專利名稱：基于激光光譜法的高靈敏sf6大范圍監(jiān)測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種氣體的激光測量儀器，具體是一種基于激光光譜法的高靈敏SF6大范圍監(jiān)測儀器。
背景技術(shù)：
六氟化硫是一種幾乎完全絕緣的材料。這種看不見的氣體是惰性的、無毒的、不可燃的，密度比空氣大5倍。由于其化學(xué)和物理特性的獨(dú)特結(jié)合，SF6適于數(shù)種專業(yè)用途。其主要用途是作為組合電器(GIS)，高壓電氣開關(guān)包括斷路器在內(nèi)的一種絕緣氣體。但由于SF6分解會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)，如氟化亞硫酰，二氧化硫以及SF4、SF2、F2、HF等，當(dāng)工人在存在這種氣體泄漏的場合工作時(shí)會(huì)引起中毒。因此監(jiān)測SF6的泄漏對(duì)于工作人員的安全也是必不可少的。
SF6還是一種非常重要的溫室氣體，因?yàn)樗谀承┎ㄩL能有效地吸收紅外能量，而且其壽命非常長(預(yù)測估計(jì)約為3200年。官方氣候變化專家小組估計(jì)，SF6使地球變暖因素的勢能按每分子比較，可能要比CO2這種主要集中在大氣中層的溫室氣體勢能大23900多倍。在1997年的京都高級(jí)會(huì)議上，SF6是6種作為減少排放的溫室氣體類型之一。在全球變暖潛在可能性的基礎(chǔ)上，由美國做出并有其他150多個(gè)國家同意的溫室氣體分析，指出至2012年SF6氣體將占溫室氣體減少排放成分的14％。
電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)程規(guī)定，在設(shè)備投運(yùn)前和運(yùn)行中都必須對(duì)SF6氣體的密度和含水量進(jìn)行檢測。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在電力行業(yè)，目前國內(nèi)外市場上現(xiàn)有的針對(duì)SF6電器設(shè)備內(nèi)的SF6氣體狀況監(jiān)測的一些設(shè)備的監(jiān)測方法，基本采用傳統(tǒng)的化學(xué)傳感器方式監(jiān)測SF6濃度。
目前，國內(nèi)的SF6氣體監(jiān)測多數(shù)是基于電化學(xué)傳感器的點(diǎn)式測量，由于電化學(xué)傳感器普遍具有穩(wěn)定性差、易中毒以及無法避免其它氣體的干擾等缺點(diǎn)，因此國內(nèi)外開展了基于激光光譜法的SF6氣體泄漏檢測的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種基于激光光譜法的高靈敏SF6大范圍監(jiān)測儀，利用SF6在10.5和10.6um附近的強(qiáng)吸收線波長與CO2的P(16)和P(18)激光譜線重合這一特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)SF6無干擾的高靈敏度測量。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下基于激光光譜法的高靈敏SF6大范圍監(jiān)測儀，包括有機(jī)箱，機(jī)箱上安裝有電源插座，并關(guān)，機(jī)箱內(nèi)安裝有數(shù)據(jù)處理模塊，其特征在于機(jī)箱底面上安裝有二氧化碳激光器及其電源、冷凝水系統(tǒng)，冷凝水系統(tǒng)包括有水箱、水泵、壓力閥、冷凝水循環(huán)管，二氧化碳激光器的出光口前安裝有反射鏡，在二氧化碳激光器發(fā)出的激光經(jīng)該反射鏡反射的光路中，安裝有一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的斬波器，斬波器為一表面鍍有金屬膜的轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤上有缺口，經(jīng)反射鏡反射的激光束經(jīng)過轉(zhuǎn)盤上的缺口射出者，再經(jīng)過機(jī)箱上的出光口，到達(dá)安裝在機(jī)箱外的激光原始光強(qiáng)探測器接收；經(jīng)反射鏡反射的激光束經(jīng)轉(zhuǎn)盤上的金屬膜反射后的光路中，安裝有光強(qiáng)探測器，機(jī)箱側(cè)壁上有排氣孔，排氣孔一側(cè)安裝有散熱器和風(fēng)扇。
所述的經(jīng)反射鏡反射的激光束經(jīng)過轉(zhuǎn)盤上的缺口和機(jī)箱上的通光孔之間的光路中，安裝有一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡，該反射鏡鏡面下方安裝有半導(dǎo)體激光器，該反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)至和光路呈45度角時(shí)，其二者的交匯處正下方為半導(dǎo)體激光器的出光口。
所述的激光器電源一側(cè)安裝有風(fēng)扇。
所述的光強(qiáng)探測器為熱釋電探測器。
本發(fā)明利用最新的中紅外激光吸收光譜技術(shù)和開放式光路測量相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍的環(huán)境空氣中SF6濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)遙測，消除了環(huán)境空氣中其它氣體(尤其是水蒸氣和二氧化碳)的干擾，達(dá)到低于ppm量級(jí)的現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測。從技術(shù)方法上克服了傳統(tǒng)監(jiān)測的靈敏度低、易受干擾、不能實(shí)現(xiàn)大范圍連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測以及成本高等缺點(diǎn)，真正做到了高精度(1ppm變化)、定量化、長壽命，大面積的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。


圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為斬波器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖1、圖2。
圖中標(biāo)號(hào)1、機(jī)箱，2、二氧化碳激光器，3、數(shù)據(jù)采集處理模塊，4、水箱，5、水泵，6、壓力開關(guān)，7、激光器電源開關(guān)，8、激光器電流調(diào)節(jié)旋鈕，9、激光器冷卻水循環(huán)管，10、反射鏡，11、激光器電流表，12、探測器，13、斬波器，14、可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡，15、風(fēng)扇，16、激光器電源模塊，17、650nm半導(dǎo)體激光器，18、出光口，19、風(fēng)扇，20、排氣口，21、散熱片，22、總電源插座，23、探測器。上述所涉及的部件(探測器23除外)均是安裝在機(jī)箱1上。
本實(shí)用新型以波長10.6um的二氧化碳激光器2作為光源，為了減小儀器的體積，將350mm長的激光管成近似于45度放置在儀器機(jī)箱1內(nèi)。在激光器出光口前面安裝一個(gè)反射鏡10，改變激光器輸出激光的方向?yàn)樗椒较?。然后利用斬波?3斬波，斬波器13如圖2所示，斬波器13是鍍有金屬膜轉(zhuǎn)盤，并由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)盤上有出光的缺口，斬波器13是激光通過斬波器上的缺口、出光口18傳輸?shù)桨惭b在儀器外的探測器23上對(duì)外界環(huán)境中的SF6進(jìn)行測量。當(dāng)激光照射到轉(zhuǎn)盤的鍍金屬膜部位時(shí)反射到達(dá)探測器12，探測器12用于監(jiān)測激光光強(qiáng)的變化。反射鏡14轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在機(jī)箱內(nèi)，可以轉(zhuǎn)動(dòng)至和二氧化碳激光器的激光輸出的方向(水平)成45度角，與紅光半導(dǎo)體激光器17相結(jié)合實(shí)現(xiàn)光路調(diào)節(jié)功能，半導(dǎo)體激光器17的出光口位于反射鏡14與水平方向的激光紅外光路交匯處的正下方；即，當(dāng)反射鏡14轉(zhuǎn)動(dòng)到與半導(dǎo)體激光器發(fā)出的紅光激光成45度時(shí)，由紅光半導(dǎo)體激光器17輸出的激光正好與反射鏡14成45度入射，經(jīng)反射鏡14反射后與入射光束垂直，與二氧化碳激光器2輸出的紅外激光同軸輸出；因此通過可見光就可以將系統(tǒng)的安裝光路調(diào)節(jié)好。二氧化碳激光器的高壓電源模塊16，為二氧化碳激光器2提供瞬間高壓和穩(wěn)定的工作電流。風(fēng)扇15為電源模塊16提供冷卻。直徑為20mm的出光口18，紅外激光由此出射。激光器冷卻循環(huán)水的散熱片21，位于機(jī)箱1側(cè)壁上的排氣口旁邊，其另一側(cè)安裝有風(fēng)扇19，將從激光器2出來的循環(huán)冷凝水中的熱量散發(fā)出去，保證循環(huán)冷凝水的溫度在室溫，從而保證激光器2的正常工作。儀器的電源插口22。為了保證激光器2的正常工作，激光器2外接有水箱4、水泵5、壓力開關(guān)6、激光器冷卻水循環(huán)管9構(gòu)成的冷凝水系統(tǒng)，水箱4是一個(gè)直徑100mm，高200mm的聚四氟水桶，用于存儲(chǔ)冷卻水，水泵5是一個(gè)流量為5L/min，揚(yáng)程為1m的流量泵，用來控制冷卻水的循環(huán)；壓力開關(guān)6是一個(gè)波紋管的壓力傳感器和壓力開關(guān)，用來監(jiān)測水的循環(huán)并控制激光電源，只有當(dāng)冷卻水循環(huán)管9中有足夠的冷卻水，并且流量泵正常工作時(shí)，水壓力促使波紋管膨脹，波紋管伸長之后擠壓壓力開關(guān)，才接通激光器的電源，由此來保證只有在水循環(huán)正常的情況下才能夠打開激光器正常工作，避免由于水循環(huán)故障導(dǎo)致激光器燒壞。
二氧化碳激光器2輸出的激光經(jīng)過測量區(qū)域之后經(jīng)探測器23接收，探測器12、23均為熱釋電探測器，靈敏度為20mv/mJ。根據(jù)探測器12(激光原始光強(qiáng))和探測器23(氣體吸收后的光強(qiáng))信號(hào)比較，再通過不同濃度氣體的標(biāo)定，可以得到測量區(qū)間的SF6氣體濃度。檢測靈敏度低于1ppm.m。
測量步驟長度為350m的商用二氧化碳激光器輸出的10.6um波長的激光經(jīng)反射鏡10反射(直徑20mm的鍍鋁平面鏡)，被斬波器13斬成脈沖光束，其中斬波器如圖2所示，由不銹鋼板加工而成，當(dāng)光束照射到T部分時(shí)將穿過斬波器，斬波器外徑為100mm，內(nèi)徑為80mm，每個(gè)投射和反射部分分別占60°，斬波器由5V直流輸入的電機(jī)帶動(dòng)；透射的激光經(jīng)過待測空間后到達(dá)探測器23(商用熱釋電探測器)；當(dāng)光束照射到R部分時(shí)被不銹鋼板的表面反射到達(dá)探測器12。
光路調(diào)節(jié)部分17是波長為650nm，輸出功率為10mW的半導(dǎo)體激光器，經(jīng)過可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡14(商用)反射，通過對(duì)激光器出射方向的調(diào)節(jié)使可見光和紅外激光同軸，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測時(shí)的光路調(diào)節(jié)。
信號(hào)處理探測器12得到的信號(hào)是反應(yīng)沒有被氣體吸收時(shí)的原始激光光強(qiáng)I0，探測器23輸出的信號(hào)為經(jīng)過待測氣體吸收的激光光強(qiáng)I，經(jīng)過兩個(gè)信號(hào)的比較就可以得到測量光路中的SF6氣體產(chǎn)生的吸收量。
物質(zhì)對(duì)不同頻率的電磁波有不同的吸收，當(dāng)一束光強(qiáng)為I0的平行光通過長度為L的吸收介質(zhì)后，在接收端測得的強(qiáng)度為I，遵循Beer-Lambert吸收定律I(v)＝I0(υ)exp(-cσ(υ)L)吸收系數(shù)α可以通過HITTRAN數(shù)據(jù)庫得到，將測量到的兩路信號(hào)和系統(tǒng)的測量光路長度L代入上式就可以得到氣體的濃度C。
權(quán)利要求
1.基于激光光譜法的高靈敏SF6大范圍監(jiān)測儀，包括有機(jī)箱，機(jī)箱上安裝有電源插座，并關(guān)，機(jī)箱內(nèi)安裝有數(shù)據(jù)處理模塊，其特征在于機(jī)箱底面上安裝有二氧化碳激光器及其電源、冷凝水系統(tǒng)，冷凝水系統(tǒng)包括有水箱、水泵、壓力閥、冷凝水循環(huán)管，二氧化碳激光器的出光口前安裝有反射鏡，在二氧化碳激光器發(fā)出的激光經(jīng)該反射鏡反射的光路中，安裝有一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的斬波器，斬波器為一表面鍍有金屬膜的轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤上有缺口，經(jīng)反射鏡反射的激光束經(jīng)過轉(zhuǎn)盤上的缺口射出者，再經(jīng)過機(jī)箱上的出光口，到達(dá)安裝在機(jī)箱外的激光原始光強(qiáng)探測器接收；經(jīng)反射鏡反射的激光束經(jīng)轉(zhuǎn)盤上的金屬膜反射后的光路中，安裝有光強(qiáng)探測器，機(jī)箱側(cè)壁上有排氣孔，排氣孔一側(cè)安裝有散熱器和風(fēng)扇。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測儀，其特征在于所述的經(jīng)反射鏡反射的激光束經(jīng)過轉(zhuǎn)盤上的缺口和機(jī)箱上的通光孔之間的光路中，安裝有一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡，該反射鏡鏡面下方安裝有半導(dǎo)體激光器，該反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)至和光路呈45度角時(shí)，其二者的交匯處正下方為半導(dǎo)體激光器的出光口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測儀，其特征在于所述的激光器電源一側(cè)安裝有風(fēng)扇。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的監(jiān)測儀，其特征在于所述的光強(qiáng)探測器為熱釋電探測器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于激光光譜法的高靈敏SF6大范圍監(jiān)測儀，包括有機(jī)箱，機(jī)箱上安裝有電源插座，開關(guān)，機(jī)箱內(nèi)安裝有數(shù)據(jù)處理模塊，其特征在于機(jī)箱底面上安裝有二氧化碳激光器及其電源、冷凝水系統(tǒng)，二氧化碳激光器的出光口前安裝有反射鏡，在二氧化碳激光器發(fā)出的激光經(jīng)該反射鏡反射的光路中，安裝有一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的斬波器，經(jīng)反射鏡反射的激光束經(jīng)過斬波器上的缺口射出者，再經(jīng)過機(jī)箱上的出光口，到達(dá)安裝在機(jī)箱外的激光原始光強(qiáng)探測器接收；經(jīng)反射鏡反射的激光束經(jīng)轉(zhuǎn)盤上的金屬膜反射后的光路中，安裝有氣體吸收后的光強(qiáng)探測器。真正做到了高精度(1ppm變化)、定量化、長壽命、大面積的SF6連續(xù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。
文檔編號(hào)G01N21/39GK1851447SQ200610040630
公開日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2006年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月18日
發(fā)明者劉文清, 張玉鈞, 司福祺, 崔益本, 闞瑞峰, 蔡毅敏 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所