基于光声光谱的变压器油中多组分气体检测方法

王新宽，步长锋，云玉新

（1.重庆电力设计院，重庆 400030；2.华电国际邹县发电厂，山东 邹城 273522；3.山东电力研究院，山东 济南 250002；4.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学），重庆 400030）

0 引言

油中溶解气体是表征运行电力变压器早期潜伏性故障的重要特征量之一，油中溶解气体的在线监测技术在变压器运行状态的在线评估及剩余寿命的预测领域具有良好的应用前景［2-3］。目前，变压器油中溶解气体在线监测装置中所用的气体检测方法主要是气相色谱法、气敏传感器法、傅立叶红外光谱法等，但在长期使用中，这些方法存在取样复杂、交叉敏感、长期稳定性差、检测气体组分不够齐全等缺点。

光声光谱技术作为一种光学检测技术，它自身不需要消耗及分离气体，且在灵敏度、选择性、动态检测范围等方面显示了独特的优点［7-9］，其在变压器油中溶解气体在线监测技术领域具有巨大的应用潜力。基于光声光谱技术的基本原理，以绝缘油劣化最早产生的甲烷气体和往往伴随变压器内部放电性故障而产生得乙炔气体为对象，研究变压器油中多种故障特征气体的光声光谱检测方法，为多组分故障特征气体光声光谱仪的设计提供理论基础。

1 多组分气体的光声光谱检测原理及实验装置

光声光谱技术是基于光声效应，通过直接测量物质吸收光能而产生热能的一种光谱量热技术［10］。在气体的光声效应中，气体分子吸收经过调制的特定波长红外光能而被激发到高能态，由于高能态极不稳定，分子随即以无辐射跃迁形式将吸收的光能转变为热能而回到基态；由于光能是周期调制的，这使得密闭于气池中的气体分子的热能也呈周期性变化，宏观上表现为压力的变化，即产生声波［11］。对于多组分混合气体，由于气体对红外光的吸收具有选择性，即不同的气体组分具有特定的红外吸收光谱，因此，根据用来激发气体光声效应的红外光源的波长信息即可断定气体的组分；另一方面，由于声波强度与吸收气体组分的体积分数有关，因此，利用声波强度与体积分数间的定量关系，即可判断出气体组分体积分数。

基于以上原理，设计如图1所示的光声光谱检测装置，主要包括分布反馈半导体激光器、激光控制器、斩波器、光声池、锁相放大器、计算机等。该装置采用的NEL公司的分布反馈半导体激光器，其发射线宽为2 MHz，相对于气体的吸收线宽（一般在GHz）来说可以忽略，因而该激光器是一种理想的单色光源，激光控制器采用Thorlabs公司的ITC502。本文的光声池设计为一阶纵向共振光声池，其纵剖面如图1所示，中部的谐振腔是长10 cm、直径1 cm的圆柱型腔体；谐振腔两端的腔体称为缓冲室，它们用来隔离窗口片的光吸收产生的噪声，缓冲室的长度取5 cm，直径取4 cm，光声池由黄铜加工而成，内表面抛光，并用透过率大于90%的石英窗片密封两端口。光声效应产生的声波用Knowles公司微音器EK3024来检测，将微音器EK3024安置在谐振腔中部，并使其开口刚好与谐振腔管壁平齐，可以获得最好的检测效果，EK3024的灵敏度为22 mV/Pa。斩波器采用Stanford公司的SR540，其频率调制范围为4～3.7 kHz，斩波器输出的方波信号和微音器输出的正弦波信号分别作为锁相放大器SR830的参考信号和待测信号，经互相关检测，提取出光声信号后，送入计算机。

由于光声系统所检测的气体种类取决于激光器的工作波长，依据以下原则来选择激光器的工作波长：①为使系统具有较高的检测灵敏度，宜选择气体红外光谱中具有强吸收的吸收谱线；②为避免气体间的交叉吸收干扰，待测气体的吸收谱线应避免与其他故障特征气体及非故障特征气体的吸收谱线重叠；③使激光器的调谐范围能够覆盖几条相邻的吸收谱线，因为随着激光器工作时间的延长，它的特性参数可能会发生变化，所以选择一个具有多个强吸收谱线的波长范围可以保证至少有一条吸收谱线可用；④所选的激光器工作波长在市场有售的激光器波长范围内。据此，选择1654nm和1 520 nm激光器来分别检测CH4和C2H2。图2给出CH4和C2H2在1 654 nm和1 520 nm附近的红外光谱。

图1 实验装置原理图

图2 CH4和C2H2的近红外光谱

2 多组分气体的光声光谱检测

2.1 气体间的交叉吸收实验

为了检验CH4和C2H2对两种激光器的红外辐射是否存在交叉吸收，进行如下实验：向光声池中注入一定体积分数的CH4气体，分别对1 520 nm和1 654 nm两种激光器照射下的光声信号进行多次重复测量，结果如图3（a）所示；同理，用N2清洗光声池后，再向池中充入一定体积分数的C2H2气体，分别对1 520 nm和1 654 nm两种激光器照射下的光声信号进行多次重复测量，其测量结果如图3（b）所示。

由图3可见，1 654 nm的激光器只引起CH4的吸收，而1 520 nm的激光器则只会被C2H2吸收，可见，使用这两种波长的激光器，不会引起气体间的交叉干扰，说明系统具有良好的选择性。此外，由图3（a）、（b）可以看出，1 520 nm和1 654 nm激光器下测得的信号并不是零，这是由噪声引起的，而不是气体吸收所致。

图3 CH4和C2H2的交叉吸收实验

2.2 多组分气体光声定量方法

理论研究表明，光声信号与气体体积分数间存在如下关系［12］：

式中，SPA为光声信号，Ccell为池常数，Ntot为总的气体分子数密度，σ为气体的吸收横截面，c为气体体积分数，P为激光功率。理想情况下，用m条激光谱线分析n组分气体（m≥n），可以得到m条谱线下的光声信号，根据式（1），对于气体各组分的体积分数，可建立方程组（式（2））来求解。

式中，Si为谱线i下的光声信号；Pi为谱线i的功率；Ntot为总的粒子数密度；σik为气体组分k在谱线i下的吸收横截面，ck为气体体积分数。若气体间不存在交叉吸收，即 σik=0（i≠k ）时，式（2）可简化为：

利用测得的光声信号，使用式（2）或式（3）反演气体体积分数，存在一些问题，如在实际测量中，由于系统中各种噪声的影响，会导致光声信号的测量结果出现偏差；同时，无论池常数、激光功率、气体粒子数密度及吸收系数的实验值还是理论值也必定与真实值存在误差，这些误差在反演计算时也会累加到气体体积分数的分析结果中。鉴于这些问题，针对所构建的具有良好选择性的光声光谱装置，提出一种基于最小二乘回归的气体光声定量分析方法，该方法的思路是：首先，获取大量已知体积分数的单一气体组分的光声信号；然后，应用最小二乘回归方法对光声信号及气体组分的体积分数进行一元线性回归，得到它们之间的定量关系；根据这一关系，即可利用测得的多组分混合气体的光声信号来反演气体不同组分的体积分数。

建立光声信号与气体体积分数间的定量关系有以下两步：①已知体积分数气体光声信号的测量；②所测光声信号与其对应气体体积分数的最小二乘回归拟和。实验中，使用基于质量流量控制器在10～10 000 μL/L之间的若干不同体积分数的CH4和C2H2气样。为避免光声池气密性不佳而导致气体泄漏，采用流动气体法使气体缓慢流过光声池，并且使用气相色谱仪对气体体积分数进行最终标定；测量光声信号时，为减小系统噪声干扰产生的测量误差，使用多次测量取平均的方法进行读数。图4（a）和图4（b）分别给出了CH4和C2H2的体积分数与其光声信号的关系。可以看出，在图示体积分数范围内，CH4、C2H2的体积分数与其光声信号保持线性关系，应用最小二乘回归方法进行线性拟和的结果为

图4 光声信号与气体体积分数的最小二乘回归

根据前面的分析，利用式（4）与式（5）所确立的CH4、C2H2的体积分数与其光声信号的关系，便可反演出混和气体中CH4和C2H2的体积分数。

2.3 多组分气体光声检测

为了验证上述方法和以上两式的正确性与精确度，表1给出了用光声光谱和气相色谱对由不同体积分数的CH4和C2H2所组成的混合气体进行检测的结果对比，其中偏差e表示光声光谱检测值CPAS与气相色谱检测值CGC的差占CGC的百分比，即

从表1中可以看出，使用气相色谱仪和光声光谱系统对混和气体中的CH4和C2H2检测的结果差别不大，其中对CH4检测的偏差不超过6.6%，而对C2H2检测的偏差则不超过7.4%。由实验结果可以看出，基于DFB半导体激光器阵列光源的多组分气体分析方法及所建立的气体定量分析方法是有效的。

表1 气相色谱与光声光谱的测量结果对比

3 结论

油中溶解气体的在线监测技术虽已历经四十余年的研究，但由于现场运行环境的复杂性，现有技术仍存在无法满足现场要求且难以克服的诸多不足，因而，需要引入一种新的油中气体检测技术。以甲烷和乙炔为例，对多组分故障特征气体的光声光谱检测方法进行了研究；设计的基于分布反馈半导体激光器的光声光谱检测装置对甲烷和乙炔具有良好的选择性，且气体体积分数检测范围大，能够满足油中气体在线监测的应用要求；提出的基于最小二乘回归的多组分气体光声定量分析方法在反演气体体积分数时，不需要池常数、气体吸收系数及激光功率等参数，从而避免了这些参数引入的误差。文中的理论分析及实验结果为油中溶解气体光声光谱检测装置的设计提供了有意义的参考。