利用傅里叶红外光谱研究SF6中SO2含量

李明洋，马晓燕，赵静，袁小先，李旭，关丽

(1.河北大学 物理科学与技术学院，河北 保定 071002；2.河北大学 安全工作处，河北 保定 071002)

六氟化硫(SF6)气体具有良好的化学稳定性、高电气强度和良好的绝缘性能，长期以来一直被用作电气设备内的绝缘介质[1].被电弧或电火花击发后，SF6会分解成SO2以及H2O等多种产物[2-3].监测SF6中微水和SO2的含量，有助于提前判断设备内部SF6纯度变化，提前进行防范，减少损失[4-6].目前用于分析气体中其他杂质气体的主要方法有：气相色谱法、质谱法、检测管、离子色谱法、气体传感器法、红外吸收光谱法等[7-11]，其中，傅里叶变换红外光谱(FTIR)，可以在较短时间内检测多种物质，具有较高的分辨率和检测准确性[12-13].

1 实验部分

1.1 实验装置

实验装置由傅里叶红外光谱仪、气体池、SF6气体钢瓶，装有不同SO2气体的SF6气体钢瓶，压力表，真空泵等组成.实验装置及连接示意如图1所示.

图1 实验装置Fig.1 Experimental device

1.2 实验原理

1.2.1 迈克尔逊干涉仪原理

傅里叶变换红外光谱测试的条件之一是获得干涉光.选择迈克尔逊干涉仪进行实验，工作原理如图2所示.分束器的透射率和反射率均为50%，红外光源发出的红外光分为2等份.透射光射向动镜，OM为光程长度.反射光传到定镜，OF为光程长度.由于2个光路不同，当2个光束在分束器中再次相遇时，形成光程差δ=2(OF-OM)，以此实现光的相干涉条件[14-15].干涉光强度与光程差之间的关系可以用式(1)表示

图2 迈克尔逊干涉仪光路Fig.2 Light path diagram of Michelson interferometer

(1)

其中，I(δ)代表干涉光能量，I(ν)是波数为ν的光源光强，ν表示波数.

1.2.2 朗伯-比尔定律

由于气体密度较小，利用FTIR法测试得到的气体吸收相对较弱.为了提高信号强度并减小误差，最常用的方法是利用朗伯-比尔定律[15].当红外光束通过样品时，红外光被吸收的强度与检测样品中各组分的浓度成正比，与光程长度成反比，如式(2)所示.

I(ν)=I0(ν)·e-σ·N·L

(2)

式(2)中，I(ν)为气体吸收后的光强，单位为W/sr；I0(ν)为没有气体吸收时的背景光强，单位为W/sr；σ为分子吸收截面，单位为cm2/mol；N为被测物质的浓度，单位为mol/cm3；L为总的气体吸收光程长，单位m.

令：τ=e-σ·N·L

(3)

则式(2)可以简化为

I(ν)=I0(ν)·τ

(4)

当温度压强恒定时，比如常温和常压，吸光系数通常被认定是恒定的.因此，当使用相同的仪器测量物质的检测限时，光程长度与物质浓度成反比，这是选择气体池的光程长度的理论依据.

1.2.3 气体样品池

自制如图3所示样品池.样品池长300 mm，截面边长120 mm，入射端凹面镜为60 mm×60 mm，另一端2个凹面镜均为40 mm×60 mm.该样品池是基于8次反射以调节反射次数的气体池，调节范围为4～20次，3个反射镜的曲率半径均为300 mm，并计算确定基本光程长度为3 000 mm.

图3 气体池结构Fig.3 Gas pool structure

1.3 实验方法

1.3.1 测试前准备

1)首先对设备所在实验室的温度和湿度进行测试，并保持恒定.用高纯氮气吹扫气体室10 min，以去除气体室中的空气和微水.

2)同时打开红外光源，预热10 min以上.

3)然后打开连接傅里叶红外光谱仪的电脑及控制软件.

4)最后将气体室放置在红外光源出光口和探测器之间，并且固定位置.

5)将进气口与气瓶减压阀连接，将出气口的气线通至室外.

1.3.2 红外吸收光谱测试

1)首先设置测试参数，主要是设定测试的间距和次数.

2)将体积分数为99.99%的SF6气体通入气体室，待气流稳定后，进行实验.

3)点击RF按钮，即可把SF6气体的吸收光谱作为背景.

4)将含一定量SO2的SF6待测气体通入气体室，待气流稳定后进行测试，并将数据保存；为了分析数据，测试每种浓度的气体5次吸收光谱.

5)测试完毕在更换其他气体前应利用真空泵对气体室抽真空并利用高纯SF6气体对气体室进行吹扫3次以上，然后再通入待测气体进行测试.

6)将测试的吸收光谱数据统一导入Origin软件，选择1 167 cm-1处的吸收峰作为分析峰，建立红外吸光度与SF6气体中SO2的体积分数的标准工作曲线.

7)选择不同的气体标样进行红外吸收测试，得到每种样品在1 167 cm-1处的吸光度，并在标准工作曲线中找到相应的体积分数，将其与已知体积分数进行比较，并计算误差.

2 实验结果与分析

2.1 不同SO2含量的SF6标样的吸光度

由于气体分子对红外辐射的吸收具有一定的选择性，因此气体的红外吸收谱图具有明显的特征.如图4所示，给出了SO2体积分数为200 μL/L的SF6标样的红外光谱图，图4中1 100～1 300 cm-1没有SF6的特征吸收峰.SO2对红外辐射强吸收的波段主要位于中红外区，典型吸收波数为1 132 、1 671、360 cm-1[16-17].以1 167 cm-1处的吸收峰作为分析峰，表1给出了不同SO2体积分数的SF6标样在1 167 cm-1处的吸光度.

图4 SO2体积分数为200 μL/L的SF6标样的红外光谱Fig.4 FTIR spectrum of SF6 sample with 200 μL /L SO2

表1 不同SO2体积分数的SF6标样在1 167 cm-1处的吸光度Tab.1 Absorbance of SF6 sample with different concentration SO2 at 1167 cm-1

2.2 SF6气体中不同SO2含量的标准工作曲线

对样品在1 167 cm-1处的吸光度与SO2体积分数的对应数据进行了拟合(图5)，得到了标准工作曲线，如式(5).

图5 红外吸光度与SF6气体中SO2含量的标准曲线Fig.5 Standard working curve of infrared absorption and SO2 concentration in SF6 gas

y=a+bx，

(5)

其中，y为样品的吸光度，x表示SF6标样中SO2的体积分数，a=0.034 62，b=5.711 63×10-4，标准工作曲线的标准方差为0.001 2，相关系数为0.999 53，所以结果是可信的.

3 结论

实验设计了一种利用傅里叶红外光谱测试SF6中SO2体积分数的方法，以此监测电力开关设备内SF6的纯度.对样品在1 167 cm-1处的吸光度和SO2体积分数的对应数据进行了拟合，得到了标准工作曲线方程：y=0.034 62+5.711 63×10-4x，相关系数为0.999 53，所以该标准曲线是可信的.本实验既是理论对应用的指导，又是应用对理论的提高.不仅可以使学生加深对基础知识的理解，而且有助于培养学生的实验操作能力，创新思维和创新能力.