利用TDLAS技术检测SF6高压开关中的HF气体

Using TDLAS Technology to Detect HF Gas in SF6 lIi -voltage SwitchesYAO Qiang ，YUAN ZI-Ill ，LI Xin-tian ，MIAO Yu-long，QIU Ni(1.Chongqing Electric Power Corp Electric Power Research Institute，Chongqing 401123，China；2.Henan Relations Co.，Ltd，Zhengzhou 450001，China)Abstract：This paper described the instrument，which is based on TDLAS technology to detect HF gas concentrations that is inthe SF6 high-voltage switches.It used the current tuning methods，lock-in amplifer to extract the waveform and the introduction ofthree optical paths automatic calibration technique to avoid error caused by deflection of the optical path and light intensity atenua-tion，greatly improving the stability，reliability and measurement accuracy of the instrument。

Key words：TDLAS technology；HF gas；current tuning；automatic calibration1 TDLAS检测原理TDLAS是可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable DiodeLaser Absorption Spectroscopy)的简称，通常又称可调谐半导体激光吸收光谱技术。与传统红外光谱技术相比，它同样是基于朗伯 -比尔(Beer-Lambert)定律：，(V)10e (1)式中：，为透射光强度；，n为入射光强； 为气体吸收线强度；C为气体浓度江 为光程长。

为了更好的提高TDLAS检测技术的检测灵敏度，采用波长调制光谱技术及谐波检测技术。

选择用高频正弦波作为载波，对 的调谐激光频率的锯齿波电流进行调制，将检测频率移到噪声较低的高频处，这样可以有效地抑制外部干扰和低频噪声，从而可以实现较高的检测灵敏度。这样得到的激光发射频率为： COS(2 ) (2)式中：口为激光瞬时频率； 。为激光中心频率；盯。为调制幅度；，为正弦波频率；f为时间。

将式(1)带入式(2)并按照傅里叶级数展开，得到：，(7)0)∑A ( 。cos(以 ) (3)在理想情况下，，n与 是无关的，即没有振幅调制，当吸收度很小时n次谐波信号的幅值为：U0) f- c。s(2 )]cL·c。s( )d(2 )(4)收稿 日期：2012-12-25将 4 ( )按照泰勒级数展开，得到4 Vo)丁IocL2I ：。 (5)由公式可以看出，n次谐波幅值与初始入射光强、光程 、的n次倒数以及吸收物质的浓度c成正比。提取二次谐波作为测量量。令 n：2，则有 cLr，2。 (6)因此只要测得二次谐波信号与代表光强 ，n的直流分量，便可得到待测气体的浓度：- r7、- 、碰 式中值可以通过标定得到。

2 谱线选择TDLAS气体分析技术的特点是所采用的半导体激光光源的光谱宽度远小于气体吸收谱线的展宽，即单色性非常好。因此采用DFB激光器的TDLAS技术具有非常高的光谱分辨率，可以针对被测气体吸收谱的某-特定谱线进行分析，-般选取在该谱线范围内，没有其他气体的吸收峰，并且吸收强度相对较高的谱线作为测量吸收谱线。虽然HF气体在中红外区域有很强的吸收峰，但是存在其他气体或者水分子吸收谱线的重叠干扰问题 ，而在近红外区域，虽然吸收强度没有中红外强，但是吸收峰非常干净，没有其他干扰吸收峰的存在；从美国空军研究的红外吸收应用的HTRAN数据库可以得到 HF的强度谱线 ，如图1所示。由图 1可以看 出，HF气体在近红外波段，1 278 nm附近的吸收峰强度最大，因此选择近红外1 278 nm作为 HF气体的测量中心波长。

第 5期 姚强等 ：利用 TDLAS技术检测 SF6高压开关中的HF气体 719.008.0O- 7.OO6.002.OOl O001 250 1 260 1 270 1 280 l 290 1 300 1 310 1 320波长/rim图1 I-IF在近红外区域的强度谱3 光路设计光程池在整个系统中起到非常重要的作用：被检气体需要从光程池中通过；激光需要从光程池中透过。所以光程池的设计要综合考虑光学、机械、气路等综合因素。激光器发出的激光，经过光纤传输后，如果直接射入光程池，出射光线会有较大的-个出射角。经过试验 ，在光程为 1 m情况下，出射光斑达到直径约 30 mm左右。由于光斑过大，如果入射光不经过处理，在光程池传输过程中必然会造成功率的损失。并且光纤采用斜端面插针耦合，再经过准直器，可显著提高光纤准直器的回波损耗。经过特殊定制准直器后，能缩小出射光斑直径，可达到3 mm左右。由于 HF气体具有极强的腐蚀性，所以不能使用玻璃作为气室的窗片。而蓝宝石(Sapphire)不会被 HF气体腐蚀，所以最终选择蓝宝石材质的透光窗片。由于气室在检测过程中，会更多的接触 HF气体，所以必须选用抗腐蚀材质。

经过多方比较，最终选择M400蒙乃尔合金管作为气室材质。

根据比尔朗伯特定律，在吸收峰上光强的吸收比与气体浓度、光程长度成正比。在-定程度上，适当的加长光程有理由提高仪表的分辨率。而气室长度过长，无论是使用还是携带都会造成不便。因此，选择多次反射的方法来加长光程。其原理是基于不同介质之间的全反射或平面反射 ，利用弧面镜或者平面镜使待测激光在光程池两端多次反射，继而使透射光线在气室内有效光程成倍增加。此处选用角锥棱镜，角锥棱镜又名回归反射器是-种依据临界角原理制造的内部全反射棱镜，它不受入射角度大小的影响，把入射光反射180。。也就是说，对于任-条进入通光孔径的人射光线 ，都将被高效地按原方向反射回去。

光路设计是所介绍仪表的核心部分 ，光路的稳定性直接影响到测量的准确性和稳定性，因此经过多次试验和论证，最终的仪表光路设计 由图2所示。图中激光驱动电路发出锯齿波叠加正弦波的电流信号，继而驱动蝶形激光器，发出中心波长为1 278 nm的红外激光，通过分束器，成比例分成三路光，-路光作为标准参比光进入参比气池，参比气池中封装了固定浓度的 HF气体，由于封装好的 HF气体浓度不变，因此该光路用于自动校准吸收峰位置和背景曲线扣除；而 3#光路则是直接通过接收器进入信号采集处理单元，该光路用于自动零点校准；核心光路即为2挣测量光路。激光分束器分出的2#激光，通过光纤耦合到准直器的焦点安装位置。激光通过准直器进入光程池，光程池中通入的即为要测量的HF气体，激光通过光程池另- 侧，反转 180。，平移后按照与入射光平行的路线返回，打在抛物面反射镜上聚焦，而后由接收器接收转换成电信号送至信号采集处理电路。整个测量光路的设计考虑到，将准直器 ，抛物面反射器以及 2#接收器固定在同-光路固定架上，防止震动引起误差，而角锥棱镜只需固定其垂直面，因为只要垂直面固定后，无论角锥棱镜如何转动，光路均不会发生偏转。

图2 光路设计4 系统设计激光二极管的调谐，可以是电流调谐也可以是温度调谐，但电流调谐的响应速度快 ，控制精度高，稳定性好，因此采用电流调谐，DFB激光器的波长变化温度非常敏感，温度每变化 1℃波长会变化 0.1 nm，而整个吸收峰的宽度也不会超过 0.5 nm，所以激光器驱动温度控制显得尤为重要，这就要对激光器的恒温工作提出严格要求。图3所示为系统框图，其中激光二极管温度控 制采 用 的是反 馈温 度控 制，控制 精度 可 以达 到 <0.001oC.谐波检测需要产生变化缓慢但幅值较大的锯齿波和图 3 系统框图频率较高但幅值较小正弦波。以数字系统控制 D/A产生锯齿波进行推算：假设扫频速率为f，D/A分辨率为 位，则 D/A转换速率.厂满足关系：fk×2以扫频速率为5 Hz，D/A分辨率为 16位为例，完全插补的情况下，D/A转换速率 需要达到 320 kHz，AD5624R属于 nan。

oDACR系列，分别是低功耗、四通道、12/14/16位缓冲电压输出数模转换器(DAC)，采用 2.7～5.5 V单电源供电，通过设计保证单调性。该器件均内置 1个片内基，1个 1.25 V、5 ppm/C基准电压源，满量程输出范围可达到 2.5 V，它内置片内精密输出放大器，能够实现轨到轨输出摆幅，完全可以满足实现锯齿波形的要求。

以正弦波信号为20 kHz，D/A分辨率为16位为例，完全插补情况下，D/A转换速率/需要达到 1.28 GHz.如此高的转换速率，普通D/A基本无法完成，需要使用专用D/A或者DDS芯片。 (下转第90页)Instrument Technique and Sensor表2 变压器氢气含量的拟合和预测结果注 ：1ppm：10-由表 2可见由支持最小二乘支持向量机回归模型预测 的氢气含量数据 与其实测值 比较相对误差小，满足现场工程要求。这也说明了支持向量机回归模型预在油中溶解气体浓度预测中，具有很好的应用前景。

皇倒0数据编号图2 数据拟合及预测4 结束语文中从应用的角度论述了支持向量机回归模型在数据预测系统中应用的原理和方法，并在 Matlab环境下进行了仿真试验，将基于改进最小二乘支持向量机回归模型用于对变压器油中溶解气体浓度的预测。试验结果表明，改进最小二乘支持向量机回归模型预测性不仅考虑了气体问相互作用，而日有效的利用 LS-SVM解决有限个样本问题的优越性，拟合精度高，预测结果准确 ，提高了预测效率。预测值 与实际值相对误差均低于5%，符合客观实际规律。有助于变压器运行状态预测及故障诊断。