CN107860749A - 基于co2激光器的便携式sf6泄漏遥测仪 - Google Patents

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Abstract

本发明属于安全气体检测技术领域，尤其涉及一种基于吸收光谱的便携式SF6泄漏遥测方法，包括由MCU控制的小型CO2激光器，波长调节器，调制解调器，准直透镜，斩波器，激光回波收集系统。激光回波接收系统包括汇聚透镜、滤光片和探测器。本便携式SF6泄漏遥测方法克服了固定式泄漏遥测装置的局限性，实现了自由遥测，为目前最先进的SF6遥测技术。为实现自由遥测，采用双波长调谐，避免采用参考光路，减少装置体积，易于实现便携式甚至手持式。它定量测量，避免了成像类仪器的人工判别，易于实现测量过程的自动化。

Description

基于CO2激光器的便携式SF6泄漏遥测仪
技术领域
本发明属于SF6气体检测技术领域，尤其涉及一种基于CO2激光器的便携式SF6泄漏遥测识别装置。
背景技术
SF6作为新一代绝缘和灭弧气体介质，被广泛应用于各种电力设备，但是SF6电气设备常常由于产品质量、元件老化和外力损坏等原因发生气体泄漏。SF6气体泄漏会引发一些事故，造成电气设备不能操作，影响设备的可靠性和人员安全；SF6气体属于一种温室气体，发生SF6泄漏会污染和破坏大气环境，增加温室效应。从保护环境、保障电网安全、保证工作人员身体健康的任何角度分析，SF6气体泄漏检测都显得非常重要。
目前应用于检测电气设备SF6泄漏的分析方法主要有采用电化学传感器的便携式检漏仪，NDIR技术，红外检漏成像仪和激光检测方法，激光检测方法又包括激光成像技术和激光遥测技术。不同的检测方法中，接触式的电化学传感器或者泵吸式的NDIR技术只测局部的浓度信息，电化学传感器的寿命短，广谱反应，干扰严重；成像类泄漏检测仪需要人工操作，人工识别，不提供定量测量结果，无法实现实时在线测量，对多种气体反应，干扰严重；而其中的激光遥测方法因其可实现遥测，探测灵敏度高而具有广阔的应用前景。
使用激光遥测检测SF6，目前只有固定式遥测仪。固定式遥测仪在探测目标前方设置反射器，反射器可以使入射的激光大部分原路返回，位于激光器附近的接收装置可以接收到大部分反射回来的光，提高了检测距离和检测精度。辅助目标-反射器同时也限制了激光的传播途径，无法自由遥测。
发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提供一种基于光谱吸收的采用CO2激光器进行遥测的便携式SF6泄漏检测系统。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于光谱吸收的便携SF6泄漏遥测系统，包括MCU、所述MCU连接波长调节器和ADC，所述波长调节器右方为激光器，所述激光器同轴方向设有准直透镜、斩波器和探测目标。所述激光器下方接收装置，所述接收装置包括聚焦透镜、滤光片和探测器，所述探测器连接ADC。
作为优选方案：
所述激光器选择小型二氧化碳激光器，选择可以发出10.3-10.8μm波长的大功率CO2激光器。
控制波长调节器调节CO2激光器发出不同波长的激光，一种波长作为测量波长，另一种波长作为参考波长。
所述探测器选择可以探测10.6μm附近波长的探测器。
所述准直透镜选择非球面透镜。
所述接收装置包括接收透镜、滤光片和信号探测器，其中接收透镜为大口径透镜，更加优选的，所述大口径透镜为红外菲涅尔透镜。
所述滤光片选择10.6μm窄带滤光片。
所述斩波器对CO2激光器的激光强度进行调制，同时为解调器提供参考信号。
本发明的有益效果为：
(1)实现自由遥测
本系统中选择小型CO2激光器，极大地减小了仪器的体积，方便手持。波长调节器通过设置温度或者光栅的角度，控制CO2激光器发出不同波长的激光，一种波长作为测量波长λM，SF6在此波长条件下存在高灵敏度的吸收；另一种波长作为参考波长λR，SF6在此波长条件下不存在吸收。两种波长的传播路径相同，消除了传播路径上的散射、反射等与SF6无光的非吸收性损失，替代了传统的单独设置参考光路的做法，节省了空间，减小仪器尺寸，使仪器更加便携，可以实现自由遥测。
(2)检测距离远
因为CO2激光器的准直性好，功率大，工作距离长。所以它可以在开放空间测量，检测范围可以做到近200米。这一点比红外成像和激光成像技术的距离都远。
(3)测量过程自动化
激光遥测是定量测量，量化泄漏的程度。测量数据可以传送和交流，便于集中管理。对于发生的泄漏即刻报警，并采取通风措施，紧急修复。自动化程度高。
(4)测量结果更具全局性
激光遥测仪是测量在开放空间几百米路径上的积分浓度，反应了泄漏的整体效果和程度，省却了在若干个监测点布置设备采样检测。
附图说明
图1为本发明的基于光谱吸收的便携式SF6泄漏检测装置系统原理图。
图中：1波长调节器，2 CO2激光器，3 MCU，4 ADC，5准直透镜，6放大解调器，7斩波器，8 SF6探测器，9滤光片,10聚焦透镜，11探测目标。
图2为实施例中SF6的吸收谱线。
图3为实施例中CO2激光器的发射谱线。
图4为本实施中CO2激光器不同波长的发射功率的时序图。
图5为本实施中接收装置接收到的不同波长的反射激光的接收功率时序图。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本实施例的基于CO2激光器的便携式SF6泄漏遥测仪系统包括CO2激光器2，作为优选，所述CO2激光器2为小型CO2激光器，可以发出10.3-10.8μm波长的激光，激光器2前方连接波长调节器1。波长调节的一种方案是，通过MCU 3 将不同的温度设置信号给波长调节器1，通过调节CO2激光器2的温度使激光可以在10.3μm-10.8μm之间变化。选择λM和λR两个波长，λM波长作为SF6检测的测量波长，λR作为参考波长。作为优选，λM＝10.53μm，10.55μm，10.57μm,10.59μm,10.61μm；λR＝10.46μm,10.48μm，10.50μm。两种波长相邻，便于快速调谐，也使激光器的功率更稳定。两种波长的激光的传播路径相同，消除了部分背景的干扰，同时避免了单独设置参考光路的方式，减小了仪器的体积同时增加了检测的可靠性。在CO2激光器2的前方放置有准直透镜5。在准直透镜5的前方同轴设置有斩波器7，这里斩波器7使CO2激光器2发出的连续光通过电动机调制成重复率几百赫兹的方形脉冲光，从而抑制背景杂散光干扰和探测器的1/f噪声，同时产生与调制频率同步的参考电压方波作为放大解调器6的参考信号，这类斩波器7属于现有器件，已被应用于光电检测、光电传感、遥感和测量系统。对于斩波器7的结构和原理这里不再赘述，属于现有技术。
其中上述：
CO2激光器1：用于产生不同波长的测量激光；
波长调节器2：用于控制CO2激光器的辐射波长；
MCU 3:用于给波长调节器2控制信号和接收ADC 4传输的信号；
准直透镜5：用于将产生的激光进行准直；
斩波器7：用于将产生输出的连续光激光调制成具有固定频率的光，同时输出调制频率；
本实例中的接收装置包括接收透镜10，滤光片9和探测器8。CO2激光器 2产生的激光经过准直透镜5准直后打到探测目标11上，探测目标11将入射的激光进行反射，部分光线入射到聚焦透镜10上，期间产生了吸收现象。聚焦透镜10将接受到的光线进行聚焦，作为优选，接收透镜选择可以透过红外光的菲涅尔透镜。聚焦后的激光经过滤光片9，滤除了背景光线后打到与聚焦透镜 10和滤光片9同轴的SF6探测器8上。SF6探测器8接收激光并产生有用信号传递给放大解调器6。放大解调器6接收斩波器7的调制频率作为参考信号，同时对经过调制后的调制信号进行放大解调，先将调制信号进行放大，再将调制在高频信号中的低频光信号进行还原，同时光的原始信号经过放大器实现了放大。经过放大解调器6的放大解调，抑制了低频噪声对原始光信号的影响，同时减小了信号漂移的不利影响，同时还对有用信号进行了交流放大，实现微弱信号的检测。在实际的仪器中，斩波器7与放大解调器6共同使用，可以增加检测的距离和灵敏度。解调后的光信号进入ADC 4中，ADC 4对接收到的信号进行模数转换，转换后的数字信号传输给MCU 3。
其中上述：
ADC 4：用于接收放大解调器6产生的解调信号并进行模数转换传输给MCU 3；
放大解调器6：用于接收SF6探测器的输出信号并对接收信号进行放大解调得到接收到的原始放大光信号；同时抑制噪声和漂移，实现微弱信号的检测。
SF6探测器8：用于接收聚焦后的激光并产生有用信号；
滤光片9：中心波长10.5微米，带宽200-300nm,仅可以通过CO2发出的信号光(测量与参考波长)，滤除背景光；
聚焦透镜10：收集回波散射光；
在本实施中，选择作为优选的小型CO2激光器通过波长调节器的作用发出的两种不同波长的激光，波长λM的激光作为测量SF6的测量光，选取λM在图2 中SF6的吸收波段，同时也是CO2激光器的辐射波长选项(图3)；波长λR的激光作为SF6测量时的参考光书，选择图2中SF6非吸收波段，同时也是CO2激光器的辐射波长选项(图3)。CO2激光器2发出波长为λM的激光时，经过准直透镜5和斩波器7后打到空间时的功率为P1。调谐到波长λR时，功率为P2。P1和P2记为出射功率(图4)。
当没有SF6泄漏时，激光传播路径上没有引起共振吸收的SF6气体。波长为λM的激光发出后经过准直透镜5准直，斩波器7调制，打到探测目标11上，部分返回接收透镜10，经过滤光片9滤除背景光，探测器8接收到光信号，经过放大解调器6和ADC 4转化，得到功率P1’。参考波长λR的激光传播途径与测量波长λM的激光传播途径相同，得到功率P2’(如图5虚线所示)，两种波长的光因为传播途径相同，且都没有吸收，消除了反射损失、激光散射、光学系统收集效率等非吸收性损失。且由于两个波长相邻，非吸收性损失系数b一样，再引入a，定义为是两个波长的发射功率比，这个比在整个激光使用过程中保持不变的。引入它可以抵消光功率的系统变化，消除使用环境温度，驱动电流以及系统老化的影响。
如图5所示，当存在SF6的泄漏时，波长为λM的激光经过传播穿过SF6气团产生了吸收，接收到的功率变为了P1”，而相比没有吸收时的功率P1’，P1”相比P1’的减少反映了SF6对激光的吸收。在图5中，分别对应不同浓度的SF6泄漏时接收端接收到的功率的变化，C1，C2,C3代表不同的浓度，浓度关系为 C1<C2<C3，浓度越大时，波长为λM的激光反射回来后接收到的功率P1”越小，波长为λR的激光反射回来后接收到的功率P2”基本不变。功率的变化体现了SF6对激光的吸收。激光的吸收可以由朗伯比尔定律得到，根据比尔郎伯定律， P1″＝P1′Exp(-A),其中A＝KcL，A是吸光度，K为吸收系数.它与吸收物质的性质及入射光的波长λM有关，c为吸光物质的浓度，L为吸收光程。在本实施例中c 为SF6的浓度，L为检测路程的两倍。实施例中，λM已定，K可知，cL为积分浓度，即为待测值。参考波长λR的激光经过传播后接收到的功率变为P2”,但因为SF6对波长为λR的激光没有吸收，所以P2”＝P2’。实际使用中，P2”和P1”通过测量获得。再引入变量d，定义为因为 进一步推得，在使用过程中，可以通过测量两个通道的光强值获得d值，已知K和a，则SF6的积分浓度cL 可以通过公式得到。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于CO2激光器的便携式SF6泄漏遥测仪，其特征在于:
连接MCU的波长调节器和ADC；
所述波长调节器右方为激光器；
所述激光器同轴方向设有准直透镜、斩波器；
所述激光器下方为接收装置；
所述接收装置包括聚焦透镜、滤光片和探测器；
所述探测器连接放大解调器，再连接ADC；
所述激光器发射的特定波长的激光通过准直透镜和斩波器打到探测目标上反射，反射回的激光由接收透镜接收，经过滤光片打到探测器，探测器将检测到的激光通过放大解调器转换为电信号传给ADC和MCU,并由MCU对气体检测信号进行处理,判断是否存在气体泄漏；
所述特定波长为SF6吸收波长和非吸收波长两种。
2.根据权利要求1所述的基于光谱吸收的便携式SF6泄漏遥测装置，其特征在于:
所述激光器选择小型二氧化碳激光器，选择可以发出10.3-10.8μm波长的CO2激光器。
3.根据权利要求1所述的基于光谱吸收的便携式SF6泄漏遥测装置，其特征在于:
所述波长调节器调节CO2激光器依次发出两种波长的激光，一种波长作为测量波长，另一种波长作为参考波长。
4.根据权利要求1所述的基于光谱吸收的便携式SF6泄漏遥测装置，其特征在于:所述接收装置包括：
接收透镜、滤光片和信号探测器，滤光片在接收透镜后方，信号探测器紧挨滤光片，在滤光片后方。
5.根据权利要求4所述的接收装置，其特征在于:
所述接收透镜为大口径透镜，更加优选的，所述大口径透镜为红外菲涅尔透镜；所述滤光片选择中心波长10.6μm的窄带滤光片。
6.根据权利要求1所述的基于光谱吸收的便携式SF6泄漏遥测装置，其特征在于:
所述斩波器将CO2激光器的连续光调制成方波的交变光，同时相同频率的信号给所述放大解调器作为参考信号。
7.根据权利要求1和6所述的基于光谱吸收的便携式SF6泄漏遥测装置，其特征在于:
所述放大解调器用于接收探测器的输出信号并对接收信号进行放大解调得到接收到的原始放大光信号。
8.根据权利要求1和7所述的基于光谱吸收的便携式 SF6泄漏遥测装置，其特征在于:
使用放大解调器产生解调信号并进行模数转换传输给MCU。
9.根据权利要求1和8所述的基于光谱吸收的便携式SF6泄漏遥测装置，其特征在于:
所述波长调节器由MCU控制。
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