光子学报  2019, Vol. 48 Issue (10): 1030004  DOI: 10.3788/gzxb20194810.1030004
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引用本文  

唐峰, 刘顺桂, 吕启深, 等. 基于量子级联激光的大区域SF6泄露实时检测[J]. 光子学报, 2019, 48(10): 1030004. DOI: 10.3788/gzxb20194810.1030004.
TANG Feng, LIU Shun-gui, Lü Qi-shen, et al. Real-time Detection of SF6 Leakage in Large Area Based on Quantum Cascade Laser[J]. Acta Photonica Sinica, 2019, 48(10): 1030004. DOI: 10.3788/gzxb20194810.1030004.

基金项目

中国南方电网重大科技项目(No.090000KK52170140)

第一作者

唐峰(1969-), 男, 高级工程师, 博士, 主要研究方向为电网技术监督.Email:tangfeng@sz.csg.cn

通讯作者

曾晓哲(1986-), 男, 工程师, 硕士, 主要研究方向为仪器仪表传感器及高压绝缘气体化学.Email:zengxiaozhe9@126.com

文章历史

收稿日期:2019-06-10
录用日期:2019-07-09
基于量子级联激光的大区域SF6泄露实时检测
唐峰1 , 刘顺桂1 , 吕启深1 , 李新田2 , 赫树开2 , 曾晓哲2 , 徐歌2 , 岳运奇2     
(1 深圳供电局有限公司, 广东 深圳 518000)
(2 河南省日立信股份有限公司, 郑州 450001)
摘要:采用量子级联激光器的可调谐半导体激光吸收光谱技术及可移动开放式光路系统在线检测泄露区域的SF6气体.光路系统位于高压组合电器间隔周围,与传感系统通过非接触组合.中红外激光器的工作温度在10℃且注入电流为680 mA时发射频率范围可覆盖SF6气体的选择波长.通过对大区域实验舱的内环境进行多次抽取分离,得到二次谐波吸收的精确背景吸收,利用10.55 μm的可调谐激光传感系统对泄露扩散平衡后的SF6气体进行测量,扣减背景吸收后得到泄露SF6气体的二次谐波吸收光谱.研究结果表明:14.3 m的开放式光路下,气相色谱-热导率检测器溯源校准数据与可调谐半导体激光吸收光谱技术检测一致性良好,最大偏差为2.26%,二次谐波最大信号幅值与测量浓度具有较高拟合度,拟合系数为0.998,SF6体积浓度的检测下限为1.8×10-6.该研究可为SF6气体泄露提供一种全新的检测方法,从而实现高压组合电器大区域环境下SF6气体实时在线监测.
关键词吸收光谱    SF6泄露检测    可调谐半导体激光吸收光谱    量子级联激光器    气体绝缘封闭开关设备    开放式光路    
中图分类号:TM83      文献标识码:A      
Real-time Detection of SF6 Leakage in Large Area Based on Quantum Cascade Laser
TANG Feng1 , LIU Shun-gui1 , Lü Qi-shen1 , LI Xin-tian2 , HE Shu-kai2 , ZENG Xiao-zhe2 , XU Ge2 , YUE Yun-qi2     
(1 Shenzhen Power Supply Co., Ltd., Shenzhen, Guangdong 518000, China)
(2 Henan Relations Co., Ltd., Zhengzhou 450001, China)
Foundation item: China Southern Power Grid Major Science and Technology Project (No. 090000KK52170140)
Abstract: A tunable diode laser absorption spectroscopy technique using quantum cascade lasers and a movable open optical path system are proposed to realize on-line detection of SF6 gas in the leakage region. The optical path system is located around the interval of high-voltage combined appliances, and through the non-contact combination with the sensing system. The emission frequency range of the mid-infrared laser with injection current of 680 mA can cover the selected wavelength of SF6 gas at work temperature of 10℃. The precise background absorption of the second harmonic absorption is obtained by extracting and separating the internal environment of the large area laboratory module for several times. The leaked SF6 gas after diffusion equilibrium is measured by using the tunable laser sensor system with 10.55 μm. After subtracting the background absorption, the second harmonic absorption spectrum of the leaked SF6 gas was obtained. Research results show that under the open light path of 14.3 m, gas chromatography-thermal conductivity detector traceability of calibration data with tunable diode laser absorption spectroscopy technology testing consistency is well, the maximum deviation is 2.26%. The second harmonic signal amplitude and largest measuring concentration have a high fitting degree with fitting coefficient of 0.998, and SF6 volume concentration of the detection limit is 1.8×10-6. The study can provide a new detection method for SF6 gas leakage, so as to realize real-time online monitoring of SF6 gas under large area environment of high voltage combined appliances.
Key words: Absorption spectrum    SF6 leakage detection    Tunable diode laser absorption spectroscopy    Quantum cascade laser    Gas insulated switchgear    Open optical path    
OCIS Codes: 300.6360; 130.6010; 230.0230; 280.3420
0 引言

六氟化硫(SF6)气体作为超共价结构分子,具有很强电负性,一方面容易与自由电子结合而形成负离子,降低周围空间自由电子数量,另一方面负离子容易与电弧放电过程产生的正离子结合形成电中性微粒,降低带电粒子存在,因而具有优异的绝缘和灭弧性能,被广泛应用在全封闭气体绝缘开关设备(Gas Insulated Switchgear, GIS)上[1-2].SF6气体的全球变暖潜值(Global Warming Potential, GWP)是CO2的22 800倍,作为温室气体被禁止排放[3].虽然国内外研究人员围绕新型环保绝缘气体2, 3, 3, 3-4氟-2-(3氟甲基)-丙腈(4 710)及1, 1, 1, 3, 4, 4, 4-7氟-3-(3氟甲基)-2-丁酮(5110)的绝缘性能及分解特性已做了大量的研究工作[4-6],但目前规模化替代SF6气体应用的时间尚未可知,从技术及经济角度考虑仍无法与SF6气体媲美,SF6气体依然是地下管廊GIS的首选绝缘介质.GB/T 8905-2012规定“工作环境中SF6气体体积分数应小于1 000 μL/L,GIS气室泄露量应小于1%”[7].GIS出现焊接故障及法兰密封圈老化变形等因素,会导致SF6气体在放电及热分解等情况下产生的HF、H2S及SO2F2等有毒分解产物泄露到大区域环境中,不仅威胁运维人员的生命安全,导致人员窒息、冻伤、中毒等事故发生,也会影响高压组合电器的绝缘性能,还会带来潜在的环境问题[8-9].因此,实施GIS间隔大区域环境下泄露SF6气体的在线实时监测,对于确保工作人员健康安全、设备故障隐患排查及气体泄露预警回收系统的精准安装布控意义重大.

针对痕量气体的检测,国内外大多采用红外光谱检测技术,如可调谐激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectrum, TDLAS)技术及石英增强型光声光谱(Quartz Enhanced Photoacoustic Spectrum, QEPAS)技术等已广泛应用于电力、环境等领域.TDLAS技术利用半导体激光器的窄线宽和波长随注入电流改变的特性实现对分子的单个吸收线进行测量,具有较高分辨率和灵敏度[10].一直以来0.75~2.5 μm波段的近红外分布反馈(Distributed Feedback,DFB)激光器在痕量气体检测应用中占主导地位,与近红外DFB激光器相比,量子级联激光器(Quantum Cascade Lasers, QCL)具有输出功率密度及灵敏度高、体积小、寿命长等优势,其结合中红外光谱技术为气体检测提供一种新的可能[11].JIMENEZ R等[12]采用9.6 μm的分布式QCL成功实现了对臭氧浓度的检测.SANCHEZ P等[13]利用7.73 μm连续波QCL同时实现对大气环境中的N2O、CH4及H2O的痕量检测,探测灵敏度达ppb级.KOEHRING L等[14]利用5.26 μm的QCL探测了生物样本中释放的NO气体.国内中科院安徽光机所与吉林大学等也采用QCL进行了系列研究.蔺百杨等[15]采用4.76 μm的QCL作为光源,研制了CO传感检测系统;周超等[16]采用单个QCL实现了对大气多组分气体NO、CO及H2O的同时测量;周胜等[17]首次采用5.2 μm可调谐QCL建立了痕量水汽的检测装置.QEPAS技术自2002年提出至今也不断被用于痕量气体检测.美国莱斯大学LEWICKI R等[18]采用高功率连续波DFB-QCL利用QEPAS技术实现了N2O及CO气体痕量检测;佟瑶等[19]从增强声耦合效率、提高激光功率及实际应用角度出发对比了结构的探测性能.虽然QEPAS系统更有针对性,不受背景光和其它本底吸收干扰,但光声信号微弱,结构较TDLAS复杂.

目前针对SF6气体的检测方法主要包括气相色谱-热导率检测器(Gas Chromatography-Thermal Conductivity Detector,GC-TCD)法[8]、激光成像法[20]及非分散性红外线技术(Non-Dispersive Infrared,NDIR)[21].其中GC-TCD法检测精度高,但适合实验室离线检测,激光成像法易于受到外界环境的影响,难以精确测量;便携式NDIR传感器灵敏度高,但检测范围小,分布检测误差大.本文利用TDLAS技术原理,采用10.55 μm QCL光源,结合开放式长光路结构,实现在中红外波段对智能实验舱泄露SF6气体的在线测量,为高压组合电器SF6气体泄露的检测提供一种新颖的检测方法,可为GIS地下变电站SF6气体泄漏预警回收状态提供数据支撑,从而保证SF6电气设备的安全经济运行.

1 基于QCL的SF6检测系统原理

TDLAS技术采用QCL光源实现对大区域SF6泄露的检测,可改变温度及注入电流调制激光器的输出波长,覆盖待测气体的特征吸收谱线,同时结合谐波检测技术实现对SF6气体的痕量检测.检测系统的理论基础是朗伯-比尔定律,即

$ I\left( v \right) = {I_0}\left( v \right)\exp \left[ { - \sigma \left( v \right)CL} \right] = {I_0}\left( v \right)\exp \left[ { - A\left( v \right)} \right] $ (1)

式中,I(v)和I0(v)分别为透射光强与入射光强,σ(v)为频率v处的吸收截面,C为待测气体的浓度,L为有效测量光程长度,A(v)为吸光强度.

气体分子在不同压力条件下的线型有三种,即洛伦兹(Lorentz)线型、高斯(Gauss)线型和福格特(Voigt)线型,在常温常压条件下Lorentz线型占主导.气体吸收截面σ(v)与单个分子谱线的积分吸收线强S(T)(cm-2/ atm)与线型函数Γ(v)的关系为

$ \sigma \left( v \right) = S\left( T \right) \times \mathit{\Gamma }\left( v \right) $ (2)

由于朗伯-比尔定律计算时单位的差异,由HITRAN数据库查询得到气体的吸收线强S′单位为cm-1/molecule·cm-2,可通过公式转换[10],即

$ S\left( {{\rm{c}}{{\rm{m}}^{ - 2}}/{\rm{atm}}} \right) = \frac{{7.4 \times {{10}^{21}}\left( {{\rm{molecule}} \cdot {\rm{c}}{{\rm{m}}^{ - 3}} \cdot k/{\rm{atm}}} \right)S'\left( {{\rm{c}}{{\rm{m}}^{ - 1}}/{\rm{molecule}} \cdot {\rm{c}}{{\rm{m}}^{ - 2}}} \right)}}{{T\left( K \right)}} $ (3)

Γ(v)(cm)为积分面积归一化的吸收线型函数,即

$ \int {\mathit{\Gamma }\left( v \right){\rm{d}}v} = 1 $ (4)

当Lorentz线型占主导时,有

$ \mathit{\Gamma }{\left( v \right)_{\rm{c}}} = \frac{1}{{\rm{ \mathsf{ π} }}}\left[ {\frac{{\Delta {v_{\rm{c}}}}}{{{{\left( {v - {v_{\rm{c}}}} \right)}^2} + \Delta v_{\rm{c}}^2}}} \right] $ (5)

式中,Δvc为温度为T时的洛伦兹半宽,它与压力展宽系数γ(cm-1atm-1)的关系为

$ \Delta {v_{\rm{c}}}\left( T \right) = \gamma {T_0}{\left( {\frac{{{T_0}}}{T}} \right)^n}P $ (6)

式中,T0为参考温度,温度系数nγ的取值由HITRAN数据库得到.

TDLAS测量时,一般以体积比浓度X表示,与摩尔浓度C的关系为

$ C = PXN $ (7)

式中,P(atm)为气体压强,N为气体池中所有气体的总分子数密度,由式(2)~(7)可知

$ X = \frac{{A(\nu )}}{{S(T) \cdot \mathit{\Gamma }(v) \cdot P \cdot N \cdot L}} $ (8)

一定温度下的S(T)由HITRAN获知,若测得气体分子的吸光度A(v),压力P及气体分子密度N即可反演得到直接吸收气体体积浓度X.

波长调制技术与谐波检测技术相结合,可大幅降低低频噪音干扰,提高检测灵敏度.加载低频锯齿波和锁相放大器加载高频正弦波对激光进行驱动调制,得到激光的发射频率v

$ v = {v_0} + {\sigma _{\rm{v}}}\cos 2{\rm{ \mathsf{ π} }}ft $ (9)

式中,v0为中心频率,f为调制频率,t为调制时间,σν为调制信号幅值.对式(9)进行傅里叶级数展开,可以得到

$ I\left( v \right) = I\left( {{v_0},t} \right) = \sum\limits_{n = 0}^\infty {{A_n}} \left( {{v_0}} \right)\cos \left( {n2{\rm{ \mathsf{ π} }}ft} \right) $ (10)

式中,An(v0)为激光器透射光的n次余弦傅里叶级数展开系数,吸收后衰减光信号由探测器接收经过锁相放大后得到二次谐波幅值表达式

$ {A_2}\left( {{v_0}} \right) = \frac{{{I_0}CL}}{4}\sigma _v^2\frac{{{{\rm{d}}^2}\sigma \left( v \right)}}{{{\rm{d}}{v^2}}}\left| {_{v = {v_0}}} \right. $ (11)

通过光强直流分量I0及二次谐波幅值可反演得到待测气体的浓度为

$ C = \frac{{{A_2}\left( {{v_0}} \right)}}{{{I_0}KL}} $ (12)

式中,K为标定常数,通过式(12)可以看出,气体浓度C正比于二次谐波幅值.通过标准气体标定,可以反演得到确定的气体浓度[22].

2 实验 2.1 谱线选择

QCL在中红外波段实现对大区域环境下SF6气体泄露的精确在线实时检测,谱线的选择至关重要.同时应该规避测量环境中可能出现的干扰气体,鉴于整个检测系统的光路部分开放式设计的思路,选取测量环境中存在的CO2、H2O、O2为干扰对象,选取SF6ν3谱带为900~996 cm-1,温度为296 K,气压为1 atm,光程为100 cm,体积比浓度为100×10-6,同时对CO2、H2O及O2进行Lorentz光谱仿真.如图 1,SF6气体在947.93 cm-1处有最强吸收峰,在该处附近O2无吸收,而CO2、H2O有不同程度的光谱吸收.为了进一步分析可能存在的干扰情况,对SF6气体吸收中心波长位置进行放大,如图 2,查询HITRAN2012可知,在947.93 cm-1处CO2、H2O、SF6的吸收线强分别为1.665×10-30 cm-1/molecule·cm-2、1.589×10-30 cm-1/molecule·cm-2、1.481×10-24cm-1/molecule·cm-2,可见H2O和CO2在该波数附近存在少量干扰,但H2O和CO2吸收线强数量级为10-30,SF6气体吸收线强数量级为10-24,吸收线强数量级差距较大,所以在947.93 cm-1附近同一波段下,H2O、CO2和O2交叉干扰现象可忽略不计.因此选用波数为947.93cm-1,波长为10.55 μm作为SF6气体在线测量的吸收谱线切实可行.

图 1 H2O、CO2、SF6在900~996 cm-1波段的外吸收光谱仿真 Fig.1 External absorption spectrum simulation of H2O, CO2 and SF6 at band of 900~996 cm-1
图 2 SF6、H2O、CO2在947.93 cm-1处吸收光谱仿真 Fig.2 Absorption spectrum simulation of SF6, H2O and CO2 at 947.93 cm-1
2.2 QCL光学特性

系统选用瑞士Alpes公司的中心波长为~10.55 μm的量子级联激光器#sbcw8930 DN-QCL作为光源,采用高热负荷(High Heat Load,HHL)外壳封闭,尺寸为70 mm×54 mm×25.5 mm,QCL发出的激光束通过非球面透镜准直,再通过密封HHL包装的硒化锌中红外全反射窗片.工作温度范围为-20~20℃,阈值电流为450 mA,工作电路上限为700 mA.通过傅里叶变换红外光谱仪(Nicolet 8700)及光功率计(NOVA Ⅱ,OPHIR)对QCL的波数及输出功率进行测量,在不同温度下注入电流、光功率及单模发射频率的关系如图 3所示,随着温度的降低,激光器的输出功率不断升高,对不同温度下电流-波数曲线进行逐个最小二乘线性拟合,综合分析计算出电流及温度调谐系数分别为-0.011 cm-1/mA,-0.15 cm-1/℃.根据选定SF6气体10.55 μm (947.93 cm-1)处吸收中心位置及DN-QCL的发射特性分析,当其工作在10℃和注入电流680 mA处,其发射频率调谐范围可完全覆盖所选择SF6气体谱线的半高全宽(Full Width Half Maximum,FWHM) 947.68~948.04 cm-1.

图 3 DN-QCL激光器在不同温度和电流条件下的功率响应及发射波数测试结果 Fig.3 Test results of power response and emission wave number of DN-QCL laser under different temperature and current conditions

针对地下管廊高压组合电器大区域下SF6气体泄露环境,微水湿度对激光器的应用会产生一定影响.低温条件下,虽获得较高的光功率,但激光器镜片易于结露,如图 4(a)所示,直接影响测试效果,因此设计防结露装置,如图 4(b)所示.在激光器与结露装置结点部位,采用半导体致冷片帕尔贴吸收热量,同时利用散热扇及时传导散热,低温下使激光器获得较大的光功率.根据H2O分子0.27~0.31 nm的直径,装置内部采用基本组成为硅铝酸钠的4A分子筛作为干燥剂,同时在硒化锌窗口片添加微型加热片,防止大气环境中水分在硒化锌窗口片结露,保证了激光器防结露装置可以在正常环境湿度中应用.

图 4 DN-QCL光源及防结露装置 Fig.4 DN-QCL light source and anti-condensation device
2.3 SF6气体大区域检测系统的设计

为实现对地下变电站大区域GIS中SF6气体泄露的实时检测,结合220 kV变电站的GIS间隔尺寸,确定系统采用TDLAS技术结合开放式长光程池结构,检测装置模型如图 5所示.在GIS间隔布设检测装置时,为了消除GIS母线及支架对光线的阻挡,如图 6,光路沿GIS设备外围通过,与检测系统一定距离的位置布置1#方形镀金平面反射镜,直径为50.8 mm,厚度为8 mm,有效反射率为97%,2.2节中QCL激光器发出中心波长为10.55 μm的中红外光源经过准直器准直后进入开放式光路中,经过1#镀金平面反射镜后经发射到达2#镀金平面反射镜,相邻镀金反射镜之间的二面角为90°,确保光线平行通过,经SF6气体吸收后的衰减光信号经过聚焦透镜被探测器探测.忽略检测系统的本身尺寸,有效光程为14.3 m.系统采用碲镉汞探测器,其响应波长为10.6 μm,可探测度为2×109 cm·Hz1/2·W-1,电流响应度为0.4 A·W-1.为了模拟对SF6气体泄露时产生的沉降重气流的实时检测,整个实验在智能实验舱中进行,两个镀金反射镜安装在高度上下可调的移动装置上,考虑到GIS装置单元工作状态下SF6气体压力高,储量大,实验采用气体泄露发生装置,内置压力与GIS装置工作条件下一致,通过减压阀及流量计控制气体泄露的随机流量,实验后SF6气体可回收提纯分离再利用.

图 5 SF6泄露实时检测装置模型 Fig.5 SF6 leakage detection device model in real time
图 6 基于QCL的传感器系统原理 Fig.6 Schematic diagram of sensor system based on QCL
3 结果与讨论

大区域SF6气体泄露模拟实验选择在智能实验舱中进行,检测装置有气体泄露发生装置、基于QCL的SF6气体检测传感器系统、ESP-1F-1L气体采样袋、Panna A91型气相色谱仪(GC-TCD),根据2.3节中220 kV SF6泄露实时检测装置模型尺寸,布置开放式光路结构.全封闭GIS管路SF6气体横向泄露沉降扩散的Fluent有限元分析表明在距离地面0.5 m高度时SF6气体的浓度最大,气体传感器的安装高度距离地面0.5 m最为适宜[9],因此实验前调节镀金平面反射镜高度为0.5 m,往返光路距离为14.3 m.

由于GIS故障SF6气体泄露具有不确定性,本实验模拟GIS母线法兰单点小孔泄露,泄露口为水平方向,分别采用直接吸收及波长调制技术对大区域泄露SF6气体进行检测,不同平衡浓度下用ESP-1F-1L气体采样袋进行GC-TCD测试,其结果来评价基于QCL的SF6传感器系统检测的准确性.系统上电工作后,调节#sbcw8930 DN-QCL激光器在10.55 μm波长处,使激光器保持恒定温度,对采集卡采集到的信号进行累加平均,并对背景吸收进行扣除,原始吸收信号如图 7所示,在无SF6气体泄露的情况下,10.55 μm处有明显的吸收峰,说明智能实验舱中有残留SF6气体存在,实验前回收分离处理并不完全.实验过程中,每次泄露口压力为0.6 MPa,泄露口尺寸为Φ6 mm,泄露时间为5 s,沉降扩散平衡30 min后进行数据采集.在SF6气体泄露情况下,测试得到6组直接吸收信号,如图 8,随着泄露次数的增多,SF6气体的吸光度增加明显,测量区域体积分数不断增大,具有良好的可重复性.但谱线有干涉现象存在,主要来自环境的干扰.

图 7 SF6气体的原始吸收信号 Fig.7 The original absorption signal of SF6 gas
图 8 SF6气体的直接吸收信号 Fig.8 Direct absorption signal of SF6 gas

为了验证直接吸收时系统的检测限,在SF6气体第四次泄露沉降扩散稳定后,先取气样进行GC-TCD实验室溯源标定,结果显示SF6气体体积分数为101.8×10-6,一致性良好,此时SF6气体的吸收峰值为5.608 3×10-2,如图 9,对吸收光谱进行Lorentz拟合,拟合残差对应的标准差为1.52×10-3,计算可得信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)为37.以三倍信噪比为检测限,推算系统的探测下限为8.3×10-6.可见,采取直接吸收技术,较强的光强背景下提取一个微弱的光信号,致使噪声较明显,信号受噪声影响较大.

图 9 SF6吸收系数拟合图 Fig.9 SF6 absorption coefficient fitting figure

为了进一步抑制噪声,提高系统信噪比及检测精度,进行SF6气体泄露前后基于TDLAS的二次谐波信号进行分析.对直接吸收后的大区域实验舱进行泄露SF6气体抽取并做回收分离处理,采样后进行GC-TCD测试,确保实验环境无SF6气体存在,以此作为零点数据.连同零点数据共采集7组数据,每组吸收信号分别采集100组数据.如图 10,零点数据采集到的波形无SF6气体吸收信号,但较为无序,显然受到环境因素影响.对泄露后6组吸收信号加权平均后减去零点数据得到二次谐波吸收数据,如图 11,随着泄露次数的增多,二次谐波幅值逐次上升,波形中心位置保持不变,得到6组泄露SF6体积分数分别为29.3×10-6、67.08×10-6、96.85×10-6、132.59×10-6、156.3×10-6、171.4×10-6.

图 10 无SF6气体时的吸收谱线 Fig.10 Absorption spectra without SF6 gas
图 11 扣除背景噪声后不同体积分数的SF6气体二次谐波信号 Fig.11 Second harmonic signal of SF6 gas with different volume fraction is obtained after deducting background noise

分别用ESP-1F-1L气体采样袋对每次泄露30 min后SF6气体采集3个样品做GC-TCD测试,作为溯源校准数据,其结果如图 12所示,GC-TCD与TDLAS测试结果匹配性良好,整个测量过程中最大示值误差小于4×10-6,最大测量偏差为2.26%.对不同测量浓度对应的二次谐波信号最大幅值进行线型拟合,如图 13,得到拟合系数R2为0.998,线性关系一致性良好,进一步证明了测量结果的正确性.为了获得二次谐波测试时的探测限(Detection limit,DL)值,把二次谐波测量得到的零点100组数据做累加平均的波动信号作为基底噪声,计算得到标准偏差σ =8.29,通过基底噪声与线性拟合参数来获取最小探测浓度.本研究SF6气体谐波检测的探测限计算公式为[23]

图 12 GC与TDLAS测试溯源数据对比 Fig.12 Comparison of GC-TCD and TDLAS test traceability data
图 13 二次谐波最大幅值与体积浓度的线性 Fig.13 The maximum amplitude of the second harmonic is linear to the volume concentration
$ {\rm{DL}} = \frac{{k\sigma }}{m} $ (13)

式中,m为浓度与二次谐波幅值线性拟合曲线的斜率13.826;k为常数,当系统测量置信度为99.8%时,k取3.可得光程为14.3 m二次谐波吸收时SF6气体的探测限为1.8×10-6.

4 结论

本文提出一种基于量子级联激光器的SF6泄露大区域检测系统,通过搭建可移动开放式光路系统,实现对GIS大区域环境下泄露SF6的精确在线监测.针对低温条件下DN-QCL光源易结露问题,设计了防结露装置.在14.3 m的光程下,直接吸收技术的SNR为37,探测下限为8.3×10-6.采用波长调制技术,可以进一步降低噪声,提高检测精度,实验结果表明二次谐波检测下限为1.8×10-6.该方法适合GIS大区域环境下实时在线监测.

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