CN113218911A - 一种中红外sf6分解组分分析装置 - Google Patents
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Abstract
一种中红外SF6分解组分分析装置，分析终端向控制和数据采集电路发送控制指令，由此向脉冲驱动电路输出PWM脉冲信号，经过信号放大，驱动量子级联激光器发出的指定波长的激光，通过准直镜后经过多次反射后入射到气体吸收池中；激光在气体吸收池中经过多次反射后射出，并通过离轴抛物镜入射到热电堆上；ADC数据采集板对热电堆输出的电信号进行采集，前置放大电路对电信号进行放大，放大后的电信号通过控制和数据采集电路传输给分析终端，由分析终端对组分气体进行分析检测。在测量工业上重要气体分子时，对控制检测电路进行简化设计，在保证灵敏的情况下更快速提取吸收调制信号的特征量，达到高灵敏和低干扰的目的。
Description
技术领域
本发明涉及信号提取技术领域，更具体地，涉及一种中红外SF6分解组分分析装置。
背景技术
当SF6气体绝缘设备发生局部放电时，产生的局部强电磁能会使SF6气体绝缘介质发生分解而生成各种低氟硫化物SFx(x＝1、2…5)，并且与设备内部存在的微量H2O、O2等气体发生反应，可能生成如HF、SO2、SO2F2、SOF2和H2S等特征组分，当放电发生在环氧树脂材料附近时还会伴随着CO、CF4的产生。SF6分解组分会加速气体绝缘金属封闭开关设备(Gasinsulated Switchgear，GIS)内部的绝缘老化和金属材料表面腐蚀，加重局部放电程度，进而导致GIS发生内部击穿故障。因此，通过检测SF6分解组分，可对设备中的绝缘缺陷进行诊断和评估，从而降低SF6电气设备突发性故障发生概率。
现有技术中，设备故障组分诊断方法中采用的SOF2和SO2F2这两种特征组分气体，其产生与含量的变化以及与相关组分含量的比值，如CSOF2/CSO2F2等，在故障诊断与状态评估的过程中起到十分重要的作用。SOF2和SO2F2两种气体的吸收峰主要位于中红外波段，不仅如此，还有许多工业上重要的气体分子在中红外区域有很强的吸收带。
利用气体分子的红外吸收特性的气体分析技术已经应用了很长时间。利用热辐射光源的非色散红外吸收法(non-dispersive infrared analyzer，NDIR)是应用最广泛的红外气体分析技术之一。在该方法中，目标气体的浓度是由热辐射吸收量来确定的，热辐射吸收的波段是由一个光学带通滤波器裁剪到目标气体的吸收波段。由于该方法简单，至今仍广泛应用于汽车和工厂废气测量、大气环境监测、工艺气体控制等领域。然而，由于NDIR的波长分辨率仅由光学带通滤波器的传输频带决定，通常是几十个波数，因此很难消除吸收频带中的干扰成分的重叠影响。
可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)由于具有较高的波长分辨率和较长的光程长度，使气体分析具有较高的灵敏度和较低的干扰，得到了广泛的研究。最初，TDLAS主要使用近红外半导体激光器开发，随着技术进步，一种中红外半导体激光器——量子级联激光器(Quantum Cascade Lasers，QCL)出现了。QCL的工作原理与通常的半导体激光器截然不同，它打破了传统P-N结型半导体激光器的电子-空穴复合受激辐射机制，其发光波长由半导体能隙来决定，填补了半导体中红外激光器的空白。QCL受激辐射过程只有电子参与，其激射方案是利用在半导体异质结薄层内由量子限制效应引起的分离电子态之间产生粒子数反转，从而实现单电子注入的多光子输出，并且可以轻松得通过改变量子阱层的厚度来改变发光波长。
TDLAS属于吸收光谱检测技术范畴，主要依据的是可调谐半导体激光器具有温度和电流调谐特性，可以在控制温度和改变驱动电流的条件下调谐激光器输出激光的波长，使激光穿过待测气体，由于气体的受激原理气体分子会有选择性地吸收特定频率的光，自身状态由低能级跃迁至高能级造成激光能量的衰减，宏观上表现为激光强度的减弱。比尔朗伯定律指出，激光能量的衰减量与气体的浓度成正相关且受外界温度和气压的影响，即通过测量激光强度的衰减量可推算出气体分子的浓度。
然而现有技术中，TDLAS的控制检测电路相较于NDIR复杂的多，TDLAS的控制检测电路是由整体化的光电检测电路，将气体经过特征波段吸收后的光信号转变为电信号。控制检测电路主要包括光电探测器、将电流信号转换为电压信号的电压反馈放大器、模数转换芯片以及主控芯片。这种检测电路虽然精确度较高，但是其应用成本较高、检测电路的设计较为复杂，控制方式也较为复杂；此外，NDIR中使用一个光学带通滤波器裁剪得到目标气体的吸收波段，使得吸收频带中的干扰成分会出现重叠影响。
因此，需要研究一种中红外激光吸收调制信号特征提取的气体分析装置，以较简单的方式，对更灵敏的对目标气体，尤其是工业上重要气体分子，进行检测。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种中红外SF6分解组分分析装置，借鉴了NDIR的传感原理，通过热反应电堆的热辐射吸收量来检测目标气体的浓度，并且利用QCL激光器发射目标气体吸收波段的激光，所获得的吸收信号与预定的特征参考信号相关，从而消除了消除吸收频带中的干扰成分的重叠影响，还具备检测精度高且检测电路更加简单的特点。
本发明采用如下的技术方案。
一种中红外SF6分解组分分析装置包括：气体吸收池、量子级联激光器、控制和数据采集电路、热电堆；
控制和数据采集电路驱动量子级联激光器发出SF6分解组分气体吸收波段的激光，激光射入至气体吸收池内；其中，SF6分解组分气体静置于气体吸收池内；
激光在气体吸收池中发生多次反射后从气体吸收池内射出；射出的激光射入至热电堆，热电堆吸收激光热辐射，并将所吸收的热辐射量转化为电信号；
控制和数据采集电路采集所述电信号；
其中，激光在气体吸收池内的多次反射的过程中，被SF6分解组分气体充分吸收。
优选地，
分析装置还包括：准直镜和离轴抛物镜；
量子级联激光器发出SF6分解组分气体吸收波段的激光，先通过准直镜使得激光谐振腔和离轴抛物镜之间的光束保持准直性，再经过多次反射后射入至气体吸收池内；其中，激光谐振腔是量子级联激光器内部光波发生多次反射的空腔；
激光在气体吸收池内发生多次反射后从气体吸收池中射出，离轴抛物镜在呈45°布置下时，对直射射入的激光进行聚焦，聚焦后的激光射入至热电堆。
优选地，
热电堆是由热电偶构成的热释红外线传感器；热电堆吸收激光热辐射并将所吸收的热辐射量转化为电信号，即热电动势。
优选地，
分析装置还包括：脉冲驱动电路和分析终端；
分析终端向控制和数据采集电路发送控制指令，控制和数据采集电路根据控制指令向脉冲驱动电路输出PWM脉冲信号，该脉冲信号经过脉冲驱动电路的放大后，驱动量子级联激光器发出激光；
分析终端还从控制和数据采集电路接收其所采集的电信号，并进行SF6分解组分气体浓度的计算。
优选地，分析装置还包括ADC数据采集板；
热电堆发出的电信号是模拟电信号，由ADC数据采集板对该模拟电信号进行采集和模数转换，所得到的数字电信号再由控制和数据采集电路进行采集。
优选地，分析装置还包括前置放大电路；
前置放大电路对ADC数据采集板所采集到的电信号进行放大，放大后的电信号输入至控制和数据采集电路中，再由控制和数据采集电路将全部电信号传输给分析终端。
优选地，
当使用中红外SF6分解组分分析装置对SF6分解组分气体进行分析之前，对量子级联激光器进行自校准和波长调制；
波长调制，使得量子级联激光器发出的激光的波长在目标气体吸收波段周围进行调制；
目标气体吸收波段是根据预设的目标气体特征信号选定的波段；其中，所述预设的目标气体特征信号包括：SO2F2气体的特征波长、SOF2气体的特征波长。
优选地，
气体吸收池是赫里奥特池，包括相对布置的左侧球面镜和右侧球面镜，所述左侧球面镜和右侧球面镜之间的距离可调。
优选地，
分析装置还包括气瓶，用于存储SF6分解组分气体；分析装置中气瓶采用冗余配置，包括第一气瓶和第二气瓶；
当使用中红外SF6分解组分分析装置对SF6分解组分气体进行分析时，SF6分解组分气体自第一气瓶或第二气瓶流出后，经由输气管路，从气体吸收池的进气口流入气体吸收池；
当中红外SF6分解组分分析装置对SF6分解组分气体分析完毕时，气体吸收池的出气口打开，SF6分解组分气体流出气体吸收池。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，在测量工业上重要气体分子时，对控制检测电路进行简化设计，在保证灵敏的情况下更快速提取吸收调制信号的特征量，达到高灵敏和低干扰的目的。
附图说明
图1是本发明的中红外SF6分解组分分析装置的结构示意图；
图中标注说明：
1a：第一气瓶，1b：第二气瓶，2a：第一气阀，2a：第二气阀，3a：第一质量流量计，3b：第二质量流量计，4：气体吸收池，5：进气口，6：出气口，7：准直镜，8：量子级联激光器，9：脉冲驱动电路，10：控制和数据采集电路，11：离轴抛物镜，12：热电堆，13：ADC数据采集板，14：前置放大电路，15：分析终端。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1，一种中红外SF6分解组分分析装置包括：气体吸收池4、量子级联激光器8、控制和数据采集电路10、热电堆12。
控制和数据采集电路10驱动量子级联激光器8发出SF6分解组分气体吸收波段的激光，激光射入至气体吸收池4内；其中，SF6分解组分气体静置于气体吸收池4内。
激光在气体吸收池4中发生多次反射后从气体吸收池4内射出；射出的激光射入至热电堆12，热电堆12吸收激光热辐射，并将所吸收的热辐射量转化为电信号；
控制和数据采集电路10采集所述电信号；
其中，激光在气体吸收池4内的多次反射的过程中，被SF6分解组分气体充分吸收。
具体地，
分析装置还包括：准直镜7和离轴抛物镜11；
量子级联激光器8发出SF6分解组分气体吸收波段的激光，先通过准直镜7使得激光谐振腔和聚焦光学元件之间的光束保持准直性，再经过多次反射后射入至气体吸收池4内；
激光在气体吸收池4内发生多次反射后从气体吸收池4内射出，离轴抛物镜11在呈45°布置下时，对直射射入的激光进行聚焦，聚焦后的激光射入至热电堆12。
量子级联激光器8发出SF6分解组分气体吸收波段的激光，先通过准直镜7使得激光谐振腔和离轴抛物镜11之间的光束保持准直性，再经过多次反射后射入至气体吸收池4内；其中，激光谐振腔是量子级联激光器8内部光波发生多次反射的空腔；
在光学测量系统中，使用准直镜后，使发散光路变成平行光路。安装准直镜是为了提高光纤耦合效率，减小光束发散角。
激光在气体吸收池4内发生多次反射后从气体吸收池4中射出，离轴抛物镜11在呈45°布置下时，对直射射入的激光进行聚焦，聚焦后的激光射入至热电堆12。
离轴抛物镜可在特定角度下直射并聚焦入射平行光，并且支持无限远焦点。安装后能是光以想要的角度直射并且聚焦于热电堆上，减少能量的流失，减小误差。
具体地，
热电堆12是由热电偶构成的热释红外线传感器；热电堆吸收激光热辐射并将所吸收的热辐射量转化为电信号，即热电动势。
具体地，
分析装置还包括：脉冲驱动电路9和分析终端15。
分析终端15向控制和数据采集电路10发送控制指令，控制和数据采集电路10根据控制指令向脉冲驱动电路9输出PWM脉冲信号，该脉冲信号经过脉冲驱动电路9的放大后，驱动量子级联激光器8发出激光。
分析终端15还从控制和数据采集电路10接收其所采集的电信号，并进行SF6分解组分气体浓度的计算。
具体地，分析装置还包括ADC数据采集板13。
热电堆12发出的电信号是模拟电信号，由ADC数据采集板13对该模拟电信号进行采集和模数转换，所得到的数字电信号再由控制和数据采集电路10进行采集。
具体地，分析装置还包括前置放大电路14。
前置放大电路14对ADC数据采集板13所采集到的电信号进行放大，放大后的电信号输入至控制和数据采集电路10中，再由控制和数据采集电路10将全部电信号传输给分析终端15。
具体地，
当使用中红外SF6分解组分分析装置对SF6分解组分气体进行分析之前，对量子级联激光器8进行自校准和波长调制。
波长调制，使得量子级联激光器8发出的激光的波长在目标气体吸收波段周围进行调制。
目标气体吸收波段是根据预设的目标气体特征信号选定的波段；其中，所述预设的目标气体特征信号包括：SO2F2气体的18.4um的特征波长、SOF2气体的7.52um的特征波长。
具体地，
气体吸收池4是赫里奥特(Herriott)池，包括相对布置的左侧球面镜和右侧球面镜，所述左侧球面镜和右侧球面镜之间的距离可调。
本发明优选实施例中，在其中一面球面镜上加工一个小孔，以保证光学的输入和输出，也可通过另一面球面镜进行输出。Herriott池的反射次数是通过调整两个球面镜之间的间距来控制的。
具体地，
分析装置还包括气瓶，用于存储SF6分解组分气体；分析装置中气瓶采用冗余配置，包括第一气瓶1a和第二气瓶1b。
本优选实施例中，第一气瓶1a和第二气瓶1b均为不锈钢气瓶，最大可承受0.5MPa气压，气瓶作为实验装置的输气部分，其中可以装入SO2F2、SOF2等特征组分气体。
当使用中红外SF6分解组分分析装置对SF6分解组分气体进行分析时，SF6分解组分气体自第一气瓶1a或第二气瓶1b流出后，经由输气管路，从气体吸收池的进气口5流入气体吸收池4。
当中红外SF6分解组分分析装置对SF6分解组分气体分析完毕时，气体吸收池4的出气口6打开，SF6分解组分气体流出气体吸收池。
从图1可以看出，第一输气管路一端与第一气瓶1a出气口连接，另一端与总输气管路的一端连接；第二输气管路一端与第二气瓶1b出气口连接，另一端也与总输气管路的一端连接；总输气管的另一端与气体吸收池4的进气口5连接。
具体地，
第一输气管路上，按照气流输送方向依次串联有第一气阀2a和第一质量流量计3a；第一气阀2a，用于控制第一输气管路的开启与关闭；第一质量流量计3a，用于测量第一输气管路中输送气体的流量，并且与第一气阀2a联动控制第一输气管路中的输送气体量。
第二输气管路上，按照气流输送方向依次串联有第二气阀2b和第二质量流量计3b；第二气阀2b，用于控制第二输气管路的开启与关闭；第二质量流量计3b，用于测量第二输气管路中输送气体的流量，并且与第二气阀联2b动控制第二输气管路中的输送气体量。
本优选实施例中，采用质量流量计，通过分体分子带走的分子质量多少从而来测量流量，通过与气阀联动，达到控制气路输气大小的装置；质量流量计是一个较为准确、快速、可靠、高效、稳定、灵活的流量测量仪表。
本发明优选实施例中的分析装置在工作时的具体流程如下：
(1)对量子级联激光器进行自校准和波长调制，使其工作在最佳状态；
(2)打开气瓶，向赫里奥特池中输气，并通过气阀和质量流量计联动控制气路中的气体量；
(3)量子级联激光器开始工作，使其产生的激光通过准直镜和多次反射，以入射到赫里奥特池中；
(4)激光在赫里奥特池中经过多次反射后射出，并通过离轴抛物镜打到热电堆上；
(5)热电堆输出电信号，经过ADC数据采集板和前置放大电路后，将放大后的电信号传输至分析终端；
(6)在分析终端对接收到的电信号进行分析和调试，以获得所需的检测分析结果；
(7)关闭量子级联激光器，打开出气口将赫里奥特池中的组分气体排出，分析检测结束。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，在测量工业上重要气体分子时，对控制检测电路进行简化设计，在保证灵敏的情况下更快速提取吸收调制信号的特征量，达到高灵敏和低干扰的目的。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种中红外SF6分解组分分析装置，其特征在于，所述分析装置包括：
气体吸收池、量子级联激光器、控制和数据采集电路、热电堆；
所述控制和数据采集电路驱动量子级联激光器发出SF6分解组分气体吸收波段的激光，所述激光射入至气体吸收池内；其中，所述SF6分解组分气体静置于气体吸收池内；
所述激光在气体吸收池中发生多次反射后从气体吸收池内射出；射出的激光射入至热电堆，热电堆吸收激光热辐射，并将所吸收的热辐射量转化为电信号；
所述控制和数据采集电路采集所述电信号；
其中，所述激光在气体吸收池内的多次反射的过程中，被SF6分解组分气体充分吸收。
2.根据权利要求1所述的一种中红外SF6分解组分分析装置，其特征在于，
所述分析装置还包括：准直镜和离轴抛物镜；
所述量子级联激光器发出SF6分解组分气体吸收波段的激光，先通过准直镜使得激光谐振腔和离轴抛物镜之间的光束保持准直性，再经过多次反射后射入至气体吸收池内；其中，所述激光谐振腔是量子级联激光器内部光波发生多次反射的空腔；
所述激光在气体吸收池内发生多次反射后从气体吸收池中射出，离轴抛物镜在呈45°布置下时，对直射射入的激光进行聚焦，聚焦后的激光射入至热电堆。
3.根据权利要求1所述的一种中红外SF6分解组分分析装置，其特征在于，
所述热电堆是由热电偶构成的热释红外线传感器；热电堆吸收激光热辐射并将所吸收的热辐射量转化为电信号，即热电动势。
4.根据权利要求1所述的一种中红外SF6分解组分分析装置，其特征在于，
所述分析装置还包括：脉冲驱动电路和分析终端；
所述分析终端向控制和数据采集电路发送控制指令，控制和数据采集电路根据控制指令向脉冲驱动电路输出PWM脉冲信号，该脉冲信号经过脉冲驱动电路的放大后，驱动量子级联激光器发出激光；
所述分析终端还从控制和数据采集电路接收其所采集的电信号，并进行SF6分解组分气体浓度的计算。
5.根据权利要求4所述的一种中红外SF6分解组分分析装置，其特征在于，
所述分析装置还包括ADC数据采集板；
所述热电堆发出的电信号是模拟电信号，由ADC数据采集板对该模拟电信号进行采集和模数转换，所得到的数字电信号再由控制和数据采集电路进行采集。
6.根据权利要求5所述的一种中红外SF6分解组分分析装置，其特征在于，
所述分析装置还包括前置放大电路；
所述前置放大电路对ADC数据采集板所采集到的电信号进行放大，放大后的电信号输入至控制和数据采集电路中，再由控制和数据采集电路将全部电信号传输给分析终端。
7.根据权利要求1所述的一种中红外SF6分解组分分析装置，其特征在于，
当使用中红外SF6分解组分分析装置对SF6分解组分气体进行分析之前，对量子级联激光器进行自校准和波长调制；
所述波长调制，使得量子级联激光器发出的激光的波长在目标气体吸收波段周围进行调制；
所述目标气体吸收波段是根据预设的目标气体特征信号选定的波段；其中，所述预设的目标气体特征信号包括：SO2F2气体的特征波长、SOF2气体的特征波长。
8.根据权利要求1所述的一种中红外SF6分解组分分析装置，其特征在于，
所述气体吸收池是赫里奥特池，包括相对布置的左侧球面镜和右侧球面镜，所述左侧球面镜和右侧球面镜之间的距离可调。
9.根据权利要求5所述的一种中红外SF6分解组分分析装置，其特征在于，
所述分析装置还包括气瓶，用于存储SF6分解组分气体；所述分析装置中气瓶采用冗余配置，包括第一气瓶和第二气瓶；
当使用中红外SF6分解组分分析装置对SF6分解组分气体进行分析时，所述SF6分解组分气体自第一气瓶或第二气瓶流出后，经由输气管路，从气体吸收池的进气口流入气体吸收池；
当中红外SF6分解组分分析装置对SF6分解组分气体分析完毕时，气体吸收池的出气口打开，SF6分解组分气体流出气体吸收池。
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