基于近红外DOAS法的充油电力设备中CH4浓度在线检测系统的设计

2014-03-21杨萍萍龚雨含

仪表技术与传感器 2014年6期

马　亮，杨萍萍，龚雨含

(1．河北联合大学轻工学院，河北唐山　063000；2．河北联合大学电气工程学院，河北唐山　063000)

0　引言

油中溶解气体的在线检测技术是对变压器等充油电力设备运行状态进行在线监测的重要手段，通过对充油电力设备中溶解的多组分故障气体的油气分离和定量分析可以得到其运行状态进而对其进行故障诊断[1]。油中溶解气体的在线检测技术已经过了几十年的发展，国内外许多公司推出了很多种在线检测装置[2-4]，然而大多数在线检测装置无论是检测的气体种类，还是检测指标仍不能满足电力运行部门的需求。近年来，一些新型的气体传感技术开始应用于油中溶解气体的在线检测中，取得了良好的效果，如气相色谱[5]、红外光谱[6]、光声光谱[7-8]和气体传感器阵列[9-10]等方法，但它们在检测气体的浓度过程中存在长期稳定性欠佳、灵敏度不理想、特征吸收谱线交叠严重等问题，针对以上问题及充油电力设备中溶解的特征气体组分复杂等特点，设计了近红外DOAS法在线检测特征气体浓度模型。

1　系统的整体设计思想

利用油气分离膜将运行中的充油电力设备绝缘油中溶解的主要特征气体H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2等通过渗透平衡的方法分离出来进入气室，进入气室的气体(平衡得到的混合气体)通过载气N2进入样品池。近红外DOAS法检测变压器油中特征气体浓度模型如图1所示。

图1　近红外DOAS法检测充油电力设备中特征气体浓度模型

在该系统模型中，取油样和油气分离是两个重要环节，取油样质量的好坏直接影响检测结果是否准确，油样采集应按照DL/T722—2000规定的取样方法进行，取样时既不能让油中溶解气体逸散，也不能混入空气，操作时油中也不能产生气泡，同时取样应在晴天进行，取出的油样避光保存；而用于在线油气分离的高分子油气分离膜的选择通过市场调研，综合考虑到膜的渗透系数、经济性及机械强度，选用的是聚四氟乙烯膜，它与积存渗透气体的测量管以及安装在变压器底部强迫油循环回油管路上的蝶阀和电动设备组成了油气分离单元。

在近红外DOAS系统中，根据Lambert-Beer定律，经过对CH4吸收谱的特点分析，从实用角度选择DFB半导体激光器作为光源。选用14针蝶形封装、基于InGaAsP材料制作的两支DFB半导体激光器作为CH4浓度检测系统的光源，激光器的波长为1 654 mm．在工作温度为15.8 ℃、注入电流为60 mA时，1 654 nm DFB激光器用光谱分析仪Q8384测得的发射谱图如图2所示。

图2　DFB半导体激光器的发射谱

2　改进的气室结构设计

气室设计的主要原则是：

(1)吸收光程尽可能大，根据Lambert-Beer定律，增加气体吸收路径的长度L，可以直接提高系统的检测灵敏度；

(2)气室中光路的耦合损耗小，耦合状态稳定，可靠性高；

(3)产生的噪声小，体积尽可能小，便于实际应用过程中移动方便。

综合考虑以上原则，所设计的气室结构和光路图如图3、图4所示。

图3　气室结构

图4　光路图

在设计气室过程中，考虑在1 654 nm波长附近对CH4吸收强烈、灵敏度高、响应速度快等因素，探测器采用光功率计代替探测器进行测量。DFB半导体激光器与光功率计分别放置在椭球反射镜的两个焦点上，前者发出的辐射经过椭球反射镜聚焦落在光功率计上，可以提高辐射的收集效率，避免发散的反射光与入射光之间的相干噪声。

3　信号处理部分电路改进设计

3．1锁相放大器部分电路设计

锁相放大器是检测淹没在噪声中微弱信号的重要手段，在微弱信号检测领域得到了广泛的应用。所设计的方案中，从光功率计的输出信号中提取含有CH4浓度信息的信号微弱，故选用平衡调制解调器AD630芯片。

所设计的系统中，被提取的信号经过光路和电路中的光电转换、电光转换、放大、滤波等一系列处理过程到达AD630时，必定存在一定的延迟相位，而AD630中的PSD实际上等效为一个模拟乘法器，因此只有参考信号和输入信号中的同频成分相位一致或者反相时，AD630的输出信号才为最大，图5是改进设计的0～180°滞后移相器及跟随的放大器。

图5　锁相前端移相电路

3．2滤波电路设计

光信号经过偏置探测电路转换和信号放大后会产生多种噪声，因此需要对信号再次进行电路滤波处理。为了避免1/f噪声，光源的驱动频率不应过低，同时由光源的参数可以知道：频率过低或使用直流电源驱动会导致光源光功率不能达到较高值。因此采用1 200 Hz脉冲电流来驱动光源，为此设计此频率处的带通滤波电路，滤除频带外的噪声，如图6所示。

图6　滤波电路

滤波电路的传递函数为：

(1)

带通增益为：

(2)

中心频率为：

(3)

品质因数为：

(4)

将以上式子代入电路传递函数可得：

(5)

式中ω0为中心频率。

所设计的滤波电路在1 200 Hz附近幅频特性良好，阻带衰减大，能有效滤除频率外的噪声。

3．3A/D转换器型号的选用

气体的吸收光信号经光功率计转换成光电流，经过放大、带通滤波、峰值检测后是一个携带了气体吸收信息的模拟电压信号。为了使模拟电压信号适合后续数字处理系统，需要通过A/D转换将模拟电压信号转换成数字信号，使用A/D转换器来完成这一转换过程。在模拟信号转换为数字信号过程中，数字信号输出值取决于模拟输入值与给定的基准值之比，表示精度与数字信号的位数有关。如果基准值能随模拟输入信号而变化，则输出数字信号就与模拟输入信号和变化基准信号之比成正比。

选择A/D转换器必须考虑转换器的位数和转换时间，本文对转换时间没有较高的要求，在精度上，为了得到较好的气体浓度测量精度，要求A/D转换具有足够的位数。综合考虑，选用型号为ADC1225CCD的12位A/D转换器，12位的二进制数最大能表示4 095整数，当取光强数字信号接近4 096时，光强因吸收衰减约1/4 000能被表示出来，能满足气体光吸收的要求。