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LLD -100 SF6氣體檢漏儀
激光光聲光譜檢測技術(shù)—SF6檢漏技術(shù)的重大突破

激光光聲光譜技術(shù)作為一種高靈敏度的微量氣體檢測技術(shù)歷史已經(jīng)超過30年，幾乎同紅外氣體檢測技術(shù)一樣長。這兩種檢測

技術(shù)的共同點(diǎn)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。紅外檢測技術(shù)是利用紅外線做光源，是廣譜的光源，

即使經(jīng)過濾光片依然是廣譜的光源，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

率的光源，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。

一、激光光聲光譜氣體檢測技術(shù)原理

光聲氣體檢測技術(shù)是基于不同氣體在紅外波段有不同的特征吸收光譜，比如CO是2.32μm和4.26μm，CO₂是4.65μm和14.99μm，而SF₆的紅外特征光譜在10.5μm附近。

光聲氣體檢測原理是利用氣體吸收一強(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)氣體分子吸收一頻率為ν的光子后，從基態(tài)E₀躍遷到激發(fā)態(tài)E₁，則兩能量級(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*馳豫過程而轉(zhuǎn)變?yōu)橄嘧驳膬蓚€(gè)分子的平均動(dòng)能（既加熱），通過這種方式釋放能量從爾返回基態(tài)。氣體通過這種*的馳豫過程把吸收的光能部分地或全部的轉(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,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該信號(hào)。

氣體光聲檢測系統(tǒng)通常由激光器（或普通單色光源）、調(diào)制器（使光束作強(qiáng)度調(diào)制,例如機(jī)械切光器、電光調(diào)制器等）、充有被測吸收氣體和裝有檢測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)的氣體檢測技術(shù)是基于氣體的特征紅外吸收,間接測量氣體吸收的能量，因此測量靈敏度高，檢測極限低，切不存在傳感器老化的問題。

1971年Kreuzer從理論上分析利用染料激光器和高靈敏度穿聲器的光聲技術(shù)的檢測極限達(dá)到10^-12數(shù)量級(jí)，比傳統(tǒng)的紅外光譜儀靈敏度高10⁴倍。

二、LLD-100是高靈敏度快速響應(yīng)的SF6定量檢漏儀

SF6氣體泄漏檢測儀一般都要求體積小、重量輕、用電池供電以適合電力系統(tǒng)現(xiàn)場使用，但激光光聲光譜氣體技術(shù)中所需要的激光器一般體積都很大、功率消耗也很大，所以制造出的儀器體積龐大而且需要交流電供電，不適合電力系統(tǒng)現(xiàn)場使用。筆者曾經(jīng)參觀過幾家國外GIS工廠發(fā)現(xiàn)了這種龐大的儀器在工廠使用，據(jù)使用者反應(yīng)檢測效果非常好。2005年俄羅斯通用物理研究所開發(fā)出世界上zui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技術(shù)的SF6定量檢漏儀在技術(shù)上可實(shí)現(xiàn)。2007年LLD-100型高靈敏度快速響應(yīng)的SF6定量檢漏儀橫空出世，一舉震撼了的專業(yè)人士。

1、LLD-100簡單介紹：

采用激光光-聲檢測原理（技術(shù)）的LLD-100使SF6的檢測水平達(dá)到了歷史的新高度，檢測靈敏度達(dá)到1×10^-9cm³/秒 （0.002克/年），動(dòng)態(tài)范圍0.001ppm-1000ppm。便攜式設(shè)計(jì)，電池供電，使儀器適合診斷氣體絕緣設(shè)備的SF6泄漏水平和發(fā)展速度。儀器可用在室內(nèi)、室外、電纜溝等多種環(huán)境。內(nèi)置的蓄電池保證儀器可進(jìn)行8小時(shí)不間斷的工作。高靈敏度的儀器可保證定位泄漏位置。高速氣流和光聲探測器短的響應(yīng)時(shí)間保證在探測到高濃度氣流后儀器在1-2秒內(nèi)既可恢復(fù)。紅外激光源和特殊光聲傳感器技術(shù)保證了SF6的高靈敏度探測因此降低誤報(bào)警的次數(shù)。SF6氣體主要吸收波長在10.55微米左右的紅外線輻射。儀器使用紅外激光源以及這個(gè)波長的光學(xué)帶通波濾器，這使得這個(gè)設(shè)備專門適用于SF6，避免了其它物質(zhì)在泄露探測中可能的干涉。儀器操作十分簡單，不需要任何專業(yè)培訓(xùn)。儀器不需要任何消耗品，在質(zhì)保期內(nèi)也不需要定期校準(zhǔn)。儀器有內(nèi)存來保存測量的數(shù)據(jù)，USB接口用于和電腦通訊?？捎嗁徃吡砍虄x器用在高濃度環(huán)境的檢測。

2、LLD-100的特點(diǎn)：

l 采用激光光聲檢測技術(shù)

l 高靈敏度，快速響應(yīng)

l 檢測靈敏度0.001ppm（0.002克/年）

l 動(dòng)態(tài)范圍0.001ppm-1000ppm

l 響應(yīng)時(shí)間小于2秒

l 啟動(dòng)時(shí)間小于30秒

l 周圍環(huán)境和濕度不影響測量

l 大劑量SF6不會(huì)損壞傳感器

l 高亮度4位LED顯示

l 音頻輸出接口（可帶耳機(jī)）

l 操作簡單、不需專業(yè)培訓(xùn)

l 無放射源、免維護(hù)、免校準(zhǔn)

l 體積小、重量輕、攜帶方便

3、LLD-100技術(shù)參數(shù)：

SF6檢測靈敏度：0.001ppm（1×10^-9cm³/秒或0.002克/年）

探測器類型：光聲探測器

氣體流動(dòng)速度：0.5-1升/分鐘

響應(yīng)時(shí)間：1-2秒

啟動(dòng)時(shí)間：30秒

泄漏指示：四位LED顯示，聲音報(bào)警

顯示單位:ppm或μg/l

功耗：15W

持續(xù)供電時(shí)間：8小時(shí)

儀器尺寸：320×190×115mm

儀器重量：4公斤

顯示單元尺寸：122×60×30mm

伸縮探頭長度：220-980mm

連接電纜長度：400mm

顯示單元重量：0.2公斤

4、LLD-100儀器配置：主機(jī)、顯示單元、USB電纜、CD軟件、充電器、說明書

三、SF6檢漏儀的響應(yīng)時(shí)間為什么重要？

筆者在近兩年和電力系統(tǒng)從事SF6泄漏檢測的工作人員接觸過程中經(jīng)常會(huì)聽到如下疑問：為什么靈敏度1ppm價(jià)值十幾萬甚至二十幾萬的SF6定量檢漏儀在現(xiàn)場測試的時(shí)候還不如價(jià)值幾千元的5750A定性檢漏儀？其實(shí)該疑問的核心涉及到如下幾個(gè)概念：傳感器響應(yīng)時(shí)間和系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、靜態(tài)靈敏度和動(dòng)態(tài)靈敏度。

SF6檢漏儀的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間由兩部分組成：氣流通過傳感器的時(shí)間和傳感器本身的響應(yīng)時(shí)間。氣流通過傳感器的時(shí)間是指SF6氣體通過導(dǎo)管到達(dá)傳感器的時(shí)間，該時(shí)間取決于管路的長度和抽氣泵的功率，一般2米長的管路配1升/分的氣泵氣流通過傳感器的時(shí)間是1秒。傳感器本身的響應(yīng)時(shí)間是指傳感器可以準(zhǔn)確測量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是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?/span>SF6的混合氣體來標(biāo)定的靈敏度，這個(gè)靈敏度應(yīng)該是靜態(tài)靈敏度。所以靜態(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)境各種干擾氣體的影響的靈敏度。實(shí)際在現(xiàn)場測量SF6泄漏時(shí)，檢漏儀的探頭是移動(dòng)的，速度大約在1厘米/秒-3厘米/秒。正常情況下泄漏點(diǎn)周圍SF6氣體的濃度是呈梯度分布的，既越靠近漏點(diǎn)SF6氣體濃度越高。對于靜態(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)過泄漏點(diǎn)時(shí)，響應(yīng)時(shí)間快的儀器測量結(jié)果更準(zhǔn)確，響應(yīng)時(shí)間慢的測量結(jié)果偏小。同一臺(tái)儀器，當(dāng)探頭以不同速度移動(dòng)經(jīng)過泄漏點(diǎn)時(shí)，同樣的泄漏在儀器上檢測出的結(jié)果也是不同的的，移動(dòng)速度越快讀數(shù)越小，移動(dòng)速度越慢測量結(jié)果越準(zhǔn)確。有些傳感器是廣譜的，不僅對SF6氣體敏感，還對空氣中的其它氣體或水蒸汽敏感，所以實(shí)際測試周圍環(huán)境的干擾氣體會(huì)大大降低某些SF6檢測儀器的靈敏度。所以所謂動(dòng)態(tài)靈敏度是考慮周圍干擾氣體的影響，也考慮系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的影響后在測試狀態(tài)下儀器可達(dá)到的靈敏度。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。總之只有靜態(tài)靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快、傳感器選擇性好的檢漏儀動(dòng)態(tài)靈敏度才會(huì)高。

筆者做了如下對比實(shí)驗(yàn)、選用了三款SF6檢漏儀，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如下表：

同樣規(guī)格的SF6標(biāo)準(zhǔn)氣體六瓶，濃度如下1ppm,5ppm,10ppm,50ppm,100ppm,200ppm。通過減壓閥和流量表使各瓶子SF6氣體流出的

速度盡可能一致。三種檢漏儀以1厘米/秒的速度經(jīng)過各個(gè)SF6氣體標(biāo)準(zhǔn)瓶泄漏口，測量結(jié)果如下表

因試驗(yàn)條件限制，傳感器移動(dòng)的速度無法保持*一致，氣體泄漏的量也不一定*一致，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本能看出以下結(jié)論：

1、即使靜態(tài)靈敏度高達(dá)0.001ppm、響應(yīng)時(shí)間小于1.5秒、選擇性良好的采用激光光聲光譜檢測技術(shù)的LLD-100其動(dòng)態(tài)檢測靈敏度也就1ppm

2、靈敏度1ppm響應(yīng)時(shí)間5秒的紅外檢漏儀測試結(jié)果遠(yuǎn)小于實(shí)際值，因此現(xiàn)場檢測時(shí)很容易錯(cuò)過小于50ppm的泄漏點(diǎn)。

3、5750A檢測靈敏度很低，但響應(yīng)時(shí)間快，所以現(xiàn)場測試效果和價(jià)值二十幾萬的紅外檢漏儀差不多。

以上實(shí)驗(yàn)也解釋了現(xiàn)場測試人員的疑問，因此建議用戶在選擇檢漏儀時(shí)要特別關(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。

四、紅外光譜技術(shù)與激光光聲光譜技術(shù)對比