绝缘油中微量乙炔乙烷气体检测

【摘要】：通过实时监控绝缘油中微量特征气体的含量，可以对变压器进行早期诊断，以便维护大型电气设备安全运行，预防灾难性事故的发生。而乙炔乙烷气体为绝缘油中重要特征含量气体，因此检测两者浓度对表征变压器故障类型具有十分重要的意义。论文工作从中红外吸收光谱法的原理及其检测特点、气体光声光谱分析原理、光声气室的设计及仿真模型的理论基础出发，从理论和实验两个方面深入讨论了光声气室的设计和应用中的关键问题，通过对比给出分析结果，提出改进传感单元以提高系统灵敏度的设计方案。 论文在阐述和对比中红外吸收光谱法和光声光谱技术的基础上，通过分析光声气室结构设计的几种通用理论模型，针对一维纵向共振型光声气室，建立了基于四端网络法的传感单元模型。通过理论计算和实验结果分析，确定了缓冲室的几何参数设计原则，并研究了温度对光声特性的影响。 为了寻求进一步分析不规则形状光声气室的有效手段，论文采用数值分析方法—有限元COMSOL软件分别对哑铃状光声气室和π型光声气室进行仿真计算，验证了所建立模型及其分析结果的正确性，为利用有限元方法对不规则形状光声气室建模和提高分析精度打下基础。 论文设计并搭建基于DFB-LD的乙炔光声光谱检测平台，对混合气体中的乙炔标准气体进行检测，实验结果显示系统检测灵敏度优于1ppm；在使用混合气体测试时，能排除其他气体的干扰，稳定性良好；同时在实验中分析了气室几何参数及外界温度对光声特性影响，并将实验和前文所做仿真结果进行了对比，气室几何参数平均误差为1.1%，温度影响平均误差为1.3%。 为解决中红外3-5微米波段DFB-LD缺乏的难题，论文设计了带有中红外光学整形系统的气室，搭建基于MIR-LED的乙烷气体吸收检测系统，提出差分改进方案，经优化后检测灵敏度达70ppm。在现有吸收气室的结构之上，设计了基于MIR-LED的π型光声气室，理论分析和实验结果证明了MIR-LED光声光谱乙烷检测可行性，并对系统误差的主要来源进行了分析，提出可能的解决方案。 【关键词】：光声光谱 气室 四端网络 乙炔 乙烷
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O659
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-9
• 第一章 绪论9-14
• 1.1 绝缘油中微量特征气体的检测9-10
• 1.2 微量气体光学检测法的核心技术10-13
• 1.2.1 微量气体检测的光声光谱法10-12
• 1.2.2 中红外吸收光谱法在微量气体检测中的应用与困难12-13
• 1.3 论文主要研究内容13-14
• 第二章 微量乙炔乙烷气体分析原理与方法14-37
• 2.1 中红外吸收光谱法的基础理论14-19
• 2.1.1 中红外光谱产生条件14-15
• 2.1.2 朗伯比尔定律15-16
• 2.1.3 气体分子吸收谱线16-19
• 2.2 中红外微量气体检测方法的特点19-21
• 2.3 气体的光声光谱分析原理21-24
• 2.3.1 气体光声信号产生机理21-23
• 2.3.2 气体光声检测技术23-24
• 2.4 实用气体光声气室设计理论24-29
• 2.4.1 光声气室设计原则24-25
• 2.4.2 一维纵向共振光声气室结构及其几何参数25-26
• 2.4.3 一维纵向光声气室四端网络仿真模型26-29
• 2.5 气体光声气室有限元模拟29-36
• 2.6 小结36-37
• 第三章 绝缘油中微量乙炔气体检测系统与测试结果37-56
• 3.1 一维纵向光声气室的四端网络模型仿真计算37-42
• 3.1.1 光声气室声学特性的计算结果37-38
• 3.1.2 光声气室的几何参数对声压幅值的影响38-42
• 3.2 乙炔气体的光声光谱检测平台42-46
• 3.2.1 实验系统参数与搭建42-44
• 3.2.2 光声光谱信号处理44-46
• 3.3 乙炔气体的光声光谱检测系统性能分析46-55
• 3.3.1 DFB‐LD 稳定性分析46-48
• 3.3.2 系统的乙炔气体检测灵敏度48-50
• 3.3.3 缓冲室几何参数对光声性能的影响50-54
• 3.3.4 外界温度对光声性能的影响54-55
• 3.4 小结55-56
• 第四章 微量乙烷气体检测系统设计与测试结果56-69
• 4.1 中红外吸收法乙烷气体检测系统的性能分析56-63
• 4.1.1 吸收法检测系统框图56-60
• 4.1.2 中红外 LED 光源的稳定性分析60
• 4.1.3 实验结果讨论60-62
• 4.1.4 乙烷气体差分吸收62-63
• 4.2 中红外光声气室性能的仿真计算结果63-65
• 4.3 中红外 LED 光声光谱乙烷气体检测系统的性能65-68
• 4.3.1 中红外 LED 光声光谱检测系统的设计与实现65-66
• 4.3.2 实验结果及误差分析66-68
• 4.4 小结68-69
• 第五章 总结与展望69-71
• 参考文献71-74
• 致谢74-75
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文75

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