基于光声光谱技术的SF6气体检测系统方案研究

摘要： 为了实现对SF6气体的检测，该文研究了一种基于光声光谱的SF6气体检测系统方案。首先，从理论上分析了该系统的基本检测原理。接着，对系统的组成进行描述。分析了SF6、CO2、H2O的红外吸收特性，并确定滤光片参数。在此基础上，选择宽带红外热辐射光源作为系统光源。设计了圆柱形共振光声池，并利用STM32嵌入式处理器实现对光声信号采集，以及SF6气体浓度计算。

关键词：光声光谱；STM32 ；SF6检测

中图分类号：TM406 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）33-8019-04

Abstract： In order to realize the detection of SF6 gas，this paper studied the SF6 gas detection system scheme based on photoacoustic spectroscopy. Fist， analysed the basic principle of the system in theory. Then， described the components of the system. Analysed the Infrared absorption characteristics of SF6、CO2、H2O and determined the filter parameters. On the basis， selected the broadband infrared radiation source as the system source. Designed a cylindrical resonant photoacoustic cell. Used the STM32 embedded processor to obtain photoacoustic signal and compute SF6 gas concentration.

Key words： Photoacoustic spectroscopy； STM32； SF6 detection

1 概述

SF6气体是一种无色、无味、无毒的稳定气体，具有很强的绝缘特性和灭弧能力，是一种理想的高压设备绝缘介质，大量应用于高压开关、全封闭组合电器（GIS）等高压电气设备。SF6高压电气设备因生产制作、老化等原因使得SF6气体泄漏时有发生，引起高压设备内SF6气压下降，严重影响高压设备的正常工作。尽管SF6无毒，但较高浓度的SF6却可使检修人员窒息。因此，《电力安全工作规程》中明确规定，装有SF6设备的配电室必须保证SF6浓度小于1000ppm。此外，SF6是一种强温室气体，SF6气体的泄漏对环境是一个严重威胁[1]。对高压电力设备中SF6气体的实时监测至关重要。目前，应用较多的SF6气体检测技术有ECD电子捕获，负晕放电技术等SF6检测技术[2]，这类技术普遍存在检测精度不高，使用寿命不长等缺点。而光声光谱技术因其高灵敏度、检测范围大、选择性好等优点在微量气体检测领域得到了广泛的应用。该文采用红外热辐射光源，研究光声光谱SF6气体检测系统方案，为实现对SF6气体的检测提供的参考。

2 基本原理

3.3 光源的选择

光源作为光声光谱信号激发源，对系统设计十分重要。在SF6气体检测的实际开发中，光源的选择应使系统在达到检测指标的要求下，兼顾成本、体积等因素。由于SF6检测用吸收光谱谱线的中心处在 947.5 cm-1处，该位置处于中红外。对该位置的光源，考虑以下三种光源：CO2激光器、量子级联激光器、宽带红外热辐射光源。CO2激光器是一种应用较早的气体激光器，其起振波长在9.6um-10.6um之间，且发射功率高，能够满足SF6气体的高灵敏度检测。不足之处是该类激光器体积庞大，价格昂贵，不使用于气体的现场在线检测。量子级联激光器是近几年来开发的一种具有宽谱带、高输出光功率、易调谐、体积小等优点的激光器，具有广泛的应用前景。但量子级联激光器价格昂贵，限制了该种激光器的使用[5]。宽带热辐射光源能够激发出1-20μm处的光，能够满足绝大数的气体分子的检测，且体积小，成本低。虽然该类光源存在光功率较低等不足，但对于一般的ppm级的测量已能够满足要求。因此，采用红外热辐射光源作为系统的光源。

3.4 光声池结构参数设计

池品质因数、调制频率等有关。体积越小，品质因数越大，光声信号越小。但体积过小将不利于微音器的安装，以及光路的耦合。故选定其横截面直径是10mm，长度为24mm。整个光声池均采用不锈钢材料制成，内表面经抛光处理得到，进一步抑制由窗口片吸收入射光而产生噪声，两端配有长度为其一半的缓冲室，缓冲室两端SiO2材料的3mm厚的Brewster窗密封。经过测量得到其共振频率为1645Hz，品质因数为100。由于共振光声池内，声波处于驻波状态，声波在光声池的中点处最大，故将微音器安装在光声池的中央。

4 软件设计

本系统采用ST公司的STM32F103作为处理器，对来自锁相放大器的光声信号进行采集处理。STM32单片机时钟高达72MHz，具有三个独立工作的ADC，64K的SRAM。能够满足光声气体检测的需要。系统软件采用ARM公司的MDK软件进行开发，C语言编程，同时利用ST公司的开发固件库简化编程。系统软件主程序流程图如图5所示。主要包括系统初始化、定时器定时、AD转换、气体浓度的计算、串口发送等部分。系统初始化包括对MCU的时钟、定时器、GPIO、ADC的初始化。利用STM32高精度的定时器实现单次信号采集时间的设定。STM32 STM32F10的ADC，具有12位，参考电压可自设，通过设置ADC的工作模式。通过对系统进行标定，得到气体浓度计算公式，便可实现气体的浓度的实时计算。基于RS232串口对采集到的数据上传至上位机，实现气体浓度数据的集中管理。

5 结论

该文在研究光声光谱检测系统原理的基础上，提出了一种基于光声光谱技术的SF6气体检测系统，该系统具有结构简单、易于维护升级、集成度高等优点，具有广泛的应用前景。

参考文献：

[1] 丁繁荣.高压电气设备SF6气体危害及防范措施[J].电网技术，2007，31（2）：26-29.

[2] 胡红红.SF6气体定量检测技术探讨[J].电工文摘，2011（3）：10-14.

[3] Gondal M A，Dastageer A，Shwehdi M H.Photoacoustic spectrometry for trace gas analysis and leak detection using different cell geometries[J].Talanta，2004，62（1）：131-141.

[4] 云玉新.基于共振光声光谱的变压器油中溶解气体在线监测原理及方法[D].重庆：重庆大学，2008.

[5] Li J，Parchatka U，Fischer H.Development of field-deployable QCL sensor for simultaneous detection of ambient N2O and CO[J]. Sensors and Actuators B： Chemical，2013，182：659-667.

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