Page 60 - 电力与能源2021年第六期

6 6 8 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

味着有 4 个入射光和一个输出光, 因此必须通过 单元包含专用的 Herriott单元、 进气管、 出口管、
光 耦 合 器 或 光 纤 开 关 将 激 光 通 道 依 次 切 换 到 压力 / 温度传感器、 辅助温度控制模块等。数据采
Herriott气室。 集单元主要包括锁定放大器、 前置放大器、 数据采
表 1 专用 Herriott气室的技术参数 集装置 NI-USB-6341 和计算机, 完成谐波信号的
参数 数值 采集、 记录和气体浓度反转。为了提高系统的集
成和稳定性, 调制信号发生器、 控制器、 前置放大
光学距离 / m 10.13
气室体积 / L 0.24
反射次数 34 器和锁式放大器都集成在单个 FPGA 集成板上。
反射器反射率 / % ≥98.5 基准 正 弦 波 ( 1 f 调 制 ) 频 率 设 置 为 31.4
入射角 /( ° ) 2.07
kHz , 以避免低频噪声。因此, 基于 FPGA 的 2 f
耦合孔直径 / mm 3.3
解调的频率为 62.8kHz 。
最大梁直径 / mm 3.0
镜面精度 1 / 10 波长
镜面表面粗糙度 20~10 3 结果和分析
反射镜镀层 黄金( 氧化铪)
3.1 试验装置测试
气室长度 / mm 340.0
用所设计的试验装置对甲烷、 乙炔、 乙烯和乙
在相同的条件下, 比较了两个光学元件的效
烷光谱吸收的测量, 以确定其检测灵敏度。选择
果, 如图 7 所示。选择光纤开关, 因光纤开关具有
化学性能稳定、 无光谱吸收的氮气( N 2 作为平衡
)
更好的信噪比性能。
气体。利用质量流量控制器获得不同浓度的碳氢
化合物气体, 如 50 , 100 , 200 μ L / L 和 500 μ L / L 。
将混合气体分别通入专用的 Herriott气室中。
通常, 吸收光谱的 2 f 信号 ( 以甲烷为例) 如
图 9 所示。

图 7 光耦合器与光开关的比较
基于可调二极管激光吸收光谱的烃类气体检
测系统的配置如图 8 所示。整个系统由光源控制
单元、 激光发射和接收单元、 气体电池和气体路
径、 数据采集单元 4 个部分组成。所述光源控制
单元包括 4 个 FPGA 模块、 4 个热电控制器模块、
图 9 甲烷的典型吸收光谱
4 个分布式反馈激光器和一个光学开关。
由图 9 可见, 出现残余振幅调制现象, 峰峰电
压值反映了吸收强度。
不同浓度的甲烷、 乙炔、 乙烯、 乙烷的峰峰电
压值及其之间的线性关系如图 10 至图 13 所示。
峰峰电压值是传感装置检测到的二次谐波电压的
峰值, 各气体浓度单位为 L / L 。拟合曲线表明,
μ
图 8 变压器油中烃类气体的 TDLAS系统配置 该传感器具有良好的线性度和灵敏度。以甲烷测
光源控制单 元 实 现 光 源 的 调 制 输 出。光 发 量为 例, 甲 烷 浓 度 增 加 100 μ L / L , 电 压 增 加
射 / 接收单元包括光纤准直器和光电探测器, 完成
0.086V 。
光源的准直输出和光强度检测。气室和气体路径 为了研究各种气体的检测性能, 必须考虑噪