基于光声光谱法的变压器油中溶解气体在线检测技术

黄政伟

（北京北分麦哈克分析仪器有限公司，北京 100095）

1 概述

随着高等级高压输电技术在我国电网中的运用，大型油浸式电力变压器数量日益增多，油浸式电力变压器主要采用油纸绝缘，在长期运行过程中，由于放电和过热现象的存在，油和纸将裂解产生CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2等气体，这些气体部分溶解于油中。通过分析油中溶解气体的成分和比例，可以判断变压器潜伏性故障类型、故障严重程度及发展趋势[1]。目前，变压器油中溶解气体在线监测装置中的检测方法主要有色谱法、气敏传感器法等方法，但在长期设备运行过程中，这些方法存在取样复杂、长期稳定性差等缺点。

2 光声光谱气体检测技术

相对于吸收光谱，光声光谱气体检测技术[2]是利用光声热效应实现气体检测的一项重要技术。该技术是一种无背景测量方法，不受光散射的影响，同时具有高灵敏度、实时在线监测等优点，同时根据待测组分选择相对独立的特征频谱区域，从根本上抑制检测过程中不同组分气体间发生干扰影响的问题，以满足检测要求。因此该技术在气体分析检测领域具有广阔的应用市场。

2.1 光声热效应

光声光热效应是由于物质吸收一定强度随时间变化的光（能）束或其他能量束而被时变加热（加热随时间而变化）所引起的一系列声效应和热效应。根据查理定律，封闭光声池内气体温度调制会产生频率与光强调制频率相同的周期性起伏。因此，强度时变的光束能够在气体试样内激发出相应的声压，用传声器就可直接检测声信号。基于光声光谱法气体浓度测量过程，即物质吸收光后产生热，再测定由热产生声波的过程。声波产生过程如图1所示。

图1 光声信号产生的原理图

光声信号的产生机制表明，光声光谱法是对物质吸收光能后经过放热而回到初始状态的过程加以测定的光谱法。这项技术能够直接对光吸收进行直接测量，是一种无背景测量方法。因此，光声光谱技术受反射光和散射光的影响较小，是一种比传统的光吸收光谱更精确、更灵敏的光谱技术，并且由于光声光谱中所产生的光声信号与吸收的光能成正比，可以从光吸收中计算光吸收组分的浓度[3]。

2.2 光声信号与最小检测限

当有n个吸收组分的气体混合物被密封在一个光声池中时，光声信号由以下公式给出：

其中S是光声光谱信号强度(mV)，P是激励光功率（M）；M是声电转换模块的灵敏度（mV/Pα）；C是光声池常数（Pα·cm·W-1）；ηi是吸收光能转化为热能的效率；αi是吸收组分在激励光波长下的摩尔光吸收系数（cm-1·mol-1·dm3）；ci是吸收组分的浓度（mol·dm3）；Ab是背景信号的产生效率（Pα/W）。假定被吸收的光能很弱，此时郎伯-比尔吸收定律近似看作线性。当系统确定后，公式（1）中的激励光功率P、声电转换模块的灵敏度M、光声池常数C均为定值，光声信号与吸收组分的浓度成线性关系。

2.3 光声光谱气体分析仪的组成

光声光谱气体分析仪主要有光源、光声池、声电转换器（通常是麦克风（微音器））及数据处理控制单元组成。光源特性及被测气体样品对光声系统的影响如公式（1）中的几个参数所示，激励光的调制频率和波长，气体样品的压力、温度和组成，都将对光声信号的灵敏度产生影响，本研究研制的光声光谱气体分析仪的构成示意图如图2所示。

图2 光声光谱气体分析仪构成

2.3.1 光源

光声光谱气体测量基于分子吸收光谱技术，对光源选择性、稳定性、可靠性高要求比较高，根据不同的测量需求和应用工况可以选择不同的光源，目前常用的光源有非色散红外光源（NDIR）、分布式反馈二极管激光器（DFB）、量子级联激光器光源（QCL）、外腔式量子级联激光器（EC-QCL）等。

2.3.2 光声池

光声池尺寸是根据声波的波长来设计的，目前常用的光声池有谐振腔式光声池和非谐振腔式光声池，谐振腔包括赫姆霍兹谐振腔、一维谐振腔、空腔谐振腔、离轴谐振腔（Herriott 谐振腔）等；非谐振腔包括微机电（MEMS）光声池、空芯光子晶体光纤等。

2.3.3 声电转换器

声电转换器的核心是微音器，常用的微音器主要有电动式传声器、电容式传声器、压电式传声器、驻极体式传声器、增强型石英音叉的光声光谱（QEPAS），增强的悬臂梁光声光谱（CEPAS）以及机电薄膜探测器（EMFIT）。

3 研制内容

通过采用黑体光源发射出波长在2 μm～25 μm连续的中红外光，中红外光通过斩波器调制成一定频率的光进入单管隔半气室，然后经过滤光器中滤光片的选择待测组分需要波长的光进入差分光声池，最后通过声电转换成可以测量的电压信号。在测量过程中，通过滤光器中滤光片轮的转动实不同波长的光分时进入差分光声池，通过光声池中预充特定比例的混合待测气体实现单光声池测量多组分气体的功能。

本研究研发的单光声池多组分气体分析仪的研发内容主要包括红外发生装置、光声转换增强的高稳定免污染差分式光声池、基于新型振膜的高灵敏度声电转换器、滤光器和相敏检波电路设计等，通过对这些内容的研究来完成单光声池多组分气体分析仪的设计。整机的原理框图如图3所示。

图3 单光声池多组分气体分析仪的原理框图

3.1 红外发生装置

红外发生装置由电机、宽带红外光源、切光片和光源壳体组成。在红外发生装置设计过程中为了避免电机长期运行挥发的电机润滑油污染反射体，在设计过程中将电机外置来保证仪器长期稳定运行。为了实现6个组分的测量，在光源壳体上安装两个宽带红外光源。光源装置中还设计一个霍尔元件，该霍尔元件为双极锁存型霍尔效应位置传感器，位于柱形磁体下，在电机带动切光片运转时，霍尔传感器输出脉冲信号，用以确定切光片的转动位置，为信号处理电路提供相位信息。

3.2 光声转换增强的高稳定免污染差分式光声池

目前常用光声光谱仪上的光声池无法将声电转换器与待测气体隔离开，长期工作后待测气体中的杂质和腐蚀性气体易污染声电转换器，导致检测结果出现漂移甚至无法工作。而本设计的免污染差分式光声池是把待测气与声电转换器分开，示意图如图4所示，待测气体不与声电转换器接触，可以有效避免待测气体对声电转换器的腐蚀。在该光声池中充入一定浓度的待测气体实现待测气体浓度的测量，对于多组分气体的检测需要光声池对多种气体都要有识别能力，这就需要光声池中充入多种待测气体的混合气，而多种气体浓度的合理配比是光声池能否满足多种待测气体测量的关键，合理配比需要以理论的计算和实际测试相结合，根据测试的结果选择一套合理的待充气体的浓度配方, 从而提高光声池抗交叉干扰和重叠干扰能力。同时差分式光声池还可以有效减弱周围环境震动、噪声、温度变化带来的干扰。

图4 免污染差分式光声池示意图

3.3 基于新型振膜的高灵敏度声电转换器

为了实现高灵敏、低温度漂移，抗震性能好的薄膜微音器，需要突破内部振动膜片结构及镀膜、覆膜工艺。膜片之间的间隙会直接影响其灵敏度高低，膜片是否平整也是影响灵敏度高低的一个重要衡量指标。通过改进覆膜工艺，覆出有纹波的薄膜，测试发现纹膜的线性范围更大，灵敏度更高，并且其灵敏度可由几何参数加以控制，减小了对工艺的依赖性，为设计者提供了方便和自由。在覆膜的过程中，薄膜一般有着不可忽视的残余应力。而残余应力极大地降低了膜的机械灵敏度。利用纹膜结构，可在不改变覆膜工艺条件的前提下，显著地降低残余应力的不良影响，大幅度增加膜的灵敏度。覆成的薄膜结构如图5所示。在中国计量科学研究院力学与声学计量科学研究所初步测试的微音器在低频声压灵敏度＞500 mV/Pa。

图5 覆成纹波的薄膜机械结构示意图

3.4 滤光器的设计

为了实现单光源单光声池多组分测量，设计了滤光片切换装置，该装置通过步进电机带动滤光片切换来实现多个组分的分时测量，滤光器中滤光轮最多能安装4种不同波长的滤光片，最多能实现4个组分测量。

3.4.1 滤光器的组成

滤光器主要有滤光器壳体、步进电机、滤光轮、霍尔等主要部件组成，滤光轮上需要安装滤光片和定位磁铁，通过磁铁和霍尔感应来转动不同滤光片到指定位置，在滤光轮正常转动过程中，通过记录步进电机转动一圈的步数和霍尔传感器的输出信号来判断滤光轮是否转到准备位置，如果出现转动偏差则通过自校准程序重新调节，从而保证滤光轮上滤光片的精准定位。

3.4.2 滤光器的控制

（1）滤光器的驱动信号

由于选择的小型步进电机步距角18°，在用脉冲驱动过程中发现步进电机带动滤光轮转动过程中抖动较大，停止位置与目标位置偏差较大，很难实现精准定位，为了实现步进电机带动滤光轮平稳转动和精准定位，更改了驱动步进电机的驱动方式，改为两个有一定相位差的三角波形驱动步进电机转动，驱动波形如图6所示。

图6 滤光器步进电机驱动波形

（2）滤光器上电自检

滤光器工作前需要通过自检程序判断滤光器整体是否处在正常工作状态，自检程序流程图如图7所示，自检过程：上电后滤光器中的步进电机以一定速度转动，当检测到霍尔元件输出信号由高电平向低电平跳变时，该位置认为是第一次检测到霍尔起点，从当前位置开始记录步进电机转动步数，直到再次检测到霍尔元件输出信号由高电平向低电平跳变，记录转动第一圈步进电机所走的步数S1，同时把该时刻认为是第二次检测霍尔起点，从当前位置再次记录步进电机转动的步数，直到再次检测到霍尔元件的输出信号由高电平向低电平跳变，记录转动第二圈步进电机所走的步数S2，如果S1等于S2，则滤光片转动一圈步进电机的步数S为S1，认为滤光器中步进电机的转动正常，滤光器处在正常工作状态。在调试过程中确定霍尔零点到第一个滤光片步数为S0，滤光片1、滤光片2、滤光片3和滤光片4相对霍尔零点的位置N1、N2、N3和N4分别为N1=S0，N2=S0+S/4，N3=S0+S/2，N4=S0+(3*S/4)。如果S1不等于S2，则滤光器工作不正常，需要检测故障原因。

图7 滤光器上电初始化流程图

（3）滤光器正常工作过程中的自校准

当测量组分个数为4时，滤光器正常工作和自检程序流程图如图8所示，滤光器上电自检完成后步进电机带动滤光片轮转动到滤光片m（m=1,2,3,4）位置Nm（m=1,2,3,4），等待15s待整个电路的信号处于稳定后采集组分m（m=1,2,3,4）的信号并计算其浓度值，在组分4到组分1的转动过程中会感应到霍尔元件输出信号由高电平到低电平的跳变，通过检测最近两次霍尔信号跳变时步进电机所走的步数Ss判读滤光片的转动过程是否存在位置偏差，如果Ss等于S，则说明在这个周期内滤光片的转动正常，不存在位置偏差，可以进行连续正常运行。如果Ss不等于S，则在该周期内滤光片转动位置和实际位置存在偏差，这时需要根据算法重新找滤光片1位置，然后进行测量和检 测。

图8 滤光器测量4个组分的流程图

3.5 相敏检波电路设计

相敏检波电路具有选频特性[4]，能很大程度上减小背景噪音对测量结果的影响，本设计中的相敏检波电路如图9所示，该电路能根据光源装置中切光片上霍尔元件产生的脉冲信号，经调制解调的方波信号对声电转换模块产生的正弦信号进行相敏检波，把正弦信号转变成馒头波信号，然后经后面的低频滤波电路转换成直流信号，最后经AD转换把模拟信号转换成数字信号从而计算出对应的浓度值。

图9 相敏检波电路图

相敏检波电路的仿真结果如图10所示，其中竖线方波信号为红外光源装置中切光片转动过程中霍尔元件产生的脉冲信号经调制解调而产生的信号，下方正弦信号为差分式光声池中声电转换模块产生的信号经放大滤波后的信号，上方馒头波信号是正弦信号经过相敏检波电路处理后的信号。

图10 相敏检波电路仿真结果

3.6 测试结果

基于光声光谱法的单光声池多组分气体分析仪样机通过一套光源、两根隔半气室、两套滤光器和两套免污染光声池实现CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2这6种气体的检测。

样机在中国计量科学研究院的测试结果如表1所示，CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2的检出限分别为0.5ppm、0.1ppm、0.202ppm、0.905ppm、0.997ppm和0.195ppm，这几种气体都满足变压器油中对这几种气体的检出限要求。

表1 样机测试结果

4 结论

基于光声光谱法的单光声池多组分气体分析仪能完成变压器油中CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2的测量，同时根据测量需求，最多可以实现8个红外组分的测量，同时在电路的设计过程中还预留一路电化学氧或热导氢测量电路，因此该样机还可以增加一路电化学氧测量或者热导氢的测量，扩大了仪器的应用领域，可以使该仪器更好适应市场的需求。