利用傅里葉紅外光譜研究SF6中SO2含量

李明洋，馬曉燕，趙靜，袁小先，李旭，關(guān)麗

(1.河北大學 物理科學與技術(shù)學院，河北 保定 071002；2.河北大學 安全工作處，河北 保定 071002)

六氟化硫(SF6)氣體具有良好的化學穩(wěn)定性、高電氣強度和良好的絕緣性能，長期以來一直被用作電氣設備內(nèi)的絕緣介質(zhì)[1].被電弧或電火花擊發(fā)后，SF6會分解成SO2以及H2O等多種產(chǎn)物[2-3].監(jiān)測SF6中微水和SO2的含量，有助于提前判斷設備內(nèi)部SF6純度變化，提前進行防范，減少損失[4-6].目前用于分析氣體中其他雜質(zhì)氣體的主要方法有：氣相色譜法、質(zhì)譜法、檢測管、離子色譜法、氣體傳感器法、紅外吸收光譜法等[7-11]，其中，傅里葉變換紅外光譜(FTIR)，可以在較短時間內(nèi)檢測多種物質(zhì)，具有較高的分辨率和檢測準確性[12-13].

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

實驗裝置由傅里葉紅外光譜儀、氣體池、SF6氣體鋼瓶，裝有不同SO2氣體的SF6氣體鋼瓶，壓力表，真空泵等組成.實驗裝置及連接示意如圖1所示.

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental device

1.2 實驗原理

1.2.1 邁克爾遜干涉儀原理

傅里葉變換紅外光譜測試的條件之一是獲得干涉光.選擇邁克爾遜干涉儀進行實驗，工作原理如圖2所示.分束器的透射率和反射率均為50%，紅外光源發(fā)出的紅外光分為2等份.透射光射向動鏡，OM為光程長度.反射光傳到定鏡，OF為光程長度.由于2個光路不同，當2個光束在分束器中再次相遇時，形成光程差δ=2(OF-OM)，以此實現(xiàn)光的相干涉條件[14-15].干涉光強度與光程差之間的關(guān)系可以用式(1)表示

圖2 邁克爾遜干涉儀光路Fig.2 Light path diagram of Michelson interferometer

(1)

其中，I(δ)代表干涉光能量，I(ν)是波數(shù)為ν的光源光強，ν表示波數(shù).

1.2.2 朗伯-比爾定律

由于氣體密度較小，利用FTIR法測試得到的氣體吸收相對較弱.為了提高信號強度并減小誤差，最常用的方法是利用朗伯-比爾定律[15].當紅外光束通過樣品時，紅外光被吸收的強度與檢測樣品中各組分的濃度成正比，與光程長度成反比，如式(2)所示.

I(ν)=I0(ν)·e-σ·N·L

(2)

式(2)中，I(ν)為氣體吸收后的光強，單位為W/sr；I0(ν)為沒有氣體吸收時的背景光強，單位為W/sr；σ為分子吸收截面，單位為cm2/mol；N為被測物質(zhì)的濃度，單位為mol/cm3；L為總的氣體吸收光程長，單位m.

令：τ=e-σ·N·L

(3)

則式(2)可以簡化為

I(ν)=I0(ν)·τ

(4)

當溫度壓強恒定時，比如常溫和常壓，吸光系數(shù)通常被認定是恒定的.因此，當使用相同的儀器測量物質(zhì)的檢測限時，光程長度與物質(zhì)濃度成反比，這是選擇氣體池的光程長度的理論依據(jù).

1.2.3 氣體樣品池

自制如圖3所示樣品池.樣品池長300 mm，截面邊長120 mm，入射端凹面鏡為60 mm×60 mm，另一端2個凹面鏡均為40 mm×60 mm.該樣品池是基于8次反射以調(diào)節(jié)反射次數(shù)的氣體池，調(diào)節(jié)范圍為4～20次，3個反射鏡的曲率半徑均為300 mm，并計算確定基本光程長度為3 000 mm.

圖3 氣體池結(jié)構(gòu)Fig.3 Gas pool structure

1.3 實驗方法

1.3.1 測試前準備

1)首先對設備所在實驗室的溫度和濕度進行測試，并保持恒定.用高純氮氣吹掃氣體室10 min，以去除氣體室中的空氣和微水.

2)同時打開紅外光源，預熱10 min以上.

3)然后打開連接傅里葉紅外光譜儀的電腦及控制軟件.

4)最后將氣體室放置在紅外光源出光口和探測器之間，并且固定位置.

5)將進氣口與氣瓶減壓閥連接，將出氣口的氣線通至室外.

1.3.2 紅外吸收光譜測試

1)首先設置測試參數(shù)，主要是設定測試的間距和次數(shù).

2)將體積分數(shù)為99.99%的SF6氣體通入氣體室，待氣流穩(wěn)定后，進行實驗.

3)點擊RF按鈕，即可把SF6氣體的吸收光譜作為背景.

4)將含一定量SO2的SF6待測氣體通入氣體室，待氣流穩(wěn)定后進行測試，并將數(shù)據(jù)保存；為了分析數(shù)據(jù)，測試每種濃度的氣體5次吸收光譜.

5)測試完畢在更換其他氣體前應利用真空泵對氣體室抽真空并利用高純SF6氣體對氣體室進行吹掃3次以上，然后再通入待測氣體進行測試.

6)將測試的吸收光譜數(shù)據(jù)統(tǒng)一導入Origin軟件，選擇1 167 cm-1處的吸收峰作為分析峰，建立紅外吸光度與SF6氣體中SO2的體積分數(shù)的標準工作曲線.

7)選擇不同的氣體標樣進行紅外吸收測試，得到每種樣品在1 167 cm-1處的吸光度，并在標準工作曲線中找到相應的體積分數(shù)，將其與已知體積分數(shù)進行比較，并計算誤差.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 不同SO2含量的SF6標樣的吸光度

由于氣體分子對紅外輻射的吸收具有一定的選擇性，因此氣體的紅外吸收譜圖具有明顯的特征.如圖4所示，給出了SO2體積分數(shù)為200 μL/L的SF6標樣的紅外光譜圖，圖4中1 100～1 300 cm-1沒有SF6的特征吸收峰.SO2對紅外輻射強吸收的波段主要位于中紅外區(qū)，典型吸收波數(shù)為1 132 、1 671、360 cm-1[16-17].以1 167 cm-1處的吸收峰作為分析峰，表1給出了不同SO2體積分數(shù)的SF6標樣在1 167 cm-1處的吸光度.

圖4 SO2體積分數(shù)為200 μL/L的SF6標樣的紅外光譜Fig.4 FTIR spectrum of SF6 sample with 200 μL /L SO2

表1 不同SO2體積分數(shù)的SF6標樣在1 167 cm-1處的吸光度Tab.1 Absorbance of SF6 sample with different concentration SO2 at 1167 cm-1

2.2 SF6氣體中不同SO2含量的標準工作曲線

對樣品在1 167 cm-1處的吸光度與SO2體積分數(shù)的對應數(shù)據(jù)進行了擬合(圖5)，得到了標準工作曲線，如式(5).

圖5 紅外吸光度與SF6氣體中SO2含量的標準曲線Fig.5 Standard working curve of infrared absorption and SO2 concentration in SF6 gas

y=a+bx，

(5)

其中，y為樣品的吸光度，x表示SF6標樣中SO2的體積分數(shù)，a=0.034 62，b=5.711 63×10-4，標準工作曲線的標準方差為0.001 2，相關(guān)系數(shù)為0.999 53，所以結(jié)果是可信的.

3 結(jié)論

實驗設計了一種利用傅里葉紅外光譜測試SF6中SO2體積分數(shù)的方法，以此監(jiān)測電力開關(guān)設備內(nèi)SF6的純度.對樣品在1 167 cm-1處的吸光度和SO2體積分數(shù)的對應數(shù)據(jù)進行了擬合，得到了標準工作曲線方程：y=0.034 62+5.711 63×10-4x，相關(guān)系數(shù)為0.999 53，所以該標準曲線是可信的.本實驗既是理論對應用的指導，又是應用對理論的提高.不僅可以使學生加深對基礎知識的理解，而且有助于培養(yǎng)學生的實驗操作能力，創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力.