[發(fā)明專利]六氟化硫分解組分的自動(dòng)恒溫型光聲檢測(cè)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110414592.8
• 申請(qǐng)日: 2011-12-13
• 公開（公告）號(hào): CN102519904A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 唐炬;裘吟君;張曉星;范敏;袁靜帆;劉巖
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/35
• 分類號(hào): G01N21/35;G01N21/01;G01M3/26;B08B9/08
• 代理公司: 重慶大學(xué)專利中心 50201
• 代理人: 胡正順

1.一種六氟化硫分解組分的自動(dòng)恒溫型光聲檢測(cè)裝置，主要包括無(wú)暈實(shí)驗(yàn)變壓器(2)、感應(yīng)調(diào)壓器(1)、無(wú)局部放電保護(hù)電阻(3)、標(biāo)準(zhǔn)電容分壓器(4)、無(wú)感電阻(5)、GIS模擬元件(6)、寬頻高速超大容量數(shù)字存儲(chǔ)示波器(8)、自動(dòng)恒溫系統(tǒng)(7)、紅外光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng)(7)，其中：所述的紅外光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng)，主要由寬頻紅外光源(9)、硒化鋅透鏡(10)、機(jī)械斬波器(11)、斬波器控制器(12)、濾光片輪(13)、濾光片(14)、硒化鋅窗口片(15)、光聲池(16)、氣壓表(18)、微音器(19)、信號(hào)電纜(20)、進(jìn)氣閥門(21)、出氣閥門(22)、進(jìn)氣管(23)、出氣管(24)、真空泵(25)、光學(xué)支架(26)、鎖相放大器(27)及計(jì)算機(jī)(28)等組成，其特征在于，在所述的紅外光聲光譜檢測(cè)系統(tǒng)中的光聲池(16)的外部裝設(shè)自動(dòng)恒溫系統(tǒng)，所述的自動(dòng)恒溫系統(tǒng)主要由開關(guān)電源(29)、固態(tài)繼電器(30)、智能數(shù)顯溫度調(diào)節(jié)儀(31)、環(huán)形加熱帶(32)、熱電偶(17)等組成；

所述的開關(guān)電源(29)的輸入端通過(guò)導(dǎo)線與220V/50Hz的電源連接，所述開關(guān)電源(29)的輸出端的正極通過(guò)導(dǎo)線與所述固態(tài)繼電器(30)輸出端的正極連接后，所述固態(tài)繼電器(30)輸出端的負(fù)極通過(guò)導(dǎo)線與所述的環(huán)形加熱帶(32)正接線柱連接，所述的開關(guān)電源(29)的輸出端的負(fù)極通過(guò)導(dǎo)線與所述的環(huán)形加熱帶(32)負(fù)接線柱連接；?

所述的固態(tài)繼電器(30)的受控端通過(guò)導(dǎo)線與所述的智能數(shù)顯溫度調(diào)節(jié)儀(31)的控制信號(hào)輸出端連接；

所述的環(huán)形加熱帶(32)的數(shù)目為2~6個(gè)，每個(gè)環(huán)形加熱帶(32)的寬度為20~50mm、厚度為1~1.5mm、內(nèi)徑與所述光聲池(16)的外徑相匹配，所述環(huán)形加熱帶(32)分別裝設(shè)在所述光聲池(16)的外表面，每個(gè)環(huán)形加熱帶(32)的兩端接頭通過(guò)導(dǎo)線分別與所述固態(tài)繼電器(30)和所述開關(guān)電源(29)相連接，加熱功率100~250W；

所述的熱電偶(17)由熱電偶溫度傳感器和熱電偶控制器構(gòu)成，所述的熱電偶(17)裝設(shè)在光聲池的外表面上，所述熱電偶(17)的熱電偶溫度傳感器的輸入端通過(guò)導(dǎo)線與熱電偶控制器的輸出端連接，熱電偶溫度傳感器的輸出端與所述智能數(shù)顯溫度調(diào)節(jié)儀(31)的輸入端連接，將溫度信號(hào)傳遞給智能數(shù)顯溫度調(diào)節(jié)儀(31)進(jìn)行顯示并作為所述固態(tài)繼電器(30)的控制信號(hào)；

所述的智能數(shù)顯溫度調(diào)節(jié)儀(31)的輸入端通過(guò)導(dǎo)線與所述的熱電偶(17)連接，所述的智能數(shù)顯溫度調(diào)節(jié)儀(31)的輸出端通過(guò)導(dǎo)線與所述的固態(tài)繼電器(30)的輸入端連接；

所述的濾光片(14)安裝在所述濾光片輪(13)的孔中，濾光片輪(13)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，濾光片輪(13)上各濾光片(14)中心波長(zhǎng)分別為7350nm即SO₂吸收峰中心波長(zhǎng)、4260nm即CO₂吸收峰中心波長(zhǎng)、7780nm即CF₄吸收峰中心波長(zhǎng)、18550nm即SO₂F₂吸收峰中心波長(zhǎng)、7440nm即SOF₂吸收峰中心波長(zhǎng)，只允許其中心波長(zhǎng)的紅外光通過(guò)，濾掉剩余頻帶的紅外光，通過(guò)信號(hào)電纜(20)將濾光片輪(13)與計(jì)算機(jī)(28)連接，計(jì)算機(jī)(28)發(fā)出信號(hào)控制濾光片輪(13)內(nèi)的步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制不同特征波長(zhǎng)的紅外光通過(guò)濾光片(14)經(jīng)硒化鋅窗片(15)射入所述的光聲池(16)內(nèi)，在不同波長(zhǎng)下的檢測(cè)即反映了不同氣體組分的含量。

2.??一種六氟化硫分解組分的自動(dòng)恒溫型光聲檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)方法，利用權(quán)利要求1所述的六氟化硫分解組分的自動(dòng)恒溫型光聲檢測(cè)裝置，對(duì)GIS模擬元件中的SF₆氣體的局部放電分解組分進(jìn)行檢測(cè)，其特征在于所述方法的具體步驟如下：

(1)?實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

①?光聲池和自動(dòng)恒溫系統(tǒng)部件安裝調(diào)試

首先用無(wú)水酒精清洗光聲池(16)的內(nèi)壁，除去池內(nèi)壁的雜質(zhì)，待光聲池(16)風(fēng)干后，再安裝微音器(19)、熱電偶(17)、氣壓表(18)、進(jìn)氣管(23)、出氣管(24)、進(jìn)氣閥門(21)、出氣閥門(22)、硒化鋅窗口片(15)等部件，在安裝硒化鋅窗口片(15)時(shí)，在硒化鋅窗口片(15)與光聲池(16)接觸處先墊硅膠片后用螺栓壓緊，在各螺紋連接處加生料帶及密封膠，以保證光聲池(16)有良好的氣密性，然后調(diào)整寬頻紅外光源(9)和光聲池(16)的三維調(diào)整光學(xué)支架、斬波器(11)、濾光片輪(13)、硒化鋅透鏡(10)的升降光學(xué)支架，保證各部件和光聲池(16)的中心在同一水平線上，使得紅外光能夠準(zhǔn)確直射透過(guò)各個(gè)部件，射入光聲池(16)，將自動(dòng)恒溫系統(tǒng)的加熱回路和控制回路分別通過(guò)導(dǎo)線依次連接好，接上電源，確認(rèn)各元件正常工作，環(huán)形加熱帶(32)裝設(shè)在光聲池(16)的外表面上，擰緊螺絲，保證環(huán)形加熱帶(32)緊貼在光聲池(16)外表面；

?②?氣密性測(cè)試

在(1)—①步完成后，首先關(guān)閉進(jìn)氣閥門(21)，打開出氣閥門(22)，然后啟動(dòng)本裝置的真空泵(25)，對(duì)光聲池(16)抽真空，當(dāng)本裝置的氣壓表(18)顯示氣壓為0.005~0.01MPa時(shí)，依次關(guān)閉出氣閥門(22)和真空泵(25)，靜置光聲池10~15小時(shí)，再去觀察氣壓表(18)示數(shù)，如基本保持不變，則說(shuō)明本裝置的光聲池(16)在真空下的氣密性良好，打開本裝置的進(jìn)氣閥門(21)和氮?dú)?N₂)瓶閥門，向光聲池(16)內(nèi)沖入N₂氣體至氣壓表(18)示數(shù)為0.2~0.25MPa，依次關(guān)閉進(jìn)氣閥門(21)和N₂瓶閥門，靜置光聲池10~15小時(shí)，再去觀察氣壓表(18)示數(shù)，如基本保持不變，則說(shuō)明本裝置的光聲池(16)在高氣壓的情況下氣密性良好；

③?清洗光聲池

在(1)—②步完成后，先打開出氣閥門(22)，啟動(dòng)所述的真空泵(25)，對(duì)所述的光聲池(16)抽真空，當(dāng)所述的光聲池(16)真空度為0.005~0.01MPa時(shí)，依次關(guān)閉出氣閥門(22)和真空泵(25)，再打開所述的SF₆氣瓶的閥門和進(jìn)氣閥門(21)，向所述的光聲池(16)內(nèi)充入SF₆?氣體，直到光聲池(16)內(nèi)氣壓值為0.2~0.25MPa時(shí)為止，然后依次關(guān)閉SF₆氣瓶的閥門和進(jìn)氣閥門(21)，對(duì)所述的光聲池(16)進(jìn)行清洗，接著按前述操作步驟，先抽真空，再充入SF₆氣體清洗，如此重復(fù)沖洗2～4次，清洗后通過(guò)真空泵(25)將光聲池(16)抽真空，最后通過(guò)進(jìn)氣管(23)和進(jìn)氣閥門(21)將待檢測(cè)的GIS模擬元件(6)中的SF₆局部放電分解氣體組分通入光聲池(16)中；

(2)?恒定溫度下的參數(shù)測(cè)量

在(1)步完成后，首先打開寬頻紅外光源(9)、斬波控制器(12)、斬波器(11)、濾光片輪(13)、微音器(19)、氣壓表(18)、熱電偶(17)、開關(guān)電源(29)、固態(tài)繼電器(30)、智能數(shù)顯溫度調(diào)節(jié)儀(31)及鎖相放大器(27)，鎖相放大器積分時(shí)間1s，再控制光聲池(16)內(nèi)的溫度，使其恒定在30℃~50℃之間，即通過(guò)所述的智能數(shù)顯溫度調(diào)節(jié)儀(31)輸出方波信號(hào)控制所述的固態(tài)繼電器(30)的導(dǎo)通與關(guān)斷，所述的固態(tài)繼電器(30)的導(dǎo)通與關(guān)斷又控制本裝置的開關(guān)電源(29)的輸出端向所述的環(huán)形加熱帶(32)輸送低壓直流電能的多少，從而使光聲池(16)內(nèi)的溫度隨之升高或降低，手動(dòng)調(diào)節(jié)所述的智能數(shù)顯溫度調(diào)節(jié)儀(31)設(shè)定值為t₁，所述的熱電偶(17)將檢測(cè)到光聲池(16)內(nèi)實(shí)際溫度信號(hào)t₂傳輸給所述的智能數(shù)顯溫度調(diào)節(jié)儀(31)進(jìn)行顯示和比較，當(dāng)t₂>t₁，即光聲池內(nèi)溫度的實(shí)際值>設(shè)定值時(shí)，所述的智能數(shù)顯溫度調(diào)節(jié)儀(31)輸出的方波信號(hào)控制所述的固態(tài)繼電器(30)的導(dǎo)通時(shí)間變短，使輸送給環(huán)形加熱帶(32)的低壓直流電能減少，從而使光聲池(16)溫度降低，反之，當(dāng)t₂<t₁，即光聲池內(nèi)溫度的實(shí)際值<設(shè)定值時(shí)，所述的智能數(shù)顯溫度調(diào)節(jié)儀(31)輸出的方波信號(hào)控制所述的固態(tài)繼電器(30)的導(dǎo)通時(shí)間變長(zhǎng)，使輸送給環(huán)形加熱帶(32)的低壓直流電能增多，從而使光聲池(16)溫度升高，此比較過(guò)程不斷重復(fù)，直到光聲池(16)溫度穩(wěn)定在設(shè)定值t₁，即t₁=t₂時(shí)為止，從而達(dá)到了光聲池(16)恒溫的目的，然后在溫度恒定后，測(cè)量光聲池(16)的各項(xiàng)參數(shù)性能，首先測(cè)量光聲池(16)的共振頻率f，調(diào)節(jié)斬波控制器(12)的頻率，同時(shí)觀察鎖相放大器(27)顯示的光聲信號(hào)，當(dāng)鎖相放大器(27)顯示的光聲信號(hào)達(dá)到最大時(shí)，記錄此時(shí)斬波控制器(12)顯示的頻率，即為光聲池(16)在此溫度下的共振頻率f，接著測(cè)量光聲池(16)的各種噪聲，先測(cè)量外部環(huán)境噪聲值：將寬頻紅外光源(9)及斬波器(11)關(guān)閉，記錄此時(shí)鎖相放大器(27)顯示的值，即為環(huán)境噪聲值，再測(cè)量斬波器(11)噪聲值：保持寬譜紅外光源(9)關(guān)閉并打開斬波器(11)，調(diào)節(jié)斬波器(11)的頻率至共振頻率，記錄此時(shí)鎖相放大器(27)的示數(shù)，該示數(shù)減去環(huán)境噪聲值即為斬波器噪聲值，最后測(cè)量由硒化鋅窗口片(15)吸收和光聲池(16)內(nèi)壁吸收所造成的噪聲值：通過(guò)進(jìn)氣管(23)將光聲池(16)中充入高純氮?dú)猓蜷_斬波器(11)及寬頻紅外光源(9)，記錄此時(shí)鎖相放大器(27)顯示的數(shù)值，即為系統(tǒng)總體噪聲，用系統(tǒng)總體噪聲減去環(huán)境噪聲和斬波器噪聲即為硒化鋅窗口片(15)吸收和光聲池(16)內(nèi)壁吸收造成的噪聲值，再測(cè)量氣體光聲信號(hào)與氣體濃度的關(guān)系系數(shù)即響應(yīng)系數(shù)k，用配氣系統(tǒng)將所要測(cè)量的氣體配成不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體，分別通過(guò)進(jìn)氣管(23)和進(jìn)氣閥門(21)充入光聲池(16)，記錄各種濃度氣體下鎖相放大器(27)測(cè)得的光聲信號(hào)值，采用一元線性回歸擬合的方式計(jì)算出氣體濃度與光聲信號(hào)之間的關(guān)系系數(shù)，即響應(yīng)系數(shù)k，最后計(jì)算光聲檢測(cè)系統(tǒng)的最低檢測(cè)限，對(duì)于六氟化硫局部放電分解氣體組分，用系統(tǒng)總體噪聲除以各自的響應(yīng)系數(shù)k即可得各種氣體組分的最低檢測(cè)限；

(3)?六氟化硫局部放電分解組分濃度的檢測(cè)

第(2)步完成后，在其條件下，先通過(guò)出氣管(24)、出氣閥門(22)和真空泵(25)將光聲池(16)抽成真空，后通過(guò)進(jìn)氣管(23)和進(jìn)氣閥門(21)充入待檢測(cè)的GIS模擬元件(6)中的六氟化硫局部放電分解組分，氣壓為0.1MPa，再通過(guò)計(jì)算機(jī)(28)控制濾光片輪(13)旋轉(zhuǎn)，依次將中心波長(zhǎng)分別為7350nm即SO₂吸收峰中心波長(zhǎng)、4260nm即CO₂吸收峰中心波長(zhǎng)、7780nm即CF₄吸收峰中心波長(zhǎng)、18550nm即SO₂F₂吸收峰中心波長(zhǎng)、7440nm即SOF₂吸收峰中心波長(zhǎng)的濾光片14旋轉(zhuǎn)至光路中，并依次記下各特征濾光片(14)所對(duì)應(yīng)的光聲信號(hào)值S_i，i=1,…,6，最后將鎖相放大器(27)測(cè)得的光聲信號(hào)值輸入計(jì)算機(jī)(28)，在計(jì)算機(jī)(28)上通過(guò)公式S_i=k*?C_i+d，i=1,…,6，進(jìn)行計(jì)算，其中式中k為響應(yīng)系數(shù)，S_i為光聲信號(hào)值，d為截距，即各種氣體組分光聲信號(hào)與氣體濃度關(guān)系直線與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)，縱坐標(biāo)為光聲信號(hào)值，得到準(zhǔn)確的SO₂、CO₂、CF₄、SO₂F₂、SOF₂濃度值C_i，i=1,…,6；

(4)?設(shè)備維護(hù)

在第(3)步完成后，先打開出氣閥門(22)和真空泵(25)，將光聲池(16)中的氣體抽至室外排放，然后關(guān)閉出氣閥門(22)和真空泵(25)，打開氮?dú)馄块y門和進(jìn)氣閥門(21)充入氮?dú)猓缓笠来未蜷_出氣閥門(22)和真空泵(25)，將光聲池(16)中的氣體抽至室外排放，重復(fù)以上操作2～4次，用氮?dú)鈱⒐饴暢?16)清洗干凈，防止SF₆局部放電分解組分中的酸性氣體腐蝕光聲池(16)。