CN102507496B - 光谱吸收型光纤传感器检测sf6分解气体的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种光谱吸收型光纤传感器检测SF₆分解气体的装置及方法，属于SF₆气体绝缘电气设备局部放电在线监测技术领域。本发明装置主要包括感应调压器、无电晕实验变压器、无局部放电保护电阻、标准电容分压器、GIS模拟元件、无感电阻、示波器、光谱吸收型光纤传感器等；本发明方法是利用本发明装置，在恒波长下，对GIS模拟元件中局放下SF₆分解气体不同浓度的标气与吸光度的吸收特性进行实验。本发明具有体积小、结构简单、耦合损耗小、便于操作、响应时间快、检测的准确性高、精度高等特点。本发明可广泛用于SF₆气体绝缘电气设备，特别是GIS设备中SF₆局部放电分解气体检测。

Description

光谱吸收型光纤传感器检测SF6分解气体的装置及方法

技术领域

本发明属于SF₆气体绝缘电气设备中局部放电分解气体在线监测技术领域，具体涉及用光谱吸收型光纤传感器检测GIS中局部放电的SF₆分解气体的装置及方法。 

背景技术

SF₆气体绝缘组合电器(GIS)，以SF₆气体作为绝缘介质，具有绝缘强度高、运行稳定、占地面积少和维护工作量小等优点，在大中城市城网建设和改造中得到愈来愈广泛的应用。但是从实际运行情况来看，GIS在使用中都出现诸多问题，其中以绝缘故障为主，绝缘故障最通常的特征是：GIS中的绝缘介质在完全击穿前发生局部放电。在局部放电的作用下，SF₆气体发生分解，SO₂、SOF₂、SO₂F₂均为SF₆分解所产生的主要组分气体。由于SF₆气体中不可避免存在空气和水分等杂质，SOF₂、SO₂F₂等分解产物通过氧化和水解反应之后的最终生成物为SO₂和HF，由于HF属于具有强腐蚀性，会与GIS内部金属发生反应生成稳定物质而引起GIS发生故障。因此，对SF₆分解组分气体的成分及其含量进行监测，对于衡量局部放电总体水平、发展趋势至关重要，甚至可以根据其组分及其含量来推断出缺陷类型和位置，预防故障的发生，对保证电网的安全运行有重要的作用。 

光谱吸收型光纤气体传感器具有体积小、重量轻、耐高压、耐腐蚀、不受电磁干扰、灵敏度高、响应时间快等一系列优点，在许多方面得到广泛应用，并且在气体的在线监测方面具有广阔的应用前景。它利用被测气体的吸收光谱随被测气体分子的化学结构、浓度而产生不同的特征进行检测，从而具有了选择性、鉴别性和气体浓度的唯一确定性等特点。当光源的发射光谱与被测气体的吸收光谱相吻合时，就会发生共振吸收，其吸收强度与该被测气体的浓度有关，通过测量光谱的吸收强度就能测量气体的浓度。光谱吸收型光纤气体传感器的光源，一般选用窄线宽可调谐激光器，激光器输出光功率和波长的稳定性对传感器性能有一定影响；此外，光谱和被测气体相互作用发生在传感器的气室内，因此气室光程长度直接关系到整个光纤气体传感器的体积和检测灵敏度。 

现有检测GIS局部放电下SF₆分解气体的装置和方法，如申请号为201010295554.0“局放下六氟化硫分解组分的红外光声光谱检测装置及方法”专利，公开的装置主要包括感应调压器、无电晕实验变压器、无局部放电保护电阻、标准电容分压器、无感电阻、GIS模拟元件、示波器、红外光声光谱系统等。其红外光声光谱主要由宽谱红外光源、硒化锌透镜、斩波器、斩波器控制器、轮、滤光片、硒化锌窗片、光声池、热电偶、热电偶控制器、压力变送器、微音器、信号电缆、阀门、气管、真空泵、光学支架、锁相放大器及计算机等组成。公开的方法是利用其发明装置，对GIS模拟元件中六氟化硫局部放电分解气体进行红外光声光谱检测。该专利的主要缺点是： 

⑴该装置所采用的光源为宽谱红外光源，由于光谱的范围比较大，所以用滤光片滤出激发出光声信号所需要的特定波长，操作起来比较繁琐，另外还需定做特定的激光片，滤光效果和稳定性程度差。

⑵锁相放大器在检测光声信号过程中需要一个参考信号，因此该专利中装设有斩波器输出一个参考信号，不能保确保斩波器输出参考信号的频率和采样信号的频率趋于一致，也就是不能保证完全发生谐振，产生可供检测的光声信号，从而影响检测的准确性和精度。 

⑶该方法所检测的信号为光声信号，由于该信号比较微弱，尽管该专利中装设有缓冲气室，考虑到外界噪声以及其他因素的干扰，不能很大程度上减小硒化锌窗片吸收红外光产生的噪声对光声信号造成的干扰，存在比较大的检测误差，检测结果的准确性难以保证。 

再如《仪表技术与传感器》2007年第3期中的“基于自聚焦透镜的吸收型光纤气体传感器气室设计”一文，公开的传感器采用DFB激光器、90×55×50（mm）的透射型气室和光电探测器以及后续信号处理电路组成的一套装置。该传感器利用24段外形尺寸Φ15×70（mm）自聚焦透镜气室串联起来组成一个透射型气室，即采用增加气室长度来增加光程的方法提高灵敏度，该传感器的气室的主要缺点是： 

⑴ 各单个小气室并排放置，气室内部相互之间不便于连接和通入通出气体，且充气后各单个小气室状态难保持一致。

⑵该传感器中的信号处理系统采用带通电路、相敏检测器、移相电路、低通电路、矢量运算电路等一系列元器件构成，电路结构冗繁复杂而且各个环节中检测信号都易受到噪声干扰，导致最终结果的准确性差。 

发明内容

本发明的目的是针对现有检测GIS局部放电下SF₆分解气体的装置和方法的不足之处，提供一种光谱吸收型光纤传感器检测SF₆分解气体的装置及方法，具有体积小、结构简单、耦合损耗小、便于操作、响应时间快、检测的准确性高、精度高等特点。 

本发明机理：基于比尔—朗伯定律和气体分子吸收光谱理论，即当一定波长的激光在充有待测气体的气室中传播距离L后，其吸收后的光强为： 

                                                              （1）

其中，L为光谱和气体作用的有效光程，C为待检测气体浓度，

为光通过介质的吸收系数。上式变形整理后可得气体浓度C的表达式：

                                                                                

                                                           （2）

窄线宽可调谐激光器能够很好的发出特定波长的单色光，此单色光进入气室，气体分子由于吸收光子被激发后而发生辐射跃迁，作用后由于气体分子的吸收导致光强发生变化，光电探测器可以准确检测作用前后的光强信号并通过示波器显示出来，由此可以得到光强变化与待检测气体浓度之间的关系。

实现本发明目的的技术方案：一种光谱吸收型光纤传感器检测SF₆分解气体的装置，主要包括感应调压器、无晕实验变压器、无局部放电保护电阻、标准电容分压器、GIS模拟元件、无感电阻、示波器、光谱吸收型光纤传感器。感应调压器的原边通过导线与220V/50Hz市电连接，感应调压器的副边通过导线与无晕实验变压器原边连接，无局部放电保护电阻通过导线与标准电容分压器串联后，再与无晕实验变压器的副边并联，GIS模拟元件通过导线与无感电阻串联后，再与标准电容分压器并联，光谱吸收型传感器的气室通过导管和进气控制阀的导管与GIS模拟元件的采气阀出口的导管相接，示波器的输入端通过电缆线与光谱吸收型光纤传感器的光电探测器的输出端连接，用以检测并显示光强信号的大小。其特征是：所述的光谱吸收型光纤传感器，主要由窄线宽可调谐激光器、气室、光电探测器组成。 

所述的窄线宽可调谐激光器由激光驱动电源和温度控制器组成，市购产品，即美国Arryyo instruments公司生产的4200系列的激光器，用以提供检测待测气体所需要的特定波长。所述的温度控制器通过连接线与激光驱动电源连接，用以控制所述窄线宽可调谐激光器的输出波长。所述的激光驱动电源通过光纤接口和单模光纤与所述气室的第一个光纤准直器的输入端连接，用以调节输出电流的大小来控制窄线宽可调谐激光器光强。 

所述的光电探测器为市购产品，即美国Arryyo instruments公司生产的203/205系列的探测器，检测波长范围为800.00-1700.00nm、响应率为0.9*10⁷/10⁶V/W。。所述的光电探测器的输入端通过光纤接口和单模光纤与所述气室的第五个光纤耦合器的输出端连接，用以将气室内吸收被测的SF₆分解气体激光光强信号传输给光电探测器进行检测，通过示波器检测输出的信号并显示吸收被测的SF₆分解气体激光光强信号的数值。 

所述的气室，主要由外壳、气体流量计、数显压力真空表、进气控制阀、出气控制阀、光纤准直器、光纤耦合器组成。所述的外壳为不锈钢的开口长方形壳体，所述的外壳长度为200-250mm 、宽度为110-140 mm、高度为50-70mm、壁厚4-5mm；在所述外壳的开口处长方形密封圈固接不锈钢密封片，从而使得被测气体与外界环境中干扰气体完全隔离，避免外界气体对检测结果的影响。在所述外壳的内壁表面上涂覆一层聚四氟乙烯材料的涂层，用以不吸收外红线光、不与被测气体成分发生化学反应，避免外界干扰，保证检测的精确度，所述气室的材料为不锈钢，能够承受实验过程中的内、外气压及被测气体的腐蚀性。在所述外壳的一侧面上的一端部设置直径为6-8mm进气孔，所述的GIS模拟元件的采气阀出口的导气管通过所述气室的气体流量计和进气控制阀及导气管与所述的进气孔固接，用以将GIS模拟元件中的局部放电分解气体输送至气室中进行检测。在所述外壳的对应的另一侧面上的另一端部处设置直径为6-8mm的出气孔，真空泵通过出气导管和出气控制阀及数显压力真空表与所述的出气孔固接；用以将气室抽真空。在所述外壳内的底面上，固接一厚度为5-8mm绝缘板，用以装设光纤准直器和光纤耦合器。光纤准直器将窄线宽可调谐激光器出射光转换成平行光，光纤耦合器将平行光转换成光纤的入射光。在所述外壳内底面的绝缘板的一端均匀相间的设置第一光纤准直器、第二光纤耦合器、第三光纤准直器以及第四光纤耦合器、第五光纤准直器，第一光纤准直器的输入端通过光纤接口和单模光纤与所述的窄线宽可调谐激光器的激光驱动电源上激光发射模块连接，第二光纤耦合器和第三光纤准直器、第四光纤耦合器和第五光纤准直器，分别通过自带的尾纤和光纤接口连接。在所述外壳内底面的绝缘板的另一端均匀相间并与对侧绝缘板上的光纤准直器或光纤耦合器相对应地设置第一光纤耦合器、第二光纤准直器、第三光纤耦合器、第四光纤准直器、第五光纤耦合器，第一光纤耦合器和第二光纤准直器以及第三光纤耦合器和第四光纤准直器，分别通过自带的尾纤和光纤接口连接，第五光纤耦合器的输出端通过光纤接口和单模光纤与所述光电探测器的输入端连接，用以检测窄线宽可调谐激光器输出的光强信号。所述的气体流量计和进气控制阀通过导气管与所述的进气孔固接，用以监测在实验过程中实际流入到气室中气体的流量。所述的数显压力真空表通过导气管与现述出气口处的导气管连通，用以检测抽真空时是否达到真空状态、检验气室的密封性能以及检测在通气时气室内部实际气压。 

本发明光谱吸收型光纤传感器的工作过程：由窄线宽可调谐激光器发射出具有一定功率特定波长的激光经过单模光纤并通过光纤接口进入气室内部底面绝缘板一端的第一光纤准直器，将光纤出射的光经准直后变为平行光，经过第一光纤准直器和第一光纤耦合器中间的空隙空间后由第一光纤耦合器耦合到输出光纤中，再由单模光纤传输到气室内部底面绝缘板另一端的第二光纤准直器中，如此激光经过反复传输，最终经过气室内部底面绝缘板另一端出气导管处的第五光纤耦合器耦合到输出光纤并传输到光电探测器中，然后由示波器检测到变化后的光强信号。 

所述的气体流量计为市购产品，瞬时流量分辨率0.001/SLPM，累计流量分辨率0.1/SLPM，使用温度-10-55℃，LCD显示，用以控制进入气室气体的体积分数。 

所述的数显压力真空表为市购产品，检测压力范围为-100-250Kpa，准确度等级0.05，LCD显示，使用温度0-50℃，用以检验气室气密性以及监测实验过程中气室内部实时压力。 

所述的进气控制阀、出气控制阀为市购产品，均为不锈钢材质，耐腐蚀。 

所述的进气导管、出气导管为市购产品，聚四氟乙烯材质，耐压和耐腐蚀性好。 

所述的光纤准直器为市购产品，工作波长1250.00-1650.00nm，用以将光纤内传输的光变成准直光（平行光）。 

所述的光纤耦合器为市购产品，工作波长1250.00-1650.00nm，用以将光纤准直器通过的准直光耦合到单模光纤中。 

所述的单模光纤为市购产品，工作波长1300.00-1550.00nm，用以激光的传输通道。 

一种光谱吸收型光纤传感器检测SF₆分解气体的方法，利用本发明装置，对GIS中局部放电的SF₆分解组分进行检测的具体步骤如下： 

（1）、实验准备

①、检查气室的密封性

先关闭所述装置的进气控制阀，后打开所述装置的出气控制阀，再启动真空泵对所述装置的气室抽真空。并观察所述装置的数显压力真空表读数，抽真空完毕后关闭所述出气控制阀和真空泵，静置1小时，再检查所述气室的密封性良好。

② 、清洗气室 

第⑴-①步完成后，在所述气室的密封性良好的条件下，将所述装置的进气导管的一端与SF₆瓶的出气控制阀连通，打开所述进气控制阀和所述出气控制阀和SF₆气瓶的出气控制阀，通过所述装置的进气导管上的所述气体流量计控制，SF₆气体在0.5L/min－1.5L/min的流速下，对气室进行冲洗10min－15min。然后关闭SF₆气瓶的出气控制阀和所述气室上的所述进气控制阀，最后打开真空泵针阀和真空表针阀，启动真空泵，对所述气室抽真空。当被测气体抽净后，关闭真空泵针阀和真空泵。

③ 、光路调试 

第⑴-②步完成后，在未通入待测气体的前提下，打开所述装置的窄线宽可调谐激光器的激光驱动电源和温度控制器开关、光电探测器和所述装置的示波器，检测光路在所述气室内传输是否畅通：当光路传输良好时所述示波器会显示相应示数；当光路传输不畅通时，所述示波器显示读数偏低，则需打开所述装置的外壳，通过调节所述装置的光纤准直器和光纤耦合器下面的安装支架，来调整所述光纤准直器和所述光纤耦合器的相对位置，直至光路传输畅通且效果良好，所述示波器显示读数正常为止。

⑵、SF ₆ 分解气体检测

第⑴步完成后，选取所述装置的窄线宽可调谐激光器波长分别为与SF₆分解气体的标气(即为SO₂、SOF₂、SO₂F₂、CO₂、CF₄等)对应检测波长范围,关闭所述气室的出气控制阀并打开SF₆气瓶的出气控制阀注入SF₆气体作为载气，直至所述数显压力真空表的读数为1个标准大气压为止，记录此时未注入待检测气体时所述示波器所显示的光强数值即为初始光强数值，移开SF₆气瓶，将配置好的SF₆分解气体不同浓度的标气通过所述气室与所述进气控制阀连接的所述气体流量计控制并注入到所述气室中进行检测，在检测过程中，配置好被测标气的浓度分别为10ppm、20ppm、30ppm、40ppm、50ppm，每注入一个浓度的标气，即通过所述示波器记录一次所述气室内被测气体吸收后的光强读数。从而检测到一系列的被测气体吸收后的光强读数，检测完毕后，关闭所述示波器。通过操作人员将检测的被测气体吸收后一系列光强读数经处理后绘制成在恒波长条件下，SF₆分解气体不同浓度的标气与吸光度的吸收特性曲线，即可完成SF₆分解气体其中一种气体进行检测，此后只需将所述装置的GIS模拟元件的采气阀出口的导气管与所述气室的进气端的所述进气导管连通后，更换不同波长的激光光源，即可实现对SF₆分解气体的检测。

⑶、实验结束

第⑵步完成后，将所述气室的所述进气导管的一端与SF₆气瓶的出气控制阀连通，再打开所述气室的进气控制阀和出气控制阀以及SF₆气瓶的出气控制阀，通过所述进气导管上的所述气体流量计控制SF₆气体的进气流量在SF₆在0.5L/min－1.5L/min的流速下，对气室进行冲洗10min－15min。然后先关闭SF₆瓶的出气控制阀以及所述气室上的所述进气控制阀，打开所述的真空泵针阀和真空表针阀，再启动所述的真空泵，对所述气室抽真空。当被测气体抽净后，关闭所述的真空泵针阀和真空泵。

本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果： 

⑴本发明装置的光源部分采用窄线宽可调谐激光器，能产生使气体分子发生吸收作用的特定波长，对不同气体具有很好的测量选择性， 从而能够克服由于不同气体吸收光谱的重叠造成的系统对不同气体的交叉敏感效应，检测结果有针对性，并且提高了检测精度。

⑵本发明装置中所检测的信号为光信号，有效避免外界其他因素的干扰，检测结果的稳定性和准确性高。 

⑶ 本发明装置中采用将光纤准直器和光纤耦合器并列放置于同一气室内，而不是多段气室分节串联，简化了气室整体结构，便于气室注气操作。 

⑷ 本发明装置中采用光电探测器代替信号处理电路，避免信号处理的噪声干扰，简化信号检测结构，操作方便。 

⑸ 本发明装置中输入输出光纤和透镜固定连接好封装在整个气室内，只有窄线宽可调谐激光器和高精度的光电探测器通过FC/APC接口与气室相接，使得整套装置活动接口较少，耦合性好，有利于减少光路传输损耗，提高了传感器的分辨率和精确度。 

⑹ 本发明装置中窄线宽可调谐激光器可以根据待测气体的特征吸收峰的不同而选择不同波长范围的窄线宽可调谐激光器，因而可以实现对SF₆分解气体的检测。 

本发明可广泛用以科研、教学、研究院所对光谱吸收型光纤气体传感器用以气体检测的分析和应用。 

附图说明

附图1：为本发明装置的整体原理框图 

附图2：为本发明装置的光谱吸收型光纤传感器的原理框图

附图3：为本发明的装置气室的结构示意图

附图4：为本实施例4的恒波长条件下不同浓度SO₂标气与吸光度的吸收特性曲线

图中： 1，感应调压器；2，无晕实验变压器；3，无局部放电保护电阻；4，标准电容分压器；5，GIS模拟元件；6，无感电阻；7，窄线宽可调谐激光器；7-1，激光驱动电源；7-2，温度控制器；7-3，激光发射模块；8，气室；9，光电探测器；10，示波器；11，进气导管；12，气体流量计；13，进气控制阀；14，18，单模光纤； 15，出气导管； 16，出气控制阀；17，数显压力真空表；19，外壳；20、23、24、27、28，光纤准直器；21、22、25、26、29，光纤耦合器。

具体释放方式

下面结合具体实施方式，进一步说明本发明。

实施例1

如图1、2、3所示，一种光谱吸收型光纤传感器检测SF₆分解气体的装置，主要包括感应调压器1、无晕实验变压器2、无局部放电保护电阻3、标准电容分压器4、GIS模拟元件5、无感电阻6、示波器10、光谱吸收型光纤传感器。感应调压器1的原边通过导线与220V/50Hz市电连接，感应调压器1的副边通过导线与无晕实验变压器2原边连接，无局部放电保护电阻3通过导线与标准电容分压器4串联后，再与无晕实验变压器2的副边并联，GIS模拟元件5通过导线与无感电阻6串联后，再与标准电容分压器2并联，光谱吸收型传感器的气室8通过导管和进气控制阀13的导管与GIS模拟元件5的采气阀出口的导管相接，示波器10的输入端通过电缆线与光谱吸收型光纤传感器的光电探测器9的输出端连接，用以检测并显示光强信号的大小。其特征是：所述的光谱吸收型光纤传感器，主要由窄线宽可调谐激光器7、气室8、光电探测器9组成。

所述的窄线宽可调谐激光器7由激光驱动电源7-1和温度控制器7-2组成，市购产品，即美国Arryyo instruments公司生产的4200系列的激光器，用以提供检测待测气体所需要的特定波长。所述的温度控制器7-2通过连接线与激光驱动电源7-1连接，用以控制所述窄线宽可调谐激光器7的输出波长。所述的激光驱动电源7-1通过光纤接口和单模光纤14与所述气室8的第一个光纤准直器20的输入端连接，用以调节输出电流的大小来控制窄线宽可调谐激光器7光强。 

所述的光电探测器9为市购产品，即美国Arryyo instruments公司生产的203/205系列的探测器。所述的光电探测器9的输入端通过光纤接口和单模光纤18与所述气室8的第五个光纤耦合器29的输出端连接，用以将气室8内吸收被测的SF₆分解气体激光光强信号传输给光电探测器9进行检测，通过示波器10检测输出的信号并显示吸收被测的SF₆分解气体激光光强信号的数值。 

所述的气室8，主要由外壳19、气体流量计12、数显压力真空表17、进气控制阀13、出气控制阀16、光纤准直器20、23、24、27、28、光纤耦合器21、22、25、26、29组成。所述的外壳19为不锈钢的开口长方形壳体，所述的外壳19长度为200-250mm 、宽度为110-140 mm、高度为50-70mm、壁厚4-5mm；在所述外壳19的开口处长方形密封圈固接不锈钢密封片，从而使得被测气体与外界环境中干扰气体完全隔离，避免外界气体对检测结果的影响。在所述外壳19的内壁表面上涂覆一层聚四氟乙烯材料的涂层，用以不吸收外红线光、不与被测气体成分发生化学反应，避免外界干扰，保证检测的精确度，所述气室8的材料为不锈钢，能够承受实验过程中的内、外气压及被测气体的腐蚀性。在所述外壳19的一侧面上的一端部设置直径为6-8mm进气孔，所述的GIS模拟元件5的采气阀出口的导气管通过所述气室5的气体流量计11和进气控制阀13及导气管与所述的进气孔固接，用以将GIS模拟元件5中的局部放电分解气体输送至气室8中进行检测。在所述外壳19的对应的另一侧面上的另一端部处设置直径为6-8mm的出气孔，真空泵通过出气导管15和出气控制阀16及数显压力真空表17与所述的出气孔固接；用以将气室8抽真空。在所述外壳19内的底面上，固接一厚度为5-8mm绝缘板，用以装设光纤准直器20、23、24、27、28和光纤耦合器21、22、25、26、29。光纤准直器20、23、24、27、28将窄线宽可调谐激光器7出射光转换成平行光，光纤耦合器21、22、25、26、29将平行光转换成光纤的入射光。在所述外壳19内底面的绝缘板的一端均匀相间的设置第一光纤准直器20、第二光纤耦合器22、第三光纤准直器24以及第四光纤耦合器26、第五光纤准直器28，第一光纤准直器20的输入端通过光纤接口和单模光纤14、18与所述的窄线宽可调谐激光器7的激光驱动电源7-1上激光发射模块7-3连接，第二光纤耦合器22和第三光纤准直器24、第四光纤耦合器26和第五光纤准直器28，分别通过自带的尾纤和光纤接口连接。在所述外壳19内底面的绝缘板的另一端均匀相间并与对侧绝缘板上的光纤准直器20、23、24、27、28或光纤耦合器21、22、25、26、29相对应地设置第一光纤耦合器21、第二光纤准直器23、第三光纤耦合器25、第四光纤准直器27、第五光纤耦合器29，第一光纤耦合器21和第二光纤准直器23以及第三光纤耦合器25和第四光纤准直器27，分别通过自带的尾纤和光纤接口连接，第五光纤耦合器29的输出端通过光纤接口和单模光纤18与所述光电探测器9的输入端连接，用以检测窄线宽可调谐激光器7输出的光强信号。所述的气体流量计12和进气控制阀13通过导气管与所述的进气孔固接，用以监测在实验过程中实际流入到气室8中气体的流量。所述的数显压力真空表17通过导气管与现述出气口处的导气管连通，用以检测抽真空时是否达到真空状态、检验气室8的密封性能以及检测在通气时气室8内部实际气压。 

本发明光谱吸收型光纤传感器的工作过程：由窄线宽可调谐激光器7发射出具有一定功率特定波长的激光经过单模光纤14并通过光纤接口进入气室8内部底面绝缘板一端的第一光纤准直器20，将光纤出射的光经准直后变为平行光，经过第一光纤准直器20和第一光纤耦合器21中间的空隙空间后由第一光纤耦合器21耦合到输出光纤中，再由单模光纤传输到气室8内部底面绝缘板另一端的第二光纤准直器22中，如此激光经过反复传输，最终经过气室8内部底面绝缘板另一端出气导管15处的第五光纤耦合器29耦合到输出光纤并传输到光电探测器9中，然后由示波器10检测到变化后的光强信号。 

所述的气体流量计12为市购产品，瞬时流量分辨率0.001/SLPM，累计流量分辨率0.1/SLPM，使用温度-10-55℃，LCD显示，用以控制进入气室8气体的体积分数。 

所述的数显压力真空表17为市购产品，检测压力范围为-100-250Kpa，准确度等级0.05，LCD显示，使用温度0-50℃，用以检验气室8气密性以及监测实验过程中气室内部实时压力。 

所述的进气控制阀13、出气控制阀16为市购产品，均为不锈钢材质，耐腐蚀。 

所述的进气导管11、出气导管15为市购产品，聚四氟乙烯材质，耐压和耐腐蚀性好。 

所述的光纤准直器20、23、24、27、28为市购产品，用以将光纤内传输的光变成准直光（平行光）。 

所述的光纤耦合器21、22、25、26、29为市购产品，用以将光纤准直器20、23、24、27、28通过的准直光耦合到单模光纤中。 

所述的单模光纤14、18为市购产品，用以激光的传输通道。 

实施例2

一种光谱吸收型光纤传感器检测SF₆分解气体的装置，同实施例1，其中：所述的外壳19长度为200mm 、宽度为110mm、高度为50mm、壁厚4mm；在所述外壳19的侧面上的一端处设置直径为6mm通孔；在所述外壳19的对应的另一侧上的另一端处设置直径为6mm的通孔；在所述外壳19内的底面上，固接一厚度为5mm绝缘板。

实施例3

一种光谱吸收型光纤传感器检测SF₆分解气体的装置，同实施例1，其中：所述的外壳19长度为250mm 、宽度为130mm、高度为70mm、壁厚5mm；在所述外壳19的侧面上的一端处设置直径为8mm通孔；在所述外壳19的对应的另一侧上的另一端处设置直径为8mm的通孔；在所述外壳19内的底面上，固接一厚度为8mm绝缘板。

实施例4

一种光谱吸收型光纤传感器检测SF₆分解气体的方法，利用实施例1的装置，对GIS中局部放电的SF₆具体步骤如下：

⑴、实验准备

①、检查气室的密封性

先关闭所述装置的进气控制阀13，后打开所述装置的出气控制阀16，再启动真空泵对所述装置的气室8抽真空。并观察所述装置的数显压力真空表17读数，抽真空完毕后关闭所述出气控制阀16和真空泵，静置1小时，再检查所述气室8的密封性良好。

②、清洗气室 

第⑴-①步完成后，在所述气室8的密封性良好的条件下，将所述装置的进气导管11的一端与SF₆瓶的出气控制阀连通，打开所述进气控制阀13和所述出气控制阀16和SF₆气瓶的出气控制阀，通过所述进气导管11上的所述气体流量计12控制，SF₆气体在0.5L/min－1.5L/min的流速下，对所述气室进行冲洗10min－15min。然后关闭SF₆气瓶的出气控制阀和所述气室8上的所述进气控制阀13，最后打开真空泵针阀和真空表针阀，启动真空泵，对所述气室8抽真空。当被测气体抽净后，关闭真空泵针阀和真空泵。

③、光路调试 

第⑴-②步完成后，在未通入待测气体的前提下，打开所述装置的窄线宽可调谐激光器7的激光驱动电源7-1和温度控制器7-2开关、光电探测器9和所述装置的示波器10，检测光路在所述气室8内传输是否畅通：当光路传输良好时所述示波器10会显示相应示数；当光路传输不畅通时，所述示波器10显示读数偏低，则需打开所述装置的外壳19，通过调节所述装置的光纤准直器20、23、24、27、28和光纤耦合器21、22、25、26、29下面的安装支架，来调整所述光纤准直器20、23、24、27、28和所述光纤耦合器21、22、25、26、29的相对位置，直至光路传输畅通且效果良好，所述示波器10显示读数正常为止。

⑵、SF ₆ 分解气体检测

第⑴步完成后，选取的所述装置的窄线宽可调谐激光器7的波长范围为1534.73-1535.48nm(即为检测SF₆分解气体中SO₂的波长范围)，检测时将所述窄线宽可调谐激光器7的波长调整为1535.03nm，关闭所述气室8的所述出气控制阀16并打开SF₆气瓶的出气控制阀注入SF₆气体作为载气，直至所述数显压力真空表17的读数为1个标准大气压为止，记录此时未注入待检测气体时所述示波器10所显示的光强数值即为初始光强数值，移开SF₆气瓶，将配置好SF₆分解气体的不同浓度标气通过所述气室8与所述进气控制阀13连接的所述气体流量计12控制并注入到所述气室8中进行检测，在检测过程中，配置好被测标气的浓度分别为10ppm、20ppm、30ppm、40ppm、50ppm，每注入一个浓度的标气，即通过所述示波器10记录一次所述气室8内被测气体吸收后的光强读数。从而检测到一系列的被测气体吸收后的光强读数，检测完毕后，关闭所述示波器10。通过操作人员将检测的被测气体吸收后一系列光强读数经处理后绘制成在恒波长条件下，SF₆分解气体不同浓度SO₂标气与吸光度的吸收特性曲线，即可完成SF₆分解气体其中一种气体进行检测，此后只需将GIS模拟元件5的采气阀出口的导气管与所述气室8的进气端的进气导管11连通后，更换不同波长的激光光源，即可实现对SF₆分解气体的检测。

如图4所示的5个实测点分别是SO₂标气浓度为10ppm、20ppm、30ppm、40ppm、50ppm时，光谱吸收型光纤传感器所检测到在恒波长条件下，不同浓度的SO₂标气与吸光度的吸收特性曲线。从图4知：在恒波长条件下，吸光度随着注入不同浓度的SO₂标气，吸光度也在逐渐呈线性增长，从而有效证实了本发明装置能实现对SF₆分解气体的检测。 

⑶、实验结束

第⑵步完成后，先关闭所述装置的GIS模拟元件5采气阀，后将所述气室8的所述进气导管11的一端与SF₆气瓶的出气控制阀连通，再打开所述气室8的所述进气控制阀13和所述出气控制阀16以及SF₆气瓶的出气控制阀，通过所述进气导管11上的所述气体流量计12控制SF₆气体的进气流量在SF₆在0.5L/min－1.5L/min的流速下，对所述气室8进行冲洗10min－15min。然后先关闭SF₆瓶的所述出气控制阀16以及所述气室8上的所述进气控制阀13，打开所述的真空泵针阀和真空表针阀，再启动所述的真空泵，对所述气室8抽真空。当被测气体抽净后，关闭真空泵针阀和真空泵。

Claims (2)

1.一种光谱吸收型光纤传感器检测SF₆分解气体的装置，主要包括感应调压器（1）、无晕实验变压器（2）、无局部放电保护电阻（3）、标准电容分压器（4）、GIS模拟元件（5）、无感电阻（6）、示波器（10）、光谱吸收型光纤传感器；感应调压器（1）的原边通过导线与220V/50Hz市电连接，感应调压器（1）的副边通过导线与无晕实验变压器（2）原边连接，无局部放电保护电阻（3）通过导线与标准电容分压器（4）串联后，再与无晕实验变压器（2）的副边并联，GIS模拟元件（5）通过导线与无感电阻(6)串联后，再与标准电容分压器（2）并联，光谱吸收型传感器的气室（8）通过导管和进气控制阀(13)的导管与GIS模拟元件（5）的采气阀出口的导管相接，示波器（10）的输入端通过电缆线与光谱吸收型光纤传感器的光电探测器(9)的输出端连接；其特征在于：所述的光谱吸收型光纤传感器，主要由窄线宽可调谐激光器（7）、气室（8）、光电探测器（9）组成；

所述的窄线宽可调谐激光器（7）由激光驱动电源（7-1）和温度控制器（7-2）组成，所述的温度控制器（7-2）通过连接线与激光驱动电源（7-1）连接，所述的激光驱动电源（7-1）通过光纤接口和单模光纤（14）与所述气室（8）的第一个光纤准直器（20）的输入端连接；

所述的光电探测器（9）的输入端通过光纤接口和单模光纤（18）与所述气室（8）的第五个光纤耦合器（29）的输出端连接；

所述的气室（8），主要由外壳（19）、气体流量计（12）、数显压力真空表（17）、进气控制阀（13）、出气控制阀（16）、光纤准直器（20、23、24、27、28）、光纤耦合器（21、22、25、26、29）组成；所述的外壳（19）为不锈钢的开口长方形壳体，所述的外壳（19）长度为200-250mm 、宽度为110-140 mm、高度为50-70mm、壁厚4-5mm；在所述外壳（19）的开口处长方形密封圈固接不锈钢密封片；在所述外壳（19）的内壁表面上涂覆一层聚四氟乙烯材料的涂层；所述气室(8)的材料为不锈钢；在所述外壳（19）的一侧面上的一端部设置直径为6-8mm进气孔，所述的GIS模拟元件（5）的采气阀出口的导气管通过所述气室（5）的气体流量计（12）和进气控制阀（13）及导气管与所述的进气孔固接；在所述外壳(19)的对应的另一侧面上的另一端部处设置直径为6-8mm的出气孔，真空泵通过出气导管（15）和出气控制阀（16）及数显压力真空表（17）与所述的出气孔固接，在所述外壳（19）内的底面上，固接一厚度为5-8mm绝缘板；在所述外壳（19）内底面的绝缘板的一端均匀相间的设置第一光纤准直器（20）、第二光纤耦合器（22）、第三光纤准直器（24）以及第四光纤耦合器（26）、第五光纤准直器（28），第一光纤准直器（20）的输入端通过光纤接口和单模光纤（14、18）与所述的窄线宽可调谐激光器（7）的激光驱动电源（7-1）上激光发射模块（7-3）连接，第二光纤耦合器（22）和第三光纤准直器（24）、第四光纤耦合器（26）和第五光纤准直器（28），分别通过自带的尾纤和光纤接口连接；在所述外壳（19）内底面的绝缘板的另一端均匀相间并与对侧绝缘板上的光纤准直器（20、23、24、27、28）或光纤耦合器（21、22、25、26、29）相对应地设置第一光纤耦合器（21）、第二光纤准直器（23）、第三光纤耦合器（25）、第四光纤准直器（27）、第五光纤耦合器（29），第一光纤耦合器(21)和第二光纤准直器（23）以及第三光纤耦合器（25）和第四光纤准直器（27），分别通过自带的尾纤和光纤接口连接，第五光纤耦合器（29）的输出端通过光纤接口和单模光纤（18）与所述光电探测器(9)的输入端连接；所述的气体流量计（12）和进气控制阀（13）通过导气管与所述的进气孔固接；所述的数显压力真空表（17）通过导气管与出气口处的导气管连通。

2.一种光谱吸收型光纤传感器检测SF₆分解气体的方法，利用权利要求1所述的光谱吸收型光纤传感器检测SF₆分解气体的装置进行检测，其特征在于所述方法的具体步骤如下：

（1）实验准备

①、检查气室的密封性

先关闭所述装置的进气控制阀（13），后打开所述装置的出气控制阀（16），再启动真空泵对所述装置的气室（8）抽真空；并观察所述装置的数显压力真空表（17）读数，抽真空完毕后关闭所述出气控制阀（16）和真空泵，静置1小时，再检查所述气室（8）的密封性良好；

②、清洗气室

第⑴-①步完成后，在所述气室（8）的密封性良好的条件下，将所述装置的进气导管（11）的一端与SF₆瓶的出气控制阀连通，打开所述进气控制阀（13）和所述出气控制阀（16）和SF₆气瓶的出气控制阀，通过所述进气导管（11）上的所述气体流量计（12）控制，SF₆气体在0.5L/min－1.5L/min的流速下，对气室进行冲洗10min－15min；然后关闭SF₆气瓶的出气控制阀和所述气室（8）上的所述进气控制阀（13），最后打开真空泵针阀和真空表针阀，启动真空泵，对所述气室（8）抽真空；当被测气体抽净后，关闭的真空泵针阀和真空泵；

③、光路调试

第（1）-②步完成后，在未通入待测气体的前提下，打开所述装置的窄带可调谐激光器（7）的激光驱动电源（7-1）和温度控制器（7-2）开关、光电探测器（9）和所述装置的示波器（10），检测光路在所述气室（8）内传输是否畅通：当光路传输良好时，所述示波器（10）会显示相应示数；当光路传输不畅通时，所述示波器（10）显示读数偏低，则需打开所述装置的外壳（19），通过调节所述装置的光纤准直器（20、23、24、27、28）和光纤耦合器（21、22、25、26、29）下面的安装支架，来调整所述光纤准直器（20、23、24、27、28）和所述光纤耦合器（21、22、25、26、29）的相对位置，直至光路传输畅通且效果良好，所述示波器（10）显示读数正常为止；

（2）SF ₆ 分解气体检测

第（1）步完成后，选取的所述装置的窄线宽可调谐激光器（7）波长分别为与SF₆分解气体的标气对应检测波长范围,关闭所述气室（8）的出气控制阀（16）并打开SF₆气瓶的出气控制阀注入SF₆气体作为载气，直至所述数显压力真空表（17）的读数为1个标准大气压为止，记录此时未注入待检测气体时所述示波器（10）所显示的光强数值即为初始光强数值，移开SF₆气瓶，将配置好的SF₆分解气体不同浓度的标气通过所述气室（8）与所述进气控制阀（13）连接的所述气体流量计（12）控制并注入到所述气室（8）中进行检测，在检测过程中，配置好被测标气的浓度分别为10ppm、20ppm、30ppm、40ppm、50ppm，每注入一个浓度的标气，即通过所述示波器（10）记录一次所述气室（8）内被测气体吸收后的光强读数；从而检测到一系列的被测气体吸收后的光强读数，检测完毕后，关闭所述示波器（10）；通过操作人员将检测的被测气体吸收后一系列光强读数经处理后绘制成在恒波长条件下，SF₆分解气体不同浓度的标气与吸光度的吸收特性曲线，即可完成SF₆分解气体其中一种气体进行检测，此后只需将所述装置的GIS模拟元件（5）的采气阀出口的导气管与所述气室（8）的进气端的所述进气导管（11）连通后，更换不同波长的激光光源，即可实现对SF₆分解气体的检测；

（3）实验结束

第（2）步完成后，先关闭所述GIS模拟元件（5）采气阀，后将所述气室（8）的进气导管（11）的一端与SF₆气瓶的出气控制阀连通，再打开所述气室（8）的进气控制阀（13）和出气控制阀（16）以及SF₆气瓶的出气控制阀，通过所述进气导管（11）上的气体流量计（12）控制SF₆气体的进气流量在SF₆在0.5L/min－1.5L/min的流速下，对所述气室（8）进行冲洗10min－15min；然后先关闭SF₆瓶的出气控制阀以及所述气室（8）上的所述进气控制阀（13），打开所述的真空泵针阀和真空表针阀，再启动所述的真空泵，对所述气室（8）抽真空；当被测气体抽净后，关闭所述的真空泵针阀和真空泵。

Images