Page 57 - 电力与能源2021年第六期

方 祺, 等: 电力变压器油多组分气体检测及交叉干扰特性研究 6 5
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此外, 大多数物理 / 化学技术都依赖于外部载体气 射过程。激光输出和气体浓度的量化表达式由式
体。随着相关技术的发展, 固体氧化物燃料电池 ( 1 ) 给出。
[ 23 ]
传感器 [ 11 ] 、 碳纳米管 传 感 器 [ 12 ] 和 纳 米 金 属 氧 化 I ( υ ) =I 0 υ ) · ex p - α ( υ ) · c · L ] ( 1 )
~
~
~
[
(
物半导体传感器 [ 13 ] 已被提出和研究, 部分探测器 式中 υ ———波数, 它表示在光传播方向上每单
~
的性能得以提升。但存在易老化、 易饱和、 电磁兼 位长度( 1cm ) 的光波数; I 0 υ ) 和I ( υ )———激光
~
~
(
容性、 杂质污染等问题, 需要在今后的研究中加以 束穿过介质后的初始强度和传输强度; c ———吸收
考虑。 气体的数量密度或平均浓度; L ———激光束在吸
光声光谱技术以测量和抗电磁干扰的优势进 收介质中的穿越距离; α ( υ )———待测气体的吸收
~
入在线溶解气体分析技术领域。基于光声原理的 横截面。
光声光谱学器件已开发并应用 [ 14-15 ] 。经验证, 光 指数项可以看作是气体的吸光度系数, 与特
声光谱技术可在不消耗故障气体的条件下进行多 定温度和压力下的谱线强度成线性相关,
组分气体检测 [ 16-17 ] 。光 声 光 谱 技 术 容 易 受 到 许 I ( υ )
~
~
δ=-In ( ) =α ( υ ) · c · L ( 2 )
~
多因素的影响, 如噪声、 入射激光功率和温度, 特 I 0 υ )
(
别是在实际应用中难 以消除和控制大量的噪声 气体介质的管线强度极弱( 10 ~10 ), 因
-7
-5
源, 降低检测灵敏度。已有多位学者相继开展了 此将传输强度计算为
~
~
光声光谱气体检测相关技术的研究。文献[ 18 ] 基 I ( υ ) =I 0 υ ) · ex p - δ ) ≈I 0 1- δ ) ( 3 )
(
(
(
于激光拉曼光谱对变压器溶解气体进行了光学检 探测器接收到的光强信号与大量的背景噪声
测。基于傅里叶变换红外光谱, 文献[ 19 ] 利用算 信号混合, 因此不利于直接测量浓度。激光束与
法增强了测量能力。虽然具备高灵敏度, 但组件 驱动电流成正比, 为了实现所传输信号的谐波调
的复杂脆弱性并不适合实际现场应用。此外, 尝 制, 采用了激光器注入电流的余弦调制,
试用纤维布拉格光栅( FBG ) 检测溶解气体中的氢 Δ I cosωt→ I 0 + Δ I cosωt )( 1- δ ) ( 4 )
(
元素 [ 20 ] , 但由于缺乏相应的传感材料, 它不适用 将α ( υ ) 扩展为傅里叶级数, 得到的表达式:
~
于检测烃类气体。为了解决目前光声光谱技术的 ∞
~
( )
α ( υ ) ~ υ =α ( υ 0 + Δ υcosωt ) = H n υ 0 cosnωt
问题, 提出了可调二极管激光吸收光谱技术来完 υ= 0 ∑
n= 0
成甲烷和乙炔检测 [ 21 ] , 具有实时检测、 信噪比高、 ( 5 )
可靠性高、 无样品、 无损检测等优点。如只有单组 式中 H n ——— n 个谐波调制系数傅里叶分量的
件检测, 很难满足实际需求 [ 14 , 22 ] 。特 别 是, 在 线 阶数, 在 nω 的 频 率 下, 可 以 通 过 锁 定 放 大 器 检
溶解气体分析( On-lineDissolvedGasAnal y sis , 测到。
简称 DGA ) 中, 多组分气体的检测分析信息对于 则, 传输强度:
诊断绝缘油的确切状态至关重要。 ~ ∞
I ( υ ) ~ υ =I ( υ 0 1- c · L ∑ H n υ 0 cosnωt ]
( )
)[
υ=
本文基于可调二极管激光吸收光谱原理, 研 0 n=0
究一种多组分气体( 甲烷、 乙烯、 乙烯、 乙烷) 光学 ( 6 )
检测系统, 分析待测气体之间交叉干扰的定量关 由此可以建立气体浓度与谐波信号之间的关
系并通过理论结合试验验证。 系。对于 高 阶 谐 波 分 量 的 振 幅, 二 次 谐 波 信 号
( 2 f 易于检测和计算 [ 24-25 ] 。信号处理情况如图 1
)
1 可调二极管激光吸收光谱检测原理
所示。
1.1 可调二极管激光吸收光谱技术 当光道中没有吸收待测气体时, 光电探测器
不同于直接吸收光谱的方法, 可调二极管激 ( PD ) 输出与可调激光光源的调制强度成正比, 如
光吸收光谱技术通过可调谐扫描二极管激光源测 图1 ( a ) 和( b ) 所示。一旦存在目标待测气体, 在
量高分辨率目标光谱区域。由于不同气体的振转 PD 检测周期中会出现吸收区域, 而吸收信号很

吸收线位于特定的光谱带上, 根据 Beer-Lamert 容易通过锁定放大器获得, 如图 1 ( c ) 和( d ) 所示。
吸收定律, 入射 / 发射强度的变化与激光束的路径 由于激光器的输出强度随注入调制电流的变化而
和特定波长内气体的浓度有关, 忽略了散射和反 变化, 图 1 ( e ) 中的 2 f 谐波信号实际上在中心位