用于SF6气体组分紫外-光声复合检测的反应器与检测方法技术

本发明专利技术公开了用于SF6气体组分紫外

【技术实现步骤摘要】
用于SF6气体组分紫外
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光声复合检测的反应器与检测方法


[0001]本专利技术属于气体检测领域，涉及基于光谱方法的SF6分解组分气体痕量检测，特别涉及用于SF6分解组分气体紫外
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光声复合检测的反应器与方法。

技术介绍

[0002]六氟化硫(SF6)，是无色无味的人工合成气体，具有极强的理化稳定性与自复原特性，作为一种优良的绝缘气体被广泛应用于我国电力工业中，在中高压气体绝缘设备中起到绝缘与灭弧的作用。在电力设备运行中，局部放电、局部过热、电弧等内部故障可能导致SF6发生分解，在微量水分、氧气及固体绝缘介质存在的条件下，SF6可能发生不可逆分解，从而产生SO2、CS2、H2S、SO2F2、SOF2等分解气体，这些组分气体的种类与含量与SF6绝缘设备的故障类型及严重程度密切相关，因此对SF6分解组分的痕量精确检测，可以辅助预测与识别设备内部潜在故障，实现设备状态的在线监测与故障诊断。
[0003]基于分解组分分析(Decomposed Components Analysis,DCA)的SF6气体绝缘装备故障诊断方法具有工程实用潜力，目前主流的DCA化学检测方法包括气相色谱法、电化学法、检测管法等，但均存在检测时间长、易中毒、定量困难、灵敏度低、集成设备庞大等问题，难以有效胜任复杂环境、设备多样、实时迅速、痕量气体的现场设备在线检测需求。由于SF6及其分解组分气体在紫外、可见光和红外波段具有不同程度的光谱吸收特性，因此可以通过光学方法实现定量检测，并形成设备集成。相比于化学检测法，非侵入式的光学方法有着灵敏度高、设备便携、检测速度快等优点，具有很强的在线监测应用潜力。然而，目前各类光谱检测技术存在气体种类局限、灵敏度差与抗干扰能力差等关键问题，例如中国授权专利技术专利CN107389597B提出的光声检测技术需要对每一种组分气体单独配置光源/激光器，文章“Quantitative analysis of SO2,H2S and CS
2 mixed gases based on ultraviolet differential absorption spectrometry”中提出的紫外光谱检测仅能覆盖SO2、H2S和CS2三种组分气体，导致目前单一光谱检测方法还无法满足多种类、高灵敏、抗干扰的组分气体快速检测需求，亟需开展研究以实现其成熟、稳定的组分检测应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于解决目前国内现有技术与设计原理在SF6分解组分气体痕量检测领域检测种类少与检测精度不足的问题，提出一种用于SF6气体组分紫外
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光声复合检测的反应器与检测方法，该方法通过分时复用技术与气体池复合设计，能够有效融合紫外吸收光谱检测和光声光谱检测优势，可以针对SF6五种主要分解产物SO2、H2S、CS2、SOF2、SO2F2实现ppm级别痕量检测，为SF6气体绝缘设备的故障诊断与状态评估提供可靠气体检测信息。
[0005]为了实现前述专利技术目的，本专利技术提供的一种用于SF6气体组分紫外
‑
光声复合检测的反应器与检测方法，包括紫外光源、红外光源、准直镜、气体池、紫外光谱仪、功率计、信号放大器与数据采集器(计算机)，如图1所示。其中，气体池内部包含四片光路对准的反射镜，
一枚内置的石英音叉，以及对角开口的进气口与出气口各一个。
[0006]具体地，用于SF6气体组分紫外
‑
光声复合检测的反应器，包括紫外光源、红外光源、气体池、紫外光谱仪、功率计、石英音叉、信号放大器和数据采集器，
[0007]所述气体池上设置有进气口，所述气体池上设置有两个光入射口，紫外光源和红外光源产生的紫外光和红外光分别经两个光入射口入射气体池中，所述气体池上设置两个光出射口，入射光分别经两个光出射口出射到紫外光谱仪和功率计，其中紫外入射光在气体池内经过四次反射后射入紫外光谱仪中，所述紫外光谱仪与所述功率计分别检测获得紫外光谱与红外光功率信息，之后均通过数据线连接至数据采集器(计算机)。
[0008]石英音叉设置在气体池内且入射气体池内的红外入射光能够穿过石英音叉的叉股间隙后再射入功率计中，所述气体池既提供气体流通的空间，也提供光线传播的空间，同样作为石英音叉的共振腔；
[0009]信号放大器的输入端与石英音叉的信号输出端连接，信号放大器的输出端与数据采集器连接。
[0010]进一步地，还包括准直镜，所述准直镜设置在气体池的光入射口处，红外入射光经准直镜准直后再入射气体池中。
[0011]进一步地，所述紫外光源产生180～400nm波段的紫外光，通过直接入射或者光纤传导(单模光纤)的方式垂直入射气体池中，入射光通过反射镜反射四次，从气体池尾部出射，通过直接入射或者光纤传导(单模光纤)的方式入射到紫外光谱仪中。
[0012]其中，所述反射镜采用紫外高反射率镀膜(Al或Mg)，180～320nm反射率不低于90％。所述紫外光谱仪检测范围覆盖190～320nm波段，分辨率1nm
‑1，能对光谱进行实时采样，积分时间不超过100ms。
[0013]进一步地，所述红外光源为指定波段的红外激光光源与光源控制器和信号发生器的组合，可发出7.463μm和18.116μm波段中红外激光，区别于SF6的主要红外吸收波段(10～17.2μm)，光源的工作温度、功率以及光谱调制深度通过光源控制器调节，光源工作温度稳定在32℃，发射功率控制在5mW，信号发生器为光源电路控制叠加一个频率调制的正弦信号，频率设置为音叉共振频率f0或者其一半1/2f0，入射光经准直镜准直后垂直入射气体池，入射光线穿过内置的石英音叉的叉股间隙，并在气体池末端出射后进入功率计中。其中，所述气体池的底部红外光照射的空间设计作为所述石英音叉的共振腔，红外光入射后可以发生谐振提高所述石英音叉的振动幅度，以提升石英音叉检测的敏感性。
[0014]进一步优选地，所述石英音叉为标准石英音叉，共振频率32.768kHz，品质因数不低于1.0
×
104，尺寸为3.2
×
1.5mm。
[0015]进一步地，所述功率计能够实时检测7～20μm波段中红外激光光强。
[0016]进一步地，所述信号放大器包括前置放大器和锁相放大器，接收音叉振动产生的压电信号放大，通过锁相提取指定频率的电压信号值并输入数据采集器(计算机)中。
[0017]本专利技术还提供基于前述反应器的一种基于时分复用方法的SF6分解组分紫外
‑
光声复合光谱检测方法，包括紫外光谱定量检测、红外光声光谱定量检测，其中：
[0018]对于SF6分解组分气体检测，SO2、CS2与H2S通过紫外吸收光谱法检测，具体步骤为：
[0019]S1、关闭紫外光源与红外光源，气体池中通入SF6，通过紫外光谱仪采集暗光谱数据10次并取平均，记为I
d
；
[0020]S2、打开紫外光源，保持红外光源关闭本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于SF6气体组分紫外
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光声复合检测的反应器，其特征在于，包括紫外光源(1)、红外光源(2)、气体池(5)、紫外光谱仪(10)、功率计(13)、石英音叉(12)、信号放大器(14)和数据采集器(15)，所述气体池(5)上设置有进气口(3)，所述气体池(5)上设置有两个光入射口，紫外光源(1)和红外光源(2)产生的紫外光和红外光分别经两个光入射口入射气体池(5)中，所述气体池(5)上设置两个光出射口，入射光分别经两个光出射口出射到紫外光谱仪(10)和功率计(13)，其中紫外入射光在气体池(5)内经过四次反射后射入紫外光谱仪(10)中；石英音叉(12)设置在气体池(5)内且入射气体池(5)内的红外入射光能够穿过石英音叉(5)的叉股间隙后再射入功率计(13)中，所述气体池(5)既提供气体流通的空间，也提供光线传播的空间，同样作为石英音叉(12)的共振腔；信号放大器(14)的输入端与石英音叉(12)的信号输出端连接，信号放大器(14)的输出端与数据采集器(15)连接。2.根据权利要求1所述的用于SF6气体组分紫外
‑
光声复合检测的反应器，其特征在于，还包括准直镜(11)，所述准直镜(11)设置在气体池(5)的光入射口处，红外入射光经准直镜(11)准直后再入射气体池(5)中。3.根据权利要求1所述的用于SF6气体组分紫外
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光声复合检测的反应器，其特征在于，气体池(5)内设置有多个反射镜。4.根据权利要求1所述的用于SF6气体组分紫外
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光声复合检测的反应器，其特征在于，所述红外光源(2)的开断频率为石英音叉(12)的共振频率或共振频率的一半。5.根据权利要求1所述的用于SF6气体组分紫外
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光声复合检测的反应器，其特征在于，所述紫外光谱仪(10)的检测覆盖190～320nm紫外波段，分辨率不低于1nm
‑1，能对光谱进行实时采样，积分时间不超过100ms。6.根据权利要求1所述的用于SF6气体组分紫外
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光声复合检测的反应器，其特征在于，所述功率计(13)能够实时检测7～20μm波段中红外激光光强。7.根据权利要求1所述的用于SF6气体组分紫外
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光声复合检测的反应器，其特征在于，紫外光源(1)和红外光源(2)产生的紫外光和红外光通过直接入射或者光纤传导的方式入射到气体池(5)中，入射光从气体池(5)尾部出射，通过直接入射或者光纤传导的方式入射到紫外光谱仪(10)和功率计(13)中。8.根据权利要求1所述的用于SF6气体组分紫外
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光声复合检测的反应器，其特征在于，红外光源(1)包括两块并联的中红外激光器，两种红外激光器分别发出7.463μm与18.116μm波段中红外激光。9.一种基于时分复用方法的SF6分解组分紫外
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光声复合光谱检测方法，其特征在于，基于权利要求1
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8任一所述的用于SF6气体组分紫外
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光声复合检测的反应器实现，所述方法包括紫外光谱定量检测、红外光声光谱定量检测，其中，基于紫外光谱法对SO2、H2S、CS2实现定量检测的步骤包括：S1、关闭紫外光源(1)与红外光源(2)，气体池(5)中通入SF6，通过紫外光谱仪(10)采集暗光谱，记为I
d
；S2、打开紫外光源(1)，保持红外光源(2)关闭，在紫外光源强度预热后，气体池(5)中保持通入惰性气体，通过紫外光谱仪(10)采集背景光...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔兆仑，郝艳捧，阳林，李立浧，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：