[发明专利]六氟化硫分解组分的自动恒温型光声检测装置及实验方法

权利要求书

1.一种六氟化硫分解组分的自动恒温型光声检测装置，主要包括无晕实验变压器(2)、感应调压器(1)、无局部放电保护电阻(3)、标准电容分压器(4)、无感电阻(5)、GIS模拟元件(6)、宽频高速超大容量数字存储示波器(8)、自动恒温系统(7)、红外光声光谱检测系统(7)，其中：所述的红外光声光谱检测系统，主要由宽频红外光源(9)、硒化锌透镜(10)、机械斩波器(11)、斩波器控制器(12)、滤光片轮(13)、滤光片(14)、硒化锌窗口片(15)、光声池(16)、气压表(18)、微音器(19)、信号电缆(20)、进气阀门(21)、出气阀门(22)、进气管(23)、出气管(24)、真空泵(25)、光学支架(26)、锁相放大器(27)及计算机(28)等组成，其特征在于，在所述的红外光声光谱检测系统中的光声池(16)的外部装设自动恒温系统，所述的自动恒温系统主要由开关电源(29)、固态继电器(30)、智能数显温度调节仪(31)、环形加热带(32)、热电偶(17)等组成；

所述的开关电源(29)的输入端通过导线与220V/50Hz的电源连接，所述开关电源(29)的输出端的正极通过导线与所述固态继电器(30)输出端的正极连接后，所述固态继电器(30)输出端的负极通过导线与所述的环形加热带(32)正接线柱连接，所述的开关电源(29)的输出端的负极通过导线与所述的环形加热带(32)负接线柱连接； 

所述的固态继电器(30)的受控端通过导线与所述的智能数显温度调节仪(31)的控制信号输出端连接；

所述的环形加热带(32)的数目为2~6个，每个环形加热带(32)的宽度为20~50mm、厚度为1~1.5mm、内径与所述光声池(16)的外径相匹配，所述环形加热带(32)分别装设在所述光声池(16)的外表面，每个环形加热带(32)的两端接头通过导线分别与所述固态继电器(30)和所述开关电源(29)相连接，加热功率100~250W；

所述的热电偶(17)由热电偶温度传感器和热电偶控制器构成，所述的热电偶(17)装设在光声池的外表面上，所述热电偶(17)的热电偶温度传感器的输入端通过导线与热电偶控制器的输出端连接，热电偶温度传感器的输出端与所述智能数显温度调节仪(31)的输入端连接，将温度信号传递给智能数显温度调节仪(31)进行显示并作为所述固态继电器(30)的控制信号；

所述的智能数显温度调节仪(31)的输入端通过导线与所述的热电偶(17)连接，所述的智能数显温度调节仪(31)的输出端通过导线与所述的固态继电器(30)的输入端连接；

所述的滤光片(14)安装在所述滤光片轮(13)的孔中，滤光片轮(13)通过步进电机驱动旋转，滤光片轮(13)上各滤光片(14)中心波长分别为7350nm即SO₂吸收峰中心波长、4260nm即CO₂吸收峰中心波长、7780nm即CF₄吸收峰中心波长、18550nm即SO₂F₂吸收峰中心波长、7440nm即SOF₂吸收峰中心波长，只允许其中心波长的红外光通过，滤掉剩余频带的红外光，通过信号电缆(20)将滤光片轮(13)与计算机(28)连接，计算机(28)发出信号控制滤光片轮(13)内的步进电机旋转，进而控制不同特征波长的红外光通过滤光片(14)经硒化锌窗片(15)射入所述的光声池(16)内，在不同波长下的检测即反映了不同气体组分的含量。

2.  一种六氟化硫分解组分的自动恒温型光声检测的实验方法，利用权利要求1所述的六氟化硫分解组分的自动恒温型光声检测装置，对GIS模拟元件中的SF₆气体的局部放电分解组分进行检测，其特征在于所述方法的具体步骤如下：

(1) 实验准备

① 光声池和自动恒温系统部件安装调试

首先用无水酒精清洗光声池(16)的内壁，除去池内壁的杂质，待光声池(16)风干后，再安装微音器(19)、热电偶(17)、气压表(18)、进气管(23)、出气管(24)、进气阀门(21)、出气阀门(22)、硒化锌窗口片(15)等部件，在安装硒化锌窗口片(15)时，在硒化锌窗口片(15)与光声池(16)接触处先垫硅胶片后用螺栓压紧，在各螺纹连接处加生料带及密封胶，以保证光声池(16)有良好的气密性，然后调整宽频红外光源(9)和光声池(16)的三维调整光学支架、斩波器(11)、滤光片轮(13)、硒化锌透镜(10)的升降光学支架，保证各部件和光声池(16)的中心在同一水平线上，使得红外光能够准确直射透过各个部件，射入光声池(16)，将自动恒温系统的加热回路和控制回路分别通过导线依次连接好，接上电源，确认各元件正常工作，环形加热带(32)装设在光声池(16)的外表面上，拧紧螺丝，保证环形加热带(32)紧贴在光声池(16)外表面；

 ② 气密性测试

在(1)—①步完成后，首先关闭进气阀门(21)，打开出气阀门(22)，然后启动本装置的真空泵(25)，对光声池(16)抽真空，当本装置的气压表(18)显示气压为0.005~0.01MPa时，依次关闭出气阀门(22)和真空泵(25)，静置光声池10~15小时，再去观察气压表(18)示数，如基本保持不变，则说明本装置的光声池(16)在真空下的气密性良好，打开本装置的进气阀门(21)和氮气(N₂)瓶阀门，向光声池(16)内冲入N₂气体至气压表(18)示数为0.2~0.25MPa，依次关闭进气阀门(21)和N₂瓶阀门，静置光声池10~15小时，再去观察气压表(18)示数，如基本保持不变，则说明本装置的光声池(16)在高气压的情况下气密性良好；

③ 清洗光声池

在(1)—②步完成后，先打开出气阀门(22)，启动所述的真空泵(25)，对所述的光声池(16)抽真空，当所述的光声池(16)真空度为0.005~0.01MPa时，依次关闭出气阀门(22)和真空泵(25)，再打开所述的SF₆气瓶的阀门和进气阀门(21)，向所述的光声池(16)内充入SF₆ 气体，直到光声池(16)内气压值为0.2~0.25MPa时为止，然后依次关闭SF₆气瓶的阀门和进气阀门(21)，对所述的光声池(16)进行清洗，接着按前述操作步骤，先抽真空，再充入SF₆气体清洗，如此重复冲洗2～4次，清洗后通过真空泵(25)将光声池(16)抽真空，最后通过进气管(23)和进气阀门(21)将待检测的GIS模拟元件(6)中的SF₆局部放电分解气体组分通入光声池(16)中；

(2) 恒定温度下的参数测量

在(1)步完成后，首先打开宽频红外光源(9)、斩波控制器(12)、斩波器(11)、滤光片轮(13)、微音器(19)、气压表(18)、热电偶(17)、开关电源(29)、固态继电器(30)、智能数显温度调节仪(31)及锁相放大器(27)，锁相放大器积分时间1s，再控制光声池(16)内的温度，使其恒定在30℃~50℃之间，即通过所述的智能数显温度调节仪(31)输出方波信号控制所述的固态继电器(30)的导通与关断，所述的固态继电器(30)的导通与关断又控制本装置的开关电源(29)的输出端向所述的环形加热带(32)输送低压直流电能的多少，从而使光声池(16)内的温度随之升高或降低，手动调节所述的智能数显温度调节仪(31)设定值为t₁，所述的热电偶(17)将检测到光声池(16)内实际温度信号t₂传输给所述的智能数显温度调节仪(31)进行显示和比较，当t₂>t₁，即光声池内温度的实际值>设定值时，所述的智能数显温度调节仪(31)输出的方波信号控制所述的固态继电器(30)的导通时间变短，使输送给环形加热带(32)的低压直流电能减少，从而使光声池(16)温度降低，反之，当t₂<t₁，即光声池内温度的实际值<设定值时，所述的智能数显温度调节仪(31)输出的方波信号控制所述的固态继电器(30)的导通时间变长，使输送给环形加热带(32)的低压直流电能增多，从而使光声池(16)温度升高，此比较过程不断重复，直到光声池(16)温度稳定在设定值t₁，即t₁=t₂时为止，从而达到了光声池(16)恒温的目的，然后在温度恒定后，测量光声池(16)的各项参数性能，首先测量光声池(16)的共振频率f，调节斩波控制器(12)的频率，同时观察锁相放大器(27)显示的光声信号，当锁相放大器(27)显示的光声信号达到最大时，记录此时斩波控制器(12)显示的频率，即为光声池(16)在此温度下的共振频率f，接着测量光声池(16)的各种噪声，先测量外部环境噪声值：将宽频红外光源(9)及斩波器(11)关闭，记录此时锁相放大器(27)显示的值，即为环境噪声值，再测量斩波器(11)噪声值：保持宽谱红外光源(9)关闭并打开斩波器(11)，调节斩波器(11)的频率至共振频率，记录此时锁相放大器(27)的示数，该示数减去环境噪声值即为斩波器噪声值，最后测量由硒化锌窗口片(15)吸收和光声池(16)内壁吸收所造成的噪声值：通过进气管(23)将光声池(16)中充入高纯氮气，打开斩波器(11)及宽频红外光源(9)，记录此时锁相放大器(27)显示的数值，即为系统总体噪声，用系统总体噪声减去环境噪声和斩波器噪声即为硒化锌窗口片(15)吸收和光声池(16)内壁吸收造成的噪声值，再测量气体光声信号与气体浓度的关系系数即响应系数k，用配气系统将所要测量的气体配成不同浓度的标准气体，分别通过进气管(23)和进气阀门(21)充入光声池(16)，记录各种浓度气体下锁相放大器(27)测得的光声信号值，采用一元线性回归拟合的方式计算出气体浓度与光声信号之间的关系系数，即响应系数k，最后计算光声检测系统的最低检测限，对于六氟化硫局部放电分解气体组分，用系统总体噪声除以各自的响应系数k即可得各种气体组分的最低检测限；

(3) 六氟化硫局部放电分解组分浓度的检测

第(2)步完成后，在其条件下，先通过出气管(24)、出气阀门(22)和真空泵(25)将光声池(16)抽成真空，后通过进气管(23)和进气阀门(21)充入待检测的GIS模拟元件(6)中的六氟化硫局部放电分解组分，气压为0.1MPa，再通过计算机(28)控制滤光片轮(13)旋转，依次将中心波长分别为7350nm即SO₂吸收峰中心波长、4260nm即CO₂吸收峰中心波长、7780nm即CF₄吸收峰中心波长、18550nm即SO₂F₂吸收峰中心波长、7440nm即SOF₂吸收峰中心波长的滤光片14旋转至光路中，并依次记下各特征滤光片(14)所对应的光声信号值S_i，i=1,…,6，最后将锁相放大器(27)测得的光声信号值输入计算机(28)，在计算机(28)上通过公式S_i=k* C_i+d，i=1,…,6，进行计算，其中式中k为响应系数，S_i为光声信号值，d为截距，即各种气体组分光声信号与气体浓度关系直线与纵坐标的交点，纵坐标为光声信号值，得到准确的SO₂、CO₂、CF₄、SO₂F₂、SOF₂浓度值C_i，i=1,…,6；

(4) 设备维护

在第(3)步完成后，先打开出气阀门(22)和真空泵(25)，将光声池(16)中的气体抽至室外排放，然后关闭出气阀门(22)和真空泵(25)，打开氮气瓶阀门和进气阀门(21)充入氮气，然后依次打开出气阀门(22)和真空泵(25)，将光声池(16)中的气体抽至室外排放，重复以上操作2～4次，用氮气将光声池(16)清洗干净，防止SF₆局部放电分解组分中的酸性气体腐蚀光声池(16)。