哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
变压器绝缘油以链烷烃(CnH2n+2)为主要化学成分, 在变压器长期运行过程中因电弧、 放电、 过热、 受潮等原因导致化学键逐步发生断裂, 产生与故障有关的故障判别气体(CH4, C2H2, C2H4, C2H6, CO和CO2), 因此变压器绝缘油中会溶解多组分气体, 故需要一种多组分气体的在线检测装置, 以保证变压器的正常运行。 针对电力行业装配需求, 研制基于可调谐激光吸收光谱法(TDLAS)多组分气体的在线检测装置。 针对6种故障特征气体的近红外吸收波段, 分别选取1 580, 1 654, 1 626和1 530 nm四个近红外激光器, 使用分时扫描的时分多路技术, 实现对多组分气体的分时快速顺序检测并采用波长调制技术, 消除背景气体的交叉干扰。 主要检测气体为绝缘油化学键断裂所产生的烃类化合物(CH4, C2H2, C2H4和C2H6)和碳氧化合物(CO和CO2)。 在线检测, 与变压器油气象色谱测量方法进行对比实验, 并对其进行工况稳定性测试。 实验结果表明: 乙炔浓度测量范围为0.5~1 000 μL·L-1, 范围小于5 μL·L-1时最大测量误差小于0.8, 5~1 000 μL·L-1时最大误差在6 μL·L-1以下; 甲烷、 乙烷、 乙烯的浓度测量范围为0.5~1 000 μL·L-1, 最大测量误差小于6 μL·L-1; 碳氧化合物(CO和CO2)测量范围分别为25~5 000, 25~15 000 μL·L-1, 最大测量误差分别在2与20 μL·L-1以下。 所设计的近红外TDLAS多组分气体检测装置能够用于变压器油中溶解气体的在线检测, 测量的气体浓度满足在线检测要求, 能够稳定运行且适应恶劣工况条件, 为检测变压器油中溶解气体在线测量提供了有效的实践经验。
近红外光谱 故障气体检测 多组分气体检测 TDLAS Near infrared spectroscopy Fault gases detection Multi-component gas detection TDLAS 光谱学与光谱分析
2021, 41(12): 3712
光子学报
2021, 50(11): 1130001
1 中国电力科学研究院 高电压研究所，北京0092
2 大连理工大学 光电工程与仪器科学学院，辽宁大连11604
设计了一套基于红外热辐射光源的光声光谱多组分气体分析仪。通过分析多组分气体间交叉干扰的主要因素以及特征气体的红外吸收谱线，确定了中红外带通滤光片的参数。利用标准气体对设计的光声光谱仪进行标定，研究了待测气体之间交叉干扰的定量关系，并利用湿度发生器对装置受到水气干扰情况进行分析。实验结果表明，C2H2对CH4、CH4对C2H6的干扰水平分别达到10.49 μV/（μL/L）、18.66 μV/（μL/L），其他烃类气体间的干扰可以忽略。CO2对CO、CH4、C2H2和C2H4干扰响应度分别为1.615 μV/（μL/L）、0.055 μV/（μL/L）、0.130 μV/（μL/L）以及0.016 μV/（μL/L）。此外，水气对C2H2、CH4、C2H6、C2H4、CO和CO2都会产生一定的干扰，干扰的响应度分别为0.591 μV/（μL/L）、0.421 μV/（μL/L）、0.071 μV/（μL/L）、0.007 μV/（μL/L）、0.051 μV/（μL/L）和0.055 μV/（μL/L）。实验结果表明C2H2对CH4、CH4对C2H6、CO2对CO以及高浓度水气对其他气体的检测会产生较高水平的干扰，在测量过程中应当考虑扣除。
光声光谱 多组分气体检测 红外光谱 交叉干扰 测量误差 Photoacoustic spectroscopy Multi-gas detection Infrared spectroscopy Cross interference Measurement error
1 西安电子科技大学物理与光电工程学院, 陕西 西安 710071
2 Center for Advanced Diffusion-Wave and Photoacosutic Technologies (CADIPT), Department of Mechanical and Industrial Engineering, University of Toronto, Toronto M5S 3G8, Canada
3 光电集团河南平原光电有限公司, 河南 焦作 454100
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380 μL·L-1 CO2∶1 000 μL·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12.6 μW时, CO2气体的检测精度为4 μL·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30 μW时, C2H2气体在的检测精度为5 μL·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。
多组分气体检测 T型光声池 宽波段光声光谱 痕量气体探测 Multi-component gas detection T-resonator Broadband photoacoustic spectroscopy Trace gas analysis
1 华北理工大学 电气工程学院, 河北 唐山 063009
2 唐山赛福特智能控制股份有限公司, 河北 唐山 063009
通过LabVIEW软件设计一个基于TDLAS谐波检测含尘气体浓度的虚拟系统, 模拟测量在常温常压并含有已知粉尘颗粒的环境中SO2、NO2和NO 3种气体的浓度, 且使气体成分测量的结果不受粉尘因素的干扰。设计中使用2 516.2, 2 911.66, 3 752.44 cm-1的3种中红外激光分别对SO2、NO2和NO气体进行检测, 根据锁相放大原理设计虚拟多通道锁相放大器分析检测到的二次谐波信号, 根据谐波信号对各气体的浓度进行定标测量, 最后进行数据校正来排除粉尘颗粒的干扰, 使气体的定标测量得到一个稳定的结果。
系统模拟 激光理论 红外光谱 吸收光谱 含尘多组分气体检测 system simulation laser theory infrared spectroscopy absorption spectrum dust containing gases detection
山东大学 控制科学与工程学院, 山东 济南 250061
应用超窄线宽半导体激光器的波长扫描和光谱调制技术, 设计了一种高精度多组分气体实时在线检测系统。系统采用单一超窄线宽可调谐半导体激光器作为光源, 设计了新型串联式气室结构减小横向空间、增加光程长, 并通过三角波信号对光源光谱进行调制; 结合时分复用和空分复用技术, 利用超窄线宽激光的特性实现了CO, CO2, CH4多组分气体浓度的同时多点检测。实验结果表明, 对CO, CO2, CH4多组分气体浓度测量的线性相关度为0.99, 最大相对误差<2%; 逐次充入一定体积CH4, CO2, CO气体, 动态响应时间均小于10 s。长时间稳定性实验显示, 多组分气体浓度最大波动<0.02%。该系统精确度高、稳定性好, 具有较好的动态响应特性, 可用于电力变压器故障气体的实时在线监测。
激光光学 多组分气体检测 波长扫描技术 超窄线宽激光器 谐波检测 串联气室 laser optics multi-component gas detection wavelength scanning technique ultra-narrow-linewidth laser harmonic detection series gas cell
