馬　亮，楊萍萍，龔雨含

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

0　引言

油中溶解氣體的在線檢測技術是對變壓器等充油電力設備運行狀態(tài)進行在線監(jiān)測的重要手段，通過對充油電力設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行狀態(tài)進而對其進行故障診斷[1]。油中溶解氣體的在線檢測技術已經(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，還是檢測指標仍不能滿足電力運行部門的需求。近年來，一些新型的氣體傳感技術開始應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重等問題，針對以上問題及充油電力設備中溶解的特征氣體組分復雜等特點，設計了近紅外DOAS法在線檢測特征氣體濃度模型。

1　系統(tǒng)的整體設計思想

利用油氣分離膜將運行中的充油電力設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入氣室，進入氣室的氣體(平衡得到的混合氣體)通過載氣N2進入樣品池。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)果是否準確，油樣采集應按照DL/T722—2000規(guī)定的取樣方法進行，取樣時既不能讓油中溶解氣體逸散，也不能混入空氣，操作時油中也不能產(chǎn)生氣泡，同時取樣應在晴天進行，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)濟性及機械強度，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迫油循環(huán)回油管路上的蝶閥和電動設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吸收譜的特點分析，從實用角度選擇DFB半導體激光器作為光源。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，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半導體激光器的發(fā)射譜

2　改進的氣室結(jié)構(gòu)設計

氣室設計的主要原則是：

(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，便于實際應用過程中移動方便。

綜合考慮以上原則，所設計的氣室結(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

在設計氣室過程中，考慮在1 654 nm波長附近對CH4吸收強烈、靈敏度高、響應速度快等因素，探測器采用光功率計代替探測器進行測量。DFB半導體激光器與光功率計分別放置在橢球反射鏡的兩個焦點上，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設計

3．1鎖相放大器部分電路設計

鎖相放大器是檢測淹沒在噪聲中微弱信號的重要手段，在微弱信號檢測領域得到了廣泛的應用。所設計的方案中，從光功率計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。

所設計的系統(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AD630時，必定存在一定的延遲相位，而AD630中的PSD實際上等效為一個模擬乘法器，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，AD630的輸出信號才為最大，圖5是改進設計的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濾波電路設計

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)動頻率不應過低，同時由光源的參數(shù)可以知道：頻率過低或使用直流電源驅(qū)動會導致光源光功率不能達到較高值。因此采用1 200 Hz脈沖電流來驅(qū)動光源，為此設計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。

所設計的濾波電路在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)光功率計轉(zhuǎn)換成光電流，經(jīng)過放大、帶通濾波、峰值檢測后是一個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值之比，表示精度與數(shù)字信號的位數(shù)有關。如果基準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)換時間，本文對轉(zhuǎn)換時間沒有較高的要求，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位的二進制數(shù)最大能表示4 095整數(shù)，當取光強數(shù)字信號接近4 096時，光強因吸收衰減約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法應用于充油電力設備中CH4濃度的在線檢測系統(tǒng)中，實現(xiàn)了CH4的低濃度、高靈敏度檢測，并且考慮了充油電力設備在線監(jiān)測的設計需要，為預測分析其潛伏性故障提供有利信息。

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