李光明

河南省商丘供電公司，河南 商丘 476000

0 引言

激光光聲光譜技術(shù)作為一種高靈敏度的微量氣體檢測技術(shù)，已有30多年的歷史。激光光聲光譜技術(shù)和紅外氣體檢測技術(shù)都是利用氣體分子吸收紅外線的特性，二者的區(qū)別在于光源。紅外檢測技術(shù)是利用紅外線做光源，是廣譜的光源，所以紅外氣體傳感器的選擇性差、靈敏度低。激光光聲光譜技術(shù)采用激光器做光源，是單一頻譜的光源，光源的頻率可以和氣體分子的吸收頻率一致，所以激光光聲光譜技術(shù)的特點(diǎn)是選擇性好、靈敏度高。

1 激光光聲光譜氣體檢測技術(shù)原理

光聲氣體檢測技術(shù)是基于不同氣體在紅外波段有不同的特征吸收光譜，例如：一氧化碳（CO）的紅外特征光譜是2.32um和4.26um，二氧化碳（CO2）的紅外特征光譜是4.65um和14.99um，六氟化硫（SF6）的紅外特征光譜在10.55um附近。

光聲氣體檢測原理是利用氣體吸收一支強(qiáng)度隨時間變化的光束而被加熱時所引起的一系列聲效應(yīng)。當(dāng)某個氣體分子吸收一個頻率為v的光子后，從基態(tài)E0躍遷到激發(fā)態(tài)E1，兩能量級的能量差為E1-E0=hv 。受激氣體分子與氣體中任何一分子相碰撞，經(jīng)過無輻射馳豫過程而轉(zhuǎn)變?yōu)橄嘧驳膬蓚€分子的平均動能，通過這種方式釋放能量從而返回基態(tài)。氣體通過這種無輻射的馳豫過程把吸收的光能部分地或全部地轉(zhuǎn)換成熱能而被加熱。如果入射光強(qiáng)度調(diào)制的頻率小于該馳豫過程的馳豫頻率，則這光強(qiáng)的調(diào)制就會在氣體中產(chǎn)生相應(yīng)的溫度調(diào)制。根據(jù)氣體定律，封閉在光聲腔內(nèi)的氣體溫度就會產(chǎn)生與光強(qiáng)調(diào)制頻率相同的周期性起伏。也就是說，強(qiáng)度時變的光束在氣體試樣內(nèi)激發(fā)出相應(yīng)的聲波，用傳聲器便可直接檢測該信號。

氣體光聲檢測系統(tǒng)通常由激光器（或普通單色光源）、調(diào)制器（使光束做強(qiáng)度調(diào)制）、充有被測吸收氣體和裝有檢測傳聲器的光聲腔以及信號采集處理系統(tǒng)組成。利用光聲原理實(shí)現(xiàn)的氣體檢測技術(shù)是基于氣體的特征紅外吸收，間接測量氣體吸收的能量，因此測量靈敏度高、檢測極限低，且不存在傳感器老化的問題。

2 六氟化硫檢漏儀的應(yīng)用效果

六氟化硫（SF6）氣體泄露檢測儀一般都要求體積小、重量輕、用電池供電以適應(yīng)電力系統(tǒng)現(xiàn)場使用。2005年俄羅斯通用物理研究所開發(fā)出世界上體積最小的低功耗二氧化碳激光器，使便攜式采用激光光聲光譜檢測技術(shù)的SF6定量檢漏儀在技術(shù)上可實(shí)現(xiàn)。目前，采用激光光聲檢測原理的SF6定量檢漏儀使SF6的檢測靈敏度達(dá)到1×10-9cm3/s（0.002克/年），動態(tài)范圍為0.001ppm～1000ppm。高靈敏度的儀器可保證精確定位泄露位置，避免了其它物質(zhì)在泄露探測中的干擾。高速氣流和光聲探測器較短的響應(yīng)時間保證在探測到高濃度氣流后1s～2s內(nèi)儀器即可恢復(fù)。紅外激光源和特殊光聲傳感器技術(shù)保證了SF6的高靈敏度探測，降低了誤報警的次數(shù)。

我們在選擇SF6檢漏儀時要關(guān)注如下技術(shù)指標(biāo)：靜態(tài)靈敏度、響應(yīng)時間、傳感器的選擇性。六氟化硫（SF6）檢漏儀的系統(tǒng)響應(yīng)時間由兩部分組成：氣流通過傳感器的時間和傳感器本身的響應(yīng)時間。氣流通過傳感器的時間是指SF6氣體通過導(dǎo)管到達(dá)傳感器的時間，該時間取決于管路的長度和抽氣泵的功率。傳感器本身的響應(yīng)時間是指傳感器可以準(zhǔn)確測量SF6氣體濃度所需要的時間，不同原理的傳感器響應(yīng)時間有很大差別，范圍從毫秒級到分鐘級。

很多儀器在宣傳靈敏度為1ppm或0.1ppm的時候其實(shí)指的是在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定的靈敏度，也就是用氮?dú)夂蚐F6的混合氣體來標(biāo)定的靈敏度，這個靈敏度應(yīng)該是靜態(tài)靈敏度。靜態(tài)靈敏度是不考慮檢漏儀的響應(yīng)時間也不考慮周圍環(huán)境各種干擾氣體影響的靈敏度。實(shí)際在現(xiàn)場測量SF6泄漏時，檢漏儀的探頭是移動的，速度大約在1cm/s～3cm/s。正常情況下泄漏點(diǎn)周圍SF6氣體的濃度是呈梯度分布的，越靠近泄漏點(diǎn)SF6氣體濃度越高。對于靜態(tài)靈敏度相同的兩臺儀器，若系統(tǒng)響應(yīng)時間不同，當(dāng)探頭以同樣速度經(jīng)過泄漏點(diǎn)時，響應(yīng)時間快的儀器測量結(jié)果更準(zhǔn)確，響應(yīng)時間慢的儀器測量結(jié)果偏小。同一臺儀器，當(dāng)探頭以不同速度移動經(jīng)過泄漏點(diǎn)時，同樣的泄露在儀器上檢測出的結(jié)果也是不同的，移動速度越快讀數(shù)越小，移動速度越慢測量結(jié)果越準(zhǔn)確。有些傳感器是廣譜的，不僅對SF6氣體敏感，對水蒸氣、二氧化碳、烷烴類氣體、鹵素氣體均有反應(yīng)，所以實(shí)際測試環(huán)境的干擾氣體會大大降低某些SF6檢測儀器的靈敏度。動態(tài)靈敏度取決于靜態(tài)靈敏度、系統(tǒng)響應(yīng)時間和傳感器的選擇性。靜態(tài)靈敏度高、響應(yīng)時間快、傳感器選擇性好的檢漏儀，其動態(tài)靈敏度才會高。

筆者做了如下對比試驗(yàn)，選用了3款SF6檢漏儀，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如下表：

激光光聲SF6檢漏儀紅外原理的SF6檢漏儀 SF6定性檢漏儀測量結(jié)果 定量 定量 定性系統(tǒng)響應(yīng)時間 1.5s 5s 小于1s靜態(tài)靈敏度 0.001ppm 1ppm 大約50ppm

同樣規(guī)格的SF6標(biāo)準(zhǔn)氣體六瓶，濃度分別為1ppm，5ppm，10ppm，50ppm，100ppm，200ppm。通過減壓閥和流量表使各瓶子SF6氣體流出的速度盡可能一致。3種檢漏儀以1cm/s的速度經(jīng)過各個SF6氣體標(biāo)準(zhǔn)瓶泄漏口，測量結(jié)果如下表：

氣體濃度 激光光聲SF6檢漏儀紅外原理的SF6檢漏儀 SF6定性檢漏儀1 ppm 0.913 ppm 0 ppm 無反應(yīng)5 ppm 4.531 ppm 0 ppm 無反應(yīng)10 ppm 9.125 ppm 1 ppm 無反應(yīng)50 ppm 47.03 ppm 13 ppm 無反應(yīng)100 ppm 93.04 ppm 24 ppm 無反應(yīng)200 ppm 191.5 ppm 58 ppm 有輕微反應(yīng)

我們從試驗(yàn)結(jié)果能看出：激光光聲光譜檢測技術(shù)在電力系統(tǒng)SF6檢漏方面有著令人滿意的檢測效果。