激光光声光谱技术

激光光声光谱检测技术激光光声光谱技术作为一种高灵敏度的微量气体检测技术历史已经超过30年，几乎同红外气体检测技术一样长。这两种检测技术的共同点都是利用气体分子吸收红外线的特性，二者的区别在于光源。红外检测技术是利用红外线做光源，是广谱的光源，即使经过滤光片依然是广谱的光源，所以红外气体传感器的选择性差灵敏度低。激光光声光谱技术采用激光器做光源，是单一频率的光源，光源的频率可以和气体分子的吸收频率一致，所以激光光声光谱技术的特点是选择性好灵敏度高。一、激光光声光谱气体检测技术原理光声气体检测技术是基于不同气体在红外波段有不同的特征吸收光谱，比如CO是2.32μm和4.26μm，CO2是4.65μm和14.99μm，而SF6的红外特征光谱在10.5μm附近。光声气体检测原理是利用气体吸收一强度随时间变化的光束而被加热时所引起的一系列声效应。当某个气体分子吸收一频率为ν的光子后，从基态E0跃迁到激发态E1，则两能量级的能量差为E1-E0=hv。受激气体分子与气体中任何一分子相碰撞，经过无辐射驰豫过程而转变为相撞的两个分子的平均动能(既加热)，通过这种方式释放能量从尔返回基态。气体通过这种无辐射的驰豫过程把吸收的光能部分地或全部的转换成热能而被加热。如果入射光强度调制的频率小于该驰豫过程的驰豫频率，则这光强的调制就会在气体中产生相应的温度调制。根据气体定律,封闭在光声腔内的气体温度就会产生与光强调制频率相同的周期性起伏。也就是说,强度时变的光束在气体试样内激发出相应的声波,用传声器便可直接检测该信号。气体光声检测系统通常由激光器(或普通单色光源)、调制器(使光束作强度调制,例如机械切光器、电光调制器等)、充有被测吸收气体和装有检测传声器的光声腔以及信号采集处理系统组成。利用光声原理实现的气体检测技术是基于气体的特征红外吸收,间接测量气体吸收的能量，因此测量灵敏度高，检测极限低，切不存在传感器老化的问题。1971年Kreuzer从理论上分析利用染料激光器和高灵敏度穿声器的光声技术的检测极限达到10-12数量级，比传统的红外光谱仪灵敏度高104倍。二、LLD-100型高灵敏度快速响应的SF6定量检漏仪SF6气体泄漏检测仪一般都要求体积小、重量轻、用电池供电以适合电力系统现场使用，但激光光声光谱气体技术中所需要的激光器一般体积都很大、功率消耗也很大，所以制造出的仪器体积庞大而且需要交流电供电，不适合电力系统现场使用。笔者曾经参观过几家国外GIS工厂发现了这种庞大的仪器在工厂使用，据使用者反应检测效果非常好。2005年俄罗斯通用物理研究所开发出世界上最小的低功耗二氧化碳激光器，使便携式采用激光光声光谱检测技术的SF6定量检漏仪在技术上可实现。2007年LLD-100型高灵敏度快速响应的SF6定量检漏仪横空出世，一举震撼了全球的专业人人士。1、LLD-100简单介绍：采用激光光-声检测原理(专利技术)的LLD-100SF6定量检漏仪使SF6的检测水平达到了历史的新高度，检测灵敏度达到1×10-9cm3/秒(0.002克/年)，动态范围0.001ppm-1000ppm。便携式设计，电池供电，使仪器适合诊断气体绝缘设备的SF6泄漏水平和发展速度。仪器可用在室内、室外、电缆沟等多种环境。内置的蓄电池保证仪器可进行8小时不间断的工作。高灵敏度的仪器可保证精确定位泄漏位置。高速气流和光声探测器短的响应时间保证在探测到高浓度气流后仪器在1-2秒内既可恢复。红外激光源和特殊光声传感器技术保证了SF6的高灵敏度探测因此降低误报警的次数。SF6气体主要吸收波长在10.55微米左右的红外线辐射。仪器使用红外激光源以及这个波长的光学带通波滤器，这使得这个设备专门适用于SF6，避免了其它物质在泄露探测中可能的干涉。仪器操作十分简单，不需要任何专业培训。仪器不需要任何消耗品，在质保期内也不需要定期校准。仪器有内存来保存测量的数据，USB接口用于和电脑通讯。可订购高量程仪器用在高浓度环境的检测。2、LLD-100的特点：采用激光光声检测技术高灵敏度，快速响应检测灵敏度0.001ppm(0.002克/年)动态范围0.001ppm-1000ppm响应时间小于2秒启动时间小于30秒周围环境和湿度不影响测量大剂量SF6不会损坏传感器高亮度4位LED显示音频输出接口(可带耳机)操作简单、不需专业培训无放射源、免维护、免校准体积小、重量轻、携带方便3、LLD-100技术参数：SF6检测灵敏度：0.001ppm(1×10-9cm3/秒或0.002克/年)探测器类型：光声探测器气体流动速度：0.5-1升/分钟响应时间：1-2秒启动时间：30秒泄漏指示：四位LED显示，声音报警显示单位:ppm或μg/l功耗：15W持续供电时间：8小时仪器尺寸：320×190×115mm仪器重量：4公斤显示单元尺寸：122×60×30mm伸缩探头长度：220-980mm连接电缆长度：400mm显示单元重量：0.2公斤4、LLD-100仪器配置：主机、显示单元、USB电缆、CD软件、充电器、说明书三、SF6检漏仪的响应时间为什么重要?笔者在近两年和电力系统从事SF6泄漏检测的工作人员接触过程中经常会听到如下疑问：为什么灵敏度1ppm价值十几万甚至二十几万的SF6定量检漏仪在现场测试的时候还不如价值几千元的5750A定性检漏仪?其实该疑问的核心涉及到如下几个概念：传感器响应时间和系统响应时间、静态灵敏度和动态灵敏度。SF6检漏仪的系统响应时间由两部分组成：气流通过传感器的时间和传感器本身的响应时间。气流通过传感器的时间是指SF6气体通过导管到达传感器的时间，该时间取决于管路的长度和抽气泵的功率，一般2米长的管路配1升/分的气泵气流通过传感器的时间是1秒。传感器本身的响应时间是指传感器可以准确测量SF6气体浓度所需要的时间，不同原理的传感器响应时间有很大差别，范围从毫秒级到分钟级。很多仪器在宣传灵敏度是1ppm或0.1ppm的时候其实指的是在实验室标定的灵敏度，也就是用氮气和SF6的混合气体来标定的灵敏度，这个灵敏度应该是静态灵敏度。所以静态灵敏度是不考虑检漏仪的响应时间也不考虑周围环境各种干扰气体的影响的灵敏度。实际在现场测量SF6泄漏时，检漏仪的探头是移动的，速度大约在1厘米/秒-3厘米/秒。正常情况下泄漏点周围SF6气体的浓度是呈梯度分布的，既越靠近漏点SF6气体浓度越高。对于静态灵敏度相同的两台仪器，若系统响应时间不同，当探头以同样速度经过泄漏点时，响应时间快的仪器测量结果更准确，响应时间慢的测量结果偏小。同一台仪器，当探头以不同速度移动经过泄漏点时，同样的泄漏在仪器上检测出的结果也是不同的的，移动速度越快读数越小，移动速度越慢测量结果越准确。有些传感器是广谱的，不仅对SF6气体敏感，还对空气中的其它气体或水蒸汽敏感，所以实际测试周围环境的干扰气体会大大降低某些SF6检测仪器的灵敏度。所以所谓动态灵敏度是考虑周围干扰气体的影响，也考虑系统响应时间的影响后在测试状态下仪器可达到的灵敏度。动态灵敏度取决于静态灵敏度、系统响应时间和传感器的选择性。总之只有静态灵敏度高、响应时间快、传感器选择性好的检漏仪动态灵敏度才会高。笔者做了如下对比实验、选用了三款SF6检漏仪，关键技术指标如下表：同样规格的SF6标准气体六瓶，浓度如下1ppm,5ppm,10ppm,50ppm,100ppm,200ppm。通过减压阀和流量表使各瓶子SF6气体流出的速度尽可能一致。三种检漏仪以1厘米/秒的速度经过各个SF6气体标准瓶泄漏口，测量结果如下表因试验条件限制，传感器移动的速度无法保持完全一致，气体泄漏的量也不一定完全一致，但实验结果基本能看出以下结论：1、即使静态灵敏度高达0.001ppm、响应时间小于1.5秒、选择性良好的采用激光光声光谱检测技术的LLD-100其动态检测灵敏度也就1ppm2、灵敏度1ppm响应时间5秒的红外检漏仪测试结果远小于实际值，因此现场检测时很容易错过小于50ppm的泄漏点。3、5750A检测灵敏度很低，但响应时间快，所以现场测试效果和价值二十几万的红外检漏仪差不多。以上实验也解释了现场测试人员的疑问，因此建议用户在选择检漏仪时要特别关注如下技术指标：静态灵敏度、响应时间、传感器的选择性。四、红外光谱技术与激光光声光谱技术对比