基于組合激光光源的雙組分微量氣體檢測系統(tǒng)

朱文江,余銀輝,李辰溪,安 冉,陳 珂*

(1.中廣核研究院有限公司，深圳 518100；2.大連理工大學(xué) 光電工程與儀器科學(xué)學(xué)院，大連 116024)

引 言

核電廠大型油浸式變壓器是核電廠重要設(shè)備，變壓器能否正常穩(wěn)定運行，直接影響電網(wǎng)和核電廠的正常運行[1]。變壓器在長期運行的過程中會出現(xiàn)老化過熱、異常放電、接觸不良等問題，如不能及時發(fā)現(xiàn)處理將會導(dǎo)致電網(wǎng)事故發(fā)生[2]，因此對變壓器運行狀態(tài)的實時監(jiān)測具有重要意義。目前核電廠及電網(wǎng)中常用的大型變壓器屬于油浸式變壓器，其內(nèi)部絕緣介質(zhì)是液態(tài)的變壓器油以及固體纖維素為主的絕緣物質(zhì)[3]。當(dāng)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)故障時，會導(dǎo)致絕緣材料中的高碳有機分子裂解成小分子烴類氣體[4]。不同的故障類型釋放能量不同，產(chǎn)生的小分子烴類氣體也不同，因此,對變壓器油中小分子烴類氣體的含量檢測已成為監(jiān)測變壓器運行狀態(tài)和判斷潛伏故障類型的最有效手段[5]。在眾多變壓器故障類型中，火花放電和電弧放電故障最為嚴重，產(chǎn)生的特征氣體以C2H2氣體為主[6]。同時，幾乎所有故障類型的特征氣體都包含CH4氣體[2,6]。因此，對變壓器油中溶解的微量CH4和C2H2氣體的含量檢測至關(guān)重要。

目前，對變壓器油中溶解氣體的微量組分檢測方法有氣相色譜法[7];氣敏傳感器法[8]和光聲光譜法[9]。其中，氣相色譜法雖然可以同時檢測多組分氣體，但是色譜柱的定期更換也大大增加了維護成本[7];氣敏傳感器法雖然檢測過程簡單，但在靈敏度、精度和重復(fù)性等指標上存在一定不足，難以滿足現(xiàn)場對多組分微量氣體檢測的要求;相比之下，光聲光譜氣體檢測法憑借其靈敏度高、實時性好和無需載氣等優(yōu)勢[10-11]，正逐步成為大型變壓器設(shè)備油中溶解氣分析(dissolved gas analysis,DGA)的首選技術(shù)方案。光聲光譜氣體檢測技術(shù)通常采用的紅外光源主要有紅外熱輻射光源和激光器，近中紅外光譜區(qū)是大多數(shù)氣體分子的指紋吸收帶，紅外熱輻射光源具有很寬的光譜發(fā)射范圍，覆蓋了大多數(shù)氣體分子的吸收帶，可以通過選擇不同中心波長和帶寬的濾光片檢測多組分氣體[12-13]。但是，由于濾光片的帶寬一般在100nm量級，遠遠大于氣體分子的吸收譜寬，不同分子的吸收譜線重疊在所難免，進而導(dǎo)致交叉干擾影響檢測限度[14]。同時氣體檢測系統(tǒng)中的光學(xué)窗口和池壁吸收紅外寬譜光[15-16]，產(chǎn)生較強的同頻背景信號，使得實際檢測限度很難達到10-6量級。隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，激光光源在光聲光譜氣體檢測系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[17-18]。由于激光具有窄線寬的優(yōu)勢，可以有效地減少氣體分子吸收光譜重疊造成的交叉干擾[19-20];同時利用激光波長可調(diào)諧的特性，結(jié)合二次諧波-波長調(diào)制技術(shù)(2f-wavelength modulation spectroscopy,2f-WMS)可以有效提升光聲信號檢測的信噪比，實現(xiàn)高靈敏度檢測。2008年，YUN等人利用近紅外分布反饋式(distributed feedback,DFB)激光器實現(xiàn)了對變壓器油中的CH4氣體檢測，最低檢測氣體體積分數(shù)為50×10-6[21]。2012年，實現(xiàn)了對微量C2H2氣體的檢測，獲得1×10-6的檢測靈敏度[22]。2017年，MA等人采用石英增強光聲光譜技術(shù)(quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy,QEPAS)結(jié)合摻鉺光纖放大技術(shù)(erbium-doped fiber amplifier,EDFA),實現(xiàn)了對C2H2氣體體積分數(shù)為0.033×10-6的超高靈敏度探測[23]。雖然高Q值石英音叉提高了系統(tǒng)檢測靈敏度，但該方法易受環(huán)境干擾導(dǎo)致共振頻率漂移，使其現(xiàn)場應(yīng)用的穩(wěn)定性和精度難以保證。2018年，大連理工大學(xué)CHEN等人利用共振式光聲池，結(jié)合EDFA技術(shù)和2f-WMS技術(shù)，實現(xiàn)對痕量C2H2氣體的檢測，檢測極限達0.37 ×10-9[24]。共振式光聲池的高靈敏度是以較大采氣量為代價實現(xiàn)的，針對變壓器DGA在線分析現(xiàn)場氣樣量小的情況，2019年，該課題組利用小型非共振式光聲池，采用DFB激光器與熱紅外光源配合濾光片的方法，實現(xiàn)對C2H2氣體和CH4氣體的同時檢測，檢測靈敏度分別為0.027×10-6和0.024×10-6[13]。

本文中基于紅外光聲光譜氣體檢測技術(shù)，通過分析CH4和C2H2分子在近紅外波段的吸收譜線，設(shè)計了一套雙激光光源搭配非共振光聲池的CH4和C2H2氣體檢測系統(tǒng)，結(jié)合2f-WMS技術(shù)，實現(xiàn)了對微量CH4和C2H2氣體的高靈敏度檢測。

1 光聲光譜氣體檢測技術(shù)原理

光聲光譜氣體檢測技術(shù)是通過探測氣體吸收光能產(chǎn)生的聲波大小進而獲得待測氣體體積分數(shù)的技術(shù)。在光聲池中充滿待測氣體，處于基態(tài)的氣體分子對特定波長的光能選擇性吸收并躍遷到激發(fā)態(tài)，通過無輻射弛豫的方式釋放熱能，導(dǎo)致光聲池中的氣體膨脹，產(chǎn)生聲波。當(dāng)入射光被周期性信號調(diào)制時，光聲池中將產(chǎn)生同頻聲波[25]。根據(jù)Lambert-Beer定律，聲波的大小和光聲池中待測氣體的體積分數(shù)呈線性。通過微音器檢測光聲信號Y可以反解待測氣體體積分數(shù)，檢測到的光聲信號可以表示為：

Y=sPFφα(ν)

(1)

式中，s為微音器的靈敏度;P為入射光功率;F為光聲池池常數(shù)，和光聲池的結(jié)構(gòu)和材料有關(guān);φ為待測氣體的體積分數(shù);α(ν)為該氣體對波長為ν的光的吸收系數(shù)。

2 光聲系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 激光譜線的選擇

變壓器油中溶解氣以小分子烴類為主，具有相同的官能團，導(dǎo)致吸收譜線重疊密集，檢測過程中產(chǎn)生交叉干擾。利用激光光譜線寬窄的優(yōu)勢，使用目標氣體的單一吸收譜線，可以大大減小檢測過程中的吸收干擾。與其它變壓器油中溶解氣相比，CH4和C2H2兩種氣體在近紅外波段存在較強的吸收峰，非常適合用近紅外激光器作為激發(fā)光源。根據(jù)Hitran數(shù)據(jù)庫，繪制出這兩種氣體體積分數(shù)為1×10-6下近紅外波段的吸收系數(shù)，如圖1所示?？紤]到空氣中存在較高含量的水氣和CO2，將這兩種氣體體積分數(shù)分別為5000×10-6和1000×10-6下的該波段的吸收系數(shù)也繪制在內(nèi)。

Fig.1 CH4, C2H2 gases infrared absorption coefficienta—CH4 b—C2H2

氣體吸收譜線的選取原則應(yīng)是優(yōu)先選取吸收系數(shù)較高的吸收譜線，并且該波長處干擾氣體的吸收系數(shù)盡可能小。由圖1可以看出，C2H2氣體在波長1531.58nm處吸收最強，CH4氣體在波長1650.96nm處吸收系數(shù)最強，同時，在這兩處水氣和CO2氣體吸收干擾也較小。因此，將用于檢測CH4和C2H2氣體的兩個DFB激光器的中心波長分別設(shè)置為1531.58nm和1650.96nm。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

基于組合激光光源的雙組分微量氣體檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。兩個DFB激光器作為光聲激發(fā)光源，DFB激光器被一個直流偏置信號和一個正弦波的組合信號調(diào)制，以產(chǎn)生二次諧波光聲信號，其頻率是激光器正弦調(diào)制信號的2倍。激光器驅(qū)動電路如圖3所示，主要由功率放大電路和恒溫控制電路組成。功率放大電路用于驅(qū)動激光二極管發(fā)射激光；恒溫控制電路對激光二極管的溫度進行控制，用于對激光二極管進行散熱并穩(wěn)定激光波長。由于激光器的波長還可以通過電流進行調(diào)節(jié)，通過改變激光偏置電流的大小，使兩個激光器的中心波長分別設(shè)置為1531.58nm和1650.96nm，輸出光通過一個1×2光開關(guān)耦合進一根單模光纖，分時傳輸?shù)綔手逼?，?jīng)準直入射到光聲池中。

Fig.2 Schematic diagram of the structure of a two-component trace gas detection system based on a combined laser light source

Fig.3 Physical picture of dual laser drive circuit

光聲池選用非共振式光聲池，具有體積小和采氣量小的優(yōu)勢，非常適合變壓器油中溶解氣分析中脫氣量小的情況，光聲池實物圖如圖4所示。光聲池材料為黃銅，內(nèi)徑為10mm，長度為30mm，氣室總體積為2.4mL。非共振光聲池內(nèi)部聲場分布均勻，利用高靈敏度電容式微音器提取激發(fā)的光聲信號并轉(zhuǎn)換成電信號。利用信號處理單元對信號進行弱信號放大、濾波等前置處理，信號處理單元由信號發(fā)生器(signal ge-nerator,SG)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(digital to analog converter,DAC)、數(shù)字信號發(fā)生器(direct digital synthesis，DDS)、放大濾波器(amplifier & filter)和鎖相放大器(lock-inamplifier)5個部分構(gòu)成。再由現(xiàn)場可編程門陣列(field-programmable gate array,FPGA)數(shù)字鎖相放大器提取與2f-WMS信號同頻的信號，提高系統(tǒng)的信噪比，基于FPGA的信號處理單元如圖5所示。最后，將光聲信號檢測值發(fā)送給工控機，經(jīng)LabVIEW軟件對信號進行處理獲取氣體含量信息。

Fig.4 Physical image of non-resonant photoacoustic cell

Fig.5 Physical image of signal processing unit based on FPGA

3 實驗結(jié)果與分析

為了驗證組合激光光源的雙組分微量氣體檢測系統(tǒng)的性能指標，搭建一套性能測試系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。利用兩個質(zhì)量流量控制器(七星華創(chuàng)，CS200)將氣體體積分數(shù)為1000×10-6的CH4和500×10-6的C2H2混合氣體和高純氮氣以特定比例混合。分別配置出CH4/C2H2體積分數(shù)為1000×10-6/500×10-6，500×10-6/200×10-6，250×10-6/100×10-6，100×10-6/50×10-6，50×10-6/10×10-6的混合氣，將不同體積分數(shù)的混合氣按照由小到大順序依次通入光聲池，通過DFB激光器的波長掃描對CH4和C2H2氣體吸收線附近的2f-WMS信號進行探測。檢測過程中通過控制關(guān)閉光聲池以避免環(huán)境噪音和氣體流動對檢測過程造成的干擾。

Fig.6 Schematic diagram of the performance test system structure of the dual laser photoacoustic spectroscopy gas detection system

通過設(shè)置兩個激光器的偏置電流的掃描范圍，使檢測CH4氣體的DFB激光器輸出電流從102.0mA～109.0mA,該電流范圍覆蓋CH4氣體的吸收譜線1650.90nm，檢測C2H2氣體的DFB激光器輸出電流從98.0mA～114.0mA，該電流范圍覆蓋C2H2氣體的吸收譜線1531.58nm。兩個激光器的工作溫度穩(wěn)定在25℃，鎖相放大器的積分時間設(shè)置為1s。利用三級小波分解技術(shù)對光譜信號進行降噪處理[24]，得到的不同體積分數(shù)的CH4和C2H2氣體的光聲2f-WMS信號分別如圖7a和圖7b所示。其中2f-WMS信號峰值處對應(yīng)的波長即為DFB激光器的中心波長，此時檢測CH4氣體的DFB激光器偏置電流為105.5mA，檢測C2H2氣體的激光器偏置電流為105.6mA。為了驗證光聲信號與氣體體積分數(shù)的線性關(guān)系和系統(tǒng)檢測范圍，選取由低到高的5種不同體積分數(shù)CH4氣體/C2H2氣體進行檢測，通過尋峰算法選取2f-WMS信號的峰值作為光聲信號檢測值進行線性擬合[20]，結(jié)果如圖8a和圖8b所示。由圖8可以看出，CH4和C2H2氣體分別在體積分數(shù)為0～1000×10-6和0～500×10-6的范圍內(nèi)具有良好的線性響應(yīng)，每10-6體積分數(shù)的檢測響應(yīng)度分別為16.1831μV和5.8969μV。該系統(tǒng)檢測范圍超過DL/T1498《變電設(shè)備在線監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范》[26]中規(guī)定的變壓器油中溶解CH4氣體和C2H2氣體的最高體積分數(shù)(分別為600×10-6和200×10-6)，滿足現(xiàn)場檢測需求。

Fig.7 a—second harmonic signal of different volume fraction of CH4 b—second harmonic signal of different volume fraction of C2H2

為了進一步測試系統(tǒng)的檢測下限，根據(jù)DL/T 1498《變電設(shè)備在線監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范》測量誤差技術(shù)指標，選取體積分數(shù)為3.00×10-6/0.50×10-6的CH4/C2H2混合氣體進行精度和重復(fù)性檢測，重復(fù)測試5次，測試結(jié)果如表1所示。對體積分數(shù)為3.00×10-6的CH4氣體進行5次檢測的平均值為3.00×10-6，顯示的最高值為3.30×10-6，最低值為2.70×10-6，最大絕對誤差為0.30×10-6。對體積分數(shù)為0.50×10-6的C2H2氣體進行5次檢測的平均值為0.64×10-6，顯示的最高值為0.70×10-6，最低值為0.60×10-6，最大絕對誤差為0.20×10-6。因此，該實驗結(jié)果確定了系統(tǒng)對CH4和C2H2的檢測下限分別達到3.00×10-6和0.50×10-6。

Fig.8 Linearity fitting of measured values of photoacoustic signals at different volume fractiona—CH4 b—C2H2

Table 1 Low concentration repeatability and error test

4 結(jié) 論

針對于變壓器故障特征氣體中微量CH4和C2H2氣體含量檢測的需求，本文中分析了CH4和C2H2氣體在近紅外波段的吸收譜線，確定了CH4和C2H2氣體吸收譜線的中心波長分別為1650.90nm和1531.58nm。設(shè)計了基于組合激光光源的雙組分微量氣體檢測系統(tǒng)，利用時分復(fù)用技術(shù)將兩個激光器輸出的不同波段的激光耦合進入非共振光聲池來激發(fā)光聲信號。光聲信號的探測采用2f-WMS技術(shù)進行探測，結(jié)合三級小波分解去噪技術(shù)實現(xiàn)了對CH4和C2H2氣體的高靈敏度檢測。通過搭建測試系統(tǒng)，對CH4和C2H2的混合氣體進行了測試。實驗結(jié)果表明，CH4和C2H2氣體分別在0～1000×10-6和0～500×10-6的體積分數(shù)范圍內(nèi)具有良好的線性響應(yīng)。用低含量CH4/C2H2混合氣體對系統(tǒng)進行重復(fù)性和精度檢測，體積分數(shù)為3.00×10-6的CH4氣體檢測最大絕對誤差為0.30×10-6，體積分數(shù)為0.50×10-6的C2H2氣體檢測最大絕對誤差為0.20×10-6。

本系統(tǒng)相比于色譜法等傳統(tǒng)油中溶解氣檢測法具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單和無需載氣等優(yōu)勢，為變壓器油中溶解氣體中的微量CH4和C2H2氣體的檢測提供了一種較好的技術(shù)方案。