mm,中心半径为5 mm的椭球形光声池最优结构,与相同外部尺寸下的传统圆柱形光声池进行了对比分析。结果表明,椭球形光声池的共振频率为1 340 Hz,处于共振状态时产生的声压信号达到了5.01×10~(-5) Pa,声压级为11 dB,品质因数为70;圆柱形光声池共振频率为1 650 Hz,共振状态下产生的声压信号大小为5.7×10~(-6)Pa,声压级为-13.9 dB,品质因数为66。对比可知,椭球形光声池的共振频率明显小于圆柱形光声池,且最大声压信号是同尺寸圆柱形共振光声池的8.78倍,声压级提高了24.9 dB。由此可知,设计的椭球形共振光声池体积小,声压信号大,检测灵敏度高,光声池的性能有了明显提升,对于光声光谱法用于微痕量气体检测的灵敏度提高有着重要意义。     

基于腔增强激光光谱的水中溶解甲烷传感系统

为探测水中甲烷气体浓度,研制了一种基于离轴积分腔输出光谱的水中溶解甲烷传感系统。系统由分布式反馈激光器(中心波长为1 653 nm)、激光器温度控制模块、激光器电流驱动模块、谐振腔/气室、光电探测器、数据采集模块、数据处理模块和气液分离模块构成。利用配备的甲烷气体样品和纯氮气(N2),分别开展系统有效光程标定、直接吸收光谱信号的标定和稳定性测试等实验。使用浓度为10×10-6的甲烷气体样品标定了系统有效光程,约为1 906 m。将纯氮气作为目标气体,测量系统的稳定性。Allan方差分析结果表明,当积分时间为2 s时,系统检测灵敏度为92.8×10-9,当积分时间增加到134 s,系统的灵敏度可提高到13.2×10-9。利用该系统开展自来水、雨水和湖水样品中溶解甲烷的浓度检测实验,结果证实了该技术及系统的工程实用价值。该研究及相关结果为水质检测和天然气水合物等清洁能源的勘探开发奠定了良好的基础。     

惰性气体对HFCVD沉积金刚石气相基团的影响

发射光谱法是对等离子进行在线诊断的常用方法。在丙酮/H_2、丙酮/H_2/He和丙酮/H_2/Ar三种体系中,对热丝化学气相沉积金刚石薄膜过程中的等离子体进行了在线测量。研究了不同体积分数的惰性气体对等离子体中各活性基团强度的影响,以及CH,Hβ与C_2的相对强度的比值、电子温度的大小随惰性气体体积分数的变化关系。结果表明,各基团的强度随着惰性气体体积分数的增加呈现上升趋势,且加入同体积分数的氩气比加入氦气的影响更大;CH,Hβ与C_2的相对强度比值、电子温度随着惰性气体体积分数的增加而呈现下降趋势,且在丙酮/H_2/Ar体系中要比丙酮/H_2/He体系中小。     

全光型石英增强光声光谱

设计并演示了一种全光型石英增强光声光谱技术, 该技术在传统的石英增强光声光谱系统中增加了另一束探测光束, 把与气体浓度成正比的石英晶振振臂的振动幅值转化为探测光束的强度变化, 实现了探测气体处无电子元件的全光学系统. 如此的设计使该系统具有较强的抗电磁干扰能力和非常小的传感头体积, 能够用于探测空间受限或探测环境恶劣的情况下, 并实现远距离探测. 在这种配置下, 探测大气压下的水汽, 获得的噪声等效吸收系数为1.13×10^-6 cm^-1W/√Hz. 进一步讨论了优化系统和提升其探测灵敏度的途径. 关键词： 石英增强光声光谱 音叉式石英晶振 气体传感     

光反馈腔增强吸收光谱技术的痕量乙烷检测研究

乙烷是电力变压器油中溶解的主要故障特征气体之一,其高精度、高灵敏度检测是进行油中溶解气体分析的关键。基于光反馈原理及腔增强吸收光谱技术,结合量子级联激光器,建立了一套变压器油中溶解乙烷气体检测系统。基于腔内单腔模对称理论,通过LabVIEW编程来实现反馈光与腔谐振的相位匹配。研究并实现了光学反馈效应(激光将在延迟一定的时间后,返回激光腔并锁定腔模式共振频率)、偶数和奇数模式效应(交替出现强度较大和较小的腔模式)、激光器阈值电流降低效应(约1.2mA)。利用腔衰荡光谱检测技术测得的系统有效反射率、腔品质因素分别为99.978%和7138.4,系统光谱分辨率达到0.005 2cm-1。标准大气压、温度20℃下,1s的积分时间内,对乙烷PQ3吸收线进行检测,系统检测准确率及检测极限分别达到95.72%±0.17%和(1.97±0.06)×10-3μL·L-1,满足了变压器油中溶解乙烷气体检测的需要。     

基于光纤声波传感的超高灵敏度光声光谱微量气体检测

结合光纤声波传感技术、纵向共振式光声探测技术、波长调制技术和二次谐波检测技术,提出了一种基于光纤法布里-珀罗干涉传感器的悬臂梁增强型光声信号检测方法。针对光纤耦合近红外激发光的特点,对共振式光声池进行了优化设计,搭建了一套超高灵敏度的激光光声光谱微量乙炔气体检测系统。实验结果表明,当测量时间为60s时,该系统对乙炔气体的检测极限达到8×10~(-10)。     

变压器油溶解气体的FTIR定量分析

针对色谱进行变压器溶解气体在线监测需要载气、定期标定、安全性低等缺陷,试图建立一种傅里叶变换红外光谱法的油溶解气体在线分析系统。考虑特征气体量小、成分多、检测限及安全要求高,根据特征气体的吸收光谱特征与分析要求,利用分段比基线校正、改进TR正则化特征变量提取算法,建立稀疏偏最小二乘的定量分析模型。以CH₄,C₂H₆,C₃H₆和CO₂等特征气体为例,给出了分析的测试结果。结果表明,在光谱波数分辨率为1 cm-1,光程为10 cm情况下,可以满足变压器绝缘油溶解气体分析要求。     

光声光谱气体传感技术研究进展

光声光谱是通过光声效应把样品吸收光谱转换成声波探测,实现样品成分、浓度分析检测的一种光谱传感技术,是光谱学的一个重要分支。光声光谱除了具有吸收光谱的高选择性、高灵敏度外,还具有信号只跟样品光吸收有关,不受散射光影响,零背景, 信号与光功率成正比以及信号探测器不受光波长影响等诸多优点。在环境监测、工业过程控制与检测、医学诊断和国防危化品检测等领域得到了越来越多的应用,呈现出快速发展的趋势。除了传统的共振光声光谱技术,近年来先后出现了悬臂增强型光声光谱、石英音叉谐振增强型光声光谱、多通道光声光谱等各具特色的新技术。对光声光谱气体传感技术的研究进展进行了介绍,并分析了其应用前景和未来发展趋势。     

面向SF_6气体绝缘设备故障检测的光声CO气体传感器设计和优化

针对电力系统对六氟化硫电气绝缘设备中气体衍生物的在线高精度探测需要,提出了差分双通道结构的光声池作为光声探测模块,并使用中心波长为2.3μm的分布式反馈(distributed feedback laser, DFB)激光器作为激励光源,搭建了一款工作在高浓度六氟化硫背景气体中的一氧化碳气体传感器.通过光声共振理论模拟和设计,在纯六氟化硫气体中光声池的品质因子为84,相对于在氮气载气中的品质因子提高了约4倍.经实验验证,差分结构光声池的最大气体流速较单共振腔光声池提高了6倍,且具有较强的噪声免疫能力.在对传感器系统的共振频率、气流速度和工作压强等参数优化后,在1 s的积分时间下,获得一氧化碳气体的探测灵敏度为体积分数1.18×10~(–6),对应的归一化噪声等效浓度(1σ)为3.68×10~(–8) cm~(–1)·W·Hz~(–1/2).该传感器的灵敏度高,选择性好且噪声免疫能力强,可以为电力系统中潜在性绝缘故障诊断提供一种在线探测技术,具有重要的应用前景.     

棱镜气室在光纤甲烷检测系统中的应用研究

棱镜气室相较于传统渐变折射率透镜(GRIN)气室在灵敏度调节性及抑制干涉噪声方面优势明显。基于比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律在气体弱吸收时的近似表述,以大气环境为背景,利用背景扣除和谐波检测技术,实现了常压下甲烷不同体积分数水平(0~20%)的检测。依据实测的甲烷在不同体积分数时的直接吸收谱,结合现有分布反馈式激光二极管(DFB-LD)光源选择2ν3带的R5支(1648.212 nm)作为被测吸收峰。气体配置过程中的在线实验表明系统示值与体积分数变化间线性关系良好,而且系统的稳定性和动态响应特性理想。该系统可根据不同现场环境的甲烷体积分数水平,通过步进电机调节气室内有效吸收光程,动态调整系统灵敏度,可作为煤矿巷道或天然气管道沿线的瓦斯监测仪器。     

基于光纤光声传感的多组分痕量气体检测技术

为进一步提升多组分痕量气体检测灵敏度,设计了一套光纤光声传感系统。系统主要集成了2个近红外DFB激光器、近红外宽带光源、高速光谱模块、现场可编程逻辑门阵列信号采集与处理电路,具有激光调制控制、光声信号解调和数字锁相放大等功能。利用声学共振腔和干涉型光纤声波传感器对光声信号进行激发增强和探测增强,实现了乙炔和甲烷气体的高灵敏度检测。光纤声波传感器中以微机电系统悬臂梁作为声学敏感元件,设计了光纤法布里-珀罗干涉结构,将悬臂梁偏转位移转换为F-P腔长的变化。采用高分辨率光谱解调技术,实现了基于光纤F-P传感器的超高灵敏度光声信号检测。系统对乙炔和甲烷的检测极限分别达到2×10^-9和3×10^-9,归一化噪声等效吸收系数为8×10^-10cm^-1W Hz^-1/2。     

基于椭圆腔共振的石英增强光声光谱理论研究

石英增强光声光谱技术作为一种新型的光学检测技术,已被广泛应用于痕量气体检测场合.其中声波共振增强性能是决定检测灵敏度的重要因素.为提高光声光谱检测系统的信噪比和检测极限,提出一种新型的椭圆腔共振石英增强光声光谱检测方法,建立了其声学特征模型并利用有限元分析方法对光声腔内部声学特性进行仿真研究.研究结果表明,椭圆腔的特征模态在(2,1)模态下长轴两端声压达到最大值.通过对椭圆腔的尺寸和形状进行优化,建立实验装置,得到目标气体硫化氢检测极限为6.3 ppm(parts per million),相应的归一化噪声等效吸收系数为2.02×10~(-9)cm~(-1)W/Hz~(1/2).     

变压器油中溶解气体拉曼光谱检测及其光谱线型模型分析

拉曼光谱气体检测技术能利用单一波长的激光对气体样品进行无接触、无损耗检测,适用于油浸式变压器油中溶解气体检测。结合拉曼光谱检测机理,分析了拉曼光谱谱线特征,建立了由洛仑兹函数与高斯函数卷积表示的拉曼光谱Voigt线型模型,其表现出较好的拉曼谱峰线型轮廓基本特征。以谱峰高、中心位置、半峰全宽等为代表的拉曼谱峰线型轮廓基本特征是寻峰的主要目标,其根本目的在获取样本定性及定量检测分析依据。故针对拉曼光谱实验数据设计了基于比较法的自动寻峰模型以实现检测目标。对引入到Voigt线型模型中的寻峰模型进行的模拟实验结果表明,模拟中谱峰高、中心位置等数据均与模型输出数据相吻合。依托实验室构建的变压器油中溶解气体拉曼光谱检测平台,分析检测实验数据表明,Voigt线型模型中半峰全宽参数实际取值区间为(8.7,11.5)(cm-1),模型与其存在偏差。修正该参数取值为10.257 cm-1,并对比研究表明：修正后的Voigt线型模型及寻峰模型具有更好的适应性及实用性。结合实验平台的拉曼光谱气体检测数据的寻峰结果,有效地完成了七种变压器故障特征气体的检测及分析。针对甲烷气体,获得单位气体含量、拉曼特征峰强度与面积三者之间的线性关系,为变压器油中溶解气体拉曼光谱检测定量分析奠定基础。     

基于光声光谱技术的NO,NO2气体分析仪研究

NO, NO₂是大气污染源中的常见气体, 对环境具有严重的危害性. 为检测污染源中这两种气体的浓度, 构建了成本较低的基于红外热辐射光源的光声光谱气体检测系统. 分析计算得到了NO, NO₂ 在2500–6667 nm波段吸收谱线. 通过建立光声传输线RLC振荡电路模型和仿真得到品质因数、声压大小与谐振腔长、内腔半径以及调制频率的关系, 据此设计了光声池几何结构. 实验表明该系统所测得的光声信号与气体浓度有很好的线性关系, 并且对NO, NO₂气体极限检测灵敏度分别达到4.01 和1.07 μL. 通过调节激光发射波长和选取滤波片, 该系统还可用于其他微量气体的浓度检测. 关键词： 大气污染 光声光谱 气体检测     

一种基于双气室切换分时扫描的新型气体吸收光谱补偿方法

针对变压器油中溶解气体傅里叶红外光谱在线分析应用中,气室与光谱仪之间气隙中气体的带来的干扰,以及基线漂移与畸变问题,提出一种基于双气室切换分时扫描的新型气体吸收光谱补偿方法。在传统单气室测量的基础上,增加一个与测量气室的结构、尺寸等参数基本相同的背景气室,背景气室充满氮气,而测量气室通入待测样气,通过工控机实现双气室的切换控制。但是,采用常规的吸光度计算公式处理的光谱在波数1 100～1 200 cm-1范围存在不明吸收峰,且存在严重的基线漂移现象,说明该计算方法已不适用于双气室切换。因此,为了消除双气室间参数无法一致的不利影响,特别是窗片的滤光特性的差异,提出了一种适用于双气室的新型气体吸收吸光度光谱计算方法;实验发现漂移量由近0.3降为0.005左右,证明其可以消除不明吸收峰和基线漂移。最后,于陕西某变电站的变压器中,取得油样,经脱气处理后,获得相应的气体样本,分别采用常规单气室扫描方法（组别1）,提出的双气室补偿方法（组别2）,以及气相色谱法（组别3）进行实验。结果表明,组别1的甲烷的浓度分析结果总是大于组别2。同时,组别1的二氧化碳浓度总是大于组别2的二氧化碳浓度,而造成这样分析结果的明显差异极可能是由于光谱仪与气室间气隙中空气的影响;且从总体上看,相比于组别1,组别2的分析结果更接近于气相色谱法的分析结果。综上所述,所提出的基于双气室切换分时扫描的新型气体吸收光谱补偿方法可以有效的解决光谱基线漂移与畸变问题,获得较为理想的光谱,在气体分析上可以消除气室与光谱仪的间隙干扰气的影响,获得更为准确地分析结果。     

近红外激光二氧化碳传感系统的研制及应用

采用可调谐激光二极管吸收光谱技术,研制了一种近红外激光二氧化碳(CO_2)传感系统。该系统包含中心波长为1572 nm的分布反馈激光器、密集光斑型气室和铟镓砷探测器,利用LabVIEW程序提取二次谐波信号幅值并反演了CO_2浓度。为了表征传感器性能,利用该系统开展了气体检测实验。结果显示,当调制深度为0.32 cm~(-1)时,二次谐波信号的幅值最大;在体积分数为0～3%范围内,二次谐波信号的幅值与CO_2浓度具有较高的线性度(拟合优度为0.999);当CO_2体积分数为0时,连续测试1 h,反演得到的浓度波动范围为-2×10~(-4)～1.17×10~(-4);当积分时间为297 s时,系统的灵敏度检测下限为2.7×10~(-6);考虑动态配气时气体的扩散时间,系统的响应时间为40～42 s;连续15 h测量室内大气中CO_2浓度,测得的CO_2平均体积分数约为(560±46)×10~(-6)。与已经报道的传感器相比,该气体传感系统呈现出类似的品质因数,可在工农业生产、环境保护等领域得到一定的推广和应用。