一种检测二氧化硫组分红外光声光谱的方法及系统
技术领域
本发明涉及二氧化硫检测技术领域，特别是涉及一种检测二氧化硫组分红外光声光谱的方法及系统。
背景技术
GIS以SF6气体作为绝缘介质，具有绝缘强度高、运行稳定、占地面积少和维护工作量小等优点，在电力系统中，尤其在大中城市城网建设和改造中得到愈来愈广泛的应用。但是从近年来的运行情况来看，国内外的GIS在使用中都出现了许多问题，其中以绝缘故障为主，绝缘故障最通常的特征是：设备中的绝缘介质在完全击穿前发生局部放电。在局部放电的作用下，SF6气体发生分解，并与杂质中的氧气(O2)、水(H2O)以及有机物发生复杂的化学反应，生成的主要产物有二氧化硫(SO2)等，因此可定期对SF6电气设备中的SO2气体进行气体检测，从而判断设备的绝缘状况，避免大停电事故的发生，因此，本发明提出一种检测二氧化硫组分红外光声光谱的方法及系统。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种检测二氧化硫组分红外光声光谱的方法及系统，用于解决现有技术中存在的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种检测二氧化硫组分红外光声光谱的方法，包括以下步骤：
利用配气系统以六氟化硫气体为背景气体制备不同浓度的二氧化硫气体；
设置锁相放大器的积分时间，将斩波器的频率调制至预设频率；
通过真空泵将光声池抽成真空，并循环多次，清洗所述光声池；
向清洗后的光声池中充入不同浓度的二氧化硫气体，并用红外光照射所述光声池；
通过所述锁相放大器测量所述光声池中不同浓度的二氧化硫气体在红外光照射下的光声信号值，并根据所述光声信号值确定所述二氧化硫气体浓度与光声信号的关系。
可选地，所述斩波器的预设频率与所述光声池的谐振频率相同；其中，所述光声池的谐振频率f0计算如下：
对谐振腔长度Leff进行修正，有：
式中，Lc为光声池长度；v为光声池内气体声速。
可选地，还包括根据所述光声池的品质因数Q确定所述光声池中的能量；其中，所述品质因数Q的计算方式如下：
式中，f1为谐振峰对应的频率；Δf为光声池的实际谐振频率偏差值。
可选地，还包括检查所述光声池的气密性；有：
向所述光声池内通入0.2MPa的纯氮气，并放置20分钟；若与所述光声池连接的压力传感器的数值保持稳定，则确定所述光声池的气密性良好。
可选地，还包括在轴向上对所述光声池进行光路调节，包括粗调阶段和细调阶段；其中，
所述粗调阶段通过肉眼直接观察，将所述光声池固定在专用实验桌上；
所述细调阶段通过安装在所述光声池下方的光学支架对所述光声池在上下方向、左右方向、前后方向进行细调；且在所述细调阶段，向光声池中充入浓度为990μL/L的以六氟化硫气体为背景气体的二氧化硫气体；
当光声信号达到最大值时，完成对所述光声池在轴向上进行的光路调节。
可选地，还包括在径向上对所述光声池进行光路调节；有：
在所述光声池的入射端采用硒化锌平凸透镜，对入射光束进行聚焦，减小光束半径增加入射光强度；或，
对所述光声池的内壁进行抛光或改变所述光声池内壁的反射率材料，减小池壁吸收；或，
在所述光声池的末端设置反光镜，增大所述光声池内气体对入射光的吸收。
可选地，还包括应用最小二乘回归方法进行线性拟合获取二氧化硫气体浓度的光声检测关系式，有：
式中，YPAS表示光声信号强度，单位为μV；
可选地，还包括根据已知的二氧化硫气体浓度及光声信号的信噪比计算检测灵敏度；
式中，cmin表示检测灵敏度，c为已知的二氧化硫气体浓度，SNR为光声信号的信噪比。
本发明还提供一种检测二氧化硫组分红外光声光谱的系统，包括有：
气体制备模块，用于利用配气系统以六氟化硫气体为背景气体制备不同浓度的二氧化硫气体；
频率模块，用于设置锁相放大器的积分时间，将斩波器的频率调制至预设频率；
光声池清洗模块，用于通过真空泵将光声池抽成真空，并循环多次，清洗所述光声池；
光声信号模块，用于向清洗后的光声池中充入不同浓度的二氧化硫气体，并用红外光照射所述光声池；
检测模块，用于通过所述锁相放大器测量所述光声池中不同浓度的二氧化硫气体在红外光照射下的光声信号值，并根据所述光声信号值确定所述二氧化硫气体浓度与光声信号的关系。
如上所述，本发明提供一种检测二氧化硫组分红外光声光谱的方法及系统，具有以下有益效果：利用配气系统以六氟化硫气体为背景气体制备不同浓度的二氧化硫气体；设置锁相放大器的积分时间，将斩波器的频率调制至预设频率；通过真空泵将光声池抽成真空，并循环多次，清洗光声池；向清洗后的光声池中充入不同浓度的二氧化硫气体，并用红外光照射光声池；通过锁相放大器测量光声池中不同浓度的二氧化硫气体在红外光照射下的光声信号值，并根据光声信号值确定二氧化硫气体浓度与光声信号的关系。本发明可以根据光声信号值来确定二氧化硫气体浓度与光声信号的关系；根据确定出的关系，任何用户都可以利用锁相放大器来检测SF6电气设备中的SO2气体浓度，即根据锁相放大器显示的光声信号值来确定SF6电气设备中的SO2气体浓度，从而可以判断GIS是否出现局部放电。
附图说明
图1是一具体实施方式提供的检测二氧化硫组分红外光声光谱的方法流程示意图。
图2是一具体实施方式提供的光声池末端采用不同窗片时的光路示意图。
图3是一具体实施方式提供的频率响应曲线图。
图4是一具体实施方式提供的检测二氧化硫组分红外光声光谱的系统硬件结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，如图1所示，一种检测二氧化硫组分红外光声光谱的方法，包括以下步骤：
S100，利用配气系统以六氟化硫气体为背景气体制备不同浓度的二氧化硫气体；
S200，设置锁相放大器的积分时间，将斩波器的频率调制至预设频率；
S300，通过真空泵将光声池抽成真空，并循环多次，清洗光声池；
S400，向清洗后的光声池中充入不同浓度的二氧化硫气体，并用红外光照射光声池；
S500，通过锁相放大器测量光声池中不同浓度的二氧化硫气体在红外光照射下的光声信号值，并根据光声信号值确定二氧化硫气体浓度与光声信号的关系。
本方法可以根据光声信号值来确定二氧化硫气体浓度与光声信号的关系；根据确定出的关系，任何用户都可以利用锁相放大器来检测SF6电气设备中的SO2气体浓度，即根据锁相放大器显示的光声信号值来确定SF6电气设备中的SO2气体浓度，从而可以判断GIS是否出现局部放电。
在一示例性实施例，为提高系统的检测灵敏度，需要光声池工作在谐振模式，即斩波器的调制频率f等于光声池的谐振频率f0。所述斩波器的预设频率与所述光声池的谐振频率相同；其中，所述光声池的谐振频率f0计算如下：
考虑到声波在谐振腔两端存在端部效应，对谐振腔长度Leff进行修正，有：
式中，Lc为光声池长度；v为光声池内气体声速。
在25℃时，声波在SF6气体中的传播速度约为135.4m/s，因此，本发明设计的光声池一维纵向谐振频率f0的理论值为1120Hz。
光声池的实际谐振频率的测定方法是向光声池中充入750μL/L的SO2标准气体(25℃，0.1MPa，背景气体为SF6)，然后在理论值附近调节斩波频率，当光声信号达到最大时，此时的调制频率即为谐振频率。光声信号幅值(包含系统噪声和背景吸收)随斩波器调制频率的变化情况见表1，根据表1绘制出光声池的频率响应曲线如图2所示，可以看出光声信号随调制频率的变化极大，调制频率越接近于谐振频率，光声信号就越强，这是因为声波在光声池中发生了一维纵向谐振。
表1光声信号随调制频率的变化情况
在测定谐振频率的过程中：当调制频率小于200Hz时，光声信号随调制频率的减小明显成线性增大，可以判断此时信号主要为低频环境噪声；当调制频率为2707Hz时光声信号急剧增大，且关闭光源时信号幅值基本不变，若再增大调制频率，则信号又迅速减小，因此推测该频率为本发明的谐振频率。
在一示例性实施例中，还包括根据所述光声池的品质因数Q确定所述光声池中的能量；其中，所述品质因数Q的计算方式如下：
式中，f1为谐振峰对应的频率；Δf为光声池的实际谐振频率偏差值。
品质因数Q是描述光声池性能的一个重要参数，从能量的观点来看，其反映了光声池中能量的积累与耗散的关系。对于一维纵向谐振光声池，利用上式可计算出Q的理论值为50.3。式中，f0是谐振峰对应的频率，是
在一示例性实施例中，还包括检查所述光声池的气密性；有：向所述光声池内通入0.2MPa的纯氮气，并放置20分钟；若与所述光声池连接的压力传感器的数值保持稳定，则确定所述光声池的气密性良好。作为示例，为保证光声池具有良好的气密性，在压力传感器、微音器、热电偶以及进出气阀与光声池的结合部位，均采用螺纹连接，并用密封圈和生料带密封。在窗口片与光声池接触部分加垫硅胶片后用塑料螺栓压紧，并在连接螺纹处加生料带及密封胶。安装完毕后，对光声池中通入0.2MPa的高纯N2，并放置20分钟，若压力传感器的读数在此期间保持稳定，则说明光声池气密性良好。若存在细微泄露的情况，可将充有N2的光声池整个侵入水中，通过观察气泡找出漏气的部位，并对其重新进行密封，然后重复气密性检查。
在一示例性实施例中，还包括在轴向上对所述光声池进行光路调节，包括粗调阶段和细调阶段；其中，所述粗调阶段通过肉眼直接观察，将所述光声池固定在专用实验桌上；所述细调阶段通过安装在所述光声池下方的光学支架对所述光声池在上下方向、左右方向、前后方向进行细调；且在所述细调阶段，向光声池中充入浓度为990μL/L的以六氟化硫气体为背景气体的二氧化硫气体；当光声信号达到最大值时，完成对所述光声池在轴向上进行的光路调节。
具体地，在轴向上：首先要求入射光、斩波器、滤光片、光声池的轴向中心线重合；其次，由于光束半径比斩波器透光孔稍大，为确保对入射光的调制深度，要求入射光的焦点落在斩波器位置，调试过程中发现，若斩波器对入射光不能进行有效调制，光声信号将显著降低。进行调试时，先通过肉眼粗调，将整个检测装置固定在专用的实验桌上。然后通过安装在红外光源、斩波器、光声池等器件下方的三维可调(可使器件上下、前后、左右移动)光学支架，对整个装置的光路部分进行细调，使这些器件的轴向中心线重合在同一直线上。细调过程中，对光声池中充入浓度为990μL/L的SO2气体(25℃，0.1MPa，背景气体为SF6)，当光声信号达到最大值(14.73μV)时，即完成系统光路在轴向上的调试。
在径向上：要求光束半径尽量小于光声腔半径，以避免光声池内壁吸收入射光产生背景噪声。对于径向光路的调试，一方面在光声池入射端采用ZnSe平凸透镜，对入射光束进行聚焦，以达到减小光束半径增加入射光强度的目的。另一方面，通过对光声池内壁进行抛光处理以及采用高反射率材料等措施，尽量减小池壁吸收。
另外，可通过在光声池的末端设置反光镜，增大吸收光程从而增加光声池内气体对入射光的吸收，这种增大吸收光程以提高光声信号强度的措施在E.Indrea等人的研究中被证实具有很好的效果。由于本发明设计的SF6分解组分光声检测装置采用的是红外辐射光源，光束半径较大，所以需要进行对比实验来说明该方法是否可以提升装置的检测性能。为此，本发明在光声池的末端分别使用K9镀金反光镜和ZnSe窗片。如图3所示：当末端窗口使用反光镜时，入射光经反射后一部分进入光声腔，其余部分直接照射在缓冲室的池壁上；当使用ZnSe窗片时，入射光直接从光声池中透射出来。为进行对比，在使用不同窗口片时，首先对光声池中充入高纯N2分别测量系统的背景噪声，然后充入浓度为990μL/L的SO2气体(25℃，0.1MPa，背景气体为N2)测量光声信号值。实验结果表明：光声池末端使用反光镜可以起到增大吸收光程，提高光声信号的作用，但同时由于反射光的散射，大部分反射光会直接照射在缓冲区的池壁上，从而增大背景噪声；当使用ZnSe窗片时，光声信号的强度有所下降，但背景噪声也变得更小，相比使用反光镜，获得了更高的信噪比。
在一些示例性实施例中，还包括在径向上对所述光声池进行光路调节；有：
在所述光声池的入射端采用硒化锌平凸透镜，对入射光束进行聚焦，减小光束半径增加入射光强度；或，对所述光声池的内壁进行抛光或改变所述光声池内壁的反射率材料，减小池壁吸收；或，在所述光声池的末端设置反光镜，增大所述光声池内气体对入射光的吸收。
在一些示例性实施例中，还包括应用最小二乘回归方法进行线性拟合获取二氧化硫气体浓度的光声检测关系式，有：
式中，YPAS表示光声信号强度，单位为μV；
应用最小二乘回归方法进行线性拟和得到SO2组分的光声检测关系式见表2：
表2 SO2组分的光声检测关系式
其中，YPAS(单位：μV)表示光声信号强度，
在一示例性实施例中，还包括根据已知的二氧化硫气体浓度及光声信号的信噪比计算检测灵敏度；
式中，cmin表示检测灵敏度，c为已知的二氧化硫气体浓度，SNR为光声信号的信噪比。由此可知采取一些旨在降低系统噪声或者增强光声信号强度的措施可以有效提高系统的检测灵敏度。
根据系统检测灵敏度的定义和上式可知，当光声信号值等于系统总噪声时(SNR＝1)，此时待测气体的浓度即为光声系统对该组分的检测灵敏度。利用表2中SO2组分的光声检测表达式，就可以计算出光声系统对SF6局放分解组分的理论检测灵敏度。在检测灵敏度理论值附近配制SO2组分的低浓度标准气体，通过测量可以得出光声系统对SO2组分的实测检测灵敏度。具体分析结果见表3，从表中可以看出当SO2组分的含量大于对应的理论检测灵敏度时，即可利用本发明设计的气体光声检测装置对其进行测量。
表3光声系统对SO2组分的检测灵敏度
另外，因为在SF6局放分解混合气体中，SF6的体积分数一般在99％以上，SO2组分的浓度相对很小，所以对于特征组分通常不存在饱和吸收的情况，因此本发明对各特征气体的检测上限没有进行相关研究。
本发明提供一种检测二氧化硫组分红外光声光谱的方法，利用配气系统以六氟化硫气体为背景气体制备不同浓度的二氧化硫气体；设置锁相放大器的积分时间，将斩波器的频率调制至预设频率；通过真空泵将光声池抽成真空，并循环多次，清洗光声池；向清洗后的光声池中充入不同浓度的二氧化硫气体，并用红外光照射光声池；通过锁相放大器测量光声池中不同浓度的二氧化硫气体在红外光照射下的光声信号值，并根据光声信号值确定二氧化硫气体浓度与光声信号的关系。本方法可以根据光声信号值来确定二氧化硫气体浓度与光声信号的关系；根据确定出的关系，任何用户都可以利用锁相放大器来检测SF6电气设备中的SO2气体浓度，即根据锁相放大器显示的光声信号值来确定SF6电气设备中的SO2气体浓度，从而可以判断GIS是否出现局部放电。
如图4所示，本发明还提供一种检测二氧化硫组分红外光声光谱的系统，包括有：
气体制备模块M10，用于利用配气系统以六氟化硫气体为背景气体制备不同浓度的二氧化硫气体；
频率模块M20，用于设置锁相放大器的积分时间，将斩波器的频率调制至预设频率；
光声池清洗模块M30，用于通过真空泵将光声池抽成真空，并循环多次，清洗所述光声池；
光声信号模块M40，用于向清洗后的光声池中充入不同浓度的二氧化硫气体，并用红外光照射所述光声池；
检测模块M50，用于通过所述锁相放大器测量所述光声池中不同浓度的二氧化硫气体在红外光照射下的光声信号值，并根据所述光声信号值确定所述二氧化硫气体浓度与光声信号的关系。
在本实施例中，该系统执行上述方法，本系统可以根据光声信号值来确定二氧化硫气体浓度与光声信号的关系；根据确定出的关系，任何用户都可以利用锁相放大器来检测SF6电气设备中的SO2气体浓度，即根据锁相放大器显示的光声信号值来确定SF6电气设备中的SO2气体浓度，从而可以判断GIS是否出现局部放电。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
