一种TDLAS检测SF6电气设备中湿度的装置及方法与流程

本发明涉及一种tdlas检测sf6电气设备中湿度的装置及方法，属于sf6电气设备现场检测技术领域。

背景技术：

sf6电气设备中水分主要来源于sf6新气或sf6再生气体中本身含有水分、sf6设备在组装维修检查和充补气过程当中所混入的水分、在组装以及维修检查高压电器设备的时候，可能会把空气当中所包含的水分带入设备的内部中。绝缘材料以及设备当中的吸附剂其本身含有水、分大气中的水分经由sf6电气设备密封薄弱环节而渗透到设备的内部等等，sf6气体含水量比较高的时候，在绝缘材料表面结露的现象便会极易发生，这会致使设备绝缘下降，在严重的时候会发生闪络击穿等事故。且水分含量过高会导致一系列连锁反应，加速设备内部腐蚀。检测sf6电气设备的水分含量十分必要，在ieee标准、国家标准、电力行业标准及企业标准中均要求作湿度定量检测，并规定了标准值，可见其必要性。

现有的检测方法主要为sf6电气设备中的水分监测主要包含露点法、阻容法、电解法和重量法。露点法(冷镜法)是测量气体所含水分的凝露及湿度，也是目前电力行业目前测量湿度的主流方法。露点法也存在一定的不足之处。例如若六氟化硫气体中有少量以蒸汽形式存在的烃类或电弧分解产物，这些物质在水分凝露之前就要凝露，从而影响测量结果。此外，环境温度太高或太低都会影响凝露的结果，严重时甚至不能凝露。阻容法也是目前测量湿度的主流方法。它的不足之处在于不可逆衰减，误差会随使用时间和次数越来越大，且存在受现场电磁干扰问题。电解法现在基本不被使用，这是由于现场测量前，测量系统本身并不干燥，往往有本底值，使测量结果不够精确。重量法则是仲裁方法，但仅适宜于实验室，不能用于现场检测sf6电气设备中湿度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种tdlas检测sf6电气设备中湿度的装置及方法，该方案在激光器驱动电流上叠加低频三角波的同时还叠加一个高频正弦信号实现激光器的波长调制，红外光束经气体吸收后，由光电探测器将光信号转换为电信号，然后进入锁相放大器，经正弦信号的倍频信号解调先得到与被测气体浓度相关的谐波信号，再通过检测谐波信号的大小，从而得到被测气体的浓度，以克服现有技术的不足。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种tdlas检测sf6电气设备中湿度的装置，包括tdlas控制器、电源模块、激光发射端、检测光路系统和接收端，所述的电源模块输出端与tdlas控制器电源接口输入端连接；tdlas控制器分别与激光发射端和接收端连接；检测光路系统在激光发射端和接收端之间。

所述的tdlas控制器包括oem模块、温度控制模块和扩展模块。

所述的激光发射端包括激光器和底座。

所述的检测光路系统为长光程多反腔吸收池或开放光路透镜。

所述的接收端包括光电二极管、放大电路、偏压电路和滤波电路，首先光信号通过光电二极管探测转换为微弱的电信号，然后连接放大电路通过放大电路对电信号进行放大，最后经过滤波电路对其进行滤波。其中偏压电路提高光电二极管的反应灵敏度。

所述的激光发射端和检测光路系统之间设置有准直单元，准直单元为透镜或光纤准直器。

所述的检测光路系统和接收端之间设置有聚焦透镜。

所述的激光发射端、检测光路系统、接收端、准直单元和聚焦透镜在同一直线上。

所述的光纤准直器为蝶形。

其tdlas检测sf6电气设备中湿度的检测方法为：在激光器驱动电流上叠加低频三角波的同时还叠加一个高频正弦信号实现激光器的波长调制，红外光束经气体吸收后，由光电探测器将光信号转换为电信号，然后进入锁相放大器，经正弦信号的倍频信号解调先得到与被测气体浓度相关的谐波信号，再通过检测谐波信号的大小，从而得到被测气体的浓度。

与现有技术对比，本发明有以下技术效果：

其一，不受环境温度限制，任何温度下均可以在现场检测设备中水分含量.

其二，不受其他气体组分的干扰，准确检测sf6电气设备中湿度(水分含量)。

其三，灵敏度高，且不受现场电磁干扰，且光学方法检测不存在不可逆衰减，检测寿命长，适用于现场电气设备中湿度检测。

综上所述，可调谐激光法检测sf6气体中水分完全可以克服现有技术的不足，优势明显。

附图说明

图1为本发明的装置原理图；

图2为tdlas的检测原理图；

图3为h2o红外吸收谱线图；

附图中的标记符号说明：

1、tdlas控制器；2、电源模块；3、激光发射端；4、检测光路系统；5、接收端，6、准直单元，7、聚焦透镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1-3所示，本发明的一种tdlas检测sf6电气设备中湿度的装置，包括tdlas控制器1、电源模块2、激光发射端3、检测光路系统4、接收端5、准直单元6、聚焦透镜7，电源模块2输出端与tdlas控制器1电源接口输入端连接；tdlas控制器1分别与激光发射端3和接收端5连接；检测光路系统4在激光发射端3和接收端5之间；检测光路系统(4)和接收端(5)之间设置有聚焦透镜(7)；激光发射端(3)、检测光路系统(4)、接收端(5)、准直单元(6)和聚焦透镜(7)在同一直线上；光纤准直器为蝶形。

tdlas是tunablediodelaserabsorptionspectroscopy的简称，中文翻译为可调谐二极管激光吸收光谱。可调谐二极管激光吸收光谱(tdlas)技术是利用二极管激光器波长调谐特性，获得目标气体的特征吸收光谱范围内的吸收光谱，从而对目标气体进行定性或者定量分析。tdlas技术的理论基础是lambert·beer定律。

根据lambert·beer定律：

i(v)＝i0(v)exp(-s(t)g(v-v0)nl)(1)

(其中，光强与功率是成正比关系，i(v)为光通过气体后的光强，s(t)为与温度t有关的光强，g(v–v0)为吸收函数，n为气体的分子数浓度，l为样品光程长度，v0为吸收谱线的中心频率。)

其中i0(v)与l是已知的，i(v)是实验平台搭建后用光电二极管测出，需要求的就是n。其中g(v-v0)是系数，通过实验得出，不同的测量环境，系数会有所不同。s(t)对于同一种气体在一定温度下为一常量。根据以上可以算出n，即可得出浓度。

首先需要确定目标气体分析谱线，从而确定系统激光光源的波长。在tdlas技术中，气体分子目标吸收谱线选择一般遵循以下几条原则：

1.选择的吸收谱线必须有足够的线强度，以提高检测灵敏度和信噪比；

2.通过可调谐激光法对光进行调制可以避免其它气体成分对所选择的吸收谱线产生干扰；

3.保证有可靠的激光二极管光源满足吸收谱线检测的需要。

谱线分析依据hitran数据库提供的数据。hitran数据库是由剑桥空气动力研究实验室开发的每年不断更新的高精度迁移分子数据库，它被广泛地应用于痕量气体检测、大气污染物研究等，并为使用lambert-beer定律提供各种参数，比如吸收谱线的线强、位置以及一些加宽系数等。通过这个光谱数据库对h2o气体的红外光谱特性的分析，确定目标气体h2o的最优分析谱线为2460nm，即图3中第2个峰。h2o吸收谱线如图3所示，图中显示为波数。

图1中oem模块为激光发射控制模板，控制激光器的发射部分。其它模板控制接收端放大电路、偏压电路、滤波电路、光电二级管等部分。

一般而言，由于分子结构不同，每种气体只对那些能量与其分子能级相应的光子有吸收作用，在光谱上反映为每种气体的特征吸收光谱。当气体受到红外光束照射时，该气体就要吸收一部分对应其特征波长的光能，使红外光束的光强减小，根据比尔朗伯特定律，通过检测光强的衰减程度就可以获取气体的浓度信息。然而，在中红外区域内，气体对光的吸收比较微弱。因此，从背景噪声中提取微小信号是检测的关键技术。

采用可调谐二极管激光吸收光谱技术(tunablediodelaserabsorptionspectroscopy，tdlas)提高检测灵敏度。系统基本原理如图2所示，在激光器驱动电流上叠加低频三角波的同时还叠加一个高频正弦信号实现激光器的波长调制，红外光束经气体吸收后，由光电探测器将光信号转换为电信号，然后进入锁相放大器，经正弦信号的倍频信号解调就得到与被测气体浓度相关的谐波信号。通过检测谐波信号的大小，实现被测气体浓度的测量。

采用红外调谐半导体激光吸收光谱气体检测方法，结合高灵敏波长调制光谱技术与紧凑型多次反射光学吸收池技术，实现水分含量检测。图1所示为设计原理，主要由光学系统、电子学及数据采集和处理系统。光学系统包括用于h2o光谱检测的近红外dfb半导体激光光源、开放式紧凑型多次反射长光程光学吸收池和参考吸收池，以及光学准直透镜及传输光纤，电子学部分包括激光器温度和电流控制电路、调制信号发生电路、相敏检测电路、光电探测器等组成，半导体激光器经过光纤输出，准直后由入射窗口耦合进光学吸收池，光束在吸收池经过多次反射后经过出射光学窗口出射，出射光束经过参考吸收池后被聚焦在一个光电探测器光敏面上，光电信号送相敏检测电路进行二次谐波检测。数据采集和处理系统对气体吸收的二次谐波信号进行a/d转换和数字采集后经多次累加处理，用以实时反演气体浓度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。