緊湊型激光微水傳感器的設計與研究

姚 強,齊汝賓,張施令,李銀華,鄭安平,李新田,柴慧娟,曾曉哲,王淑潔

(1.國網重慶市電力公司電力科學研究院,重慶 401123；2.鄭州輕工業大學電氣信息工程學院,河南 鄭州 450002； 3.河南省日立信股份有限公司,河南 鄭州 450001)

1 引 言

水蒸氣作為水的氣態形式,滲透在人們生產生活的各個角落,而在電力領域,需要對微水含量(水分含量或水蒸氣濃度或微水密度或濕度)進行嚴格檢測與控制[1],以確保系統能夠安全穩定運行和保證產品質量。如在高壓開關等絕緣電氣設備中,六氟化硫(SF6)氣體由于具有優良的滅弧和絕緣性能以及良好的化學穩定性,是當前高壓電氣設備的重要絕緣介質,但在長期使用過程中,其內部微量水蒸氣會在高壓電弧放電等條件下與SF6氣體發生反應生成腐蝕性氣體,影響設備安全可靠運行[2]。在電廠發電過程中,因氫氣具有較高的換熱比和較低的風摩損耗而大多數發電機組使用氫氣進行冷卻,氫冷發電機內濕度過高,不僅危害發電機定子、轉子繞組的絕緣強度,而且會使轉子護環產生應力腐蝕裂紋；而氫氣濕度過低,又可導致如定子端部墊塊收縮和支撐環的裂紋等有害影響[3-4]。因此,在現場惡劣條件下快速、準確檢測高壓電氣設備內部和氫冷機組氫氣中水蒸氣含量對于設備的安全穩定運行至關重要。此外,在制藥[5]、半導體[6]、電子元器件[7]、高壓開關分解產物檢測[8]等行業,微量水蒸氣會嚴重影響產品的質量和產量,因此,快速、準確測定微水含量,對提高產品質量和產量具有重要意義。

當前,對低濃度水蒸氣進行檢測的主要方式有阻容法[9]、露點法[10]等方式。阻容法體積小便于攜帶,檢出限較低,但其響應速度較慢(一般需要3～5 min),精度較差,老化和偏移也較嚴重；露點法操作簡單,儀器比較穩定,是目前準確度較高的方法,但其對污染物較為敏感,穩定時間長(低濕范圍大概需要1 h),價格也較高。以上傳統方法均不適用于現場惡劣環境條件下對水蒸氣的快速、準確檢測應用。而可調諧二極管激光吸收光譜技術(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)作為光學檢測技術中的新技術,因其高精度,高測量速度,高可靠性的特點,是實現微水含量檢測的最有潛力技術之一。本文即設計并實現了一種能夠適用于現場的高靈敏度、快速、小型微水含量檢測光學傳感器。

2 檢測原理

利用TDLAS技術實現對水蒸氣的檢測,并采用波長調制技術(WMS)結合相敏檢波技術來降低測量系統中的噪聲和干擾,實現對微弱信號的提取。此時,可得二次諧波(2f)信號可表示為:

S2f(v)=βI0H2(v,a)PtolcrelNtotL

(1)

式中,β為量綱一的比例常數,取決于傳感器的傳遞函數；H2為線型函數的二次諧波系數;v為激光頻率;a為調制幅度;Ptol為氣體總壓強;crel為被測氣體比濃度;Ntot為氣體總分子數密度;L為氣體吸收路徑長度[10]。

經光強校準后,2f信號可不受激光功率波動的影響,此時二次諧波信號可表示為:

S2f,cor(v)=βcorH2(v,a)PtolcrelNtotL

(2)

3 傳感器設計

3.1 譜線選擇

H2O在紅外區域有著豐富密集的吸收譜線,在進行光譜探測時需要選擇無鄰近譜線和其他氣體吸收譜干擾的譜線,并且為達到較高的探測靈敏度,要求盡可能選擇吸收較強的譜線。依據文獻[11]的方法,對Hitran譜庫中的H2O以及可能的共存干擾物CO、CO2、HF、H2S、SO2和O2等氣體在v2+v3譜帶內的吸收譜線數據進行仿真,結果如圖1所示。圖1中H2O的體積比濃度設置為100 ppm,其他氣體濃度均設置為1000 ppm,所有氣體的光程設置為20 cm,氣壓為1 atm。從圖中可看出,H2O在1367～1369.5 nm范圍內存在著若干條明顯且獨立的吸收譜線,而在此波段范圍內無其他氣體吸收譜的干擾,其中尤以1368.6 nm附近處的吸收線為最強,如圖1虛線內所示,因此,結合近紅外區域可選激光光源的性能、價格等因素,本設計將選擇該譜線作為被測譜線。

圖1 由Hitran譜庫仿真所得H2O、 CO、CO2、HF、H2S、SO2及O2等氣體v2+v3譜帶內的吸收譜Fig.1 Absorption spectra inv2+v3 bands of H2O,CO,CO2,HF,H2S,SO2 and O2 obtained by simulation from Hitran

3.2 結構設計

由于H2O為極性分子,偶極矩較大,在氫鍵的作用下,具有較強的吸附性[12],且大氣環境中廣泛存在著大量水汽,使得現場對微水含量的檢測非常困難。本研究為克服微水檢測速度慢、準確度低問題,設計了緊湊型的激光光譜檢測傳感器,其結構如圖2(a)所示。傳感器采用單次直通式光路結構,反應氣室為內徑4 mm的不銹鋼管,從而盡可能的減小體積和氣體與池壁的接觸面積,降低了吸附與吹掃時間。底座、端部結構件和氣體進出口接頭均采用不銹鋼材質,電路板嵌入氣室與底座之間,使得整體結構緊湊而穩固。氣室上部裝配有3D打印PA12殼體,起保護作用。所用光源為輸出中心波長在1368 nm附近的近紅外半導體激光器(NanoPlus NP-DFB-1368-TO5),輸出平均功率8 mW。光電探測器為InGaAs PIN光電二極管(濱松G12180-010 A)。氣室內植入了微型氣壓及溫度傳感器對被測氣體進行實時溫度和壓力的檢測與校準。

圖2 微水傳感器結構及尺寸圖Fig.2 Structure and dimension drawing of micro water sensor

3.3 電路模塊設計

傳感器電路部分采用嵌入式CPU芯片(STM32F407)為控制與信號處理核心,外圍電路由激光器電流控制模塊、溫度控制模塊、前置放大單元、濾波電路等組成。電流調制模塊實現對激光器的低頻波長掃描和高頻波長調制,以實現諧波檢測,溫度控制模塊對激光器管芯溫度進行高精度控制,以實現輸出波長的穩定性。探測電路包括前置放大單元和濾波電路,將光電轉換后攜帶有光譜信息的電信號進行電流電壓轉換及濾波放大。溫度和壓力傳感器輸出數字信號,直接被CPU讀取后作進一步處理。相敏檢測在CPU內由軟件部分實現,微水含量檢測結果通過ModBus協議經RS485總線輸出。

圖3 微水傳感器電路設計示意圖Fig.3 Schematic diagram of micro water sensor circuit design

4 性能評價實驗系統

由于H2O分子特殊的物理和化學特性,很難制成商品化的標準氣體,尤其是在低濕范圍,標準濕度的產生非常困難,因此為驗證傳感器性能,搭建了如圖4所示的校準測試實驗平臺。實驗平臺首先將空氣通入兩級干燥筒進行充分干燥,而后經減壓穩壓后通入兩位三通閥,該兩位三通閥將干燥空氣分別通入一路干氣質量流量計和兩路濕氣質量流量計,并將多余的干氣排空。其中一路濕氣質量流量計為最大流量為50 sccm的高精度質量流量計,用于配制低濕氣體,以提高配制精度,另外一路最大流量為3 L,用于配制高濕氣體。經濕氣質量流量計后的濕氣氣路通入一個恒溫水槽用于產生飽和濕氣,在濕氣室緩沖平衡后與干氣氣路混合,生成一定水汽濃度的標準濕度氣體,分三路并聯分別輸出至標準儀器(鏡面露點儀)、被校準測試傳感器和排空。該濕度校準測試實驗平臺以當前國際公認的對濕度具有較高檢測精度的瑞士MBW373LX鏡面露點儀(以下統稱為標準表)為標準,對濕度發生裝置產生的各個水平濕度值與本研究傳感器一起進行并聯同步檢測,結果作為校準值對傳感器進行校準。

圖4 微水濕度傳感器校準測試平臺Fig.4 Calibration and test platform for micro moisture sensor

5 結果及性能分析

5.1 諧波信號分析

由濕度發生裝置配制出各個濕度下的氣體,而后被所設計光學傳感器和標準表以并聯方式同時進行檢測,得到各個濃度梯度下傳感器輸出的二次諧波信號,以及由標準表給出的濃度校準值。圖5為校準濕度為826 ppm時的傳感器輸出二次諧波信號及濾波分析圖,其中橫坐標為采樣點,縱坐標為傳感器輸出信號幅度(與采集光電信號成正比的內碼值)。圖5中,灰色曲線為濾波前傳感器輸出二次諧波信號,可以看出,在整個譜線范圍內均存在一定幅度的噪聲干擾。采用加權多項式擬合平滑數字濾波算法,即Savitzky-Golay濾波(SG濾波),可以很好的將噪聲濾除,圖中黑色曲線為進行25點SG濾波后二次諧波信號。因此,在后續測試及應用中,傳感器都將采用該濾波算法將采集二次諧波信號進行濾波后再做進一步處理和分析。

圖6所示為光學傳感器測量所得,經濾波處理后的各個濕度下的二次諧波信號,從圖中可看出,傳感器從低濕(數十ppm)到較高濕度(>5000 ppm)均能輸出具有一定信噪比的二次諧波信號。

(灰色曲線為濾波前傳感器輸出二次諧波信號,黑色曲線為進行25點SG濾波后二次諧波信號；子圖1為無吸收位置處濾波前后信號放大圖；子圖2為吸收線峰值位置處濾波前后信號放大圖)

圖6 濕度梯度下的傳感器輸出二次諧波信號Fig.6 Second output second harmonic signal under humidity gradient

5.2 線性及測量范圍

校準后,傳感器輸出二次諧波信號幅值(峰-峰值)與對應濃度關系如圖7和圖8所示。圖7所示為水蒸氣濃度從～10 ppm到～2000 ppm范圍變化,即圖6中前九組濃度數據時,實驗所得二次諧波信號幅值與線性擬合結果,在該濃度梯度范圍內,擬合的R2值達0.99984,可見,諧波幅值與水蒸氣濃度之間呈良好的線性關系。

圖8中黑色圓球為實驗所得所有濃度下二次諧波信號幅值與對應濃度,直線由虛線框內數據擬合得到,即仍為圖7中數據擬合直線。在虛線框外,隨著濕度的增大,傳感器輸出的二次諧波幅值與對應濃度之間的非線性也越來越大,這是由于該波長位置水蒸氣的吸收線強較強(1.8×10-20cm-1/(molecule·cm-2)),根據式(1),光強變化也隨濃度增加呈現非線性。

因此,為提高傳感器的準確度及縮小測量時間,設定傳感器的測量范圍為具有良好線性的0～2000 ppm范圍。

(擬合濃度分別為:10.6ppm、37.7ppm、118.2ppm、352.8ppm、583.5ppm、952.0ppm、1216.9ppm、1553.9ppm、2016.8ppm)

圖8 傳感器輸出二次諧波信號幅值與對應濃度關系曲線Fig.8 The relationship curve between the amplitude of the sensor′s 2f signal and the corresponding concentration

5.3 測量準確性分析

為評價所設計傳感器對水蒸氣濃度測量的準確性,在實驗平臺上分別配制出若干濃度梯度的水蒸氣,由標準表和光學傳感器同時進行測量,標準表測得濃度分別為14.82 ppm,60.21 ppm,182.17 ppm,441.06 ppm,1057.8 ppm,1553.94 ppm和1936.83 ppm,作為標準濃度,與傳感器測量結果進行對比作圖,如圖9上方圖所示。圖9下方圖為對應濃度位置處傳感器測量濃度與標準濃度的相對誤差,可看出誤差范圍在-5.53 %～1.84 %之間,且除較低濃度外,在大部分濃度位置處相對誤差均較小,說明所設計傳感器在測量范圍內具有較好的測量準確性。

(上圖:傳感器實際測量數據與標準濃度的擬合曲線；下圖:傳感器測量濃度與標準濃度相對誤差)

5.4 最小檢出限

根據國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)推薦的以3倍信噪比為檢測極限來確定本系統的檢出限。圖10(a)所示為傳感器測量所得37.7 ppm水蒸氣的二次諧波信號,其中灰色曲線為濾波前原始數據,黑色曲線為采用SG濾波后曲線。如圖10(a)所示二次諧波信號的幅值為218.5,噪聲為19.2 dB,信噪比為11.4 dB,計算可得該系統對微量水蒸氣的檢出限為10 ppm。

為驗證最小檢出限指標,實驗配制了較低濃度的水蒸氣,傳感器測量得到濃度值為10.5 ppm,如圖10(b)所示即為傳感器采集得到的二次諧波數據,濾波前的原始數據信號幅度已接近于噪聲幅度,進行SG濾波后提高了信噪比,且信噪比接近并大于3,與理論計算結果相吻合。

圖10 水蒸氣濃度為37.7 ppm及10.5 ppm時的二次諧波信號Fig.10 2f signal when the water vapor concentration is 37.7 ppm and 10.5 ppm

5.5 響應時間

傳感器的響應時間用處于測量范圍內的高、中、低三個典型濃度進行測試,實驗時,先用干氣將傳感器的氣室吹干,傳感器測量并記錄數據,連續測量約4 min后,迅速切換至高濃度水蒸氣,同樣連續測量約4 min后,再切換至干氣,重復上述測量過程并分別對中濃度和低濃度水蒸氣進行測試。測試結果如圖11所示。傳感器測量得到高、中、低濃度分別為1910 ppm、1055 ppm和145 ppm。根據測量結果,得到傳感器對高濃度水蒸氣測量的上升時間為5 s,下降時間為7 s,對中濃度水蒸氣測量的上升時間為5 s,下降時間為6 s,對低濃度水蒸氣測量的上升時間為5 s,下降時間為5 s。因此,所設計傳感器具有良好的時間響應特性。

圖11 傳感器在不同濃度變化時的響應時間Fig.11 Response time of the sensor at different concentration

6 結 論

本文設計了一種基于可調諧激光吸收光譜技術的微量水蒸氣濃度檢測傳感器,并詳細討論了傳感器的設計思路、結構及性能分析。傳感器結構緊湊,外形尺寸3 cm×3 cm×20 cm,內置有紅外激光器、氣體池、探測器、溫壓傳感器、電路板等模塊。通過與高精度鏡面露點儀測試結果的對比與校準測試,得到了傳感器對水蒸氣體積比濃度的測量范圍達0～2000 ppm,與標準表相比較的相對測量誤差在-5.53 %～1.84 %之間,系統最小檢出限達10 ppm,響應時間小于7 s。該傳感器性能指標滿足在高壓開關、氫冷發電機、化工、制藥等多個行業對微濕度檢測的要求,相比于傳統濕度檢測方法,具有測量準確度高、速度快、結構緊湊等優點,可為行業發展提供重要技術手段。