一种多气体红外光谱检测方法及装置与流程

1.本发明涉及气体检测技术领域，尤其涉及一种多气体红外光谱检测方法及装置。


背景技术：

2.sf6设备的故障绝大多数是由于内部缺陷产生放电和过热累积发展，从而造成设备击穿。电力行业标准明确了so2、h2s、co、co2、so2f2、sof2和cf4均属于sf6设备故障特征组分，根据特征组分可提前发现sf6设备潜伏性故障。且指明了so2和h2s特征组分诊断设备故障的量值，但其它组分量值均缺失。
3.现有检测技术中，色谱法测试精度高，但不适宜于现场检测，化学方法选择性差，干扰严重。现有专利和装置中，已有光学方法检测so2、h2s、co组分装置曾发现过设备潜伏性故障，对生产运行起到了很好的指导作用，光学方法的灵敏度高，稳定性好，已经得到验证。然而，根据电力行业的发展趋势，标准中指示设备故障的co2、so2f2、sof2和cf4特征量并不明确，无法准确检测出含量从而对故障进行预防与检测。


技术实现要素：

4.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
5.鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
6.因此，本发明提供了一种多气体红外光谱检测方法解决目前导致设备故障的co2、so2f2、sof2和cf4特征量无法准确检测出含量，无法对对故障进行预防与检测的问题。
7.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
8.第一方面，本发明提供了一种多气体红外光谱检测方法，其特征在于，包括：
9.光源发射，不同气体透过不同红外光源检测获得各自气体参数；
10.所述光源经过滤光片后，进入气体池，在气体池中，不同气体通过不同波段的吸收后，照射入探测器形成第一组吸收波形；
11.所述第一组吸收波形输入至调理电路进行二次放大，并经由多相锁频鉴相电路后进行波形分离，从而获取不同气体特征组分。
12.作为本发明所述的多气体红外光谱检测方法的一种优选方案，其中：所述不同气体包括co2、sof2、so2f2和cf4。
13.作为本发明所述的多气体红外光谱检测方法的一种优选方案，其中：不同气体透过不同红外光源检测获得各自气体参数，包括，
14.当测量sof2时，使用7463nm的激光红外光源gfc光谱；
15.当测量so2f2时，使用6653nm的红外光源光谱；
16.当测量cf4时，使用4550nm的宽红外光源gfc光谱；
17.当测量co2时，使用4180nm的宽红外光源gfc光谱；
18.所述各自气体参数包括，气体波长、温度、压力补充关系。
19.作为本发明所述的多气体红外光谱检测方法的一种优选方案，其中：所述光源经过滤光片后，进入气体池，其中进入气体池之前的光程池长为453mm，宽为94mm，高116mm，采用herriott池结构，能够获得大于21.5m的长光程，；
20.所述气体池的镜体材料为k9玻璃，在石英玻璃基片上采用优化镀金工艺，选取kbr作为窗片材料；
21.所述进入气体池的入射光距离为15mm。
22.作为本发明所述的多气体红外光谱检测方法的一种优选方案，其中：所述第一组吸收波形输入至调理电路进行二次放大，包括，
23.所述第一组吸收波形通过所述探测器输出为一组电流信号；
24.所述电流信号输入至调理电路中进行第一级放大，所述第一级放大倍数小于100，从而能够与调理电路中的rc滤波电路参数配合；
25.在第一级放大后进行第二级放大，第二级放大倍数在50-80倍之间。
26.作为本发明所述的多气体红外光谱检测方法的一种优选方案，其中：所述经由多相锁频鉴相电路后进行波形分离，包括，
27.二极放大后的电流分为两路，第一路进入多相锁频鉴相电路中的锁频鉴向参比电路，第二路进入多相锁频鉴相电路中的鉴相电路。
28.作为本发明所述的多气体红外光谱检测方法的一种优选方案，其中：多相锁频鉴相电路采用双cpu，所述第一路经过锁频鉴向参比电路后进入第一cpu，在第一cpu中进行处理后再次汇入所述鉴相电路，从而与所述第二路汇合后输送至第二cpu；
29.第二方面，本发明提供了一种多气体红外光谱检测装置，包括，
30.光源及红外发射模块，用于光源发射，不同气体透过不同红外光源检测获得各自气体参数；
31.气体吸收及探测模块，用于所述光源经过滤光片后，进入气体池，在气体池中，不同气体通过不同波段的吸收后，照射入探测器形成第一组吸收波形；
32.调理及锁频鉴向电路模块，用于将所述第一组吸收波形输入至调理电路进行二次放大，并经由多相锁频鉴相电路后进行波形分离，从而获取不同气体特征组分。
33.作为本发明所述的多气体红外光谱检测装置的一种优选方案，其中：还包括，
34.双控cpu模块，第一cpu用于采集数据，滤波算法，数字模拟通讯，温度pid控制；第二cpu用于给锁频鉴向电路提供高精度同步信号和参比信号。
35.作为本发明所述的多气体红外光谱检测装置的一种优选方案，其中：还包括，通讯模块，用于将信号和外部进行通信传输；
36.显示与交互模块，用于将信号参数进行显示和人机交互。
37.与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明能够用于现场定量检测四种特征组分，能够高精度、高时效性的检测出多种气体参数，可为标准中量值确认提供支撑，检测装置具有较高稳定性，气体吸附性小结果准确。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用
的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
39.图1为本发明一个实施例所述的多气体红外光谱检测方法的整体流程示意图；
40.图2为本发明一个实施例所述的多气体红外光谱检测方法的中装置整体示意图；
41.图3为本发明一个实施例所述的多气体红外光谱检测方法的中本发明测量的长时间零点波动图；
42.图4为本发明一个实施例所述的多气体红外光谱检测方法的中传统方案测量的长时间的零点波动图。
具体实施方式
43.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
44.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
45.其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
46.本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
47.同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
48.本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
49.实施例1
50.参照图1-2，为本发明的一个实施例，提供了一种多气体红外光谱检测方法，包括：
51.s1：光源发射，不同气体透过不同红外光源检测获得各自气体参数；
52.更进一步的，不同气体包括co2、sof2、so2f2和cf4。
53.更进一步的，不同气体透过不同红外光源检测获得各自气体参数，包括，
54.当测量sof2时，使用7463nm的激光红外光源gfc光谱；
55.当测量so2f2时，使用6653nm的红外光源光谱；
56.当测量cf4时，使用4550nm的宽红外光源gfc光谱；
57.当测量co2时，使用4180nm的宽红外光源gfc光谱；
58.各自气体参数包括，气体波长、温度、压力补充关系。
59.应说明的是，依据不同气体特性选择不同参数的红外光源可以更加准确的捕捉和识别到气体的参数。
60.s2：光源经过滤光片后，进入气体池，在气体池中，不同气体通过不同波段的吸收后，照射入探测器形成第一组吸收波形；
61.更进一步的，光源经过滤光片后，进入气体池，其中进入气体池之前的光程池长为453mm，宽为94mm，高116mm，采用herriott池结构，能够获得大于21.5m的长光程，；
62.气体池的镜体材料为k9玻璃，在石英玻璃基片上采用优化镀金工艺，选取kbr作为窗片材料；
63.进入气体池的入射光距离为15mm。
64.应说明的是，气体的吸收与光程长成正比例的关系，光程越长，气体的吸收越强。sf6设备潜伏性故障的特征组分的浓度很低，其中so2f2和sof2需要达到1μl/l的低限值，为了检测低浓度的特征组分，需要长光程l。因此所使用的镜体材料为k9玻璃。在光学镀膜应用中，反射膜和增透膜有着同样重要的地位，反射膜能够将大部分的入射光线反射回去，金膜在中红外区的反射率能够达到95％以上，效果较好，且不易受到腐蚀性气体腐蚀。在石英玻璃基片上采用优化的镀金工艺，可以在红外波段将反射率提高到98％以上，保证出射光的强度。选取kbr作为窗片材料，其在中红外区的透光率为90％。
65.对于入射光距离设定为15mm是由于透镜厚度为20mm，光线能较好的延伸到反射镜的任意位置。光学气体池腔体的优良机械特性，特别是温度系数和形变系数，能保证气体池在温度变化和外界震动时，保持气体池中各部件的相对位置不变，提高了气体池的稳定性。对腔体采用铸铝合金工艺一体成型，并在表面镀特氟龙，提高腔体的稳定性，降低气体吸附特性。
66.s3：第一组吸收波形输入至调理电路进行二次放大，并经由多相锁频鉴相电路后进行波形分离，从而获取不同气体特征组分。
67.更进一步的，第一组吸收波形输入至调理电路进行二次放大，包括，
68.第一组吸收波形通过探测器输出为一组电流信号；
69.电流信号输入至调理电路中进行第一级放大，第一级放大倍数小于100，从而能够与调理电路中的rc滤波电路参数配合；
70.在第一级放大后进行第二级放大，第二级放大倍数在50-80倍之间。
71.更进一步的，经由多相锁频鉴相电路后进行波形分离，包括，
72.二极放大后的电流分为两路，第一路进入多相锁频鉴相电路中的锁频鉴向参比电路，第二路进入多相锁频鉴相电路中的鉴相电路。
73.应说明的是，探测器输出的纳安级别的电流信号，需要对该电流信号进行i-v转换和前置放大。前置放大电路主要由rc滤波电路和二次运算放大电路组成。为了尽可能的与rc滤波电路参数配合，将噪声滤掉，保持波形不失真，因此第一级放大倍数控制在100以下。根据第一级放大后的信号强度，进行第二级放大，经过锁频鉴向电路后，由adc采集，保证采
集精度。
74.由于gfc的调制作用，探测器测量到的信号是有一定峰型变化的调制波形，为了更准确的采集到由于浓度变化导致的峰型变化，设计了锁频鉴向电路，将参考信号和测量信号的峰值和谷值分别锁相，通过高精度adc进行采集。
75.更进一步的，多相锁频鉴相电路采用双cpu，第一路经过锁频鉴向参比电路后进入第一cpu，在第一cpu中进行处理后再次汇入鉴相电路，从而与第二路汇合后输送至第二cpu。
76.应说明的是，采用锁频鉴向放大电路来处理模拟小信号，需要保证实时性和同步性，所以采用双m3架构cpu，保证了锁频鉴向电路和采集高精度adc的实时性和同步性。两个cpu控制不同的功能，一个cpu主要是控制锁频鉴向放大电路的同步信号和参比信号，一个cpu主要是控制adc采集，pid温度控制和通讯。双cpu的工作模式，可以保证adc采集的准确性和同步性，避免由于其他进程导致的信号丢失。
77.实施例2
78.参照图2，为本发明的一个实施例，提供了一种多气体红外光谱检测装置，包括：
79.光源及红外发射模块100，用于光源发射，不同气体透过不同红外光源检测获得各自气体参数；
80.应说明的是，红外光源可采用黑体辐射光源，其辐射谱线与黑体温度有关。为了更可能得到需要的光谱能量，要将黑体温度控制在1170k。选取的光源的功率为2.1w，为了实现驱动电路电压输出为1.25v，电流为1.55a的电路特性。可采用恒压源设计方案，采用lm2678sx高精度稳压器，为电路提供5v的稳定电压，采用正反馈平衡式设计了恒流源。通过分压电路，实现光源1.25v的电压驱动。
81.气体吸收及探测模块200，用于光源经过滤光片后，进入气体池，在气体池中，不同气体通过不同波段的吸收后，照射入探测器形成第一组吸收波形；
82.应说明的是，可采用vigo的pvi-4te-8探测器，在红外区具有较高的响应曲线，能够增大系统的信噪比，提高检测灵敏度和测量下限。
83.调理及锁频鉴向电路模块300，用于将第一组吸收波形输入至调理电路进行二次放大，并经由多相锁频鉴相电路后进行波形分离，从而获取不同气体特征组分。
84.更进一步的，还包括，双控cpu模块，第一cpu用于采集数据，滤波算法，数字模拟通讯，温度pid控制；第二cpu用于给锁频鉴向电路提供高精度同步信号和参比信号。
85.更进一步的，还包括，通讯模块，用于将信号和外部进行通信传输；
86.显示与交互模块，用于将信号参数进行显示和人机交互。
87.应说明的是，整个装置还需要包括电源模组，整个测量系统的信号处理部分是有许多外围电路构成的，每个芯片对电源大小和纹波精度要求是不同的。特别是探测器输出的电压信号很小，且光谱被吸收后，电压变化在1％以下，那么在设计电源的时候就需要多级滤波和数模隔离，降低电源纹波对测量小信号的影响。可采用12vdc低压输入，先经过二级共模滤波电路，降低电源纹波。将12v稳压到5v和3.3v，提供给数字电路部分，实现逻辑控制；通过vra1212ymd-6wr3隔离电源将12v转成+12v和-12v供给模拟部分，实现模拟信号的转换和放大。
88.通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明
可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(readonly，memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、闪存(flash)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例的方法。
89.实施例3
90.参照表1、图3-4，为本发明的一个实施例，提供了一种多气体红外光谱检测方法，为了验证其有益效果，提供了两种方案的对比结果。
91.表1对比表
[0092] 传统方法本发明方法检测精确度小于等于2％小于等于0.1％响应时间小于60s小于45s控温精度小于0.5℃小于0.1℃零点波动小于等于0.5％小于等于0.1％量程点波动小于等于1％小于等于0.5％24小时零点漂移小于等于1％小于等于0.5％24小时量程点漂移小于等于1％小于等于0.5％
[0093]
由表1可知我方在检测精确度、响应时间、控温精度、零点波动、量程点波动以及24小时漂移的数据都具有质的提升，均得到了优化和提升。
[0094]
同时，图3为为现有方案测量的长时间零点波动，图4为传统方案测量的长时间的零点波动，可知，对比传感器的测量出来的零点值，零点波动由0.25ppm降低到0.1ppm以内，说明我方的技术方案具有较好的稳定性。
[0095]
应说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种多气体红外光谱检测方法，其特征在于，包括：光源发射，不同气体透过不同红外光源检测获得各自气体参数；所述光源经过滤光片后，进入气体池，在气体池中，不同气体通过不同波段的吸收后，照射入探测器形成第一组吸收波形；所述第一组吸收波形输入至调理电路进行二次放大，并经由多相锁频鉴相电路后进行波形分离，从而获取不同气体特征组分。2.如权利要求1所述的多气体红外光谱检测方法，其特征在于，所述不同气体包括co2、sof2、so2f2和cf4。3.如权利要求1或2所述的多气体红外光谱检测方法，其特征在于，不同气体透过不同红外光源检测获得各自气体参数，包括，当测量sof2时，使用7463nm的激光红外光源gfc光谱；当测量so2f2时，使用6653nm的红外光源光谱；当测量cf4时，使用4550nm的宽红外光源gfc光谱；当测量co2时，使用4180nm的宽红外光源gfc光谱；所述各自气体参数包括，气体波长、温度、压力补充关系。4.如权利要求3所述的多气体红外光谱检测方法，其特征在于，所述光源经过滤光片后，进入气体池，其中进入气体池之前的光程池长为453mm，宽为94mm，高116mm，采用herriott池结构，能够获得大于21.5m的长光程；所述气体池的镜体材料为k9玻璃，在石英玻璃基片上采用优化镀金工艺，选取kbr作为窗片材料；所述进入气体池的入射光距离为15mm。5.如权利要求4所述的多气体红外光谱检测方法，其特征在于，所述第一组吸收波形输入至调理电路进行二次放大，包括，所述第一组吸收波形通过所述探测器输出为一组电流信号；所述电流信号输入至调理电路中进行第一级放大，所述第一级放大倍数小于100，从而能够与调理电路中的rc滤波电路参数配合；在第一级放大后进行第二级放大，第二级放大倍数在50-80倍之间。6.如权利要求5所述的多气体红外光谱检测方法，其特征在于，所述经由多相锁频鉴相电路后进行波形分离，包括，二极放大后的电流分为两路，第一路进入多相锁频鉴相电路中的锁频鉴向参比电路，第二路进入多相锁频鉴相电路中的鉴相电路。7.如权利要求5或6所述的多气体红外光谱检测方法，其特征在于，多相锁频鉴相电路采用双cpu，所述第一路经过锁频鉴向参比电路后进入第一cpu，在第一cpu中进行处理后再次汇入所述鉴相电路，从而与所述第二路汇合后输送至第二cpu。8.一种多气体红外光谱检测装置，其特征在于，包括，光源及红外发射模块(100)，用于光源发射，不同气体透过不同红外光源检测获得各自气体参数；气体吸收及探测模块(200)，用于所述光源经过滤光片后，进入气体池，在气体池中，不同气体通过不同波段的吸收后，照射入探测器形成第一组吸收波形；
调理及锁频鉴向电路模块(300)，用于将所述第一组吸收波形输入至调理电路进行二次放大，并经由多相锁频鉴相电路后进行波形分离，从而获取不同气体特征组分。9.如权利要求8所述的多气体红外光谱检测装置，其特征在于，还包括，双控cpu模块，第一cpu用于采集数据，滤波算法，数字模拟通讯，温度pid控制；第二cpu用于给锁频鉴向电路提供高精度同步信号和参比信号。10.如权利要求8或9所述的多气体红外光谱检测装置，其特征在于，还包括，通讯模块，用于将信号和外部进行通信传输；显示与交互模块，用于将信号参数进行显示和人机交互。

技术总结
本发明公开了一种多气体红外光谱检测方法及装置，方法包括：光源发射，不同气体透过不同红外光源检测获得各自气体参数；所述光源经过滤光片后，进入气体池，在气体池中，不同气体通过不同波段的吸收后，照射入探测器形成第一组吸收波形；所述第一组吸收波形输入至调理电路进行二次放大，并经由多相锁频鉴相电路后进行波形分离，从而获取不同气体特征组分。本发明能够用于现场定量检测四种特征组分，能够高精度、高时效性的检测出多种气体参数，可为标准中量值确认提供支撑，检测装置具有较高稳定性，气体吸附性小结果准确。气体吸附性小结果准确。


技术研发人员：张英 王明伟 刘喆 余鹏程 赵世钦 潘云 蒲曾鑫 张倩 黄宇 丁超
受保护的技术使用者：贵州电网有限责任公司
技术研发日：2022.12.29
技术公布日：2023/8/1