（电气工程专业论文）基于光声光谱技术的多组分气体检测方法研究.pdf

重庆大学硕士论文 中文摘要 摘要 油纸作为充油式电力变压器的主要绝缘介质，在变压器长期运行过程中，由 于绝缘过热和局部放电，会裂解产生部分溶解于油中的特征气体。分析油中溶解 气体的成分和含量，能够有效地判断变压器故障的类型、程度和发展趋势，因此 检测变压器油中溶解气体的浓度对变压器的安全运行具有十分重要的意义。目前 的变压器油中溶解气体检测装置普遍存在两个主要问题，即传感器的精度和长期 稳定性不高以及多组分气体间的交叉影响带来检测误差。要解决这两个问题，需 要选择新型的气体检测技术。 气体光声光谱技术是一种基于光声效应的微量气体检测技术，它具有高灵敏 度、高选择性、大动态检测范围的优点，在变压器油中溶解多组分气体检测的应 用中有着广阔的前景。结合目前气体光声光谱检测技术的研究现状并针对其中不 足之处，论文从光声光谱技术应用于多组分气体浓度的检测入手，在阐述光声信 号产生机理的基础上分析7 光声信号强度与c o 、c 0 2 、c h 4 、c 2 i - 1 2 、c 2 h 6 、c 2 i - 1 4 六种气体浓度的关系特性。根据气体光声光谱检测的原理对光声光谱试验平台的 组成分别进行了说明，然后根据试验平台应用于变压器油中溶解多组分气体检测 的具体要求提出了试验平台的设计思路。分析了其中最为关键的部分一光声池的设 计原理和参数设置，并设计实现了纵向共振光声池。 在l a b v i e w 平台中集成s i m u l i n k g i 真模型构建虚拟信号检测系统作为光声光 谱试验平台的组成部分，并且针对光声信号检测过程中的强噪声干扰，采用互相 关分析和混沌检测相结合的方法来提取微弱信号。通过光声信号检测的实验结果 表明了该虚拟系统对于强噪声下的微弱信号非常敏感且具有较高的检测精度，能 有效地抑制强噪声并改善信噪比。 通过光声光谱试验平台上单一组分气体和多组分气体实验结果的对比，分析 了多组分气体间的吸收交叉影响，根据气体交叉影响的修正思路在m a t l a b 环境 下建立了基于径向基神经网络的修正模型，并对网络建模算法进行改进以提升网 络性能。通过实验表明了该方法能有效地修正气体间的交叉影响；同时由于神经 网络的自适应特性，可以简化气体光声光谱检测的步骤。 关键词：变压器，多组分气体，光声光谱，交叉影响，修正模型，虚拟系统 重庆大学硕士论文英文摘要 a b s t r a c t o i l p a p e ri st h em a i ni n s u l a t i o no fo i l f i l l e dp o w e rt r a n s f o r m e r i tw i hd e c o m p o s e a n db r i n gd i s s o l v e dg a s e si no i li nl o n gt i m eo p e r a t i o no ft r a n s f o r m e rb e u s eo f o v e r h e a ta n dp a r t i a ld i s c h a r g e d e t e c t i n go ft h e c o n c e n t r a t i o na n dc o m p o n e n to f d i s s o l v e dg a s e si n 甜c a nj u d g ef a u l t sc o n d i t i o ne f f e c t i v e l y s od e t e c t i n go ft h e c o n c e n t r a t i o na n dc o m p o n e n to fd i s s o l v e dg a s e si nt r a n s f o r m e ro i li so fg r e a t s i g n i f i c a n c et ot h eo p e r a t i o ns a f e t yo ft r a n s f o r m e r t h e r ea l et w op r i m a r yp r o b l e m s e x i s t i n gi nt h ed e t e c t i n gd e v i c e so fd i s s o l v e dg a s e si nt r a n s f o r m e ro i l ：o n ei st h a tt h e p r e c i s i o na n dl o n g - t r e es t a b i l i t yo fs e n s o ri sn o th i g h ，a n dt h eo t h e ri st h a ta 0 5 5 i n f l u e n c eo fm u l f i c o m p o n e n tg a s e sb f i n gd e t e c t i n ge r l o lt os o l v et h e s et w op r o b l e m s ， w en e e dt oc h o o s en e w - s t y l eg a s d e t e c t i n gt e c h n o l o g y t h e p h o t o a c o u s t i c $ p t 虻 t n m lt e c h n o l o g yi sam i n i mg a sd e t e c t m gt e c h n o l o g y i th a s m a n ya d v a n t a g e sa n dc a nb ea p p f i e di nd e t e c t i n go f m u l t i c o m p o n e n tg a s e sd i s s o l v e di n t r a n s f o r m e ro i lw e l l c o n s i d e r i n gt h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so fd e t e c t i n gt e c h n o l o g yo f g a sp h o t o a c o u s t i es p e c t r u ma n da i l n i n g 越i t sd i s a d v a n t a g e s ，t h i sp a p e rs t a r t sw i t h a p p l i c a t i o no fp h o t o a c o u s t i cs p e c t r u mi nd e t e c t i n go fm u l t i c o m p o n e n tg a s e s b a s e do n t h eb r i n g i n gm e c h a n i s mo fp h o t o a c o u s t i cs i g n a l t h er e l a t i o nc h a r a c t e rb e t 、嘲s i g n a l v a l u ea n dc o n c e n t r a t i o no fo t h e rc h a r a c t e r i s t i cg a s e si sa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h e p r i n c i p l e o f p h o t o a c o u s t es p e c t r a ld e t e c t m g ，t h i sp a p e rr e p r e s e n t sc o m p o s i n g c o m p o n e n t so ft e s tp l a t f o r mu s e dt od e t e c t d i s s o l v e dg a s e si no n a n dd e s i g n p h o t o a c o u s t c 印涮t e s tp l a t f o r m b a s e do nt h er e q u i r e m e n to fa p p l i c a t i o no i l o p e r a t i o nf l c , a l eo f w a n s f o r m e r , t h e na n a l y z e st h ep r i n c i p l ea n dd e s i g nr e a l i z a t i o no f t h e p i v o t a lc o m p o n e n t - p h o t o a c o u s t i ec e l l u s i n gl a b v i e wa s s o r t e dw i t hs i m u l i n ks i m u l a t i o nm o d e lt os e tl l pv i r t u a ls i g n a l d e t e c t i o ns y s t e ma sac o m p o s i t i v ep a r to fp h o t o a c o u s t i es p e c t r a lt e s tp l a t f o r ma n d a i m i n ga tt h es t r o n gn o i s ei n t e r f e r e n c ei nd e t e c t i o np r o c e s so f p h o t o a c o u s t cs i g n a l , t h i s p a p e rc o m b i n 船c r o s s - c o r r e l a t i o na n a l y s i s 埘t hc h a o t i cd e t e c t i o nt op j c ku pw e a ks i 乎l a l t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fd e t e c d n gp h o t o a c o u s t i c $ i g l l a lr e p r e s e n t st h i sv i r t u a ls y s t e mi s v e r ys e n s i t i v et ow e a ks i g n a lu n d e rs t r o n gn o i s ea n dh a sah i g hd e t e c t i n gp r e c i s i o n , i t c a nr e s 嘶ns t r o n gn o i s ei nt h ed e t e c t i n gp r o c e s se f f e c t v e l ya n di m p r o v es i g n a l - n o i s e r a t i o a c c o r d i n gt ot h ec o n t r a s to fe x p e r i m e n t a lr e s u l t sb e t w e e ns i n g l e - c o m p o n e n tg a s n 重庆大学硕士论文英文摘要 a n d m u l t i c o m p o n e n tg a s e sw i t hp h o t o a c o u s t i cs p e c t r a lt e s tp l a t f o r m ，t h i sp a p e ra n a l y z e s t h ea b s o r p t i o nc r o s si n f l u e n c ea m o n gm u l t i c o m p o n e n tg a s e sa n ds e t su pr e v i s i o nm o d e l o f c r o s si n f l u e n c eb a s e do nr a d i a lb a s i sn e u r a ln e t w o r ki nm a t l a b ，a n da m e l i o r a t e si t s m o d e l i n ga r i t h m e t i ct oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f n e t w o r k s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s r e p r e s e n t st h i sm e t h o dc a nr e v i s et h ec l o g si n f l u e n c ea m o n gm u l t i c o m p o n e n tg a s e s e f f e c t i v e l ya n dp r e d i g e s td e t e c t i n gs t e p so fg a sp h o t o a c o u s t i cs p e c t r u mb e c a u s eo f s e l f - a d a p t a t i o n o f n e t w o r k s k e y w o r d s ：t r a n s f o r m e r ，m u l t i c o m p o n e n t i n f l u e n c e ，r e v i s i o nm o d e l ，v i r t u a ls y s t e m m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月 日签字日期：年月日 重庆大学硕士论文 1 绪论 1 绪论 1 1 论文研究的目的和意义 安全、优质、经济的供电是现代大电网运行的三大要素，而其中又以安全性 最为重要。为保证电网的安全运行，必须在运行过程中不断对其进行监测、分析 和控制。同时，电气设备在运行一段时间后，由于种种原因，故障的发生几乎是 不可避免的，如能及时发现故障，并采取相应的措施，则可避免重大事故的发生。 随着高等级高压输电技术在我国电网中的运用，大型电力变压器数量日益增多， 它们一旦发生事故，不仅损坏昂贵的电气设备，同时造成大面积的停电，给国民 经济造成巨大损失。因此，发、输、配、变各环节中的大型电力变压器必须运行 可靠，才能保证电网运行安全。 充油式电力变压器主要采用油纸绝缘，在长期运行过程中，由于放电和过热现 象的存在，油和纸将裂解，产生h 2 、c o 、c 2 h 4 、c 2 h 2 等各种气体，这些气体部 分溶解于油中嘲。分析油中溶解多组分气体的成分和比例，可以判断潜伏性故障 的类型、程度及发展趋势，并建立起了一系列国际国内标准1 1 l 【2 】。目前，电力运行 部门主要采用实验室油中溶解气体色谱分析法诊断变压器潜伏性故障。为了及时 有效地掌握电力变压器的运行状况，电力运行部门逐渐开始为电力变压器配备油 中溶解气体在线监测装置。安装油中溶解气体在线监测装置可以做到对变压器的 连续监测，有可能发现早期的潜伏性故障征兆，从而有助于用户尽可能采取正确 的检修措施d 6 1 。近年来，电力变压器油中溶解气体在线监测装置的应用规模不断 扩大，并从单氧组分等关键气体的预警性分析阶段逐渐向多组分智能在线监测阶 段过渡【4 】。 目前，变压器油中溶解气体监测装置的气体检测方法主要采用热导池、半导体 传感器或电化学传感器，这些传感器对各待测气体组分都相当敏感，但普遍线性 度不好，对气体的选择性不够理想，在信号采集传输过程中抗干扰能力不强以及 检测单元受外界环境、温度影响易老化使得其精度和长期稳定性不能保证。传统 气体检测方法色谱进样的特性决定了检测时间较长，不可能做到连续在线监测； 温度对色谱柱分离效果的影响以及色谱柱使用一段时间后需要清洗等同有特性决 定了色谱柱技术不适于现场在线监测应用【5 】嘲。目前也有采用傅立叶红外光谱技术 检测变压器油中溶解气体的试验装置f 4 2 j ，但该装置不能检测重要特征气体h 2 ，限 制了它在油中溶解气体在线监测中的应用。目前的电力变压器油中溶解气体监测 装置普遍存在两个主要问题，即传感器的精度和长期稳定性不高以及多组分气体 间交叉影响带来检测误差。要解决这两个问题，就需要选用新型的气体检测技术。 重庆大学硕士论文 1 绪论 气体光声光谱检测技术是基于光声效应的一种微量气体检测技术。检测原理 图如图1 1 所示，红外光源发射出的光线经由透镜积聚后，光强得到较大程度的增 强。由斩波控制器驱动步进电机使斩波器以恒定速率转动，通过斩波器上均匀间 隔的透光孔将入射光线调制为闪烁的交变信号。通常斩波器上装有小灯泡和光电 二极管，由此产生与交变光同步的电信号，这种电信号用于交变光的调制频率控 制与输出。然后由一组滤光片实现分光，每个滤光片允许透过一个窄带光谱，其 中心频率分别与预选的各气体的特征吸收频率相对应。如果在预选各气体的特征 频率时尽量排除各气体闯的交叉干扰，并通过对安装滤光片的圆盘进行步进控制， 就可以依次检测不同的气体。经调制后的各气体特征频率处的光线以调制频率反 复激发光声池中相应的气体分子，被激发的气体分子会通过辐射或非辐射两种方 式回到基态；对于非辐射驰豫过程，体系的能量最终转化为分子的平动能，引起 气体局部加热，从而在光声池中产生声波，使用微音器可以探测这种声信号并将 其转化为相应电信号。光声技术就是利用光吸收和声激发之间的对应关系，通过 对声信号的探测从而了解光吸收过程。由于光吸收激发声波的频率由调制频率确 定；而其强度则只与可吸收该窄带光谱的特征气体的体积分数有关，因此，建立 气体体积分数与声波强度的定量关系，就可以准确计量气池中各气体的体积分数嘲 i o o 由于光声光谱检测的是气体吸收光能的大小，因而反射、散射光等对检测干 扰很小，尤其在对弱吸收以及低体积分数气体的检测中，尽管其吸收很弱，但不 需要与入射光强进行比较，因而仍然可以获得很高的灵敏度。因变压嚣油中溶解 多组分气体的分析仅需检测几种已知化合物，采用一系列透射波长一定的滤光片 分光即可。多组分气体的分子红外吸收光谱虽有不同组分气体分子特征谱线交叠 重合的现象，但可选择相对独立的特征频谱区域，从根本上抑制检测过程中不同 组分气体阃发生干扰影响的问题，以满足检测要求旧。 较之传统的气相色谱分析，光声光谱技术的主要优点是：轧长期稳定性好、灵 敏度更高。b 不消耗气样，如载气、标气。c 检测时间短，便于现场检测。d 油中 七种溶解气体( 包括氢气1 3 2 1 1 站1 ) 均可检测。e 不需要容易污染老化的色谱桂与复杂的 气路控制系统。与傅立叶红外光谱技术相比，其最突出的特点是可以测出h 2 的体 积分数，同时由于光声光谱气池仅为2 3 m l 的体积大大降低了对油气分离的难度； 其次是光声光谱可以在气体极弱的吸收处进行检测而获得足够的灵敏度，因此可 以选择尽量不受其他组分干扰的特征频谱。而与所有透射式光谱技术相比，光声 光谱可以直接检测吸收量而降低了散射、反射光对检测的影响，因此也极大的提 高了检测灵敏度。光声光谱多组分气体检测技术具有高灵敏度、高选择性、大动 态检测范围等显著优点，在变压器油中溶解气体检测中具有良好的应用前景u l l r l 。 2 重庆大学硕士论文 1 绪论 擅粤赴理景藐 图1 1 光声光谱检测原理图 r i g 1 1 p r t n c i p l ed i a g r a mo f p h o t o a e o u s t i cs p e c 删d e t e c t i n g 1 2 气体光声光谱检测技术的研究现状 光声光谱技术的出现可以追溯到1 8 8 0 年b e l l 发现光声效应。继发现固体的光 声效应之后，b e l l 及其他科学家t y n d a l 和r o n e t g e n 在1 8 8 1 年各自独立进行了气 体的光声实验。1 9 3 8 年，苏联学者v i e n g e r o v 研制出世界上第一台检铡气体浓度的 光声光谱装置，成功的检测了混合气体各成分的浓度。但是，由于缺乏对检测结 果定量分析的办法，以及高灵敏度声波探测器研究的滞后，这一技术在随后的几 十年中没有实质的发展。上个世纪6 0 年代末，激光器的出现和电子检测技术的提 高，给这项技术注入了新的活力，大功率、单色性好的激光，高灵敏度微音器以 及对相位敏感的锁相检测方法的出现极大提高了光声光谱的检测灵敏度。1 9 6 8 年， k e r r 和a t w o o d 等人以一个脉冲红宝石激光器做光源，应用光声光谱技术检测了空 气中水分予的吸收光谱阎；k r e u z e r 等人在1 9 7 1 年用一台氮氖激光器检测氮气中 甲烷含量，检测极限达到了o o l 皿几田】，并且从理论上分析了光声光谱的检测极限 可达到l o 棚量级，j c i h e l k a 等人在1 9 7 8 年用半导体g a i n a s s b a i g a a s s b 激光器 作为可调谐的辐射源，检测了汽车尾气中c 凰，n i - 1 3 ，n 2 0 和c 2 i 6 的气体浓度： 1 9 8 9 年，o l a f s s o n 等人成功地应用二氧化碳光声系统实现了对氮气浓度的检测： 1 9 9 0 年，f j m h a r r e n 、j r e u s s 设计了基于c 0 2 激光器的腔内吸收光声光谱仪， 并对兰花调谢时释放的乙烯进行了检测，灵敏度达到2 0 x 1 0 - 1 2 1 2 4 1 ；1 9 9 6 年，同一 个实验小组的e g c b j i n e n 等人，进一步优化设计了基于二氧化碳激光器的内腔式 光声光谱检测系统，这套系统对乙烯的检测灵敏度达到了6 x l f f l 2 2 5 1 ；b o h r e n 在 光声疆 重庆大学硕士论文1 绪论 1 9 9 7 年选择3 微米左右的中红外光源，用光声光谱法同时检测了混合气体中的甲 醇、乙醇、乙苯的浓度；1 9 9 8 年f r a n sh a r r e n 等人用光声光谱技术研究了紫外线 照射人体的损伤程度与皮肤的乙烯释放量之间的关系；2 0 0 0 年，n i b k e r 等人采用 光声技术测量了物质燃烧后排放c i - 1 4 、c o 、c 0 2 气体浓度：同年，z e l i n g e r 使用基 予c 0 2 激光器的光声光谱仪，选择4 条激光谱线，测量甲苯和二甲苯气体成分， 检测极限达到了1 0 。6 量级；2 0 0 2 年荷兰n i j m e g e n 大学的光声光谱小组利用光参量 振荡器搭建的光声光谱系统将乙烷的检测灵敏度提高到1 0 x 1 0 1 2 水平。 随着国际上光声学的发展，我国科学工作者早在1 9 7 7 年也开展了气体光声技 术的应用研究，j e 京大学首先用光声技术开展了大气污染气体的检测工作；中国 科学院长春应用化学研究所自1 9 7 8 年以来研制了用于气体检测的光声光谱仪。从 1 9 7 9 年以来，国内二十多个研究机构、单位相继开展了气体光声技术的应用研究， 并取得了一系列实质性的突破。1 9 8 3 年，中国科学院长春光学精密机械研究所研 制成功了g s 1 型光声光谱仪，该光谱仪提供一种连续扫描的强光单色光源并设计 一种转换效率较高的光声池，可应用在物理、化学、生物学、医学等方面。但是 受到当时激光技术和微弱信号检测技术发展水平的影响，在之后的一段时间内， 气体光声光谱技术都处于较为缓慢的发展阶段。直到1 9 9 5 年，大连理工大学的于 清旭采用将纵向共振光声池放入双能级跃迁c o 激光器光学谐振腔内构成高灵敏度 光声探测器的方法，h f n 0 2 和c h 4 浓度进行光声检测，由于气体吸收线和c o 激光器 谱线具有较好的重合性以及较强的腔内激光功率，使得对两种气体进行光声检测 的最低浓度极限分别达到3 7 x 1 0 4 1 署9 1 3 7 x 1 0 q 2 量级；苏州大学在1 9 9 6 年研制成功了 p 6 0 0 型光声光谱仪，该光谱仪是国内首型商品化光声光谱仪，可广泛应用于表面、 波谱、化学、材料、生物和医学研究；1 9 9 9 年，于清旭和林钧岫与荷兰奈梅根大 学的尤斯欧文斯、弗朗斯哈伦等人合作，用基于c 0 2 激光器的腔内光声光谱仪研 究了乙醛气体对苹果乙烯产量的影响；2 0 0 0 年，中国科技大学化学物理系的郝绿 原、韩家祥、史强等人使用匾柱形光声池并使其工作在一阶径向共振状态，结合光 学长程技术，显著提高了光声信号的检测信噪比，并用钦宝石激光器作光源，使得 光声光谱仪的检测灵敏度达8 1 5 x 1 0 9 l l n - 1 ，还测出砷烷分子振动量予数为6 的高分 辨泛频谱；2 0 0 1 年，予清旭采用连续可调谐窄带线宽激光脉冲，对不同气压下0 1 浓度的c h 4 样品气体进行了光声光谱检溯，得到了满意的结果1 3 5 1 3 9 ；同年，他 和陈自斌等人基于波导c 0 2 激光器，采用了激光谐振腔内置光声池结构和低噪声纵 向共振光声池设计了计算机控制的多谱线多组分气体检测分析系统，该系统对 c 2 h 2 和0 3 的极限检测灵敏度分别达到1 0 - 1 1 和1 0 - 9 量级，能够对多种鸟大气污染和 生物气体交换有关的微量气体进行高灵敏度、实时、连续、自动的监测；然后 大连理工大学光声光谱小组在已经取得的研究成果上研制t y q 0 0 0 3 6 型高灵敏度 重庆大学硕士论文1 绪论 光声光谱微量气体检测仪，该检测仪采用可调谐波导c 0 2 激光器作为光源，光谱覆 盖范围9 l l g m ，采用在激光腔内放置纵向共振式光声池的方法，使用于激发光声 信号的激光功率达到1 0 0 w ，因而光声检测灵敏度较常规腔外光声光谱仪提高近两 个数量级。该检测仪采用计算机控制自动、连续进行激光谱线扫描、光谱数据采 集、数据处理和气体浓度实时显示，对乙烯气体浓度的检测灵敏度可达到0 2 p p b ， 对氨气、臭氧及多种有机气体的检测灵敏度均达n p p b 数量级，并能够同时进行多 种微量气体浓度的分析测量，并且该光声光谱微量气体检测仪具有测量灵敏度高、 时间分辨快和能够连续自动测量的特点，适用于大气环境监测、果蔬气调贮藏库 气体分析和监测及与生物组织微量气体交换有关的生物学实验研究。2 0 0 3 年，中 国科学院选键化学实验室的徐海峰，郭颖，李奇峰等人用以y a g 泵浦的染料激光 为光源( 脉宽为8 m ，工作频率为1 0 h z ) 的脉冲激光光声装置记录了c 2 h 2 分子的泛频 激发谱和a 1 - _ x 1 e g + 电子跃迁谱，并测量了光声强度随气体压力及激光能量的变 化关系；2 0 0 4 年，哈尔滨工业大学的王书涛等人将光声光谱技术与光纤技术相结 合研制出基于光声光谱法的光纤气体传感器，用光纤相位传感器代替了传统的微 音器检测光声信号，对s 0 2 气体的最低检测灵敏度达到了1 2 1 0 0 3 ；3 。 2 0 世纪9 0 年代以来，气体光声光谱技术取得了许多实质性的进展 2 7 1 1 2 s l t 3 0 l ，主 要表现在：低噪声、高灵敏度的光声池设计使气体光声检测的灵敏度大幅提高； 计算机控制和数据处理技术与光声光谱仪的结合实现了多组分气体同对分析和实 时连续测量。目前光声光谱技术的应用范围主要在生物学、医学、材料学、化学、 物质表面研究、波谱研究以及大气环境监测等领域，而将其应用到变压器油中溶 解气体检测的研究还是一个较新的课题。2 0 0 5 年，英国的开尔曼公司研发了用于 变压器油中溶解气体的光声光谱监测设备，该设备是国内外第一款基于光声光谱 技术的变压器油中溶解气体监测的商业化产品，它可以检测油中溶解七种特征气 体且均具有较宽的检测范围，就灵敏度和可检测范围而言，可以取代实验室气相 色谱，其指标优于现有的大多数色谱检测仪，部分指标甚至优于已用于现场检测 的傅立叶红外光谱仪。目前该设备在国内一些电力都门得到初步使用，但由于其 存在有三个方面的问题而不能很好地用于变压器运行现场监测【例：一是监测设备 现场抗干扰的问题，变压器运行现场的强电磁干扰、声干扰甚至太阳光等杂散光 的照射都会使得实验室理论值与现场实验值偏差较大；二是监测单元长期稳定性 问题，该光声光谱系统具有精密的光学元件和复杂的系统结构，外界微小的振动 干扰都会使得监测系统出现错位、失效等现象，并且光学元件随着使用时间的增 长也存在光学污染的可能性而使得稳定性交差；三是交压器油中溶解多组分气体 闻的交叉影响问题，在对油中溶解混合气体进行光声检测时，由于气体组分间的 交叉影响会使得微音器输出信号产生较大的误差，最终影响到监测设备的精度。 ， 重庆大学硕士论文 1 绪论 1 3 本论文主要研究内容 针对目前变压器油中溶解气体检测技术的现状及光声光谱技术应用于油中溶 解多组分气体检测的前景，切合论文的主要研究工作，论文的研究主要内容如下： 1 ) 变压器油中溶解六种气体浓度与相应光声信号强度关系的特性分析 对于各组分气体某个特定的吸收谱峰，由于气体的吸收系数是确定的，其光 声信号强度与气体浓度的关系可根据比耳定律确定。在测得光声信号后可利用测 得的光声信号强度信息拟合得到各组分气体浓度与光声信号的关系特性。 动气体光声光谱试验平台及光声池的设计 在对目前国内外已经研制出的应用于不同领域的光声光谱检测装置及其组成 部件进行对比参考后，针对其中不足之处并根据本文面向的实际工程领域，提出 具有特定适用条件的光声光谱试验平台的设计思路。该试验平台面向的检测对象 是变压器油中溶解的多组分气体，针对变压器运行现场强噪声干扰以及混合气体 间交叉影响的问题，该平台设计的重点是：从硬件和软件两个方面提高平台抗干 扰能力以及抑制多组分气体交叉影响的相关措施和方法。 3 ) 光声光谱试验平台中虚拟信号检测系统的设计 由于变压器运行现场强烈的电磁辐射干扰以及周围环境的温、湿度变化影响、 外界震动干扰甚至太阳光等射线入射带来的干扰噪声等都极大程度的限制了光声 光谱检测设备现场应用的效果。因此，设计能检测出微弱光声信号的虚拟系统作 为光声光谱试验平台的组成部分以提高试验平台的检测精度及可靠性。 4 ) 基于径向基神经网络的多组分气体交叉影响修正方法 多组分气体的红外光谱吸收特性图上存在重叠区域，即使滤光片选取尽量避 开这些区域，但是由于滤光片不能精确到仅透过对应于各组分气体的单个特定吸 收谱峰，仍难以避免交叉影响的问题。因此，利用径向基神经网络良好的自适应 特性以及函数逼近能力来修正混合气体间的交叉影响。 1 4 小结 本章首先阐述了电力变压器油中溶解气体光声光谱检测研究的目的与意义， 并针对目前变压器油中溶解气体监测装置中普遍存在的传感器精度和长期稳定性 不高以及多组分气体间的交叉影响带来检测误差固有缺陷的主要问题，提出了基 于光声光谱技术的多组分气体检测思路，并简述了气体光声光谱检测技术原理、 优点及其现状，最后提出了本论文研究的主要内容。 重庆大学硕士论文 2 油中六种典型气体浓度与光声信号强度关系特性的分析 2 油中六种典型气体浓度与光声信号强度关系特性的分析 气体分子吸收特定频率v 的入射光后由基态昂跃迁至激发态局，两态间的能量 差为焉一晶；_ i ，l ，。一部分处于激发态的分子与处于基态的分子相碰撞，吸收的光能 通过无辐射弛豫过程转变为碰撞分子之间的平移动能( 即气体的v - t 传能过程) ，它 表现为气体温度的升高。在气体浓度一定的条件下，温度升高，气体压力会增大。 如果对光源进行频率调制，气体温度便会呈现出与调带4 频率相同的周期性变化， 进而导致压强的周期性变化，微音器感应到这一变化并将其转变为电信号，送给 外电路。气体v 玎传能过程所需要的时间，取决于气体各组分的物理化学特性。 一般情况下，处于激发态的气体分子的振动动能经无辐射驰豫转变为碰撞分子之 间的平动动能的对阅非常短暂，远低予光的调制周期，因此可近似认为v - t 传能 过程是瞬时完成的。但是，一些特殊的气体混合物，其v - t 传能时间较长，以致 光声信号的相位出现延迟。w o o d 等对1 0 6 u m 的c 0 2 红外光源通过大气时气体分 子问的v 玎传能过程的研究表明嘲，由于氮气帆) 分子的0 0 1 能级和二氧化碳( c 0 2 ) 分子的v 3 能级近似共振，两种分子之间的振动动能传递( 即v - v 传能) 速度很快， 而且大气中n 2 的含量几乎是c 0 2 含量的2 6 0 0 倍，在短时间内，c 0 2 吸收的能量 将转变成n 2 的振动动能，在一定条件下，n 2 的v t 传能速度较慢，导致光声信号 的相位大大滞后于光的调制相位，甚至出现相位翻转的动力学冷却现象( k i n e t i c c o o l i n g ) 。此时，应用光声光谱技术分析气体各组分浓度时不但要考虑光声信号强 度，还要计及光声相位的影响。 2 1 光声信号的产生过程 2 1 1 光吸收过程 产生光声信号的第一步是被检测气体吸收一定调制频率的光能量，被吸收的 能量在气体中形成一个周期性变化的热源，也即是声源。 光强为s ( r , o ，频率为1 的光束，受频率国调制后入射到密闭的装有某种气体的 光声池，将有一部分光能被气体吸收，从而使气体分子从基态岛跃迁到激发态西 设某一时刻气体分子浓度为( 分子数锄3 ) ，处于激发态历的分子浓度为m 。 d n z 表示，随时间的变化率，其满足如下公式； “d r = - n ( b i o + 0 1 + f ，- 1 ) + ( 一1 ) 骂o ( 2 1 ) 式中，b l o 为分子由励到西或历到疡的受激辐射爱因斯坦系数， 蜀。= 志j ( 2 2 ) 7 重庆大学硕士论文2 油中六种典型气体浓度与光声信号强度关系特性的分析 式中，s 为e ，和锄能级之间跃迁的谱线强度；a v 为跃迁的谱线宽度；o 为分子离 开助的无辐射( 或碰撞) 驰豫时间，是激发态无辐射驰豫几率彳。的倒数；f r 为分子 离开肋的辐射驰豫时间，是激发态辐射驰豫几率4 的倒数。 式( 2 1 ) 忽略了在基态岛上分子通过碰撞而激发到局的几率，这在常温条件下是 合理的。如果光强的调制频率彩满足“( 2 吃+ “+ 0 1 ) ，可认为d n t d t = o ，则 得到： l2 瓦而j 1 0 ( 2 3 ) 从式( 2 3 ) 可看出：当入射光i i l ( r , o 满足2 旦。 f _ 1 时，m o 5 n , 出现饱和吸 收，其中f 为激发态寿命，有f q = t - 1 + t 一。我们不考虑饱和吸收的情况，而使入 射光强度l ( r , o 满足2 9 。“f 一，则式( 2 3 ) 可以表示为： 啊= 置o ( t “+ r , - 1 r 1 n ( 2 4 ) 式( 2 4 ) 称为激发态的分子浓度方程。 处于激发态e ，的分子将以几种方式返回到基态岛，其中无辐射( 或碰撞) 驰豫返 回基态将使西也萨枷变成平移动能，即导致碰撞分子的速度增加。这种平移动能 在光声腔中形成一热功率密度源h ( r , o ，可以表示为 h ( r ，f ) = m f f “n , ( 2 5 ) 由( 2 4 ) 、( 2 5 ) 和b i o 的表达式可以得到： h ( r ，f ) 。n e b ( 1 + 习。1 ，( r ，) ( 2 6 ) ，阻v f 令口。( 羔一) ( 1 + 三，；n f ，则式( 2 6 ) 可以简写为 t r a y f ， h ( r ，0 = n 盯l ( r ，f ) = o t l ( r ，r ) ( 2 7 ) 式中，口为分子吸光截面值，对于确定的入射波长，盯为常数。 式( 2 7 ) 在下面两种条件同时满足时才能成立： 1 ) 入射光强足够小，以致于吸收跃迁是非饱和的。 2 ) 入射光强随时间的变化率要远远慢予吸收能到热能的转化率。 将( 2 7 ) 式进行傅立叶变换有： ( r 功= n c 7 i ( r ，c o )( 2 8 ) 由式( 2 7 ) 可以看出，当光强讹矽受频率珊调制后，热功率密度源坼矽也以同 样的频率变化。当光源的强度和频率保持不变时，研，r ，移和气体分子浓度成正比。 2 1 2 光信号的激发过程 由气体定律可知：在密闭光声池内，周期性变化的热功率密度源h ( r , o 将使腔 内气体压力发生周期性变化，即声臼眵。声压强可以表示为p = ”d ，其中p 为总压 0 重庆大学硕士论文2 油中六种典型气体浓度与光声信号强度关系特性的分析 强，为平均压强。若腔内气体近似为理想状态，则冥波动方程为： v 2 p 专争一孚百a h ( 2 9 ) 式中，v 为腔内气体的声速：，为气体的定压热容和定体积热容比，= q c v 式( 2 9 ) 中没有考虑热传导和粘滞等因素，对其进行傅立叶变换，得 2 + 2p ( ，功= 等蛔日) ( 2 1 0 ) 其中，p ( r ，f ) = f p ( r ，r o ) e x p ( 一i r o t ) d m ，h ( r ，f ) = 仁( ，a , ) e x p ( - i e o t ) d a , ， p ( r ，o o = a j ( 哆) 乃( ，) 可表示为一系列共振模式毋f j = j 与其振幅4 向，之积的叠加。 2 2 气体浓度与光声信号强度的关系式 若用s 表示微音器的输出电压幅值，我们得到： s = c 置n u c ( 2 1 1 ) 式中，只为红外光源功率，仃为气体吸收截面值( n u 为气体吸收系数) ，c 为气体 浓度，为气体分子密度，c 称为光声池常数，是由( 殖( 光声池在调制频率国处的 品质因数) 、r ( r = c 。c ：为气体定压和定容热容量之比) 、微音器的灵敏度以及光 声池的几何形状和材料等因素决定，通常通过乙烯气体标定实验测得，乙烯在红 外吸收光谱区内的吸收截面值是己知的，其吸收谱高度结构化，在特征波长处存 在有明显吸收峰，并且它与池表面材料的相互作用很弱，是一种理想的标定气体。 值得注意的是公式( 2 1 d 只在光源调制频率较高时才有意义，当调制频率过低 时，光声信号强度并不正比于气体浓度，而是呈现出非线形特性。这就要求光声 光谱检测时光源调制频率不能选得太低，否则会破坏光声信号强度与气体浓度的 线形关系特性，并且由于频率过低，也会增大许多低频噪声而使得检测误差增大。 但是另一方面由式( 2 7 ) 成立需满足的条件可知，当调制频率高于吸收光能向热能转 化率时，光声信号的相位会滞后于光的调制相位，甚至出现相位翻转的动力学冷 却现象。同时由公式( 2 1 1 ) 可以看到光声信号强度与光源功率成正比，但是一味地 增强光源功率并不能无限地提高光声信号强度，当光功率增强到一定程度后气体 对光的吸收会呈现出饱和现象，此后随着光强继续增强，信号幅值不褥随之而提 高，反而会表现出下降趋势。 实际在较短一段时间间隔内，光声池常数有着很小的浮动，我们可以定义重 新标定的光声池常数c - 三口，其中c 为原有光声池常数，口为用于校准的乙烯标 口 定值，口为实际测得的乙烯浓度。 9 重庆大学硕士论文2 油中六种典型气体浓度与光声信号强度关系特性的分析 光声光谱法检测多组分气体时，如果气体分子受光的激发产生的振动动能在 光源的一个调制周期内，能够经无辐射弛豫转变为碰撞分子间的平动动能，那么 光声信号相位与光的调制相位相同【4 2 】。光声信号和各组分气体浓度间的关系可以 表示为： s ( ) 。c 。p ( ) ，。杰c 。口。( ) ( 2 1 2 ) 式中，s 0 0 为光声信号，c 厶为光声池常数，以五) 为光强度，。为气体分子密度， q 为第k 组分气体的浓度，以( 为第k 组分气体的吸收截面。 理想情况下，用光源的所条谱线分析n 组分气体伽拧) 时，可以得到m 条谱 线下的光声信号，根据式( 2 1 2 ) 建立方程组式( 2 z 3 ) ，求解该方程组即可得到各组分 气体的浓度。 s = 只丑) 。 吒( ) l 。 ( 2 1 3 ) 五z 以4 ) ，。c 上以仉) h - i 墨。，( 厶) _ 。q 吒( 厶) 多组分气体的光声光谱分析虽然从理论上可以用式( 2 1 3 ) 来进行，但是实际上 用该方法计算各组分气体的浓度时存在很大误差。这是因为：不同气体吸收截面 不同，同一气体在不同谱线下吸收截面也不相同，并且其还与环境温度、压强等 因素有关。但是由于同种气体在同一谱线下的吸收截面是一定的，可以根据实验 环境温度、压强可以对吸收截面进行修正，修正公式如下所示： a ( p ，r ) = ( 1 + 七p ! ；! q ( 1 + 七r ：- i ；生) 口( 忍，r 0 ) ( 2 1 4 ) 1 0 式中尹、t ，p d ，7 o 分别为校准和检测时参考气体的压力和温度，毛，缸为相应的 压力和温度系数。通常要确定气体吸收截面值是很困难的，并且由于实验条件和