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(cè)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。
激光光聲光譜檢測(cè)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(cè)技術(shù)歷史已經(jīng)超過30年，幾乎同紅外氣體檢測(cè)技術(shù)一樣長(zhǎng)。這兩種檢測(cè)
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(cè)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(cè)技術(shù)原理
光聲氣體檢測(cè)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(cè)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(cè)該信號(hào)。
氣體光聲檢測(cè)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(cè)吸收氣體和裝有檢測(cè)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(cè)技術(shù)是基于氣體的特征紅外吸收,間接測(cè)量氣體吸收的能量，因此測(cè)量靈敏度高，檢測(cè)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(cè)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-100SF6氣體檢漏儀是高靈敏度快速響應(yīng)的SF6定量檢漏儀
1、LLD-100SF6氣體檢漏儀簡(jiǎn)單介紹：
采用激光光-聲檢測(cè)原理（技術(shù)）的LLD-100SF6氣體檢漏儀使SF6的檢測(cè)水平達(dá)到了歷史的新高度，檢測(cè)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(cè)器短的響應(yīng)時(shí)間保證在探測(cè)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(cè)因此降低誤報(bào)警的次數(shù)。SF6氣體主要吸收波長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)中可能的干涉。儀器操作十分簡(jiǎn)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(cè)量的數(shù)據(jù)，USB接口用于和電腦通訊。可訂購(gòu)高量程儀器用在高濃度環(huán)境的檢測(cè)。
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(cè)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(wàn)甚至二十幾萬(wàn)的SF6定量檢漏儀在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(zhǎng)度和抽氣泵的功率，一般2米長(zhǎng)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?jìng)鞲衅骺梢詼?zhǔn)確測(cè)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)夂蚐F6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(chǎng)測(cè)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(duì)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(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確，響應(yīng)時(shí)間慢的測(cè)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(cè)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(cè)量結(jié)果越準(zhǔn)確。有些傳感器是廣譜的，不僅對(duì)SF6氣體敏感，還對(duì)空氣中的其它氣體或水蒸汽敏感，所以實(shí)際測(cè)試周圍環(huán)境的干擾氣體會(huì)大大降低某些SF6檢測(cè)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(cè)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(duì)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：
| LLD-100SF6氣體檢漏儀 | 某進(jìn)口紅外原理的SF6檢漏儀 | 5750A |
| 測(cè)量結(jié)果 | 定量 | 定量 | 定性 |
| 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間 | 1.5秒 | 5秒 | 小于1秒 |
| 靜態(tài)靈敏度 | 0.001ppm | 1ppm | 大約50ppm |
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(cè)量結(jié)果如下表
| LLD-100SF6氣體檢漏儀 | 某進(jìn)口紅外原理SF6檢漏儀 | 5750A |
| 1ppm | 0.913ppm | 0ppm | 無反應(yīng) |
| 5ppm | 4.531ppm | 0ppm | 無反應(yīng) |
| 10ppm | 9.125ppm | 1ppm | 無反應(yīng) |
| 50ppm | 47.03ppm | 13ppm | 有輕微反應(yīng) |
| 100ppm | 93.04ppm | 24ppm | 有反應(yīng) |
| 200ppm | 191.5ppm | 58ppm | 有反應(yīng) |
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(cè)技術(shù)的LLD-100SF6氣體檢漏儀其動(dòng)態(tài)檢測(cè)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(cè)試結(jié)果遠(yuǎn)小于實(shí)際值，因此現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)很容易錯(cuò)過小于50ppm的泄漏點(diǎn)。
3、5750A檢測(cè)靈敏度很低，但響應(yīng)時(shí)間快，所以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果和價(jià)值二十幾萬(wàn)的紅外檢漏儀差不多。
以上實(shí)驗(yàn)也解釋了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(duì)比
| 紅外光譜技術(shù) | 激光光聲光譜技術(shù) |
系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間
系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間是指?jìng)鞲衅鞯捻憫?yīng)時(shí)間加上氣流通過時(shí)間 | >5秒
傳感器本身的響應(yīng)時(shí)間大于3秒，氣流通過時(shí)間大約2秒，所以整個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間大于5秒。響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)錯(cuò)過很多微小的泄漏，比如儀器的靈敏度本來是1ppm,但因響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)在實(shí)際測(cè)試時(shí)10ppm的泄漏都無法檢測(cè)出。 | <2秒
傳感器本身的響應(yīng)時(shí)間為1毫秒，氣流通過時(shí)間小于2秒，所以整個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間小于2秒，是目前響應(yīng)zui快的SF6檢漏儀。LLD-100因?yàn)轫憫?yīng)時(shí)間快所以不會(huì)錯(cuò)過微小泄漏，這點(diǎn)正好符合電力系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)管理的嚴(yán)格要求。 |
| 過量程恢復(fù)時(shí)間 | >25秒
由于紅外傳感器的自身缺陷決定的，當(dāng)氣體濃度超過儀器的量程時(shí)，傳感器需要25秒時(shí)間恢復(fù)。即使采用技術(shù)處理手段（零點(diǎn)動(dòng)態(tài)校正技術(shù)）測(cè)量靈敏度也大大降低，通常會(huì)大于50ppm。恢復(fù)原來的靈敏度必須要25秒以上。 | <2秒
激光光聲傳感器的的響應(yīng)時(shí)間小于1毫秒，恢復(fù)時(shí)間主要取決于氣流導(dǎo)通時(shí)間，所以恢復(fù)時(shí)間小于2秒。 |
| 啟動(dòng)時(shí)間 | >5分鐘
紅外傳感器需要5分鐘預(yù)熱才能工作。 | <30秒
開機(jī)30秒后既可進(jìn)入檢測(cè)狀態(tài) |
| 靈敏度 | 1ppm | 0.001ppm |
| 選擇性 | 選擇性差
紅外傳感器是廣譜的，對(duì)水蒸汽、二氧化碳、烷烴類氣體、鹵素氣體均 反應(yīng)，因此容易受周圍環(huán)境影響。 | 選擇性好
激光光聲傳感器采用的是10.6μm波長(zhǎng)的激光，這個(gè)波長(zhǎng)的激光只對(duì)SF6氣體zui敏感，所以采用激光光聲光譜技術(shù)的檢漏儀選擇性非常好，只對(duì)SF6氣體敏感，對(duì)其它氣體非常不敏感。 |
| 校準(zhǔn) | 需要經(jīng)常校準(zhǔn)
紅外傳感器本身決定了儀器零點(diǎn)會(huì)經(jīng)常漂移，需要定期校準(zhǔn)。 | 免校準(zhǔn)
激光光聲傳感器本身不會(huì)有任何漂移，因?yàn)椴捎谜{(diào)制方式工作所以電子部分的漂移也非常小，所以從現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)SF6泄漏的角度來說是免校準(zhǔn)的。 |
會(huì)員1.png)