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度隨時間變化的光束而被加熱時所引起的一系列聲效應(yīng)。當(dāng)某個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€分子的平均動能（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。如果入射光強度調(diào)制的頻率小于該馳豫過程的馳豫頻率，則這光強的調(diào)制就會在氣體中產(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)的氣體溫度就會產(chǎn)生與光強調(diào)制頻率相同的周期性起伏。也就是說,強度時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。
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（使光束作強度調(diào)制,例如機械切光器、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采集處理系統(tǒng)組成。利用光聲原理實現(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)的檢測極限達到10-12數(shù)量級，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氣體檢漏儀簡單介紹：
采用激光光-聲檢測原理（技術(shù)）的LLD-100SF6氣體檢漏儀使SF6的檢測水平達到了歷史的新高度，檢測靈敏度達到1×10-9cm3/秒（0.002克/年），動態(tài)范圍0.001ppm-1000ppm。便攜式設(shè)計，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行8小時不間斷的工作。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波長的光學(xué)帶通波濾器，這使得這個設(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。可訂購高量程儀器用在高濃度環(huán)境的檢測。
三、SF6檢漏儀的響應(yīng)時間為什么重要？
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)常會聽到如下疑問：為什么靈敏度1ppm價值十幾萬甚至二十幾萬的SF6定量檢漏儀在現(xiàn)場測試的時候還不如價值幾千元的5750A定性檢漏儀？其實該疑問的核心涉及到如下幾個概念：傳感器響應(yīng)時間和系統(tǒng)響應(yīng)時間、靜態(tài)靈敏度和動態(tài)靈敏度。
SF6檢漏儀的系統(tǒng)響應(yīng)時間由兩部分組成：氣流通過傳感器的時間和傳感器本身的響應(yīng)時間。氣流通過傳感器的時間是指SF6氣體通過導(dǎo)管到達傳感器的時間，該時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間是1秒。傳感器本身的響應(yīng)時間是指傳感器可以準(zhǔn)確測量SF6氣體濃度所需要的時間，不同原理的傳感器響應(yīng)時間有很大差別，范圍從毫秒級到分鐘級。
很多儀器在宣傳靈敏度是1ppm或0.1ppm的時候其實指的是在實驗室標(biāo)定的靈敏度，也就是用氮氣和SF6的混合氣體來標(biāo)定的靈敏度，這個靈敏度應(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)時間也不考慮周圍環(huán)境各種干擾氣體的影響的靈敏度。實際在現(xiàn)場測量SF6泄漏時，檢漏儀的探頭是移動的，速度大約在1厘米/秒-3厘米/秒。正常情況下泄漏點周圍SF6氣體的濃度是呈梯度分布的，既越靠近漏點SF6氣體濃度越高。對于靜態(tài)靈敏度相同的兩臺儀器，若系統(tǒng)響應(yīng)時間不同，當(dāng)探頭以同樣速度經(jīng)過泄漏點時，響應(yīng)時間快的儀器測量結(jié)果更準(zhǔn)確，響應(yīng)時間慢的測量結(jié)果偏小。同一臺儀器，當(dāng)探頭以不同速度移動經(jīng)過泄漏點時，同樣的泄漏在儀器上檢測出的結(jié)果也是不同的的，移動速度越快讀數(shù)越小，移動速度越慢測量結(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，所以實際測試周圍環(huán)境的干擾氣體會大大降低某些SF6檢測儀器的靈敏度。所以所謂動態(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)時間的影響后在測試狀態(tài)下儀器可達到的靈敏度。動態(tài)靈敏度取決于靜態(tài)靈敏度、系統(tǒng)響應(yīng)時間和傳感器的選擇性。總之只有靜態(tài)靈敏度高、響應(yīng)時間快、傳感器選擇性好的檢漏儀動態(tài)靈敏度才會高。
筆者做了如下對比實驗、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 | 某進口紅外原理的SF6檢漏儀 | 5750A |
| 測量結(jié)果 | 定量 | 定量 | 定性 |
| 系統(tǒng)響應(yīng)時間 | 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SF6氣體標(biāo)準(zhǔn)瓶泄漏口，測量結(jié)果如下表
| LLD-100SF6氣體檢漏儀 | 某進口紅外原理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) |
因試驗條件限制，傳感器移動的速度無法保持*一致，氣體泄漏的量也不一定*一致，但實驗結(jié)果基本能看出以下結(jié)論：
1、即使靜態(tài)靈敏度高達0.001ppm、響應(yīng)時間小于1.5秒、選擇性良好的采用激光光聲光譜檢測技術(shù)的LLD-100SF6氣體檢漏儀其動態(tài)檢測靈敏度也就1ppm
2、靈敏度1ppm響應(yīng)時間5秒的紅外檢漏儀測試結(jié)果遠小于實際值，因此現(xiàn)場檢測時很容易錯過小于50ppm的泄漏點。
3、5750A檢測靈敏度很低，但響應(yīng)時間快，所以現(xiàn)場測試效果和價值二十幾萬的紅外檢漏儀差不多。
以上實驗也解釋了現(xiàn)場測試人員的疑問，因此建議用戶在選擇檢漏儀時要特別關(guān)注如下技術(shù)指標(biāo)：靜態(tài)靈敏度、響應(yīng)時間、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
| 紅外光譜技術(shù) | 激光光聲光譜技術(shù) |
系統(tǒng)響應(yīng)時間
系統(tǒng)響應(yīng)時間是指傳感器的響應(yīng)時間加上氣流通過時間 | >5秒
傳感器本身的響應(yīng)時間大于3秒，氣流通過時間大約2秒，所以整個系統(tǒng)響應(yīng)時間大于5秒。響應(yīng)時間過長會錯過很多微小的泄漏，比如儀器的靈敏度本來是1ppm,但因響應(yīng)時間長在實際測試時10ppm的泄漏都無法檢測出。 | <2秒
傳感器本身的響應(yīng)時間為1毫秒，氣流通過時間小于2秒，所以整個系統(tǒng)響應(yīng)時間小于2秒，是目前響應(yīng)zui快的SF6檢漏儀。LLD-100因為響應(yīng)時間快所以不會錯過微小泄漏，這點正好符合電力系統(tǒng)對生產(chǎn)管理的嚴(yán)格要求。 |
| 過量程恢復(fù)時間 | >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，傳感器需要25秒時間恢復(fù)。即使采用技術(shù)處理手段（零點動態(tài)校正技術(shù)）測量靈敏度也大大降低，通常會大于50ppm?；謴?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)時間小于1毫秒，恢復(fù)時間主要取決于氣流導(dǎo)通時間，所以恢復(fù)時間小于2秒。 |
| 啟動時間 | >5分鐘
紅外傳感器需要5分鐘預(yù)熱才能工作。 | <30秒
開機30秒后既可進入檢測狀態(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波長的激光，這個波長的激光只對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SF6氣體敏感，對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會經(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有任何漂移，因為采用調(diào)制方式工作所以電子部分的漂移也非常小，所以從現(xiàn)場檢測SF6泄漏的角度來說是免校準(zhǔn)的。 |
