姚 強(qiáng),齊汝賓,張施令,李銀華,鄭安平,李新田,柴慧娟,曾曉哲,王淑潔

(1.國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院,重慶 401123；2.鄭州輕工業(yè)大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,河南 鄭州 450002； 3.河南省日立信股份有限公司,河南 鄭州 450001)

1 引 言

水蒸氣作為水的氣態(tài)形式,滲透在人們生產(chǎn)生活的各個角落,而在電力領(lǐng)域,需要對微水含量(水分含量或水蒸氣濃度或微水密度或濕度)進(jìn)行嚴(yán)格檢測與控制[1],以確保系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行和保證產(chǎn)品質(zhì)量。如在高壓開關(guān)等絕緣電氣設(shè)備中,六氟化硫(SF6)氣體由于具有優(yōu)良的滅弧和絕緣性能以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性,是當(dāng)前高壓電氣設(shè)備的重要絕緣介質(zhì),但在長期使用過程中,其內(nèi)部微量水蒸氣會在高壓電弧放電等條件下與SF6氣體發(fā)生反應(yīng)生成腐蝕性氣體,影響設(shè)備安全可靠運(yùn)行[2]。在電廠發(fā)電過程中,因氫氣具有較高的換熱比和較低的風(fēng)摩損耗而大多數(shù)發(fā)電機(jī)組使用氫氣進(jìn)行冷卻,氫冷發(fā)電機(jī)內(nèi)濕度過高,不僅危害發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子繞組的絕緣強(qiáng)度,而且會使轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋；而氫氣濕度過低,又可導(dǎo)致如定子端部墊塊收縮和支撐環(huán)的裂紋等有害影響[3-4]。因此,在現(xiàn)場惡劣條件下快速、準(zhǔn)確檢測高壓電氣設(shè)備內(nèi)部和氫冷機(jī)組氫氣中水蒸氣含量對于設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。此外,在制藥[5]、半導(dǎo)體[6]、電子元器件[7]、高壓開關(guān)分解產(chǎn)物檢測[8]等行業(yè),微量水蒸氣會嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量,因此,快速、準(zhǔn)確測定微水含量,對提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量具有重要意義。

當(dāng)前,對低濃度水蒸氣進(jìn)行檢測的主要方式有阻容法[9]、露點(diǎn)法[10]等方式。阻容法體積小便于攜帶,檢出限較低,但其響應(yīng)速度較慢(一般需要3～5 min),精度較差,老化和偏移也較嚴(yán)重；露點(diǎn)法操作簡單,儀器比較穩(wěn)定,是目前準(zhǔn)確度較高的方法,但其對污染物較為敏感,穩(wěn)定時間長(低濕范圍大概需要1 h),價格也較高。以上傳統(tǒng)方法均不適用于現(xiàn)場惡劣環(huán)境條件下對水蒸氣的快速、準(zhǔn)確檢測應(yīng)用。而可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)作為光學(xué)檢測技術(shù)中的新技術(shù),因其高精度,高測量速度,高可靠性的特點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)微水含量檢測的最有潛力技術(shù)之一。本文即設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種能夠適用于現(xiàn)場的高靈敏度、快速、小型微水含量檢測光學(xué)傳感器。

2 檢測原理

利用TDLAS技術(shù)實(shí)現(xiàn)對水蒸氣的檢測,并采用波長調(diào)制技術(shù)(WMS)結(jié)合相敏檢波技術(shù)來降低測量系統(tǒng)中的噪聲和干擾,實(shí)現(xiàn)對微弱信號的提取。此時,可得二次諧波(2f)信號可表示為:

S2f(v)=βI0H2(v,a)PtolcrelNtotL

(1)

式中,β為量綱一的比例常數(shù),取決于傳感器的傳遞函數(shù)；H2為線型函數(shù)的二次諧波系數(shù);v為激光頻率;a為調(diào)制幅度;Ptol為氣體總壓強(qiáng);crel為被測氣體比濃度;Ntot為氣體總分子數(shù)密度;L為氣體吸收路徑長度[10]。

經(jīng)光強(qiáng)校準(zhǔn)后,2f信號可不受激光功率波動的影響,此時二次諧波信號可表示為:

S2f,cor(v)=βcorH2(v,a)PtolcrelNtotL

(2)

3 傳感器設(shè)計(jì)

3.1 譜線選擇

H2O在紅外區(qū)域有著豐富密集的吸收譜線,在進(jìn)行光譜探測時需要選擇無鄰近譜線和其他氣體吸收譜干擾的譜線,并且為達(dá)到較高的探測靈敏度,要求盡可能選擇吸收較強(qiáng)的譜線。依據(jù)文獻(xiàn)[11]的方法,對Hitran譜庫中的H2O以及可能的共存干擾物CO、CO2、HF、H2S、SO2和O2等氣體在v2+v3譜帶內(nèi)的吸收譜線數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖1所示。圖1中H2O的體積比濃度設(shè)置為100 ppm,其他氣體濃度均設(shè)置為1000 ppm,所有氣體的光程設(shè)置為20 cm,氣壓為1 atm。從圖中可看出,H2O在1367～1369.5 nm范圍內(nèi)存在著若干條明顯且獨(dú)立的吸收譜線,而在此波段范圍內(nèi)無其他氣體吸收譜的干擾,其中尤以1368.6 nm附近處的吸收線為最強(qiáng),如圖1虛線內(nèi)所示,因此,結(jié)合近紅外區(qū)域可選激光光源的性能、價格等因素,本設(shè)計(jì)將選擇該譜線作為被測譜線。

圖1 由Hitran譜庫仿真所得H2O、 CO、CO2、HF、H2S、SO2及O2等氣體v2+v3譜帶內(nèi)的吸收譜Fig.1 Absorption spectra inv2+v3 bands of H2O,CO,CO2,HF,H2S,SO2 and O2 obtained by simulation from Hitran

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于H2O為極性分子,偶極矩較大,在氫鍵的作用下,具有較強(qiáng)的吸附性[12],且大氣環(huán)境中廣泛存在著大量水汽,使得現(xiàn)場對微水含量的檢測非常困難。本研究為克服微水檢測速度慢、準(zhǔn)確度低問題,設(shè)計(jì)了緊湊型的激光光譜檢測傳感器,其結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。傳感器采用單次直通式光路結(jié)構(gòu),反應(yīng)氣室為內(nèi)徑4 mm的不銹鋼管,從而盡可能的減小體積和氣體與池壁的接觸面積,降低了吸附與吹掃時間。底座、端部結(jié)構(gòu)件和氣體進(jìn)出口接頭均采用不銹鋼材質(zhì),電路板嵌入氣室與底座之間,使得整體結(jié)構(gòu)緊湊而穩(wěn)固。氣室上部裝配有3D打印PA12殼體,起保護(hù)作用。所用光源為輸出中心波長在1368 nm附近的近紅外半導(dǎo)體激光器(NanoPlus NP-DFB-1368-TO5),輸出平均功率8 mW。光電探測器為InGaAs PIN光電二極管(濱松G12180-010 A)。氣室內(nèi)植入了微型氣壓及溫度傳感器對被測氣體進(jìn)行實(shí)時溫度和壓力的檢測與校準(zhǔn)。

圖2 微水傳感器結(jié)構(gòu)及尺寸圖Fig.2 Structure and dimension drawing of micro water sensor

3.3 電路模塊設(shè)計(jì)

傳感器電路部分采用嵌入式CPU芯片(STM32F407)為控制與信號處理核心,外圍電路由激光器電流控制模塊、溫度控制模塊、前置放大單元、濾波電路等組成。電流調(diào)制模塊實(shí)現(xiàn)對激光器的低頻波長掃描和高頻波長調(diào)制,以實(shí)現(xiàn)諧波檢測,溫度控制模塊對激光器管芯溫度進(jìn)行高精度控制,以實(shí)現(xiàn)輸出波長的穩(wěn)定性。探測電路包括前置放大單元和濾波電路,將光電轉(zhuǎn)換后攜帶有光譜信息的電信號進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換及濾波放大。溫度和壓力傳感器輸出數(shù)字信號,直接被CPU讀取后作進(jìn)一步處理。相敏檢測在CPU內(nèi)由軟件部分實(shí)現(xiàn),微水含量檢測結(jié)果通過ModBus協(xié)議經(jīng)RS485總線輸出。

圖3 微水傳感器電路設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Schematic diagram of micro water sensor circuit design

4 性能評價實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

由于H2O分子特殊的物理和化學(xué)特性,很難制成商品化的標(biāo)準(zhǔn)氣體,尤其是在低濕范圍,標(biāo)準(zhǔn)濕度的產(chǎn)生非常困難,因此為驗(yàn)證傳感器性能,搭建了如圖4所示的校準(zhǔn)測試實(shí)驗(yàn)平臺。實(shí)驗(yàn)平臺首先將空氣通入兩級干燥筒進(jìn)行充分干燥,而后經(jīng)減壓穩(wěn)壓后通入兩位三通閥,該兩位三通閥將干燥空氣分別通入一路干氣質(zhì)量流量計(jì)和兩路濕氣質(zhì)量流量計(jì),并將多余的干氣排空。其中一路濕氣質(zhì)量流量計(jì)為最大流量為50 sccm的高精度質(zhì)量流量計(jì),用于配制低濕氣體,以提高配制精度,另外一路最大流量為3 L,用于配制高濕氣體。經(jīng)濕氣質(zhì)量流量計(jì)后的濕氣氣路通入一個恒溫水槽用于產(chǎn)生飽和濕氣,在濕氣室緩沖平衡后與干氣氣路混合,生成一定水汽濃度的標(biāo)準(zhǔn)濕度氣體,分三路并聯(lián)分別輸出至標(biāo)準(zhǔn)儀器(鏡面露點(diǎn)儀)、被校準(zhǔn)測試傳感器和排空。該濕度校準(zhǔn)測試實(shí)驗(yàn)平臺以當(dāng)前國際公認(rèn)的對濕度具有較高檢測精度的瑞士MBW373LX鏡面露點(diǎn)儀(以下統(tǒng)稱為標(biāo)準(zhǔn)表)為標(biāo)準(zhǔn),對濕度發(fā)生裝置產(chǎn)生的各個水平濕度值與本研究傳感器一起進(jìn)行并聯(lián)同步檢測,結(jié)果作為校準(zhǔn)值對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖4 微水濕度傳感器校準(zhǔn)測試平臺Fig.4 Calibration and test platform for micro moisture sensor

5 結(jié)果及性能分析

5.1 諧波信號分析

由濕度發(fā)生裝置配制出各個濕度下的氣體,而后被所設(shè)計(jì)光學(xué)傳感器和標(biāo)準(zhǔn)表以并聯(lián)方式同時進(jìn)行檢測,得到各個濃度梯度下傳感器輸出的二次諧波信號,以及由標(biāo)準(zhǔn)表給出的濃度校準(zhǔn)值。圖5為校準(zhǔn)濕度為826 ppm時的傳感器輸出二次諧波信號及濾波分析圖,其中橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn),縱坐標(biāo)為傳感器輸出信號幅度(與采集光電信號成正比的內(nèi)碼值)。圖5中,灰色曲線為濾波前傳感器輸出二次諧波信號,可以看出,在整個譜線范圍內(nèi)均存在一定幅度的噪聲干擾。采用加權(quán)多項(xiàng)式擬合平滑數(shù)字濾波算法,即Savitzky-Golay濾波(SG濾波),可以很好的將噪聲濾除,圖中黑色曲線為進(jìn)行25點(diǎn)SG濾波后二次諧波信號。因此,在后續(xù)測試及應(yīng)用中,傳感器都將采用該濾波算法將采集二次諧波信號進(jìn)行濾波后再做進(jìn)一步處理和分析。

圖6所示為光學(xué)傳感器測量所得,經(jīng)濾波處理后的各個濕度下的二次諧波信號,從圖中可看出,傳感器從低濕(數(shù)十ppm)到較高濕度(>5000 ppm)均能輸出具有一定信噪比的二次諧波信號。

(灰色曲線為濾波前傳感器輸出二次諧波信號,黑色曲線為進(jìn)行25點(diǎn)SG濾波后二次諧波信號；子圖1為無吸收位置處濾波前后信號放大圖；子圖2為吸收線峰值位置處濾波前后信號放大圖)

圖6 濕度梯度下的傳感器輸出二次諧波信號Fig.6 Second output second harmonic signal under humidity gradient

5.2 線性及測量范圍

校準(zhǔn)后,傳感器輸出二次諧波信號幅值(峰-峰值)與對應(yīng)濃度關(guān)系如圖7和圖8所示。圖7所示為水蒸氣濃度從～10 ppm到～2000 ppm范圍變化,即圖6中前九組濃度數(shù)據(jù)時,實(shí)驗(yàn)所得二次諧波信號幅值與線性擬合結(jié)果,在該濃度梯度范圍內(nèi),擬合的R2值達(dá)0.99984,可見,諧波幅值與水蒸氣濃度之間呈良好的線性關(guān)系。

圖8中黑色圓球?yàn)閷?shí)驗(yàn)所得所有濃度下二次諧波信號幅值與對應(yīng)濃度,直線由虛線框內(nèi)數(shù)據(jù)擬合得到,即仍為圖7中數(shù)據(jù)擬合直線。在虛線框外,隨著濕度的增大,傳感器輸出的二次諧波幅值與對應(yīng)濃度之間的非線性也越來越大,這是由于該波長位置水蒸氣的吸收線強(qiáng)較強(qiáng)(1.8×10-20cm-1/(molecule·cm-2)),根據(jù)式(1),光強(qiáng)變化也隨濃度增加呈現(xiàn)非線性。

因此,為提高傳感器的準(zhǔn)確度及縮小測量時間,設(shè)定傳感器的測量范圍為具有良好線性的0～2000 ppm范圍。

(擬合濃度分別為:10.6ppm、37.7ppm、118.2ppm、352.8ppm、583.5ppm、952.0ppm、1216.9ppm、1553.9ppm、2016.8ppm)

圖8 傳感器輸出二次諧波信號幅值與對應(yīng)濃度關(guān)系曲線Fig.8 The relationship curve between the amplitude of the sensor′s 2f signal and the corresponding concentration

5.3 測量準(zhǔn)確性分析

為評價所設(shè)計(jì)傳感器對水蒸氣濃度測量的準(zhǔn)確性,在實(shí)驗(yàn)平臺上分別配制出若干濃度梯度的水蒸氣,由標(biāo)準(zhǔn)表和光學(xué)傳感器同時進(jìn)行測量,標(biāo)準(zhǔn)表測得濃度分別為14.82 ppm,60.21 ppm,182.17 ppm,441.06 ppm,1057.8 ppm,1553.94 ppm和1936.83 ppm,作為標(biāo)準(zhǔn)濃度,與傳感器測量結(jié)果進(jìn)行對比作圖,如圖9上方圖所示。圖9下方圖為對應(yīng)濃度位置處傳感器測量濃度與標(biāo)準(zhǔn)濃度的相對誤差,可看出誤差范圍在-5.53 %～1.84 %之間,且除較低濃度外,在大部分濃度位置處相對誤差均較小,說明所設(shè)計(jì)傳感器在測量范圍內(nèi)具有較好的測量準(zhǔn)確性。

(上圖:傳感器實(shí)際測量數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)濃度的擬合曲線；下圖:傳感器測量濃度與標(biāo)準(zhǔn)濃度相對誤差)

5.4 最小檢出限

根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(IUPAC)推薦的以3倍信噪比為檢測極限來確定本系統(tǒng)的檢出限。圖10(a)所示為傳感器測量所得37.7 ppm水蒸氣的二次諧波信號,其中灰色曲線為濾波前原始數(shù)據(jù),黑色曲線為采用SG濾波后曲線。如圖10(a)所示二次諧波信號的幅值為218.5,噪聲為19.2 dB,信噪比為11.4 dB,計(jì)算可得該系統(tǒng)對微量水蒸氣的檢出限為10 ppm。

為驗(yàn)證最小檢出限指標(biāo),實(shí)驗(yàn)配制了較低濃度的水蒸氣,傳感器測量得到濃度值為10.5 ppm,如圖10(b)所示即為傳感器采集得到的二次諧波數(shù)據(jù),濾波前的原始數(shù)據(jù)信號幅度已接近于噪聲幅度,進(jìn)行SG濾波后提高了信噪比,且信噪比接近并大于3,與理論計(jì)算結(jié)果相吻合。

圖10 水蒸氣濃度為37.7 ppm及10.5 ppm時的二次諧波信號Fig.10 2f signal when the water vapor concentration is 37.7 ppm and 10.5 ppm

5.5 響應(yīng)時間

傳感器的響應(yīng)時間用處于測量范圍內(nèi)的高、中、低三個典型濃度進(jìn)行測試,實(shí)驗(yàn)時,先用干氣將傳感器的氣室吹干,傳感器測量并記錄數(shù)據(jù),連續(xù)測量約4 min后,迅速切換至高濃度水蒸氣,同樣連續(xù)測量約4 min后,再切換至干氣,重復(fù)上述測量過程并分別對中濃度和低濃度水蒸氣進(jìn)行測試。測試結(jié)果如圖11所示。傳感器測量得到高、中、低濃度分別為1910 ppm、1055 ppm和145 ppm。根據(jù)測量結(jié)果,得到傳感器對高濃度水蒸氣測量的上升時間為5 s,下降時間為7 s,對中濃度水蒸氣測量的上升時間為5 s,下降時間為6 s,對低濃度水蒸氣測量的上升時間為5 s,下降時間為5 s。因此,所設(shè)計(jì)傳感器具有良好的時間響應(yīng)特性。

圖11 傳感器在不同濃度變化時的響應(yīng)時間Fig.11 Response time of the sensor at different concentration

6 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)的微量水蒸氣濃度檢測傳感器,并詳細(xì)討論了傳感器的設(shè)計(jì)思路、結(jié)構(gòu)及性能分析。傳感器結(jié)構(gòu)緊湊,外形尺寸3 cm×3 cm×20 cm,內(nèi)置有紅外激光器、氣體池、探測器、溫壓傳感器、電路板等模塊。通過與高精度鏡面露點(diǎn)儀測試結(jié)果的對比與校準(zhǔn)測試,得到了傳感器對水蒸氣體積比濃度的測量范圍達(dá)0～2000 ppm,與標(biāo)準(zhǔn)表相比較的相對測量誤差在-5.53 %～1.84 %之間,系統(tǒng)最小檢出限達(dá)10 ppm,響應(yīng)時間小于7 s。該傳感器性能指標(biāo)滿足在高壓開關(guān)、氫冷發(fā)電機(jī)、化工、制藥等多個行業(yè)對微濕度檢測的要求,相比于傳統(tǒng)濕度檢測方法,具有測量準(zhǔn)確度高、速度快、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),可為行業(yè)發(fā)展提供重要技術(shù)手段。