《六氟化硫氣體組分光譜檢測(cè)方法（編制說(shuō)明）》

摘要

本報(bào)告對(duì)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《SF6氣體組分光譜檢測(cè)方法》制定過(guò)程作了詳

盡的說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：SF6電氣設(shè)備氣體組分定量檢測(cè)紫外光譜紅外光譜可調(diào)諧半導(dǎo)體激光

0

SF6氣體組分光譜檢測(cè)方法

（征求意見(jiàn)稿）(編制說(shuō)明)

1.任務(wù)來(lái)源

本標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)[2020]55號(hào)文，項(xiàng)目序號(hào)T/CEC20201066的要

求對(duì)“SF6氣體組分光譜檢測(cè)方法”進(jìn)行制定。本標(biāo)準(zhǔn)由貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)

研究院負(fù)責(zé)牽頭制定，參與單位為國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司、廣東

電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院、廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院、國(guó)網(wǎng)重

慶市電力公司電力科學(xué)研究院、云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院、海南電網(wǎng)有

限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院。

2.制訂過(guò)程

首先由貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院查詢相關(guān)資料、調(diào)研，對(duì)SF6設(shè)備中

氣體組分光學(xué)檢測(cè)方法確定制訂方案，并參考了DL/T1359《六氟化硫電氣設(shè)備故障氣

體分析和判斷方法》、DL/T1205《六氟化硫電氣設(shè)備分解產(chǎn)物試驗(yàn)方法》等標(biāo)準(zhǔn)，再

結(jié)合SF6氣體組分光學(xué)檢測(cè)儀器在生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用情況，提出方法草案，申請(qǐng)2020年

年度的中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，順利獲得了中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)[2020]55號(hào)文下達(dá)

了制定《SF6氣體組分光譜檢測(cè)方法》的電力企業(yè)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)。貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公

司電力科學(xué)研究院按照此方法開(kāi)展相應(yīng)的試驗(yàn)研究工作，確定了該方法的最佳試驗(yàn)條

件。之后由貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院組織，對(duì)不同氣體組分配置不同濃

度的標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)方法進(jìn)行驗(yàn)證，采用該方法在貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院、

貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司六盤(pán)水供電局、貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司貴安供電局、貴州電網(wǎng)

有限責(zé)任公司都勻供電局和貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司興義供電局共五家單位進(jìn)行協(xié)同試

驗(yàn)。通過(guò)對(duì)協(xié)同試驗(yàn)數(shù)據(jù)的匯總，計(jì)算并驗(yàn)證本標(biāo)準(zhǔn)的精密度。2020年10月26日標(biāo)

1

準(zhǔn)形成征求意見(jiàn)稿，共回收意見(jiàn)xx個(gè)，貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院針對(duì)意

見(jiàn)修改標(biāo)準(zhǔn)形成送審稿，其中采納x個(gè)，未采納x個(gè)。

2020年x月x日標(biāo)準(zhǔn)順利通過(guò)全國(guó)電氣化學(xué)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)審查，并按照審查

意見(jiàn)修改后作為推薦性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)形成報(bào)批稿，報(bào)批。

3.制訂本標(biāo)準(zhǔn)的意義

電氣設(shè)備用SF6氣體組分檢測(cè)是判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的重要手段，其中分解產(chǎn)物檢測(cè)

可發(fā)現(xiàn)SF6設(shè)備的內(nèi)部放電缺陷，水分可發(fā)現(xiàn)SF6設(shè)備內(nèi)部的受潮缺陷，SF6純度則可

保證滅弧強(qiáng)度。由于分解產(chǎn)物和水分檢測(cè)同時(shí)列入預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程，且市面上電化學(xué)

傳感器法檢測(cè)分解產(chǎn)物低濃度存在零漂嚴(yán)重，誤報(bào)漏報(bào)、傳感器不可逆衰減導(dǎo)致使用

壽命短的情況，露點(diǎn)法檢測(cè)濕度受環(huán)境溫度制約較大，SF6純度色譜法準(zhǔn)確性高，但操

作繁瑣，因此光譜檢測(cè)方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于南網(wǎng)和國(guó)網(wǎng)系統(tǒng)SF6氣體組分的測(cè)試，但目

前，沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)光譜方法進(jìn)行規(guī)范。為了使這項(xiàng)重要的檢測(cè)工作能規(guī)范化開(kāi)展，

有必要制定統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，使運(yùn)行單位能夠依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制定相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)指導(dǎo)規(guī)范。

本標(biāo)準(zhǔn)征求意見(jiàn)稿是結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)試驗(yàn)實(shí)際情況，研究了光譜法測(cè)定SF6電氣設(shè)

備中分解組分H2S、SO2、CO含量、水分含量和SF6純度的方法，考查了可能造成檢

測(cè)干擾的因素，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)條件的探究，建立了定量檢測(cè)上述SF6氣體組分的光學(xué)方法。

4.制訂內(nèi)容及說(shuō)明

4.1標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了SF6電氣設(shè)備中SF6純度、濕度和分解產(chǎn)物含量等氣體組分的光譜檢

測(cè)方法。

本標(biāo)準(zhǔn)中紫外光譜法適用于檢測(cè)H2S和SO2組分，紅外光譜法適用于檢測(cè)CO組

分和SF6純度，可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜法適用于檢測(cè)濕度。

本標(biāo)準(zhǔn)適用于六氟化硫氣體的檢測(cè)。

4.2規(guī)范性引用文件

GB/T8905六氟化硫電氣設(shè)備中氣體管理和檢測(cè)導(dǎo)則

DL/T506六氟化硫電氣設(shè)備中絕緣氣體濕度測(cè)量方法

2

DL/T1032電氣設(shè)備用六氟化硫（SF6）氣體采樣方法

DL/T639六氟化硫電氣設(shè)備運(yùn)行、試驗(yàn)及檢修人員安全防護(hù)細(xì)則

4.3術(shù)語(yǔ)和定義

下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件

4.3.1

六氟化硫電氣設(shè)備sulfurhexafluorideelectricalequipment

以六氟化硫氣體作為主要介質(zhì)的電氣設(shè)備，主要有變壓器、斷路器、氣體絕緣組

合電器、互感器、套管、氣體絕緣金屬封閉輸電線路和接插式開(kāi)關(guān)電器等。

4.3.2

氣體分解產(chǎn)物gaseousdecompositionproducts

絕緣氣體在使用中產(chǎn)生的分解物。

[GB/T8905-2012術(shù)語(yǔ)和定義3.2.2]

4.3.3

濕度humidity

氣體中水蒸氣的含量

[DL/T506-2007術(shù)語(yǔ)和定義3.2]

4.3.4

六氟化硫純度sulfurhexafluoridepurity

六氟化硫氣體的重量百分比。

4.3.5

紫外傳感器ultravioletsensor

由上位機(jī)、紫外光源、紫外檢測(cè)氣室、光纖、紫外光譜儀、信號(hào)采集處理器組成。

4.3.6

紅外傳感器infraredsensor

由紅外光源、溫度控制器、電流控制器、紅外檢測(cè)氣室、光電轉(zhuǎn)換電路、鎖相放

大器、信號(hào)采集處理器組成。

4.3.7

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光傳感器tunablediodelasersensor

由半導(dǎo)體激光器、激光掃描電路、溫度控制器、電流控制器、紅外檢測(cè)氣室、光

電轉(zhuǎn)換電路、鎖相放大器、信號(hào)采集處理器組成。

4.4方法概要

采集的氣體樣品經(jīng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光傳感器檢測(cè)H2O，通過(guò)可調(diào)諧激光光譜獲得

電信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換后獲得H2O的濃度。

采集的氣體樣品經(jīng)紫外傳感器檢測(cè)SO2和H2S，通過(guò)紫外差分吸收光譜提取快變信

號(hào)，進(jìn)行信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換后獲得SO2和H2S的濃度。

采集的氣體樣品經(jīng)紅外傳感器檢測(cè)CO，通過(guò)紅外吸收光譜獲得電信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)

處理和轉(zhuǎn)換后獲得CO的濃度。

3

采集的氣體樣品經(jīng)紅外傳感器檢測(cè)SF6純度，通過(guò)紅外吸收光譜獲得電信號(hào)，進(jìn)行

信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換后獲得SF6純度。

圖4-1SF6氣體組分檢測(cè)原理圖

六氟化硫氣體采樣參照DL/T1032，六氟化硫電氣設(shè)備內(nèi)的氣體采集后，應(yīng)迅速檢

測(cè)，采樣系統(tǒng)的管材宜采用聚四氟乙烯。

4.4儀器

4.4.1光譜型SF6設(shè)備氣體綜合分析儀

包含紫外傳感器檢測(cè)模塊、紅外傳感器模塊、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光傳感器模塊、真

空泵、流量傳感器、電磁閥和AB通道切換閥。

4.4.1.1檢測(cè)氣體流量：500mL/min~800mL/min為宜。

4.4.1.2響應(yīng)時(shí)間：不大于5s。

4.4.1.3工作電源：交直流用電。

4.4.1.4工作環(huán)境溫度：-20℃~+50℃。

4.4.1.5工作環(huán)境濕度：15~90%RH。

4.4.1.6取樣氣體壓力：0.1~1MPa。

4.4.1.7檢測(cè)氣體壓力：0.12~0.14MPa。

4.4.1.8測(cè)試時(shí)間：完成一次正常測(cè)試時(shí)間在5分鐘之內(nèi)。

4.4.1.9檢測(cè)靈敏度能滿足氣體組分最小檢測(cè)濃度要求，見(jiàn)表4-1。

表4-1氣體組分最小檢測(cè)濃度

4

氣體組分最小檢測(cè)濃度

SO21μL/L

H2S1μL/L

CO1μL/L

H2O1μL/L

SF61%

4.4.1.10檢測(cè)量程：SO2、H2S濃度1μL/L~100μL/L，CO濃度1μL/L~1000μL/L，SF6

純度0~100%，濕度1μL/L~5000μL/L。

4.4.2配氣儀

用于配置實(shí)驗(yàn)用SO2、H2S濃度1μL/L~100μL/L，CO濃度1μL/L~1000μL/L，SF6

純度0~100%。

4.4.3濕度發(fā)生器

用于發(fā)生實(shí)驗(yàn)用1μL/L~5000μL/L水分含量。

4.4.4標(biāo)準(zhǔn)氣體：

4.4.4.1SF6純度氣體：90.00%、95.00%、99.99%。

4.4.4.2SF6為底氣的分解物氣體：標(biāo)準(zhǔn)SO2氣體濃度1μL/L、49.5μL/L、101.3μL/L，

標(biāo)準(zhǔn)H2S氣體濃度1μL/L、49.8μL/L、102.5μL/L，標(biāo)準(zhǔn)CO氣體濃度1μL/L、51.2μL/L、

103.6μL/L、502.1μL/L、1000.5μL/L。

4.5分解產(chǎn)物SO2、H2S和CO的標(biāo)定和測(cè)試

4.5.1SF6為底氣的SO2組分的標(biāo)定和反演

①完成目標(biāo)濃度樣氣的配制。

②對(duì)氣體吸收池進(jìn)行沖洗。

③背景光譜數(shù)據(jù)采集。

④SO2樣氣光譜數(shù)據(jù)采集。

⑤獲取SO2吸收光譜。最終獲得SO2氣體的吸收光譜分別如圖4-1所示：

5

圖4-1SO2紫外原始吸收光譜

通過(guò)圖4-1可以看出，不同濃度下SO2存在明顯區(qū)別的吸收峰，分別集中在

190~230nm和280~320nm兩端，且隨著氣體濃度的增加，吸收峰明顯增加。提取快變

部分。經(jīng)過(guò)去噪后的SO2差分吸收光譜，根據(jù)吸收峰的分布分為兩個(gè)部分，如圖4-2

所示。

（a）190~230nm吸收光譜圖（b）280~320nm吸收光譜圖

圖4-2SO2差分吸收光譜圖

由圖4-2可以看出，經(jīng)過(guò)提取后的差分光譜信號(hào)光滑，根據(jù)差分光譜和信息，可以

通過(guò)傅里葉變換將光譜信號(hào)與濃度之間建立線性關(guān)系，其結(jié)果如圖4-3所示。

（a）190~230nm波段線性度關(guān)系（b）280~320nm波段線性度關(guān)系

6

圖4-3SO2差分吸收光譜與頻域特征值關(guān)系圖

結(jié)果如圖4-3所示，F(xiàn)FT特征值與SO2濃度之間存在高度的線性關(guān)系，擬合優(yōu)度高

達(dá)0.9999，其190~230nm濃度反演表達(dá)式為：

y=0.8845x+0.0103(4-1)

式4-1中，y表示濾波處理后的SO2紫外差分吸收光譜的FFT特征值；x表示SO2

濃度，單位：μL/L；

其280~320nm濃度反演表達(dá)式為：

y=0.3241x-0.043(4-2)

利用各濃度下實(shí)測(cè)的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行濃度反演，反演結(jié)果見(jiàn)表4-2和表4-3所示。所

得到的濃度反演表達(dá)式具有良好的反演效果。分別計(jì)算了30組背景光譜的FFT特征值，

并確定了系統(tǒng)噪聲NRMS，獲得了所搭建的紫外光譜痕量氣體檢測(cè)平臺(tái)對(duì)痕量SO2在

190~230nm和280~320nm波段的檢測(cè)下限分別為0.108μL/L和0.444μL/L（差分吸收

光譜與頻域特征值線性波段向下延伸至FFT值為0.1時(shí)的濃度值）。SO2含量為1~10

μL/L區(qū)間時(shí)，絕對(duì)誤差小于0.2μL/L，SO2含量在10μL/L~100μL/L時(shí)，計(jì)算相對(duì)誤

差分別為0.45%、0.24%和0.80%、0.29%，均小于1%。重復(fù)性：SO2含量在0μL/L~10

μL/L時(shí)，計(jì)算偏差值分別為0.02、0.05、0.04、0.11μL/L和0.12、0.14、0.14、0.12μL/L，

偏差均小于0.2μL/L；SO2含量在10μL/L~100μL/L時(shí)，相對(duì)偏差分別為0.51%、0.86%

和0.81%、1.52%，相對(duì)偏差均小于2%。

表4-2SO2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演結(jié)果（190~230nm）

配氣濃度反演濃度/（μL/L）

絕對(duì)誤差/

/（μL/L）

（μL/L）

123456789

10.990.940.940.960.940.930.930.930.910.06

22.112.082.092.072.092.012.012.001.980.05

55.195.105.065.085.075.095.085.075.070.09

1010.0610.1210.0810.3710.0710.0310.1510.1710.030.12

2020.2420.1420.1220.1120.0320.0120.0219.9319.930.09

100.2100.1100.2101.3

10099.7198.9899.7698.9098.560.243

0235

表4-3SO2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演結(jié)果（280~320nm）

7

配氣濃度反演濃度/（μL/L）絕對(duì)誤差/

（）（）

/μL/L123456789μL/L

11.090.950.930.861.030.850.850.881.000.09

22.301.871.911.921.952.101.952.002.140.11

55.095.184.895.185.025.174.775.025.020.11

1010.1410.2310.2610.1410.1410.2110.0010.099.880.15

2020.2920.2319.8220.1720.2320.0520.2419.9519.990.16

100.3101.5102.0100.8

10097.9899.0698.6297.9999.010.29

1615

4.5.2SF6為底氣的H2S組分的標(biāo)定和反演

對(duì)H2S的標(biāo)定方法和SO2的標(biāo)定方法相同。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，得到了如圖4-4所

示的結(jié)果。圖4-4(a)為不同濃度H2S的紫外吸收光譜，隨著濃度的增加，整體的吸收度

增加明顯；圖4-4(b)為從不同濃度H2S的紫外吸收光譜中提取的對(duì)應(yīng)的紫外差分吸收

光譜，各個(gè)濃度H2S的紫外差分吸收光譜都明顯受到的了高頻噪聲的干擾，且濃度越

低，受到的影響越嚴(yán)重。

(a)紫外吸收光譜(b)紫外差分吸收光譜

圖4-4H2S的紫外光譜

采用數(shù)字濾波處理后的差分吸收光譜見(jiàn)圖4-5(a)所示，實(shí)現(xiàn)低濃度H2S的定量檢

測(cè)。進(jìn)一步對(duì)濾波處理后的紫外吸收光譜進(jìn)行FFT變換，得到如圖4-5(b)所示結(jié)果，

各濃度下的FFT譜均在同一波數(shù)位置(0.4345nm-1)出現(xiàn)峰值，對(duì)濃度能夠較好的表征。

8

(a)濾波處理后的紫外吸收光譜(b)FFT譜

圖4-5濾波處理后的紫外光譜及其FFT譜

計(jì)算了不同濃度下的FFT特征值，并采用最小二乘法對(duì)H2S濃度及其對(duì)應(yīng)的FFT

特征值進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如圖4-6所示，圖中信息表明，F(xiàn)FT特征值與H2S濃

度之間存在高度的線性關(guān)系，擬合優(yōu)度高達(dá)0.9999，較高的擬合優(yōu)度歸功于所采取的

系列算法，進(jìn)一步可以得到H2S濃度反演表達(dá)式為：

y=1.934x+0.8579(4-3)

式（4-3）中，y為濾波處理后的H2S紫外差分吸收光譜的FFT特征值；x表示H2S

濃度，單位：μL/L。

圖4-6FFT特征值與濃度的關(guān)系

獲得了未知濃度的H2S的紫外光譜數(shù)據(jù)，通過(guò)平滑和濾波等系列處理之后，可以

得到其FFT特征值，將該值帶入式4-3即可計(jì)算出該光譜數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的H2S濃度。為

了驗(yàn)證所得到的濃度反演表達(dá)式的正確性和適用性，利用各濃度下的實(shí)測(cè)的另外九組

數(shù)據(jù)進(jìn)行了反演計(jì)算驗(yàn)證，反演結(jié)果見(jiàn)表4-4所示。

表4-4H2S實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演結(jié)果

9

配氣濃度反演濃度/μL/L絕對(duì)誤差/

/（μL/L）123456789（μL/L）

11.271.271.251.161.310.800.941.081.080.19

21.911.851.861.971.871.702.041.731.990.13

54.854.855.055.055.054.914.914.914.500.14

109.759.829.589.919.919.629.969.959.860.18

2019.8419.8419.8720.0619.5119.9120.0220.0320.060.13

101.1102.0100.2

10098.5899.1698.2399.5698.4699.140.86

533

表4-4中信息表明，各濃度下的反演濃度絕對(duì)差值的平均值都低于0.2μL/L，且整

體波動(dòng)較小，得到了所搭建的紫外光譜痕量氣體檢測(cè)平臺(tái)對(duì)痕量H2S的檢測(cè)下限，為

0.490μL/L。H2S含量為1~10μL/L區(qū)間時(shí)，絕對(duì)誤差小于0.2μL/L，H2S含量在10

μL/L~100μL/L時(shí)，計(jì)算相對(duì)誤差分別為0.50%、0.86%，均小于1%。重復(fù)性：H2S含

量在0μL/L~10μL/L時(shí)，計(jì)算偏差值分別為0.17、0.11、0.17、0.14μL/L，偏差均小于

0.2μL/L；H2S含量在10μL/L~100μL/L時(shí)，相對(duì)偏差分別為0.87%、1.29%，相對(duì)偏

差均小于2%。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，SO2和H2S量程為0μL/L~100μL/L，SO2和H2S檢測(cè)限均小于

0.5μL/L。SO2和H2S含量在0μL/L~10μL/L時(shí)，絕對(duì)誤差小于0.2μL/L，SO2和H2S

含量在10μL/L~100μL/L時(shí)，相對(duì)誤差小于1%。SO2和H2S含量在0μL/L~10μL/L時(shí)，

偏差不大于0.2μL/L；SO2和H2S含量在10μL/L~100μL/L時(shí)，相對(duì)偏差不大于2%。

由此設(shè)定紫外傳感器要求：

量程：SO2和H2S宜為0μL/L~100μL/L。

檢測(cè)限：SO2和H2S不大于1μL/L。

誤差：

SO2和H2S含量在0μL/L~10μL/L時(shí)，誤差不大于0.5μL/L；

SO2和H2S含量在10μL/L~100μL/L時(shí)，相對(duì)誤差不大于5%。

偏差：

SO2和H2S含量在0μL/L~10μL/L時(shí)，偏差不大于0.3μL/L；

SO2和H2S含量在10μL/L~100μL/L時(shí)，相對(duì)偏差不大于3%。

10

4.5.3H2S和SO2組分紫外光譜交叉干擾處理方法

從H2S和SO2光譜分析可以看出SO2紫外吸收光譜主要集中在190~220nm和

285~310nm兩個(gè)波段，H2S紫外吸收峰主要集中在190~210nm波段。通過(guò)紫外對(duì)兩種

氣體同時(shí)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，會(huì)出現(xiàn)交叉干擾問(wèn)題。處理方法為，在285~310nm這個(gè)波段，

硫化氫是沒(méi)有吸收的，因此在反演二氧化硫、硫化氫兩種氣體濃度的時(shí)候，首先通過(guò)

差分吸收光譜（DOAS）算出二氧化硫的濃度，再通過(guò)二氧化硫的標(biāo)準(zhǔn)光譜和它的濃度

推算出二氧化硫氣體在190~220nm范圍的吸光度，然后將從總的吸光度光譜中扣除二

氧化硫，得到的光譜就是硫化氫氣體吸收光譜，通過(guò)擬合計(jì)算得到硫化氫氣體的濃度。

4.5.4分解物CO組分的標(biāo)定和反演

4.5.4.1測(cè)定CO含量的非分散紅外吸收（NDIR）原理

各種物質(zhì)對(duì)不同的波長(zhǎng)紅外輻射的吸收程度是不一樣的，因此當(dāng)不同波長(zhǎng)的紅外

輻射依次照射到樣品物質(zhì)時(shí)，由于某些波長(zhǎng)的輻射能被樣品選擇吸收而減弱，于是形

成了特征吸收。其吸收關(guān)系服從朗伯--比爾(Lambert-Beer)吸收定律。設(shè)入射光是平行

光，同一入射光可直接測(cè)得定值，其強(qiáng)度為I0，出射光的強(qiáng)度為I，氣體介質(zhì)的測(cè)量光

程長(zhǎng)度為L(zhǎng)。

當(dāng)由氣體介質(zhì)中的分子數(shù)dN的吸收所造成的光強(qiáng)減弱為dI時(shí)，根據(jù)朗伯--比爾吸

收定律:

dI/I=-KdN（4-5）

式（4-5）中K為比例常數(shù)，經(jīng)積分得：

lnI=-KN+α（4-6）

式（4-6）中：N為吸收氣體介質(zhì)的分子總數(shù)；α為積分常數(shù)，即為lnI0；顯然有

N∝CL，C為氣體濃度，則式（4-6）可寫(xiě)成：

I=exp(α)exp(-KN)（4-7）

I=exp(α)exp(-μCL)（4-8）

I=I0exp(-μCL)（4-9）

式（4-8）和（4-9）中C—被測(cè)氣體濃度，L—測(cè)量光程長(zhǎng)度，亦即氣室長(zhǎng)度，μ—

氣體分子吸收系數(shù)。

式（4-9）表明，光強(qiáng)在氣體介質(zhì)中隨濃度C及長(zhǎng)度L按指數(shù)規(guī)律衰減。吸收系數(shù)

取決于氣體特性，各種氣體的吸收系數(shù)μ互不相同，對(duì)于具體氣體，μ是常數(shù)，L是氣

11

室的長(zhǎng)度，也是確定的常數(shù)。

4.5.4.2選擇CO的吸收峰

選擇CO的吸收峰4.65μm，吸收系數(shù)為2150.58cm-1，如圖4-10所示。

圖4-10選擇的CO氣體的吸收譜線

實(shí)際測(cè)量得到的參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)，通過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)如圖4-11

所示。

測(cè)量信號(hào)V0

參考信號(hào)VI

圖4-11實(shí)際測(cè)量得到的參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)

通過(guò)獲得的測(cè)量信號(hào)及參考信號(hào)得到吸收強(qiáng)度與濃度之間的線性關(guān)系l（nVO/VI）～

C，基于該線性關(guān)系建立模型，得到待測(cè)氣體的濃度。

4.5.4.3紅外傳感器測(cè)定CO濃度標(biāo)定和反演

通過(guò)上述分析，濃度的信號(hào)和差值電壓ΔU有關(guān)，其中ΔU=V0-V1；測(cè)量信號(hào)V0；參

考信號(hào)V1；通入不同濃度的CO氣體，測(cè)量出對(duì)應(yīng)的ΔU，如表4-5。

表4-5SF6為底氣的CO含量標(biāo)準(zhǔn)濃度和測(cè)量對(duì)應(yīng)電壓值ΔU

12

濃度值（μL/L）

電壓值（mV）

1.330

48.110

71.615

95.120

14030

23450

470100

703150

937200

1408300

1874400

2345500

2809600

3745800

46811000

對(duì)Y軸CO濃度和測(cè)量對(duì)應(yīng)X軸電壓值ΔU進(jìn)行擬合，得到擬合圖，見(jiàn)圖4-12。

圖4-12CO濃度和測(cè)量對(duì)應(yīng)電壓值ΔU擬合線性圖

通過(guò)擬合圖4-12可以看出，CO紅外吸收的電壓信號(hào)與濃度信號(hào)線性關(guān)系好，擬

合優(yōu)度0.9999，線性關(guān)系式為：

y=0.2136x-0.2845（4-10）

13

將線性關(guān)系式（4-10）寫(xiě)入軟件程序，對(duì)建立的標(biāo)定線性進(jìn)行濃度反演，即通入一

定的標(biāo)準(zhǔn)濃度氣體對(duì)標(biāo)定好的CO紅外傳感器進(jìn)行測(cè)試，得到表4-6中數(shù)據(jù)。

表4-6標(biāo)定后的紅外傳感器測(cè)定CO濃度反演

標(biāo)準(zhǔn)濃度示值1示值2≤50μL/L時(shí)，誤≤50μL/L時(shí)，偏

值（μL/L）（μL/L）（μL/L）差，>50μL/L，相對(duì)差，>50μL/L，相

誤差對(duì)偏差

00000.00

11.21.10.150.07

109.89.90.150.07

1514.915.20.050.21

2019.820.50.150.49

3029.129.50.70.28

5048.250.20.81.41

10098.399.51.10%0.86%

1501471520.33%2.36%

2001921982.50%2.18%

3002963040.17%1.65%

4003913961.63%0.90%

5004834952.20%1.74%

6005865882.17%0.24%

8007827951.44%1.17%

10009829961.10%1.00%

從表4-6中數(shù)據(jù)可知，標(biāo)定后紅外傳感器的CO濃度測(cè)試反演效果很好，檢測(cè)限達(dá)

到1μL/L，最高檢測(cè)1000μL/L，當(dāng)測(cè)量值不大于50μL/L時(shí)，誤差小于±1μL/L，當(dāng)測(cè)

量值大于50μL/L，相對(duì)誤差小于±3%。CO含量不大于50μL/L時(shí)，偏差小于1.5μL/L；

當(dāng)測(cè)量值大于50μL/L，相對(duì)偏差小于3%。

由此設(shè)定紅外傳感器要求：

CO含量：1-1000μL/L。

檢測(cè)限：CO不大于1μL/L，

誤差：

14

CO含量在0μL/L~50μL/L時(shí)，誤差不大于1.5μL/L；

CO含量在50μL/L~1000μL/L時(shí)，相對(duì)誤差不大于3%；

偏差：

CO含量在0μL/L~50μL/L時(shí)，偏差不大于1.5μL/L；

CO含量在50μL/L~1000μL/L時(shí)，相對(duì)偏差不大于3%；

4.7濕度的標(biāo)定和測(cè)試

4.7.1測(cè)定濕度（微水含量）的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光（TDLAS）原理

TDLAS測(cè)定微量水分的依據(jù)是Lambert-Beer定律：強(qiáng)度為I0，頻率為v的單色激

光，通過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的吸收介質(zhì)后，在接收端測(cè)得的強(qiáng)度為I，設(shè)T(i)為透過(guò)率，則有：

（4-11）

光譜吸收系數(shù)kv在K種痕量氣體的多組分情況下，包括了Nj重疊躍遷。

KNj

（）

kvPXjSi,j(T)i,j4-12

j1i1

-2-1

式4-12中P為壓力，Xj為氣體j的濃度(摩爾份數(shù))，Si,j[cmatm]和i,j[cm]分別為氣

體j的某種分子能級(jí)躍遷i時(shí)的吸收線強(qiáng)和線型，線強(qiáng)是溫度的函數(shù)，線型與壓力有關(guān)。

4.7.2可調(diào)諧半導(dǎo)體激光測(cè)定濕度的標(biāo)定和反演

標(biāo)準(zhǔn)水分含量的獲得采用RA200濕度發(fā)生裝置和高精度的鏡面露點(diǎn)儀結(jié)合（經(jīng)過(guò)

中國(guó)計(jì)量院微水發(fā)生器源校準(zhǔn)的有效期內(nèi)），為氣體濕度儀表的檢測(cè)提供各種濕度的

氣體。在標(biāo)定過(guò)程中，依次調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生裝置發(fā)生的冷凝溫度，共17個(gè)不同的濕

度，TDLAS微水檢測(cè)裝置測(cè)得的標(biāo)幺值與之對(duì)應(yīng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4-7所示：

表4-7TDLAS微水傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

設(shè)定冷凝溫度對(duì)應(yīng)濕度值

序號(hào)標(biāo)幺值

/℃/（μL/L）

1-59.012.27225

2-58.513.14232

3-57.515.00237

4-56.916.24233

5-55.220.27243

6-54.821.34245

7-53.525.21254

8-52.727.91258

15

9-51.930.87264

10-50.138.62270

11-49.044.16290

12-47.553.06296

13-45.666.61322

14-44.674.97336

15-43.783.32358

16-43.486.28366

17-42.299.16385

表4-7中的不同的冷凝溫度對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)濕度（微量水分含量）下，對(duì)測(cè)量獲得標(biāo)幺

值和濕度進(jìn)行線性擬合，得到如圖4-13所示。按照吹掃到1.2μL/L，最終濕度穩(wěn)定值

TDLAS微水檢測(cè)裝置測(cè)得二次諧波值與光功率電壓值的比值為208.21，記為零點(diǎn)值。

圖4-13TDLAS微水標(biāo)定擬合線性曲線

y=0.5557x-114.51（4-13）

式4-13中，x為T(mén)DLAS水分檢測(cè)裝置測(cè)得的標(biāo)幺值，為y為標(biāo)準(zhǔn)濕度值，單位

μL/L，。

此時(shí)擬合優(yōu)度R2為0.9954，R2指回歸直線對(duì)觀測(cè)值的擬合程度，R2的值越接近1，

說(shuō)明回歸直線對(duì)觀測(cè)值的擬合程度越好，該擬合方式可以反復(fù)進(jìn)行，最終測(cè)得數(shù)據(jù)見(jiàn)

表4-8，擬合優(yōu)度0.9999，標(biāo)準(zhǔn)濕度與測(cè)量濕度擬合圖見(jiàn)圖4-8，保證裝置檢測(cè)高精度。

表4-8標(biāo)準(zhǔn)濕度和TDLAS水分檢測(cè)裝置最終測(cè)試獲得的濕度

序號(hào)標(biāo)準(zhǔn)濕度值/（μL/L）裝置測(cè)得的濕度值/（μL/L）

13.233.01

16

210.029.82

320.3621.02

435.4133.45

545.5547.21

660.2162.31

775.376.82

880.2181.29

990.0391.32

1098.85100.21

11120.01122.02

12300.02298.56

13510.22507.34

圖4-14標(biāo)準(zhǔn)濕度與測(cè)量濕度擬合線性圖

y=y=1.0067x-1.1324（4-14）

式4-14中，其中x和y分別為測(cè)定濕度值和標(biāo)準(zhǔn)濕度值，單位μL/L，此時(shí)擬合優(yōu)

度R2為0.9999。

當(dāng)濕度發(fā)生裝置調(diào)整在-2.3℃時(shí)，這一冷凝溫度下，TDLAS微水檢測(cè)裝置測(cè)得的

二次諧波趨于飽和狀態(tài)，此時(shí)對(duì)應(yīng)微水含量5031.71μL/L左右，達(dá)到TDLAS微水檢測(cè)

裝置的最大檢測(cè)量程，因此TDLAS微水檢測(cè)裝置的量程極限在5031.71μL/L左右。

對(duì)標(biāo)定后的TDLAS微水檢測(cè)裝置的重復(fù)性和再現(xiàn)性進(jìn)行驗(yàn)證，獲得數(shù)據(jù)結(jié)果如表

4-9所示。

表4-9TDLAS微水檢測(cè)裝置經(jīng)過(guò)標(biāo)定后的測(cè)試驗(yàn)證

17

標(biāo)準(zhǔn)發(fā)≤40μL/L時(shí)，誤≤40μL/L時(shí)，偏

序標(biāo)準(zhǔn)水分檢測(cè)裝置示值檢測(cè)裝置示值

生溫度差，>40μL/L，差，>40μL/L，

號(hào)（μL/L）1次（μL/L）2次（μL/L）

（℃）相對(duì)誤差%相對(duì)偏差%

1-75.01.211.111.300.0050.13

2-70.02.602.762.420.010.24

3-60.010.7311.339.920.1051.00

4-50.039.0537.5038.581.010.76

5-40.0125.55133.83120.551.85%4.51%

6-30.0376.88383.22370.610.01%2.37%

7-20.01024.221045.251026.531.14%1.28%

8-8.03080.703021.453014.782.03%0.16%

9-2.05155.955118.065072.141.18%0.64%

從表4-9可以看出，標(biāo)定后，驗(yàn)證TDLAS微水檢測(cè)裝置的精度，在測(cè)試的范圍內(nèi)，

和標(biāo)準(zhǔn)水分含量相比，濕度在小于40μL/L時(shí)，示值誤差小于2μL/L；濕度在40

μL/L~5000μL/L時(shí)，相對(duì)誤差不大于3%。濕度在小于40μL/L時(shí)，偏差小于2μL/L；

濕度在40μL/L~5000μL/L時(shí)，相對(duì)偏差不大于5%。

檢測(cè)限：不大于1μL/L。

量程：宜為0μL/L~5000μL/L。

誤差：

濕度在0μL/L~50μL/L時(shí)，誤差不大于1.5μL/L；

濕度在50μL/L~5000μL/L時(shí)，誤差不大于3%；

偏差：

濕度在0μL/L~50μL/L時(shí)，偏差不大于2μL/L；

濕度在50μL/L~5000μL/L時(shí)，相對(duì)偏差不大于6%；

4.8SF6純度的標(biāo)定和測(cè)試

SF6紅外純度傳感器的理論基礎(chǔ)是Lambert·Beer定律：

（4-15）

由式4-15可知，其中與L已知，是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建后用光電二極管

測(cè)出的，需要求的就是N。其中是系數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，不同的測(cè)量環(huán)境，

這個(gè)系數(shù)會(huì)有所不同。對(duì)于同一種氣體在一定溫度下為一常量。根據(jù)以上獲得

參數(shù)可以算出N，即可得出濃度。

利用SF6氣體對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光吸收的特性，該紅外傳感器包括電子測(cè)量與光路

系統(tǒng)兩大部分，如圖4-15所示，它的發(fā)射端是一個(gè)可以產(chǎn)生包括波長(zhǎng)紅外光的光源。

其接收端是一個(gè)帶有兩個(gè)窄帶濾光片的熱釋電探測(cè)器。采用單光束雙波長(zhǎng)的測(cè)量方法，

可以避免因?yàn)楣庠吹睦匣?、采樣池和檢測(cè)器表面污染而引起的漂移。

18

圖4-15紅外檢測(cè)SF6純度原理圖

紅外傳感器利用差分法提取微小信號(hào)，紅外光束分別通過(guò)待測(cè)氣體和標(biāo)準(zhǔn)SF6氣

室，并都通過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，將經(jīng)過(guò)待測(cè)氣體吸收的信號(hào)減去未被氣體吸

收的信號(hào)去掉系統(tǒng)噪聲，得到吸收信號(hào)并轉(zhuǎn)換為被測(cè)氣體濃度。采用德國(guó)SmartGas的

SF6_100純度模塊，檢測(cè)范圍為0-100%，分辨率為0.1%。

采用純度為99.99%的SF6和高純氮?dú)馔ㄟ^(guò)配氣儀進(jìn)行純度含量配置，通入傳感器

進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4-10所示：

表4-10SF6純度紅外模塊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

序號(hào)標(biāo)氣值（%）實(shí)測(cè)值（%）誤差

199.9999.9-0.09%

295.0095.3+0.30%

390.0090.2+0.20%

470.0169.8-0.21%

550.0349.8-0.23%

632.5032.2-0.30%

720.0419.6-0.44%

80.000.000

將測(cè)試數(shù)據(jù)與標(biāo)氣值進(jìn)行線性擬合，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線，擬合曲線優(yōu)度趨近于1。

19

圖4-16SF6紅外純度傳感器標(biāo)定擬合曲線

從圖4-16可知，擬合優(yōu)度很好，能準(zhǔn)確測(cè)量SF6純度，對(duì)標(biāo)定后的SF6紅外傳感

器進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，獲得數(shù)據(jù)結(jié)果如表4-11所示。從數(shù)據(jù)可以看出誤差很小，滿足電力

行業(yè)純度檢測(cè)要求。

表4-11SF6紅外傳感器經(jīng)過(guò)標(biāo)定后的測(cè)試驗(yàn)證

>90%，誤差，≤90%>90%，偏差，≤90%時(shí)，

序號(hào)標(biāo)準(zhǔn)SF61次測(cè)試SF62次測(cè)試SF6

時(shí)，相對(duì)誤差相對(duì)偏差

純度（%）純度（%）純度（%）

199.9999.999.90.09%0

290.0090.190.00.05%0.07%

375.0074.875.10.07%0.21%

424.0024.023.90.21%0.07%

51.021.01.00.02%0.02%

60000.00%0

從表4-11可以看出，標(biāo)定后驗(yàn)證SF6紅外傳感器的精度，檢測(cè)限能達(dá)到1%，檢測(cè)

量程為0~100%。和標(biāo)準(zhǔn)SF6純度相比，純度大于90%時(shí)，示值誤差小于0.1%；純度小

于90%時(shí)，相對(duì)誤差不大于2%。純度大于90%時(shí)，偏差小于0.1%；純度小于90%時(shí)，

相對(duì)偏差不大于0.3%。光學(xué)方法測(cè)試SF6純度屬于新方法，為保證普遍適用性，適當(dāng)

放寬參數(shù)，由此設(shè)定SF6紅外傳感器要求。

檢測(cè)限：SF6純度不大于1%。

量程：SF6純度宜為0~100%。

誤差：

SF6純度在90%~100%時(shí)，誤差不大于0.2%。

20

SF6純度在0~90%時(shí)，相對(duì)誤差不大于1%。

偏差：

SF6純度在90%~100%時(shí)，相對(duì)偏差不大于1%。

SF6純度在0~90%時(shí)，相對(duì)偏差不大于1%。

5精密度的確定

5.1確定精密度的方法

精密度協(xié)同試驗(yàn)，一定數(shù)量的樣品在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)按同一