李明洋，馬曉燕，趙靜，袁小先，李旭，關(guān)麗

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

六氟化硫(SF6)氣體具有良好的化學(xué)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(shè)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(shè)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(zhǔn)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(dāng)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(dāng)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(dāng)溫度壓強恒定時，比如常溫和常壓，吸光系數(shù)通常被認(rèn)定是恒定的.因此，當(dāng)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(zhǔn)備

1)首先對設(shè)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(yù)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(shè)置測試參數(shù)，主要是設(shè)定測試的間距和次數(shù).

2)將體積分?jǐn)?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(yīng)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(dǎo)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?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線.

7)選擇不同的氣體標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)工作曲線中找到相應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)，將其與已知體積分?jǐn)?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(biāo)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?jǐn)?shù)為200 μL/L的SF6標(biāo)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?jǐn)?shù)的SF6標(biāo)樣在1 167 cm-1處的吸光度.

圖4 SO2體積分?jǐn)?shù)為200 μL/L的SF6標(biāo)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?jǐn)?shù)的SF6標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)工作曲線

對樣品在1 167 cm-1處的吸光度與SO2體積分?jǐn)?shù)的對應(yīng)數(shù)據(jù)進行了擬合(圖5)，得到了標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，如式(5).

圖5 紅外吸光度與SF6氣體中SO2含量的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)樣中SO2的體積分?jǐn)?shù)，a=0.034 62，b=5.711 63×10-4，標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計了一種利用傅里葉紅外光譜測試SF6中SO2體積分?jǐn)?shù)的方法，以此監(jiān)測電力開關(guān)設(shè)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?jǐn)?shù)的對應(yīng)數(shù)據(jù)進行了擬合，得到了標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)曲線是可信的.本實驗既是理論對應(yīng)用的指導(dǎo)，又是應(yīng)用對理論的提高.不僅可以使學(xué)生加深對基礎(chǔ)知識的理解，而且有助于培養(yǎng)學(xué)生的實驗操作能力，創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力.