激光光声光谱检测技术在六氟化硫检漏工作中的应用

李光明

河南省商丘供电公司，河南 商丘 476000

0 引言

激光光声光谱技术作为一种高灵敏度的微量气体检测技术，已有30多年的历史。激光光声光谱技术和红外气体检测技术都是利用气体分子吸收红外线的特性，二者的区别在于光源。红外检测技术是利用红外线做光源，是广谱的光源，所以红外气体传感器的选择性差、灵敏度低。激光光声光谱技术采用激光器做光源，是单一频谱的光源，光源的频率可以和气体分子的吸收频率一致，所以激光光声光谱技术的特点是选择性好、灵敏度高。

1 激光光声光谱气体检测技术原理

光声气体检测技术是基于不同气体在红外波段有不同的特征吸收光谱，例如：一氧化碳（CO）的红外特征光谱是2.32um和4.26um，二氧化碳（CO2）的红外特征光谱是4.65um和14.99um，六氟化硫（SF6）的红外特征光谱在10.55um附近。

光声气体检测原理是利用气体吸收一支强度随时间变化的光束而被加热时所引起的一系列声效应。当某个气体分子吸收一个频率为v的光子后，从基态E0跃迁到激发态E1，两能量级的能量差为E1-E0=hv 。受激气体分子与气体中任何一分子相碰撞，经过无辐射驰豫过程而转变为相撞的两个分子的平均动能，通过这种方式释放能量从而返回基态。气体通过这种无辐射的驰豫过程把吸收的光能部分地或全部地转换成热能而被加热。如果入射光强度调制的频率小于该驰豫过程的驰豫频率，则这光强的调制就会在气体中产生相应的温度调制。根据气体定律，封闭在光声腔内的气体温度就会产生与光强调制频率相同的周期性起伏。也就是说，强度时变的光束在气体试样内激发出相应的声波，用传声器便可直接检测该信号。

气体光声检测系统通常由激光器（或普通单色光源）、调制器（使光束做强度调制）、充有被测吸收气体和装有检测传声器的光声腔以及信号采集处理系统组成。利用光声原理实现的气体检测技术是基于气体的特征红外吸收，间接测量气体吸收的能量，因此测量灵敏度高、检测极限低，且不存在传感器老化的问题。

2 六氟化硫检漏仪的应用效果

六氟化硫（SF6）气体泄露检测仪一般都要求体积小、重量轻、用电池供电以适应电力系统现场使用。2005年俄罗斯通用物理研究所开发出世界上体积最小的低功耗二氧化碳激光器，使便携式采用激光光声光谱检测技术的SF6定量检漏仪在技术上可实现。目前，采用激光光声检测原理的SF6定量检漏仪使SF6的检测灵敏度达到1×10-9cm3/s（0.002克/年），动态范围为0.001ppm～1000ppm。高灵敏度的仪器可保证精确定位泄露位置，避免了其它物质在泄露探测中的干扰。高速气流和光声探测器较短的响应时间保证在探测到高浓度气流后1s～2s内仪器即可恢复。红外激光源和特殊光声传感器技术保证了SF6的高灵敏度探测，降低了误报警的次数。

我们在选择SF6检漏仪时要关注如下技术指标：静态灵敏度、响应时间、传感器的选择性。六氟化硫（SF6）检漏仪的系统响应时间由两部分组成：气流通过传感器的时间和传感器本身的响应时间。气流通过传感器的时间是指SF6气体通过导管到达传感器的时间，该时间取决于管路的长度和抽气泵的功率。传感器本身的响应时间是指传感器可以准确测量SF6气体浓度所需要的时间，不同原理的传感器响应时间有很大差别，范围从毫秒级到分钟级。

很多仪器在宣传灵敏度为1ppm或0.1ppm的时候其实指的是在实验室标定的灵敏度，也就是用氮气和SF6的混合气体来标定的灵敏度，这个灵敏度应该是静态灵敏度。静态灵敏度是不考虑检漏仪的响应时间也不考虑周围环境各种干扰气体影响的灵敏度。实际在现场测量SF6泄漏时，检漏仪的探头是移动的，速度大约在1cm/s～3cm/s。正常情况下泄漏点周围SF6气体的浓度是呈梯度分布的，越靠近泄漏点SF6气体浓度越高。对于静态灵敏度相同的两台仪器，若系统响应时间不同，当探头以同样速度经过泄漏点时，响应时间快的仪器测量结果更准确，响应时间慢的仪器测量结果偏小。同一台仪器，当探头以不同速度移动经过泄漏点时，同样的泄露在仪器上检测出的结果也是不同的，移动速度越快读数越小，移动速度越慢测量结果越准确。有些传感器是广谱的，不仅对SF6气体敏感，对水蒸气、二氧化碳、烷烃类气体、卤素气体均有反应，所以实际测试环境的干扰气体会大大降低某些SF6检测仪器的灵敏度。动态灵敏度取决于静态灵敏度、系统响应时间和传感器的选择性。静态灵敏度高、响应时间快、传感器选择性好的检漏仪，其动态灵敏度才会高。

笔者做了如下对比试验，选用了3款SF6检漏仪，关键技术指标如下表：

激光光声SF6检漏仪红外原理的SF6检漏仪 SF6定性检漏仪测量结果 定量 定量 定性系统响应时间 1.5s 5s 小于1s静态灵敏度 0.001ppm 1ppm 大约50ppm

同样规格的SF6标准气体六瓶，浓度分别为1ppm，5ppm，10ppm，50ppm，100ppm，200ppm。通过减压阀和流量表使各瓶子SF6气体流出的速度尽可能一致。3种检漏仪以1cm/s的速度经过各个SF6气体标准瓶泄漏口，测量结果如下表：

气体浓度 激光光声SF6检漏仪红外原理的SF6检漏仪 SF6定性检漏仪1 ppm 0.913 ppm 0 ppm 无反应5 ppm 4.531 ppm 0 ppm 无反应10 ppm 9.125 ppm 1 ppm 无反应50 ppm 47.03 ppm 13 ppm 无反应100 ppm 93.04 ppm 24 ppm 无反应200 ppm 191.5 ppm 58 ppm 有轻微反应

我们从试验结果能看出：激光光声光谱检测技术在电力系统SF6检漏方面有着令人满意的检测效果。