李光明

河南省商丘供電公司，河南 商丘 476000

0 引言

激光光聲光譜技術(shù)作為一種高靈敏度的微量氣體檢測(cè)技術(shù)，已有30多年的歷史。激光光聲光譜技術(shù)和紅外氣體檢測(cè)技術(shù)都是利用氣體分子吸收紅外線的特性，二者的區(qū)別在于光源。紅外檢測(cè)技術(shù)是利用紅外線做光源，是廣譜的光源，所以紅外氣體傳感器的選擇性差、靈敏度低。激光光聲光譜技術(shù)采用激光器做光源，是單一頻譜的光源，光源的頻率可以和氣體分子的吸收頻率一致，所以激光光聲光譜技術(shù)的特點(diǎn)是選擇性好、靈敏度高。

1 激光光聲光譜氣體檢測(cè)技術(shù)原理

光聲氣體檢測(cè)技術(shù)是基于不同氣體在紅外波段有不同的特征吸收光譜，例如：一氧化碳（CO）的紅外特征光譜是2.32um和4.26um，二氧化碳（CO2）的紅外特征光譜是4.65um和14.99um，六氟化硫（SF6）的紅外特征光譜在10.55um附近。

光聲氣體檢測(cè)原理是利用氣體吸收一支強(qiáng)度隨時(shí)間變化的光束而被加熱時(shí)所引起的一系列聲效應(yīng)。當(dāng)某個(gè)氣體分子吸收一個(gè)頻率為v的光子后，從基態(tài)E0躍遷到激發(fā)態(tài)E1，兩能量級(jí)的能量差為E1-E0=hv 。受激氣體分子與氣體中任何一分子相碰撞，經(jīng)過(guò)無(wú)輻射馳豫過(guò)程而轉(zhuǎn)變?yōu)橄嘧驳膬蓚€(gè)分子的平均動(dòng)能，通過(guò)這種方式釋放能量從而返回基態(tài)。氣體通過(guò)這種無(wú)輻射的馳豫過(guò)程把吸收的光能部分地或全部地轉(zhuǎn)換成熱能而被加熱。如果入射光強(qiáng)度調(diào)制的頻率小于該馳豫過(guò)程的馳豫頻率，則這光強(qiáng)的調(diào)制就會(huì)在氣體中產(chǎn)生相應(yīng)的溫度調(diào)制。根據(jù)氣體定律，封閉在光聲腔內(nèi)的氣體溫度就會(huì)產(chǎn)生與光強(qiáng)調(diào)制頻率相同的周期性起伏。也就是說(shuō)，強(qiáng)度時(shí)變的光束在氣體試樣內(nèi)激發(fā)出相應(yīng)的聲波，用傳聲器便可直接檢測(cè)該信號(hào)。

氣體光聲檢測(cè)系統(tǒng)通常由激光器（或普通單色光源）、調(diào)制器（使光束做強(qiáng)度調(diào)制）、充有被測(cè)吸收氣體和裝有檢測(cè)傳聲器的光聲腔以及信號(hào)采集處理系統(tǒng)組成。利用光聲原理實(shí)現(xiàn)的氣體檢測(cè)技術(shù)是基于氣體的特征紅外吸收，間接測(cè)量氣體吸收的能量，因此測(cè)量靈敏度高、檢測(cè)極限低，且不存在傳感器老化的問(wèn)題。

2 六氟化硫檢漏儀的應(yīng)用效果

六氟化硫（SF6）氣體泄露檢測(cè)儀一般都要求體積小、重量輕、用電池供電以適應(yīng)電力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)使用。2005年俄羅斯通用物理研究所開(kāi)發(fā)出世界上體積最小的低功耗二氧化碳激光器，使便攜式采用激光光聲光譜檢測(cè)技術(shù)的SF6定量檢漏儀在技術(shù)上可實(shí)現(xiàn)。目前，采用激光光聲檢測(cè)原理的SF6定量檢漏儀使SF6的檢測(cè)靈敏度達(dá)到1×10-9cm3/s（0.002克/年），動(dòng)態(tài)范圍為0.001ppm～1000ppm。高靈敏度的儀器可保證精確定位泄露位置，避免了其它物質(zhì)在泄露探測(cè)中的干擾。高速氣流和光聲探測(cè)器較短的響應(yīng)時(shí)間保證在探測(cè)到高濃度氣流后1s～2s內(nèi)儀器即可恢復(fù)。紅外激光源和特殊光聲傳感器技術(shù)保證了SF6的高靈敏度探測(cè)，降低了誤報(bào)警的次數(shù)。

我們?cè)谶x擇SF6檢漏儀時(shí)要關(guān)注如下技術(shù)指標(biāo)：靜態(tài)靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、傳感器的選擇性。六氟化硫（SF6）檢漏儀的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間由兩部分組成：氣流通過(guò)傳感器的時(shí)間和傳感器本身的響應(yīng)時(shí)間。氣流通過(guò)傳感器的時(shí)間是指SF6氣體通過(guò)導(dǎo)管到達(dá)傳感器的時(shí)間，該時(shí)間取決于管路的長(zhǎng)度和抽氣泵的功率。傳感器本身的響應(yīng)時(shí)間是指?jìng)鞲衅骺梢詼?zhǔn)確測(cè)量SF6氣體濃度所需要的時(shí)間，不同原理的傳感器響應(yīng)時(shí)間有很大差別，范圍從毫秒級(jí)到分鐘級(jí)。

很多儀器在宣傳靈敏度為1ppm或0.1ppm的時(shí)候其實(shí)指的是在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定的靈敏度，也就是用氮?dú)夂蚐F6的混合氣體來(lái)標(biāo)定的靈敏度，這個(gè)靈敏度應(yīng)該是靜態(tài)靈敏度。靜態(tài)靈敏度是不考慮檢漏儀的響應(yīng)時(shí)間也不考慮周圍環(huán)境各種干擾氣體影響的靈敏度。實(shí)際在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量SF6泄漏時(shí)，檢漏儀的探頭是移動(dòng)的，速度大約在1cm/s～3cm/s。正常情況下泄漏點(diǎn)周圍SF6氣體的濃度是呈梯度分布的，越靠近泄漏點(diǎn)SF6氣體濃度越高。對(duì)于靜態(tài)靈敏度相同的兩臺(tái)儀器，若系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不同，當(dāng)探頭以同樣速度經(jīng)過(guò)泄漏點(diǎn)時(shí)，響應(yīng)時(shí)間快的儀器測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確，響應(yīng)時(shí)間慢的儀器測(cè)量結(jié)果偏小。同一臺(tái)儀器，當(dāng)探頭以不同速度移動(dòng)經(jīng)過(guò)泄漏點(diǎn)時(shí)，同樣的泄露在儀器上檢測(cè)出的結(jié)果也是不同的，移動(dòng)速度越快讀數(shù)越小，移動(dòng)速度越慢測(cè)量結(jié)果越準(zhǔn)確。有些傳感器是廣譜的，不僅對(duì)SF6氣體敏感，對(duì)水蒸氣、二氧化碳、烷烴類氣體、鹵素氣體均有反應(yīng)，所以實(shí)際測(cè)試環(huán)境的干擾氣體會(huì)大大降低某些SF6檢測(cè)儀器的靈敏度。動(dòng)態(tài)靈敏度取決于靜態(tài)靈敏度、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和傳感器的選擇性。靜態(tài)靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快、傳感器選擇性好的檢漏儀，其動(dòng)態(tài)靈敏度才會(huì)高。

筆者做了如下對(duì)比試驗(yàn)，選用了3款SF6檢漏儀，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如下表：

激光光聲SF6檢漏儀紅外原理的SF6檢漏儀 SF6定性檢漏儀測(cè)量結(jié)果 定量 定量 定性系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間 1.5s 5s 小于1s靜態(tài)靈敏度 0.001ppm 1ppm 大約50ppm

同樣規(guī)格的SF6標(biāo)準(zhǔn)氣體六瓶，濃度分別為1ppm，5ppm，10ppm，50ppm，100ppm，200ppm。通過(guò)減壓閥和流量表使各瓶子SF6氣體流出的速度盡可能一致。3種檢漏儀以1cm/s的速度經(jīng)過(guò)各個(gè)SF6氣體標(biāo)準(zhǔn)瓶泄漏口，測(cè)量結(jié)果如下表：

氣體濃度 激光光聲SF6檢漏儀紅外原理的SF6檢漏儀 SF6定性檢漏儀1 ppm 0.913 ppm 0 ppm 無(wú)反應(yīng)5 ppm 4.531 ppm 0 ppm 無(wú)反應(yīng)10 ppm 9.125 ppm 1 ppm 無(wú)反應(yīng)50 ppm 47.03 ppm 13 ppm 無(wú)反應(yīng)100 ppm 93.04 ppm 24 ppm 無(wú)反應(yīng)200 ppm 191.5 ppm 58 ppm 有輕微反應(yīng)

我們從試驗(yàn)結(jié)果能看出：激光光聲光譜檢測(cè)技術(shù)在電力系統(tǒng)SF6檢漏方面有著令人滿意的檢測(cè)效果。