基于近紅外DOAS法的充油電力設(shè)備中CH4濃度在線檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬　亮，楊萍萍，龔雨含

(1．河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院，河北唐山　063000；2．河北聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北唐山　063000)

0　引言

油中溶解氣體的在線檢測技術(shù)是對變壓器等充油電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測的重要手段，通過對充油電力設(shè)備中溶解的多組分故障氣體的油氣分離和定量分析可以得到其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)而對其進(jìn)行故障診斷[1]。油中溶解氣體的在線檢測技術(shù)已經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，國內(nèi)外許多公司推出了很多種在線檢測裝置[2-4]，然而大多數(shù)在線檢測裝置無論是檢測的氣體種類，還是檢測指標(biāo)仍不能滿足電力運(yùn)行部門的需求。近年來，一些新型的氣體傳感技術(shù)開始應(yīng)用于油中溶解氣體的在線檢測中，取得了良好的效果，如氣相色譜[5]、紅外光譜[6]、光聲光譜[7-8]和氣體傳感器陣列[9-10]等方法，但它們在檢測氣體的濃度過程中存在長期穩(wěn)定性欠佳、靈敏度不理想、特征吸收譜線交疊嚴(yán)重等問題，針對以上問題及充油電力設(shè)備中溶解的特征氣體組分復(fù)雜等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了近紅外DOAS法在線檢測特征氣體濃度模型。

1　系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思想

利用油氣分離膜將運(yùn)行中的充油電力設(shè)備絕緣油中溶解的主要特征氣體H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2等通過滲透平衡的方法分離出來進(jìn)入氣室，進(jìn)入氣室的氣體(平衡得到的混合氣體)通過載氣N2進(jìn)入樣品池。近紅外DOAS法檢測變壓器油中特征氣體濃度模型如圖1所示。

圖1　近紅外DOAS法檢測充油電力設(shè)備中特征氣體濃度模型

在該系統(tǒng)模型中，取油樣和油氣分離是兩個(gè)重要環(huán)節(jié)，取油樣質(zhì)量的好壞直接影響檢測結(jié)果是否準(zhǔn)確，油樣采集應(yīng)按照DL/T722—2000規(guī)定的取樣方法進(jìn)行，取樣時(shí)既不能讓油中溶解氣體逸散，也不能混入空氣，操作時(shí)油中也不能產(chǎn)生氣泡，同時(shí)取樣應(yīng)在晴天進(jìn)行，取出的油樣避光保存；而用于在線油氣分離的高分子油氣分離膜的選擇通過市場調(diào)研，綜合考慮到膜的滲透系數(shù)、經(jīng)濟(jì)性及機(jī)械強(qiáng)度，選用的是聚四氟乙烯膜，它與積存滲透氣體的測量管以及安裝在變壓器底部強(qiáng)迫油循環(huán)回油管路上的蝶閥和電動設(shè)備組成了油氣分離單元。

在近紅外DOAS系統(tǒng)中，根據(jù)Lambert-Beer定律，經(jīng)過對CH4吸收譜的特點(diǎn)分析，從實(shí)用角度選擇DFB半導(dǎo)體激光器作為光源。選用14針蝶形封裝、基于InGaAsP材料制作的兩支DFB半導(dǎo)體激光器作為CH4濃度檢測系統(tǒng)的光源，激光器的波長為1 654 mm．在工作溫度為15.8 ℃、注入電流為60 mA時(shí)，1 654 nm DFB激光器用光譜分析儀Q8384測得的發(fā)射譜圖如圖2所示。

圖2　DFB半導(dǎo)體激光器的發(fā)射譜

2　改進(jìn)的氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣室設(shè)計(jì)的主要原則是：

(1)吸收光程盡可能大，根據(jù)Lambert-Beer定律，增加氣體吸收路徑的長度L，可以直接提高系統(tǒng)的檢測靈敏度；

(2)氣室中光路的耦合損耗小，耦合狀態(tài)穩(wěn)定，可靠性高；

(3)產(chǎn)生的噪聲小，體積盡可能小，便于實(shí)際應(yīng)用過程中移動方便。

綜合考慮以上原則，所設(shè)計(jì)的氣室結(jié)構(gòu)和光路圖如圖3、圖4所示。

圖3　氣室結(jié)構(gòu)

圖4　光路圖

在設(shè)計(jì)氣室過程中，考慮在1 654 nm波長附近對CH4吸收強(qiáng)烈、靈敏度高、響應(yīng)速度快等因素，探測器采用光功率計(jì)代替探測器進(jìn)行測量。DFB半導(dǎo)體激光器與光功率計(jì)分別放置在橢球反射鏡的兩個(gè)焦點(diǎn)上，前者發(fā)出的輻射經(jīng)過橢球反射鏡聚焦落在光功率計(jì)上，可以提高輻射的收集效率，避免發(fā)散的反射光與入射光之間的相干噪聲。

3　信號處理部分電路改進(jìn)設(shè)計(jì)

3．1鎖相放大器部分電路設(shè)計(jì)

鎖相放大器是檢測淹沒在噪聲中微弱信號的重要手段，在微弱信號檢測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。所設(shè)計(jì)的方案中，從光功率計(jì)的輸出信號中提取含有CH4濃度信息的信號微弱，故選用平衡調(diào)制解調(diào)器AD630芯片。

所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，被提取的信號經(jīng)過光路和電路中的光電轉(zhuǎn)換、電光轉(zhuǎn)換、放大、濾波等一系列處理過程到達(dá)AD630時(shí)，必定存在一定的延遲相位，而AD630中的PSD實(shí)際上等效為一個(gè)模擬乘法器，因此只有參考信號和輸入信號中的同頻成分相位一致或者反相時(shí)，AD630的輸出信號才為最大，圖5是改進(jìn)設(shè)計(jì)的0～180°滯后移相器及跟隨的放大器。

圖5　鎖相前端移相電路

3．2濾波電路設(shè)計(jì)

光信號經(jīng)過偏置探測電路轉(zhuǎn)換和信號放大后會產(chǎn)生多種噪聲，因此需要對信號再次進(jìn)行電路濾波處理。為了避免1/f噪聲，光源的驅(qū)動頻率不應(yīng)過低，同時(shí)由光源的參數(shù)可以知道：頻率過低或使用直流電源驅(qū)動會導(dǎo)致光源光功率不能達(dá)到較高值。因此采用1 200 Hz脈沖電流來驅(qū)動光源，為此設(shè)計(jì)此頻率處的帶通濾波電路，濾除頻帶外的噪聲，如圖6所示。

圖6　濾波電路

濾波電路的傳遞函數(shù)為：

(1)

帶通增益為：

(2)

中心頻率為：

(3)

品質(zhì)因數(shù)為：

(4)

將以上式子代入電路傳遞函數(shù)可得：

(5)

式中ω0為中心頻率。

所設(shè)計(jì)的濾波電路在1 200 Hz附近幅頻特性良好，阻帶衰減大，能有效濾除頻率外的噪聲。

3．3A/D轉(zhuǎn)換器型號的選用

氣體的吸收光信號經(jīng)光功率計(jì)轉(zhuǎn)換成光電流，經(jīng)過放大、帶通濾波、峰值檢測后是一個(gè)攜帶了氣體吸收信息的模擬電壓信號。為了使模擬電壓信號適合后續(xù)數(shù)字處理系統(tǒng)，需要通過A/D轉(zhuǎn)換將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，使用A/D轉(zhuǎn)換器來完成這一轉(zhuǎn)換過程。在模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號過程中，數(shù)字信號輸出值取決于模擬輸入值與給定的基準(zhǔn)值之比，表示精度與數(shù)字信號的位數(shù)有關(guān)。如果基準(zhǔn)值能隨模擬輸入信號而變化，則輸出數(shù)字信號就與模擬輸入信號和變化基準(zhǔn)信號之比成正比。

選擇A/D轉(zhuǎn)換器必須考慮轉(zhuǎn)換器的位數(shù)和轉(zhuǎn)換時(shí)間，本文對轉(zhuǎn)換時(shí)間沒有較高的要求，在精度上，為了得到較好的氣體濃度測量精度，要求A/D轉(zhuǎn)換具有足夠的位數(shù)。綜合考慮，選用型號為ADC1225CCD的12位A/D轉(zhuǎn)換器，12位的二進(jìn)制數(shù)最大能表示4 095整數(shù)，當(dāng)取光強(qiáng)數(shù)字信號接近4 096時(shí)，光強(qiáng)因吸收衰減約1/4 000能被表示出來，能滿足氣體光吸收的要求。

4　CH4濃度的計(jì)算

由于樣品池中含有的5種主要特征氣體的吸收譜線并沒有完全重疊，系統(tǒng)中采用縮小氣體測量波段的方法來避免遇到重疊波段。

根據(jù)光譜儀測得的參考光譜和吸收光譜，由式(6)計(jì)算被測氣體成分吸收度的快變部分，再根據(jù)式(7)可以直接求出被測氣體的濃度：

(6)

D=A·C

(7)

式中：D為差分吸收度矩陣；A為差分吸收截面矩陣；C為氣體濃度矩陣。

5　結(jié)束語

文中將近紅外DOAS法應(yīng)用于充油電力設(shè)備中CH4濃度的在線檢測系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了CH4的低濃度、高靈敏度檢測，并且考慮了充油電力設(shè)備在線監(jiān)測的設(shè)計(jì)需要，為預(yù)測分析其潛伏性故障提供有利信息。

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