吳俊杰 吳水鋒 萬 濤 龔尚昆 龍思文

（1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南長沙410000；2.南京正合盛奇電力科技有限公司，江蘇南京210005）

0 引言

在診斷油浸式變壓器早期潛在故障上，溶解氣體分析是最便捷、最有效的方法之一。其中光聲光譜法具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、實時性等優(yōu)點，有利于變壓器的故障診斷和預測，也能用于分析待測氣體與變壓器故障間的聯(lián)系[1]，因而得到廣泛應用。光聲光譜法是一種基于光聲效應的量熱光譜技術(shù)，在光和聲的影響下，通過測量材料吸收光后產(chǎn)生的聲場強度來對氣體進行定性和定量分析，其中氣壓是最重要的干擾因素之一[2]。因此，有必要分析氣壓對光聲光譜技術(shù)的影響。本文基于氣體光聲電壓信號的激勵機制，設計了一種可調(diào)的便攜式實驗裝置，理論推導了氣壓與氣體吸收系數(shù)、光聲電壓（PAV）信號之間的函數(shù)關(guān)系，并對溶解在變壓器油中的乙炔、甲烷和二氧化碳進行實驗，結(jié)果證明了函數(shù)關(guān)系的正確性，理論與實驗結(jié)果為油氣光聲光譜在線監(jiān)測系統(tǒng)的進一步改進提供了參考和技術(shù)支持。

1 光聲信號激發(fā)機理

氣體光聲信號是經(jīng)過光、熱、聲信號的轉(zhuǎn)換，最后由聲信號經(jīng)過微音器轉(zhuǎn)換成電信號，其轉(zhuǎn)換過程如圖1所示。

圖1 氣體光聲光譜技術(shù)

光源向光聲池發(fā)出頻率可調(diào)制的光照射氣體，氣體吸收光能發(fā)生躍遷，后以熱能釋放的方式退激，溫度的升高改變壓強，產(chǎn)生聲波，再由微音器轉(zhuǎn)換成電信號輸出[3]。熱和聲的產(chǎn)生是最重要的環(huán)節(jié)，聲音產(chǎn)生來源是氣體吸收的光能，聲音可用聲壓描述，忽略由于熱傳導和粘性引起的能量損失，聲壓的波動方程會改變表示為：

若光束在穿過光聲池時僅受很小的衰減，則氣體吸收的光功率為每單位體積而可表示為：

根據(jù)上述公式和光聲池設計原理，合理實施形狀、尺寸設計和結(jié)構(gòu)、材料選擇，使光聲池在正常模式下工作，確保諧振頻率為w=ωj，那么光聲電池的壓力rM可表示為：

微音器用于檢測光聲單元中的周期性壓力波動，其靈敏度S的單位為mV/Pa。光聲電壓信號表示為：

式（4）表明光聲電壓信號與微音器的靈敏度線性相關(guān)，單元常數(shù)Ccel1、氣體吸收系數(shù)α∑（λ）、激光功率P0具有良好的線性相關(guān)性。其中單元常數(shù)Ccel1反映了系統(tǒng)將吸收光轉(zhuǎn)換成聲能的能力。

2 實驗裝置設計和氣體壓力特征的理論推導

2.1 實驗裝置設計

本實驗裝置采用DFB二極管激光器，在激光器的末端安裝一個準直儀，使壁吸收產(chǎn)生的聲噪聲最小。光調(diào)制頻率由機械斬波器SR540控制，以實現(xiàn)穩(wěn)定的性能；微音器EK-3024用于獲取光聲電壓信號；使用鎖定放大器SR830測量光聲電壓信號。光聲池是由不銹鋼制成的光聲光譜檢測裝置的核心部分，其表面通過超聲波技術(shù)拋光，并且兩側(cè)都使用透射率大于90%的石英窗以布魯斯特角密封。

2.2 氣體壓力特征的理論推導

吸收系數(shù)能表征氣體吸收行為并清楚顯示各種波長的紅外輻射吸收的特性?？紤]到氣體分子的吸收譜帶由可能重疊的數(shù)千個吸收譜線組成[4]。因此吸收系數(shù)α∑（λ）可以表示為：

式中：Si、gi（λ）分別為氣體分子第i條譜線的線強度和線性函數(shù)。

由式（5）可知，吸收系數(shù)與氣壓P成正比。基于數(shù)據(jù)庫HITRAN2008，使用Voigt線理論計算出壓力對296 K時C2H2、CH4和CO2的氣體吸收線的峰吸收系數(shù)的影響，幅度相同。

圖2表明C2H2、CH4和CO2的氣體吸收曲線的吸收系數(shù)對P具有近似的線性關(guān)系（0.1 kPa＜P＜100 kPa），并且在P＞100 kPa時幾乎保持不變。這是因為在不同的壓力下氣體增寬機制不同：當P＜0.1 kPa時，多普勒增寬機制起主導作用；隨著壓強的增加，碰撞增寬機制起主導作用。其他溶解的油中氣的吸收系數(shù)具有相同的趨勢。

圖2 氣壓對氣體吸收譜線峰值吸收系數(shù)的影響

圖3為氣壓分別為20 kPa、60 kPa、80 kPa時C2H2分子吸收6 578.5 cm-1的吸收系數(shù)。由圖可知，吸收光譜線的峰值吸收系數(shù)隨著P的增加而逐漸增加，但增加率趨于減小，同時吸收光譜線的線寬增加，這加劇了不同光譜線的重疊。因此，氣壓一定范圍內(nèi)，在降低氣壓檢測靈敏度的條件下降低氣壓，可以提高光譜的分辨率。

圖3 20 kPa、60 kPa、80 kPa時C2H2分子吸收6 578.5 cm-1的吸收系數(shù)

結(jié)合氣壓與氣體吸收系數(shù)、分子平均自由程、分子平均速度、粘滯系數(shù)、導熱系數(shù)、品質(zhì)因數(shù)、光聲池常數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，氣壓與光聲電壓信號之間的函數(shù)關(guān)系，可以推導得到：

從式（6）可知，光聲電壓信號對氣壓P1.5有近似的線性相關(guān)。

3 氣體壓力特性實驗分析

本次實驗采用C2H2來進行氣體壓力特性分析，實驗步驟如下：首先在光電池中密封標準濃度的400 μL/L C2H2，用恒溫器保持溫度穩(wěn)定在296 K，鎖定放大器的積分時間設置為1 s，將DFB激光電流調(diào)整為45.30 mA，功率調(diào)整為13.7 mW；然后調(diào)節(jié)溫度控制電阻，使激光輻射波長為1 520.09 nm，并將池中的氣壓從0 kPa更改為140 kPa；接著調(diào)節(jié)斬波器的斬波頻率，以在不同氣壓下最大化光聲電壓信號的值，并記錄斬波頻率和最大值；最后調(diào)整并保持斬波器的斬波頻率為1 309 Hz，并記錄不同氣壓下的光聲電壓信號值。

氣壓與光聲電壓信號之間的關(guān)系如圖4所示，圖4說明氣壓極大地影響了光聲光譜檢測，光聲電壓信號的最大值和斬波頻率1 309 Hz時的值隨氣壓的增加而增加，并且光聲電壓信號與成近似線性關(guān)系，這基本服從式（6）的規(guī)律。圖4還表明光聲電壓信號的最大值不同于斬波頻率1 309 Hz時的值，偏差值在約30 kPa處時達到最大值41.2 μV。

圖4 不同氣壓下的C2H2光聲電壓信號

4 結(jié)論

本文從理論上推導了氣體壓力與氣體吸收系數(shù)、光聲電壓信號之間的函數(shù)關(guān)系，結(jié)合實驗分析得到氣壓對各參數(shù)的影響：

（1）296 K處的氣體峰值吸收系數(shù)與P呈近似線性關(guān)系（0.1 kPa＜P＜100 kPa），并且當P＞100 kPa時幾乎保持不變。

（2）在沒有氣體吸收飽和效應的情況下，光聲光譜電壓信號對具有較好的線性相關(guān)。

（3）雖然實驗數(shù)據(jù)僅在一定范圍內(nèi)符合理論趨勢，但函數(shù)關(guān)系對改進光聲單元的設計和建立變壓器油中氣體的光聲光譜在線監(jiān)測系統(tǒng)具有重要意義。