技术领域
[0001] 本
发明属于一种气体的红外光谱测量方法和仪器，具体是一种基于气体红外吸收光谱的SF6分解气体测量方法与装置。
背景技术
[0002] SF6因其优越的绝缘、灭弧介质而广泛应用于高压电气设备中。随着国内电
力工业的迅速发展,从上个世纪80年代后, SF6电气设备逐渐取代传统的充油电气设备,为电力系统的安全稳定、经济运行取得很好的效果。但由于设备在设计、制造、安装和运行维护等诸方面存在的一些
缺陷,影响了设备的正常运行,甚至酿成事故,因此及时检测出SF6电气设备内部缺陷,对保证设备和
电网的安全运行具有十分重要的意义。但在早期诊断SF6电气设备故障中,传统的电气试验方法有时却显得力不从心,而当SF6电气设备发生故障时, SF6气体会产生分解产物SO2 、H2S、CO等,因此可通过测试这些气体分解产物的含量来诊断设备内部是否存在故障。由于此方法在故障诊断方面灵敏度高,准确性好,将成为SF6 电气设备故障监测和诊断的一种有效手段。
[0003] 目前, 对于SF6气体分解产物总量的分析检测方法主要有: 气相色谱法、检测管法、分解产物总量检测仪法。首先, 气相色谱法, 利用气相色谱仪可以检测分解产物, 但是由于没有分解产物的标准物质, 致使色谱法存在一定的局限性, 不能如意地开展工作；此外，需要现场采集样品回实验室进行富集处理后, 利用色谱仪进行分析检测, 测试过程比较复杂、繁琐, 同时由于分解产物一般都具有毒性, 操作过程中一旦发生气体
泄漏对实验人员的人身安全危害比较大。检测管法, 虽然可以检测SO2等物质, 但是检测组分比较单一, 不能反映整体概况, 使用有一定的局限性。分解产物总量检测仪能够分析测试设备内的总的分解产物含量, 只要设备内存在分解产物就能进行检测, 该仪器现场进行测试工作, 使用方便, 可以进行普测后总结出经验数据, 指导现场生产使用。但由于只能获得分解总量的数据，没有具体组分的浓度值，因而不利于故障类型和性质的分析。
[0004] 。红外光谱法是利用气体分子红外吸收
光谱特性进行气体组分定性定量测量的光谱分析技术，它能测量多种气体,具有测量范围宽、选择性良好、不会中毒、使用寿命长、功耗低、便于操作和维护等特点，可以实现气体组分的在线测量，利用红外光谱技术进行SF6分解产物可以有效弥补传统检测技术的缺陷。
发明内容
[0005] 本发明目的是针对
现有技术存在的传统仪器只能离线测量、单一检测组分，以及检测周期长等缺陷提供一种SF6分解气体红外光谱测量方法与装置。
[0006] 本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
[0007] 本发明SF6分解气体红外光谱多组分检测方法，其特征在于红外
光源辐射连续红外光波，利用滤波、斩波盘进行调制与滤波，滤波、斩波盘上有四个通光孔，其上分别安装有中心
波长分别为4.65um、3.85 um、7.35um、7.85um的四个窄带
中红外滤光片，其中4.67um 滤光片
透射光用作CO气体检测光波，3.85 um滤光片透射光用作CO气体检测参考光波，7.35um滤光片透射光用作SO2气体检测光波，7.85um滤光片透射光用作SF6气体检测参考光波；滤波、斩波盘（23）由直流同步
电机带动以匀速转动，将连续红外光波调制为脉冲光，且对应CO气体检测、CO气体检测参考、SO2气体检测、SF6气体检测参考光波顺序通过并耦合进长光程光学多次反射池；滤波、斩波盘边沿安装有一个挡光片，挡光片经过光耦时产生的脉冲
信号经过信号
接口板用于滤光片顺序信号的对准与信号采集模
块同步触发；
[0008] 红外调制光进入长光程光学多次反射池后经过多次往复反射后由出射光反光镜反射出长光程光学多次反射池；红外热电探测器将反射出长光程光学多次反射池的红外调制
光信号转换为
电信号送前置
放大器，前置放大器将电信号放大后经过信号线送信号接口板；信号接口板对电信号进行A/D转换后由
数据采集、处理和控
制模块在光耦）发出的脉冲信号触发下进行
数字信号采集、累加平均、滤波得到检测信号和参考信号，所述检测信号和参考信号被用以反演CO和SF6的气体浓度。
[0009] 还包括体校准方法：所述检测样气由样气进气管快插接口进入，通过进气气路由进气孔进入长光程光学吸收池，进气气路上有一个三通电磁
阀和一个单向流量阀，三通
电磁阀在a-b方向常通，三通电磁阀在a-c方向常闭，检测运行时样气在a-b方向流通； [0010] 所述体校准方法采用标准气体校准方法，首先测定空白样品时地背景信号，将高纯氮气作为空白样品接入校准气体进气快插接口，校准气路由三通电磁阀的c端接入进气通路，三通电磁阀转换为a-c方向导通，待空白气体取代长光程光学吸收池内原有气体后采用红外热电探测器采集各滤波波段的光谱信号，保存空白气体时的各组分气体在检测波段和参考波段探测端光强关系作为背景信号；然后将已知浓度标准气体通入长光程光学吸收池，待标准浓度气体取代长光程光学吸收池内原有气体后采用红外热电探测器采集各滤波波段的光谱信号，保存标准浓度气体时的各组分气体在检测波段和参考波段探测端光强关系作为校准信号，由背景信号和校准信号进行线性拟和可以得到工作曲线；三通电磁阀转换为a-b方向导通，样气气路导通进行气体检测得到检测信号，检测信号利用校准过程得到的工作曲线进行自动浓度反演，获得各组分气体的浓度测量值。
[0011] 所述标准气体为已知浓度的单一或多组分气体。
[0012] SF6分解气体红外光谱检测装置，包括主机箱，主机箱上安装有触摸
液晶显示屏、电源插座、主电源
开关、样气出气管快插接口、样气进气管快插接口、USB接口、485数据通讯接口和以太网接口，其特征在于主机箱内还设置长光程光学吸收池，红外热电探测器，前置放大器，压力
传感器，气体
泵，单向电磁阀，直流稳压电源，通讯
电路模块，数据采集、处理和
控制模块，信号接口板，滤波、斩波盘，直流同步电机，红外光源和光耦；其中红外热电探测器检测长光程光学吸收池的出射光束，红外热电探测器的输出端依次串接前置放大器，信号接口板，数据采集、处理和控制模块和通讯电路模块，通讯电路模块分别与485数据通讯接口和以太网接口进行数据传输，样气进气管快插接口通过进气气路串接单向流量阀后进入长光程光学吸收池，长光程光学吸收池内的样气由气体泵经出气气路抽出，出气气路上安装有
压力传感器，压力传感器通过
电缆线与信号接口板相连, 压力传感器的反馈端接单向电磁阀，红外光源的出射光线经过滤波、斩波盘进入长光程光学吸收池，与滤波、斩波盘对应设置光耦，直流同步电机，红外光源和光耦分别与信号接口板连接，直流同步电机控制滤波、斩波盘动作，直流稳压电源用于提供直流电源。
[0013] 所述长光程光学吸收池由设置于光学吸收池密封罩内的主镜、副镜一、副镜二、入射光反光镜和出射光反光镜组成，所述光学吸收池密封罩的一侧分别设置出气孔和出射光学窗片，所述光学吸收池密封罩的另一侧分别设置进气孔和入射光学窗片，出射光反光镜与出射光学窗片对应设置，入射光反光镜与入射光学窗片对应设置，主镜分别与与副镜一和副镜二相对设置，在光学吸收池密封罩的主镜侧安装加热器一，在光学吸收池密封罩的副镜一和副镜二侧安装加热器二，光学吸收池密封罩上还设置
温度传感器，温度传感器与信号接口板连接。
[0014] 所述滤波、斩波盘上安装有CO检测滤光片、CO检测参考滤光片、SO2检测滤光片、SO2检测参考滤光片，滤波、斩波盘边沿安装有挡光片。
[0016] 所述出气气路上安装有电化学H2S传感器，电化学H2S传感器通过电缆线与信号接口板相连。
[0017] 所述主机箱上还设置校准气体进气快插接口，所述样气进气管快插接口与单向流量阀之间还串接三通电磁阀，三通电磁阀在a-b方向常通，三通电磁阀在a-c方向常闭，三通电磁阀的c端与校准气体进气快插接口连接。
[0018] 所述出入射光学窗片为荧石材料制成的光学薄片。
[0019] 本发明提出一种基于非分散红外谱法的SF6典型分解产物SO2、CO高灵敏在线检测方法与装置, 将传统非分散红外光谱技术中斩波调制轮与分光滤波轮合二为一的创新方法，利用一个调制滤波轮实现多组分气体的同时测量，同时结合长光程多次反射吸收技术增加检测灵敏度。系统内部集成了H2S电化学传感器，实现H2S气体组分浓度的同时测量，以满足电力设备故障监测与诊断的需要。适合于电力系统中SF6气体充当绝缘和灭弧介质的电气设备故障监测和诊断。
[0020] 本发明实现快速、高灵敏、无干扰的在线气体浓度测量。
附图说明
[0021] 图1是本发明结构示意图；
[0022] 图2为滤波、斩波盘结构示意图；
[0023] 图3为长光程光学吸收池结构示意图。
[0024] 图中标号： 1 、主机箱，2、触摸液晶显示屏，3、主电源开关，4、长光程光学吸收池，5、红外热电探测器，6、前置放大器7、电化学H2S
气体传感器，8、压力传感器，9、气体泵，10、样气出气管快插接口，11、单向电磁阀，12、三通电磁阀，13、样气进气管快插接口，14、校准气体进气快插接口，15、USB接口，16、485数据通讯接口，17、以太网接口，18、交流总电源插座，19、直流稳压电源，20、通讯电路模块，21、数据采集、处理和控制模块，22、信号接口板，23、滤波、斩波盘，24、直流同步电机，25、红外光源，26、光耦，27、CO检测滤光片，28、CO检测参考滤光片，29、SO2检测滤光片，30、SO2检测参考滤光片，31、挡光片，32、主镜，33、光学吸收池密封罩，34、加热器一，35、入射光反光镜，36、入射光学窗片，37、温度传感器，38、进气孔，39、副镜一，40、加热器二，41、副镜二，42、出射光反光镜，43、出射光学窗片，44、出气孔。
具体实施方式
[0025] 下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
[0026] 如图1所示，SF6分解气体红外光谱检测装置，包括主机箱1，主机箱1上安装有触摸液晶显示屏2、电源插座18、主电源开关3、样气出气管快插接口10、样气进气管快插接口13、USB接口15、485数据通讯接口16和以太网接口17，其特征在于主机箱1内还设置长光程光学吸收池4，红外热电探测器（5），前置放大器6，压力传感器8，气体泵9，单向电磁阀11，直流稳压电源19，通讯电路模块20，数据采集、处理和控制模块21，信号接口板22，滤波、斩波盘23，直流同步电机24，红外光源25和光耦26；其中红外热电探测器5检测长光程光学吸收池4的出射光束，红外热电探测器5的输出端依次串接前置放大器6，信号接口板22，数据采集、处理和控制模块21和通讯电路模块20，通讯电路模块20分别与485数据通讯接口16和以太网接口17进行数据传输，样气进气管快插接口13通过进气气路串接单向流量阀11后进入长光程光学吸收池4，长光程光学吸收池4内的样气由气体泵9经出气气路抽出，出气气路上安装有压力传感器8，压力传感器8通过电缆线与信号接口板22相连, 压力传感器8的反馈端接单向电磁阀11，红外光源25的出射光线经过滤波、斩波盘23进入长光程光学吸收池4，与滤波、斩波盘23对应设置光耦26，直流同步电机24，红外光源25和光耦26分别与信号接口板22连接，直流同步电机24控制滤波、斩波盘23动作，直流稳压电源19用于提供直流电源。
[0027] 如图3示，所述长光程光学吸收池4由设置于光学吸收池密封罩33内的主镜32、副镜一39、副镜二41、入射光反光镜35和出射光反光镜42组成，所述光学吸收池密封罩33的一侧分别设置出气孔44和出射光学窗片43，所述光学吸收池密封罩33的另一侧分别设置进气孔38和入射光学窗片36，出射光反光镜42与出射光学窗片43对应设置，入射光反光镜35与入射光学窗片36对应设置，主镜32分别与与副镜一39和副镜二41相对设置，在光学吸收池密封罩33的主镜32侧安装加热器一34，在光学吸收池密封罩33的副镜一39和副镜二41侧安装加热器二40，光学吸收池密封罩33上还设置温度传感器37，温度传感器37与信号接口板22连接。
[0028] 如图2，所述滤波、斩波盘23上安装有CO检测滤光片27、CO检测参考滤光片28、SO2检测滤光片29、SO2检测参考滤光片30，滤波、斩波盘23边沿安装有挡光片31。
[0029] 所述红外光源25采用硅碳棒加热元件。
[0030] 所述出气气路上安装有电化学H2S传感器7，电化学H2S传感器7通过电缆线与信号接口板22相连。
[0031] 所述主机箱1上还设置校准气体进气快插接口14，所述样气进气管快插接口13与单向流量阀11之间还串接三通电磁阀12，三通电磁阀12在a-b方向常通，三通电磁阀12在a-c方向常闭，三通电磁阀12的c端与校准气体进气快插接口14连接。
[0032] 所述出入射光学窗片36为荧石材料制成的光学薄片。
[0033] 当红外光通过待测气体时,这些气体分子对特定波长的红外光有吸收,其吸收关系服从朗伯--比尔(Lambert-Beer)吸收定律。非分散红外光谱技术一般采用宽带连续红外光源，利用窄带滤光片对光源进行滤波，获得与目标气体特征吸收和无吸收波段的窄带光波，即吸收波段和参考波段光波，通过检测通过样品气体后吸收波段和参考波段光强的相对变化，可以反演气体浓度。本发明的检测光源采用硅碳棒加热元件作为红外检测光源25，辐射连续红外光波利用滤波、斩波盘23进行调制与滤波，滤波、斩波盘23上有四个通光孔，其上分别安装有中心波长分别为4.65um、3.85 um、7.35um、7.85um的四个窄带中红外滤光片，其中4.65um 滤光片27透射光用作CO气体检测光波，3.85 um滤光片28透射光用作CO气体检测参考光波，7.35um滤光片29透射光用作SO2气体检测光波，7.85um滤光片30透射光用作SF6气体检测参考光波。滤波、斩波盘23由直流同步电机24带动以匀速转动，将连续红外光波调制为脉冲光，且对应CO气体检测、CO气体检测参考、SO2气体检测、SF6气体检测参考光波顺序耦合进长光程光学多次反射池4；滤波、斩波盘23边沿安装有一个挡光片31，挡光片经过光耦26时产生的脉冲信号送信号接口板22，再送数据采集、处理和控制模块21用于滤光片顺序信号的对准与信号采集模块同步触发。调制为脉冲光经过入射光学窗片36进入光学吸收池4，入射光学窗片36为荧石材料制成的光学薄片，由于干涉型滤光片在9um以上的长波红外区通常会有一定通过率，采用荧石材料的光学窗片可以将红外光源中9um以上的红外波段滤除。光学吸收池是三块焦距相同的球面镜和两个反射镜组成的经过特殊设计光学结构，红外调制光进入光学吸收池后首先被入射光反光镜35反射到副镜一39上，副镜一39将光束反射到主镜32，主镜32将光束反射到副镜二41上，副镜二32再将光束反射到主镜32上，主镜32再将光束反射到副镜一39上，如此循环反射，光束在副镜上的反射光斑是重叠的，而在主镜上的反射光斑是两行顺序排列的，这样经过多次往复反射后的光束照射到出射光反光镜42被反射出光学吸收池；出射光束经过光学吸收池荧石材料的出射光学窗片43后照射到红外热电探测器5的光敏面上，红外热电探测器
5 将光信号转换为电信号送前置放大器6，前置放大器6 将信号放大后经过信号线送信号接口板22。信号接口板22对信号进行A/D转换后由数据采集、处理和控制模块21在光耦发出的脉冲信号触发下进行数字信号采集、累加平均、滤波，经处理后检测信号和参考信号被用以反演CO和SF6的气体浓度。CO和SF6的气体浓度数据一方面在触摸液晶显示屏进行显示，一方面送通讯模块20由485数据通讯接口16和以太网接口17进行数据传输。
[0034] 检测样气由样气进气管快插接口13进入，通过进气气路由进气孔38进入长光程光学吸收池4，进气气路上有一个三通电磁阀12和一个单向流量阀11，三通电磁阀12在a-b方向常通，在a-c方向常闭，检测运行时样气在a-b方向流通。长光程光学吸收池4是整体密封的，进入长光程光学吸收池4的样气由气体泵9经出气气路抽出，出气气路上安装有气压计8和电化学H2S传感器7，用以同时测量样气中的H2S成分浓度；电化学H2S传感器通过电缆线与信号接口板22相连，并由数据采集、处理和控制模块21采集数字信号计算H2S气体浓度。出气气路上气压计8实时测量气路中样气强，气压反馈给进气气路上的单向流量阀11，从而将气路中的气压保持在一个
大气压附近。光学吸收池4的两端安装有两个加热器对主镜32和副镜39、41进行加热，防止样气中的
水汽在镜面
凝结污染镜面，长光程光学吸收池4上另安装有温度传感器37实时测量温度，并通过信号接口板22控制加热器，使光学吸收池4温度维持在60℃。
[0035] 系统浓度反演采用标准气体校准方法，系统可以单一气体校准，也可以多组分气体同时校准。系统主机箱后面板上安装有一个校准气体进气快插接口14，系统校准时，首先测定空白样品时地背景信号，将高纯氮气作为空白样品接入校准气体进气快插接口14，校准气路由三通电磁阀12的c端接入进气通路，三通电磁阀12在系统
软件控制下自动转换为a-c方向导通， 待空白气体取代长光程光学吸收池4内原有气体后采集各滤波波段的光谱信号，保存空白气体时的各组分气体在检测波段和参考波段探测端光强关系作为背景信号；然后将已知浓度单组分或多组分标准气体通入长光程光学吸收池4，待标准浓度气体取代长光程光学吸收池4内原有气体后采集各滤波波段的光谱信号，保存标准浓度气体时的各组分气体在检测波段和参考波段探测端光强关系作为校准信号，由背景信号和校准信号进行线性拟和可以得到系统的工作曲线。系统校准结束后在软件控制下转换到样气检测模式，样气气路导通进行气体检测，检测信号利用校准过程得到的工作曲线进行自动浓度反演，获得各组分气体的浓度测量值。
