一种氟化亚硫酰气体光学检测系统的制作方法

1.本实用新型属于气体检测仪表检定校准技术领域，尤其涉及一种氟化亚硫酰气体光学检测系统。


背景技术：

2.六氟化硫电气设备中sf6气体分解产物含量预示着设备的运行状况及故障隐患，对提高sf6电气设备的缺陷诊断能力及其运行可靠性具有重要的意义。iec60480《sf6气体的检测和处理导则》及前期研究成果均表明，氟化亚硫酰(sof2)是六氟化硫绝缘电气设备故障过程中分解产生的重要气体特征分解产物，且这种硫酰类分解产物在隐患潜伏期或故障早期生成，表征故障性质与发展程度，其检测数据绝对值或比例关系能够有效表征设备故障放电能量与过热指标关系，实现sof2的精确检测能够更加及时、全面的分析诊断六氟化硫绝缘电气设备隐患及故障情况，对预警六氟化硫绝缘电气设备的潜在故障及生命周期管理具有重要指导意义。
3.目前检测sof2的检测方法不成熟，sof2的检测还是以配备液氮全时冷却碲化汞镉（mct）检测器的傅里叶红外吸收光谱法，该方法需从现场取样回实验室进行检测，由于受分解产物的不稳定性和环境因素影响往往不能真实反映设备内部分解产物含量状况，同时取样过程气路复杂，仪器价格昂贵，且该方法灵敏度有限，无法满足开展现场带电检测的条件。
4.针对这一问题，国内有科研人员采用二氧化钛纳米管、银掺杂石墨烯、电化学对so2f2、sof2进行了检测技术理论研究，但均未形成产品。气相色谱法也存在检测时间长、灵敏度易受环境影响、定期校准、便携性差等问题。
5.光学检测技术可以有效对sof2气体进行检测，前期调研发现sof2特征吸收峰主要存在于中红外波段，在近红外波段没有明显特征吸收峰。如在中红外波段进行窄带光谱检测，其所使用的中红外量子级联激光器、中红外波段探测器目前价格均较为昂贵，且产品技术成熟度不高，不利于现阶段大规模应用。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种灵敏度高、无交叉干扰、高性价比的氟化亚硫酰气体光学检测系统。
7.为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种氟化亚硫酰气体光学检测系统，包括光学气体吸收池、混合气体化学反应装置、激光调制解调单元、显示单元和排气装置，混合气体化学反应装置的出气口与光学气体吸收池的进气口连接，光学气体吸收池的出气口与排气装置进气口连接，激光调制解调单元通过入射光纤、出射信号电缆与光学气体吸收池连接，激光调制解调单元，激光调制解调单元通过通信线缆与显示单元连接。
8.光学气体吸收池内部设有检测气室腔体，检测气室腔体的长度方向沿左右方向设
置，检测气室腔体左端部设有光纤准直器和近红外光电探测器，光纤准直器与入射光纤连接，近红外光电探测器与出射信号电缆连接，检测气室腔体右端部设有反射镜片，检测气室腔体左侧和右侧分别设有检测气室入口和检测气室出口。
9.混合气体化学反应装置包括反应气室腔体、空气进气管路和被测气体进气管路，反应气室腔体的长度方向沿左右方向设置，反应气室腔体左端和右端分别设有反应气室入口和反应气室出口，空气进气管路和被测气体进气管路的出气口均与反应气室入口连接，空气进气管路上设有空气电子流量计，被测气体进气管路上沿气流方向依次设有针阀和取样电子流量计，反应气室出口通过反应气管与检测气室入口连接，反应气管上设有阀门，空气电子流量计和取样电子流量计均通过控制线路与激光调制解调单元连接。
10.排气装置包括排气管和排气泵，排气管的进口与检测气室出口连接，排气泵安装在排气管上。
11.激光调制解调单元上设有可发射被hf气体吸收的近红外激光器、激光器温度控制电路、激光器信号调制电路和光电信号解调电路，激光器中心波长包括但不限于1278nm、1310nm可被hf气体吸收的波长。
12.采用上述技术方案，一种氟化亚硫酰气体光学检测系统的检测方法，包括以下步骤：
13.（1）激光调制解调单元控制空气电子流量计和取样电子流量计,使空气和被测气体进入反应气室腔体的流量比例为1：1，被测气体在反应气室腔体内部与空气混合均匀后，在反应气室腔体内经催化剂催化，被测气体中的sof2气体与空气中含有的水分进行充分的化学反应，生成hf气体与so2气体，反应公式为：sof
2 + h2o =so2+2hf。
14.（2）打开反应气管上的阀门，启动排气泵，反应气室腔体内反应后生成的hf气体与so2气体通入检测气室腔体；
15.（3）激光调制解调单元控制激光器发出波长可变的调制激光，激光的波长沿hf气体吸收峰规律变化，激光经过入射光纤导入检测气室腔体，激光经光纤准直器准直成为平行光后射向反射镜片，激光经反射镜片反射后射向近红外光电探测器，近红外光电探测器将被吸收后的光信号转换为电信号，并通过出射信号电缆将信号传输至激光调制解调单元，数据由显示单元显示出来；激光调制解调单元通过探测到吸收后的光电吸收信号，通过反演算法，计算出气室中hf气体的浓度，再通过空气电子流量计记录的空气量和取样电子流量计记录的被测气体量，反算出进样气体中sof2气体的含量；
16.（4）在排气泵的作用下，检测气室腔体内气体被抽出，通过排气管的排气口排出。
17.本实用新型采用光学检测方法，利用sof2气体化学性质活泼，易于水解的热点，将被测气体与水反应转换为hf与so2（sof
2 + h2o =so2+2hf），然后再在近红外波段利用tdlas原理对hf气体进行检测，用检测结果反推sof2气体浓度。
18.该技术具有以下优点：灵敏度高、无交叉干扰、高性价比。
19.灵敏度高的原因：可调谐激光吸收光谱(tdlas)是自激光技术出现以来，在传统光谱学基础上发展起来的一门新兴学科。由于激光所具有的特性是：谱线宽度极窄及相干性优良、光谱功率密度极高、波长的可调谐，并且可对频率与幅度进行调制等等。激光的这些特性使得光谱学发生了一系列革命性变革。与传统吸收光谱相比，激光吸收光谱技术的分辨率和灵敏度可大大高于传统的光谱方法。hf气体在近红外区域有极强的吸收能力，利用
tdlas技术高灵敏度特点，可实现ppb级别的高灵敏度检测，进而实现sof2的高灵敏度检测。
20.无交叉干扰的原因：本实用新型采用tdlas技术对sof2的下级反应产物氟化氢(hf)进行检测，tdlas技术采用单线吸收光谱进行检测，我们选择检测吸收光谱时规避开可能存在交叉干扰的吸收谱线，而选择一个与其他气体无干涉的吸收谱线进行测量，这样从原理上可规避其他气体的交叉干扰。
21.高性价比的原因：中红外波段激光器、探测器目前技术不成熟，价格昂贵，目前主要应用于科研领域；而近红外波段激光器、探测器、光纤等光学器件因为与光通信行业的波长范围重叠，产品成熟度较高，且成本控制较好，目前具有很高的性价比。本实用新型检测方法，可使用近红外光源对sof2气体进行检测，利用成本相对较低的近红外器件完成原本只能在中红外区域进行的工作，具备极高的性价比。
22.综上所述，本实用新型可以准确检测sf6高压设备隐患或故障初期过程的中间产物sof2气体，确定故障性质和发展程度，填补国内外sof2检测技术的空白，健全、完善sf6电气设备运行状况的评估手段，进一步有效保障设备安全稳定运行。
23.sof2气体的红外激光光谱检测，原本必须使用中红外波段的激光器、探测器、镜片等器件，技术不成熟且价格昂贵。本实用新型利用成本低、技术程度的近红外光源、探测器、光纤等器件实现相同功能，使得产品更具有成本优势，更利于推广。
附图说明
24.图1是本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
25.如图1所示，本实用新型的一种氟化亚硫酰气体光学检测系统，包括光学气体吸收池、混合气体化学反应装置、激光调制解调单元1、显示单元2和排气装置，混合气体化学反应装置的出气口与光学气体吸收池的进气口连接，光学气体吸收池的出气口与排气装置进气口连接，激光调制解调单元1通过入射光纤3、出射信号电缆4与光学气体吸收池连接，激光调制解调单元1，激光调制解调单元1通过通信线缆5与显示单元2连接。
26.光学气体吸收池内部设有检测气室腔体6，检测气室腔体6的长度方向沿左右方向设置，检测气室腔体6左端部设有光纤准直器7和近红外光电探测器8，光纤准直器7与入射光纤3连接，近红外光电探测器8与出射信号电缆4连接，检测气室腔体6右端部设有反射镜片9，检测气室腔体6左侧和右侧分别设有检测气室入口10和检测气室出口11。
27.混合气体化学反应装置包括反应气室腔体12、空气进气管路13和被测气体进气管路14，反应气室腔体12的长度方向沿左右方向设置，反应气室腔体12左端和右端分别设有反应气室入口15和反应气室出口16，空气进气管路13和被测气体进气管路14的出气口均与反应气室入口15连接，空气进气管路13上设有空气电子流量计17，被测气体进气管路14上沿气流方向依次设有针阀18和取样电子流量计19，反应气室出口16通过反应气管21与检测气室入口10连接，反应气管21上设有阀门20，空气电子流量计17和取样电子流量计19均通过控制线路与激光调制解调单元1连接。
28.排气装置包括排气管22和排气泵23，排气管22的进口与检测气室出口11连接，排气泵23安装在排气管22上。
29.激光调制解调单元1上设有可发射被hf气体吸收的近红外激光器24、激光器温度控制电路、激光器信号调制电路和光电信号解调电路，激光器24中心波长包括但不限于1278nm、1310nm可被hf气体吸收的波长。
30.一种氟化亚硫酰气体光学检测系统的检测方法，包括以下步骤：
31.（1）激光调制解调单元1控制空气电子流量计17和取样电子流量计19,使空气和被测气体进入反应气室腔体12的流量比例为1：1，被测气体在反应气室腔体12内部与空气混合均匀后，在反应气室腔体12内经催化剂催化，被测气体中的sof2气体与空气中含有的水分进行充分的化学反应，生成hf气体与so2气体，反应公式为：sof
2 + h2o =so2+2hf。
32.（2）打开反应气管21上的阀门20，启动排气泵23，反应气室腔体12内反应后生成的hf气体与so2气体通入检测气室腔体6；
33.（3）激光调制解调单元1控制激光器24发出波长可变的调制激光，激光的波长沿hf气体吸收峰规律变化，激光经过入射光纤3导入检测气室腔体6，激光经光纤准直器7准直成为平行光后射向反射镜片9，激光经反射镜片9反射后射向近红外光电探测器8，近红外光电探测器8将被吸收后的光信号转换为电信号，并通过出射信号电缆4将信号传输至激光调制解调单元1，数据由显示单元2显示出来；激光调制解调单元1通过探测到吸收后的光电吸收信号，通过反演算法，计算出气室中hf气体的浓度，再通过空气电子流量计17记录的空气量和取样电子流量计19记录的被测气体量，反算出进样气体中sof2气体的含量；
34.（4）在排气泵23的作用下，检测气室腔体6内气体被抽出，通过排气管22的排气口排出。
35.以上实施例说明了本实用新型的基本原理和特点，但上述仅仅说明了本实用新型的较优实施例，并不受所述实施例的限制。本领域的普通技术人员在本专利的启发下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式变形和改进，这些均属于本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型专利和保护范围应以所附权利要求书为准。