CN107144553A - 一种紫外荧光检测sf6电气设备中so2含量的装置及方法 - Google Patents

一种紫外荧光检测sf6电气设备中so2含量的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种紫外荧光检测SF6电气设备中SO2含量的装置，包括光源发生***、荧光反应室和光检测单元，所述的光源发生***发射的光线进入荧光反应室，光检测单元设置在荧光反应室的外侧，同时公开了其检测方法，利用紫外光源通过滤光片滤出SO2吸收的波段的光谱，通过光电倍增管接收SO2激发出的荧光，再根据紫外荧光测量原理计算出SO2浓度，以克服现有技术的不足。

Description

一种紫外荧光检测SF6电气设备中SO2含量的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种紫外荧光检测SF6电气设备中SO2含量的装置及方法，属于SF6电气设备现场检测技术领域。
背景技术
SF6电气设备故障后和处于潜伏性故障阶段均会产生一些典型分解物，其中SO2就是非常重要的分解产物，国家电网和南方电网均已将SO2含量检测纳入预防性试验检测范围，且作为潜伏性故障判断的重要依据。检测SF6电气设备中SO2的方法较多，然而，由于设备中SF6气体SO2含量在10-6级，精确检测十分困难。
紫外荧光检测的理论基础是基于分子发光光谱原理。利用单色光(单波长)激发某种气体分子产生荧光，如二氧化硫。实际应用中，除了激光可以当作准单色光外，其他任何分光手段(如干涉滤光片、镀膜反射片)获得的都不是单色光，都是具有定谱线范围(即多波长激发)。因此，提高检测精度必须从单色光检测理论出发，分析窄带宽激发光束的荧光产生的规律，为荧光分析提供理论基础。目前国际上将该种方法作为SO2气体量值传递方法。该方法主要用于环保领域，尚未用于电力行业SF6电气设备状态检测领域。
发明内容
本发明的目的是提供一种紫外荧光检测SF6电气设备中SO2含量的装置及方法，利用紫外光源通过滤光片滤出SO2吸收的波段的光谱，通过光电倍增管接收SO2激发出的荧光，再根据紫外荧光测量原理计算出SO2浓度，以克服现有技术 的不足。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种紫外荧光检测SF6电气设备中SO2含量的装置，包括光源发生***、荧光反应室和光检测单元，其特征在于：所述的光源发生***发射的光线进入荧光反应室，光检测单元设置在荧光反应室的外侧。
所述的光源发生***包括紫外灯、消杂光阑、准直透镜和紫外滤光片，紫外灯发生的光一次通过紫外滤光片、准直透镜与消杂光阑然后进入荧光反应室。
所述的荧光反应室包括内部测量光通道、参比光接收器、光陷阱、样气出口和样气入口，样气出口设置在荧光反应室外侧靠近光源发生***一侧；内部测量光通道与光陷阱一端连接；光陷阱另一端设置有参比光接收器，光陷阱外侧设置有样气入口。
所述的光检测单元包括光电倍增管与带通滤光片，带通滤光片设置在光电倍增管与荧光反应室之间。
所述的紫外灯为交流供电的Zn灯，线光谱分布在200-700nm之间，主共振线为213.8nm，工作电压为交流1500V。
所述的紫外滤光片为仅仅接收250-420nm范围内的光谱紫外滤光片。
所述的准直透镜为石英透镜。
所述的光电倍增管设置有安装座，在安装座的外侧各安装有一片半导体制冷片。
其紫外荧光检测SF6电气设备中SO2含量的方法为：紫外光源通过滤光片滤出SO2吸收的波段的光谱，通过光电倍增管接收SO2激发出的荧光，再根据紫外荧光测量原理计算出SO2浓度。
与现有技术比较，本发明提出紫外荧光方法检测SF6电气设备中SO2含量，该方法的优点在于可以精确到10-9级，保证检测SO2含量的精确性，为判断设备运行状态提供准确依据。
附图说明
图1为本发明的装置原理图；
附图中的标记符号说明：
1、内部测量光通道；2、参比光接收器；3、紫外灯；4、光电倍增管；5、样气出口，6、样气入口，7、带通滤光片，8、消杂光阑，9、准直透镜，10、紫外滤光片，11、光陷阱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的一种紫外荧光检测SF6电气设备中SO2含量的装置，包括光源发生***、荧光反应室和光检测单元，所述的光源发生***发射的光线进入荧光反应室，光检测单元设置在荧光反应室的外侧，光源发生***包括紫外灯3、消杂光阑8、准直透镜9和紫外滤光片10，紫外灯3发生的光一次通过紫外滤光片10、准直透镜9与消杂光阑8然后进入荧光反应室，荧光反应室包括内部测量光通道1、参比光接收器2、光陷阱11、样气出口5和样气入口6，样气出口5设置在荧光反应室外侧靠近光源发生***一侧；内部测量光通道1与光陷阱11一端连接；光陷阱11另一端设置有参比光接收器2，光陷阱11外侧设置有样气入口，光检测单元包括光电倍增管4与带通滤光片7，带通滤光片7设置在光电倍增管4与荧光反应室之间。
通过光谱数据库可知，SO2在红外波段吸收很弱，而在紫外波段有三个典型吸收峰，分别是190-230nm强吸收区、250-320nm的弱吸收区、340-390nm 的极弱吸收区。因此可以通过紫外光波段对SO2进行测量。
图1中，紫外光源通过滤光片滤出SO2吸收的波段的光。通过光电倍增管(PMT)接收SO2激发出的荧光，从而根据紫外荧光测量原理计算出SO2浓度。在装置的设计中主要包含以下几点。
(1)激光光源的选择及光源光强度控制技术
根据现有的紫外光源，一方面要求紫外激发荧光光源在190-250nm范围内具有相应的激发波长；另一方面要求激发光源的强度大以及稳定度要高，因为激发光的强度会影响测量的灵敏度，稳定度会影响测量的精密度。
综合考虑实验***的各方面的因素，例如激发光源的谱线成分、谱线的宽度、强度、稳定性以及湿度对荧光信号的淬灭效应等，考虑选择连续工作交流供电的Zn灯，它是一种元素灯，线光谱分布在200-700nm之间，其中主共振线213.8nm功率密度最大，213.8nm线在一米处的功率密度为0.12uW/cm2，工作电压为交流1500V。
(2)滤光技术
在整个装置的光路中，有两个位置需要滤光，其一：由于一般的光源的光谱成分较多，如何从光源光谱成分中获取所需的激发波长，这是整个装置设计的关键之一，当不需要的光谱成分进入荧光反应室后，由于样品分子的散射，会导致背景信号过大，从而使***的信噪比降低。其二：在荧光接收的地方，尽量地让激发的二氧化硫分子的荧光进入接收窗口，同时减少其它的杂散光的影响。目前滤光的方法主要是滤光片和单色器。
根据二氧化硫的荧光谱线范围240-420nm，在这之间的荧光强度正比于二氧化硫浓度,最大的荧光强度在320nm处。由于分子散射的结果，在接收荧光的PMT前面(荧光出口)应该加上一个只接收250-420nm范围内的光谱，而对 激发光200-250nm范围内要截止的滤光片。选择320nm荧光滤光片的谱带宽，波长小于250nm的谱线被截止。
为了进一步提高滤光效果，在滤光片后增加了消杂光阑滤光，根据单色器原理：将连续光谱按波长的长短顺序分散为单色光并从中获得分析所需的单色光的光学装置，其分散的过程为色散，色散以后的单色光经反射、聚光通过窄缝到达荧光反应室。消杂光阑的作用是将光源中所需要的波谱成分色散为单色光，窄缝和透镜的作用是控制光的传播方向及调节光的强度和取出所需的单色光，其中窄缝对单色光的纯度在一定范围内起着调节作用,它们对滤光装置的性能起着很大的作用。
(3)石英透镜
普通玻璃透镜对紫外光有强的吸收，仪器中的激发光和荧光都在紫外范围内，因此光路中的透镜尽量对紫外光不吸收或者吸收很少。设计中采用了两片石英透镜，一片在激光经过光阑滤光***后进入荧光反应室前，用于会聚更多的激发光进入反应室，同时使得进入反应室的激发光尽量地准直，避免激发光在反应室中反射或散射从而导致背景噪声过大；另一片在反应室荧光出口处，用于会聚激发二氧化硫产生的荧光，目的是提高检测的灵敏度和***的信噪比。
(4)荧光反应室的设计
反应室的最佳光学性能是能最大地吸收激发光的散射光，同时最小地吸收激发二氧化硫产生的荧光。反应室中只有激发光和荧光，激发光是反应室的背景噪声的主要来源,当对激发光的光路做了调整后，反应室的结构设计也是其中关键之一。
当激发光强一定且气体浓度不变时，反应室的信噪比与反应室的横截半 径、反应室的长度、荧光出口的横截面积都有关系。当对激发光的散射噪声光子的吸收率增大时，被接收的荧光光子数与剩余噪声光子数比值增大，这有利于信噪比和灵敏度的提高；当荧光出口的横截面增大时，虽然荧光光子数增大，但被接收的噪声光子也增大，因此存在一个合理的截面；反应室的长度大一点，可以减少激发光对测量的影响。
(5)微弱光信号探测技术
装置设计的检测部分是基于紫外激发二氧化硫分子产生荧光的方法，由于SF6绝缘电气设备中的二氧化硫浓度很低，产生的荧光光子数很少，是一种微弱的光信号，用PMT进行检测。
PMT通过一系列的倍增极而实现光电子的内部放大。这种内部电子放大的方法有以下优势：①在放大的同时并不引入大量的噪声；②可用于单个光子的探测；③响应速度快；④结构简单。
因此PMT可以用于极弱光探测甚至单个光子探测，PMT具有很低的探测灵敏度，光谱响应的范围必须在二氧化硫的荧光波段，同时其暗计数要低等条件，选择集成型的PMT，PMT内部集成有高压电源、脉冲放大、整形的电路,只要提供+5V的直流电压就可以工作。
在理想状态下，从PMT输出的光电子脉冲，是实际值的一个反应，但是被收集到的除正常光电子脉冲外，还包含有噪声，主要体现为以下两种形式：①器件本身和环境温度变化引起的热电子噪声脉冲和高于正常电子脉冲，它的分布与光电子相似，且脉冲高度相对较低。②宇宙射线等背景辐射引起的噪声脉冲，脉冲高度相对较高。利用这个特点，可设置上下两个甄别器，对高于阀值V2的由上甄别器阻止，低于阀值V1的由下甄别器阻止，这样可进入计数器的是V1、V2之间的脉冲。光子计数器就是在给定时间t内对由光子 计数输出的脉冲计数,得到的总脉冲数除以计数时间，得到计数率，即每秒有多少个计数，可以转换为所需的实际监测量。
(6)PMT制冷电路设计
考虑到环境温度对PMT暗计数产生影响，需对其进行制冷恒温控制。为了保证PMT工作时温度稳定，设计PMT座，在座的外面安装两片半导体制冷片，为了控制PMT工作时所处环境的稳定，温度控制电路的温度传感器采用半导体传感器，半导体传感器输出的电流信号经过电阻转变为电压信号，该电压信号与外设的与温度对应的电压信号通过运算放大器相比较，可以控制制冷电路工作。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种紫外荧光检测SF6电气设备中SO2含量的装置，包括光源发生***、荧光反应室和光检测单元，其特征在于：所述的光源发生***发射的光线进入荧光反应室，光检测单元设置在荧光反应室的外侧。
2.根据权利要求1所述的一种紫外荧光检测SF6电气设备中SO2含量的装置，其特征在于：所述的光源发生***包括紫外灯(3)、消杂光阑(8)、准直透镜(9)和紫外滤光片(10)，紫外灯(3)发生的光一次通过紫外滤光片(10)、准直透镜(9)与消杂光阑(8)然后进入荧光反应室。
3.根据权利要求1所述的一种紫外荧光检测SF6电气设备中SO2含量的装置，其特征在于：所述的荧光反应室包括内部测量光通道(1)、参比光接收器(2)、光陷阱(11)、样气出口(5)和样气入口(6)，样气出口(5)设置在荧光反应室外侧靠近光源发生***一侧；内部测量光通道(1)与光陷阱(11)一端连接；光陷阱(11)另一端设置有参比光接收器(2)，光陷阱(11)外侧设置有样气入口(6)。
4.根据权利要求1所述的一种紫外荧光检测SF6电气设备中SO2含量的装置，其特征在于：所述的光检测单元包括光电倍增管(4)与带通滤光片(7)，带通滤光片(7)设置在光电倍增管(4)与荧光反应室之间。
5.根据权利要求1所述的一种紫外荧光检测SF6电气设备中SO2含量的装置，其特征在于：所述的紫外灯(3)为交流供电的Zn灯，线光谱分布在200-700nm之间，主共振线为213.8nm，工作电压为交流1500V。
6.根据权利要求2所述的一种紫外荧光检测SF6电气设备中SO2含量的装置，其特征在于：所述的紫外滤光片(10)为仅仅接收250-420nm范围内的光谱紫外滤光片。
7.根据权利要求2所述的一种紫外荧光检测SF6电气设备中SO2含量的装置，其特征在于：所述的准直透镜(9)为石英透镜。
8.根据权利要求4所述的一种紫外荧光检测SF6电气设备中SO2含量的装置，其特征在于：所述的光电倍增管(4)设置有安装座，在安装座的外侧各安装有一片半导体制冷片。
9.一种紫外荧光检测SF6电气设备中SO2含量的方法，其特征在于：所述的方法为：紫外光源通过滤光片滤出SO2吸收的波段的光谱，通过光电倍增管接收SO2激发出的荧光，再根据紫外荧光测量原理计算出SO2浓度。
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