便携式SF₆气体分解物光声光谱检测装置的制作方法

专利名称：便携式SF₆气体分解物光声光谱检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于六氟化硫(SF6)气体绝缘金属封闭电气设备状态检测技术领域，具体涉及便携式SF6气体分解物光声光谱检测装置。
背景技术：
SF6气体绝缘金属封闭电气设备(GIS)具有绝缘强度高、运行安全稳定、利于环境保护、检修周期长、占地面积小和维护工作量小等优点，在电力系统中，尤其是在大中城市城网建设和改造中得到广泛应用。但是从近年的运行情况看，国内外的GIS在运行中都出现了许多问题，主要是其内部不可避免的缺陷引起的故障，一旦故障发生，GIS由于其封闭的结构使得故障的诊断和检修工作的执行非常困难，并且故障会随着运行不断扩大，因此会导致不可估量的经济损失。GIS的故障模式主要是绝缘故障，绝缘故障最通常的特征是GIS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)、氟化亚硫酰(SOF2)、氟化硫酰(SO2F2)、四氟化碳(CF4)及氟化氢(HF)等。局部放电产生的这些活性气体会加速绝缘的老化和腐蚀金属，进而加剧局部放电程度，最终引发GIS故障，故必须对这些气体杂质进行含量限制，有必要对分解气体进行检测。同时，可以通过定期对GIS内部局部放电分解组分，如S02、SO2F2, SOF2, CF4, HF等进行监测和分析，通过气体组分的类型和含量来判断绝缘缺陷的类型和程度，为GIS设备的绝缘水平的判断和状态检修提供依据，从而避免严重故障和大停电事故的发生。现有六氟化硫局部放电下分解组分的光声检测装置和实验方法申请号为201010295554. O的专利“局放下六氟化硫分解组份的红外光声光谱检测装置及方法”，公开的装置主要包括无电晕实验变压器、感应调压器、无局部放电保护电阻、无感电阻、标准电容分压器、GIS模拟元件、宽频高速超大容量数字存储示波器、红外光声光谱系统等；公开的实验方法包括(I)检测前的准备；(2)检测局放下六氟化硫分解组分的浓度；(3)清洗及维护。该专利的主要缺点是其所采用的红外光声光谱检测装置只能对SF6气体局部放电分解组分的类型和含量进行离线检测，通过用采气袋采集GIS模拟元件里面局部放电产生的SF6分解气体，然后通入光声光谱检测装置进行检测，该装置存在三个方面的问题1、该装置只能通过采气袋采气，然后注入到光声光谱检测装置中，由于采气袋的密封性、采集过程和存放时间都会对分解组分的浓度有影响，因此不能保证检测的精度；2、该装置体积庞大，由多个(宽谱红外光源、硒化锌透镜、斩波器、斩波器控制器、滤光片轮、滤光片、硒化锌窗片、光声池、光学支架、锁相放大器及计算机等)分离的元件构成，现场使用不方便；3、检测方法中，人工操作多，读数必须通过示波器，不便于现场自动检测。

实用新型内容本实用新型的目的在于针对现有的六氟化硫局部放电下分解组分的光声检测装置及方法只能进行离线检测，不适合用于现场检测，提供一种便携式SF6气体分解物光声光谱检测装置，具有灵敏度高、自动实现检测和浓度的换算、检测速度快、检测精度高、便于携带、特别适合在线监测等优点。为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案一种便携式SF6气体分解物光声光谱检测装置，它包括外壳，在外壳内设有抛物面柱镜，在抛物面柱镜上设有红外光源，在抛物面柱镜前方依次设有斩波器、滤光片轮以及光声池，在滤光片轮上设有若干沿圆周方向均匀分布的若干滤光片，红外光线穿过滤光片进入光声池的光窗；光声池设有微音器、气压传感器、温度传感器，光声池与输气管和真空管路连接，真空管路与真空泵连接；斩波器与斩波器控制器连 接，滤光片轮与单片机连接，微音器与锁相放大模块，气压传感器与单片机连接，温度传感器与A/D转换器连接，A/D转换器与锁相放大模块连接，单片机与液晶驱动及显示屏和工作电源连接。所述外壳分为上下两层，用隔板隔开，抛物面柱镜、红外光源、斩波器、滤光片轮以及光声池固装在外壳上层；斩波器控制器、锁相放大模块、A/D转换器、单片机、稳压器、液晶驱动及显示屏固装在下层。所述光声池与输气管和真空管路的连接处分别设有进气阀和出气阀。所述光声池为一阶纵向共振光声池，在光声池的圆柱体内的轴向中心处设置谐振腔，谐振腔的内壁经抛光处理，用以产生光声信号，在谐振腔的两端还分别设有缓冲气室，用以减小所述光窗吸收红外光产生的噪声对光声信号造成的干扰，同时在所述的光声池的上端设有一通孔；所述的微音器固接在此通孔处，并通过所述的信号电缆与所述的锁相放大模块的输入端连接，所述的微音器将谐振腔产生的光声信号转换成电信号后通过信号电缆传输给所述的锁相放大模块进行检测，然后又通过信号电缆与所述的A/D转换器连接，再将出来的数字信号输入单片机进行处理。所述工作电源主要由变压器、整流模块和锂电池构成，变压器的原边与市电连接，变压器的副边与整流模块的输入端相连接，整流模块的输出端与锂电池并联后，再与电源开关串联，然后通过电源线分别与所述的红外光源、斩波器、滤光片轮、微音器、温度传感器、气压传感器、斩波控制器、锁相放大单元、A/D转换器、单片机、液晶驱动及显示屏、真空泵、进气阀和出气阀线圈的电源端相接，用以供给上述各元件的工作电源；锂电池与变压器和整流模块采用浮充运行方式。一种采用便携式SF6气体分解物的光声光谱检测装置的检测方法，具体步骤为(I)现场测量前准备，对装置进行调试和气密性检测，并清洗光声池；(2)确定光声信号和组分浓度之间的函数关系①数据采样用配气装置将所要测量的六种单一气体C02、CF4, SO2F2, SOF2, SO2, HF配比成不同体积分数的标准单一气体，同时用配气装置将所要测量的六种单一气体C02、CF4, SO2F2,SOF2, SO2, HF配比成不同体积分数的混合气体；通过所述的单片机控制所述的进气阀自动开启，分别向所述的光声池内部充入配好的气体，再通过所述的单片机程序控制滤光片轮旋转，依次将中心波长分别为4260nmC02吸收峰中心波长、7780nmCF4吸收峰中心波长、18550nmS02F2吸收峰中心波长、18860nmS0F2吸收峰中心波长、7350nmS02吸收峰中心波长、2740nmHF吸收峰中心波长)的滤光片旋转至光路中，并依次记下每个滤光片所对应的所述液晶驱动及显示屏上光声信号区显示的光声信号值S= (S1, S2,…，S6),记录六种气体各种体积分数Ci= (C17C2,…，c6)，所述液晶驱动及显示屏上光声信号区显示的测得的光声信号值Si，其中i表示不同中心波长的滤光片，1-6分别代表CO2、CF4、SO2F2、SOF2、SO2和HF气体对应的滤光片；Si(i=l，2，3，4，5，6)与 CiQ=I, 2，3，4，5，6)分别表示 CO2、CF4、SO2F2、SOF2、SO2和HF气体所对应的光声信号值和气体体积分数。②交叉响应处理对光声信号值Si进行交叉响应处理，结合支持向量回归机方法依次计算支持向量回归机决策函数以及计算克服交叉响应后的混合气体中某种单一气体的体积分数& ;将每个滤光片所对应的所述液晶驱动及显示屏上光声信号区显示锁相放大模块测得的交叉响应光声信号值Si作为输入特征量，将混合气体中某种气体的体积分数作为输出Cp采用支持向量回归机方法消除交叉响应，实现对混合气体中某种气体体积分数的精确检测；(3)测SF6局部放电分解气检体的浓度将所述的便携式SF6分解组分光声光谱检测装置放置在现场的合适位置，进气管与GIS的出气接口连接，开机；单片机自动控制所述进气阀的自动关闭，所述出气阀自动开启，所述真空泵也自动开启，对所述光声池抽真空，当所述液晶驱动及显示屏上对应的气压模块显示的气压值小于O. 005MPa时，所述的单片机自动控制所述出气阀和真空泵自动关闭，静置所述光声池一段时间后，又自动控制所述进气阀的开启，向所述的光声池内充入一个气压的SF6分解气体，所述的进气阀又自动关闭；再通过所述单片机控制所述滤光片轮旋转，依次将中心波长分别为4260nmC02吸收峰中心波长、7780nmCF4吸收峰中心波长、18550nmS02F2吸收峰中心波长、18860nmS0F2吸收峰中心波长、7350nmS02吸收峰中心波长、2740nmHF吸收峰中心波长的滤光片旋转至光路中，通过所述微音器检测到的光声信号通过所述的A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，再通过信号电缆与所述的单片机连接，通过上述基于支持向量机所编的计算程序将测得的光声信号转换成相对应的组分浓度，并将所得到的浓度值在所述的液晶驱动及显示屏的分解组分浓度区上显示。(4)设备维护。所述步骤(2)中，交叉响应处理的具体过程为I)初始化设置用于高斯核函数K(S，Si)=eXp(-|S-Si I 2/2 σ 2)的参数σ和支持向量回归机的预设误差限ε ;利用网格搜索法，寻找这两个参数的最优组合，寻优区间分别为(0，10)和(0，1)，寻优过程选格点数为1*10，搜索步长为O. 1，当均方差最小时获得最优参数组合
(σ , ε )；2 )构建支持向量回归机第I)步完成后,将建立生成降低混合气体光声信号交叉响应的支持向量回归机；首先建立降低混合气体中CO2光声信号交叉响应支持向量回归机,输入为每个滤光片所对应的锁相放大器测得的交叉响应光声信号值Si,输出为混合气体中SF6气体的体积分数C1 ；支持向量回归机的预设误差限ε通过第I步初始化为0.01 ;当生成降低混合气体中CO2光声信号交叉响应的支持向量回归机构建完毕之后，利用高斯核函数分布函数来训练该支持向量回归机,获得标准输入输出模型,建立支持向量回归机学习样本库；将输出改变为混合气体中CF4气体的体积分数C2，输入不变则可以生成降低混合气体中CF4光声信号交叉响应的支持向量回归机；同理，分别改变输出为S02F2、SOF2, SO2和HF气体的体积分数C3、C4、C5以及c6，则可以分别生成降低混合气体中SO2F2、SOF2、SO2和HF气体光声信号交叉响应的支持向量回归机；3)训练样本库，S卩训练在第2)步中所建立的支持向量回归机，训练完毕之后，在实际应用时直接使用。所述训练样本库过程为用实验获得的用光声信号值Si样本分为训练样本S-Train和测试样本S-Test,选取S-Train并结合先验知识来训练上述模型,根据式(I)计
算出混合气体中各种单一气体对应的支持向量集合{ a lCo2B、a lCo2B* ； a 2CF4> a 2CF4*, a 3S02F2>
Q 3S02F2，Q 4S0F2、Q 4S0F2，Q 5S02、Q 5S02% a6HF、a 6H/}，分别构造出对应的六种决策函数Fj (s)；
从而得到混合气体中某种单一气体的体积分数Cfh (S)，并将此关系所述的单片机中以程 序反应；
I ,,2 1 = Σ
mm -||β ||2
sL、ω.、) + Z卜乂.. - ε, > + Σ·( , — ) — 'Τ.V-,Cai + α*) ()
=ι =1支持向量回归机决策函数F(S),表达式为J'(s) = -a*)K(s,sl)+b(.2)
i=l其中a p a ^为支持向量，b为阈值。本实用新型的便携式光声光谱检测装置外壳为金属材料，长为50(T600mm，宽为35(T450mm，高为40(T500mm，分为上下两层，并用l(T30mm厚的隔板隔开，在隔板上设有与光学器件尺寸相匹配的凹槽，用于将所述的抛物柱面镜、斩波器、滤光片轮、光声池及真空泵等进行固定，使其不因所述外壳的搬动而影响测量精度和测量结果，下层用于固定所述的斩波器控制器、锁相放大模块、A/D转换器、单片机、工作电源及液晶驱动及显示屏等，在所述外壳的侧面开一个与所述液晶驱动及显示屏尺寸相匹配的矩形孔，用于安装所述的液晶驱动及显示屏，然后在所述外壳的左右两侧分别设有安装把手的孔，用于安装方便手提的把手。所述的抛物柱面镜为市购产品，用于将所述红外光源发出来的光通过在抛物柱面镜上的反射而自动聚焦。所述的进气阀和出气阀均为电磁阀，电磁阀的线圈通过电源线与所述的工作电源的输出端连接，以便自动控制被测SF6分解组分的进气和出气。所述的滤光片和滤光片轮为市购产品，滤光片安装在滤光片轮的孔中，滤光片轮通过步进电机驱动旋转，用以切换不同的特征滤光片到光路中，滤光片轮上各滤光片中心波长分别为7350nm(S02吸收峰中心波长)、4260nm(C02吸收峰中心波长)、7780nm(CF4吸收峰中心波长)、18550nm(S02F2吸收峰中心波长)、7440nm(S0F2吸收峰中心波长)、2740nm(HF吸收峰中心波长)，只允许其中心波长的红外光通过，滤掉剩余频带的红外光，通过信号电缆将滤光片轮与单片机连接，单片机发出信号控制滤光片轮内的步进电机旋转，进而控制不同特征波长的红外光通过滤光片经光窗射入光声池内，在不同波长下的检测即反映了不同气体组分的含量。[0036]所述的光声池为一阶纵向共振光声池，在光声池的圆柱体内的轴向中心处设置谐振腔，谐振腔的内壁经抛光处理，用以产生光声信号，在谐振腔的两端还分别设有缓冲气室，用以减小所述光窗吸收红外光产生的噪声对光声信号造成的干扰，同时在所述的光声池的上端设有一通孔，所述的微音器固接在此通孔处，并通过所述的信号电缆与所述的锁相放大模块的输入端连接，所述的微音器将谐振腔产生的光声信号转换成电信号后通过信号电缆传输给所述的锁相放大模块进行检测，然后又通过信号电缆与所述的A/D转换器连接，再将出来的数字信号输入单片机进行处理。所述的锁相放大模块为市购产品，测量范围5nV"lV,测量频率范围是IOHf 45kHz，所述锁相放大模块的参考端通过信号电缆与所述的斩波器控制器连接，用以将参考频率信号由斩波器控制器传输至所述的锁相放大模块，所述锁相放大模块的输入端通过信号电缆与所述的微音器连接，锁相放大模块的输出端与A/D转换器连接，A/D转换器输出通过数据线与所述的单片机连接，将检测到的光 声信号值传输至所述的单片机，所述的单片机运用计算程序将光声信号值转换成气体浓度值，并将结果在所述的液晶驱动及显示屏的组分浓度区进行显示。工作电源主要由变压器、整流模块和锂电池构成。变压器的原边通过电源线经机箱面板上的电源插座与市电连接，变压器的副边与整流模块的输入端相连接，整流模块的输出端与锂电池并联后，再与机箱面板上的所述电源开关串联，然后通过电源线分别与所述的红外光源、斩波器、滤光片轮、微音器、温度传感器、气压传感器、斩波控制器、锁相放大单元、A/D转换器、单片机、液晶驱动及显示屏、真空泵、进气阀和出气阀线圈的电源端相接，用以供给上述各元件的工作电源。锂电池与变压器和整流模块采用浮充运行方式，为本装置提供可靠的工作电源，能够满足电压、电流和稳定性等要求。单片机为市购产品，所述的温度传感器输出经所述的信号电缆与所述的单片机相连，所述的单片机进行数据的存储和处理后，通过所述的信号电缆与所述液晶驱动及显示屏的输入端连接，将处理的结果在所述的液晶驱动及显示屏上的温度区显示，所述的气压传感器采集的所述光声池内部的气压信号经信号电缆线连接到所述的A/D转换器，转换成数字信号，然后输入到所述的单片机进行数据的存储和处理，所述单片机输出通过信号电缆与所述的液晶驱动及显示屏的输入端连接，将处理的结果在所述的液晶驱动及显示屏上的气压区显示，所述的斩波控制器和所述的微音器输出分别与所述的锁相放大模块输入连接，所述锁相放大模块输出经过所述的A/D转换器后与所述的单片机连接，所述的单片机进行对输入的光声信号进行分析和处理，并对相应的组分浓度进行计算，并通过信号线与所述液晶驱动及显示屏的输入端连接，将光声信号和计算的浓度结果分别在所述的液晶驱动及显示屏上的光声信号区和分解组分浓度区显示，所述的单片机与所述的滤光片轮连接，用于控制其按照固定的方向和角度旋转，所述的单片机还用于控制进气阀门、出气阀门以及真空泵的自动开断，大大降低人工操作量，使得操作更加方便、简捷。温度传感器为市购产品，是一种一线式数字温度传感器，将半导体温敏器件、A/D转换器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上，它具有微型化、低功耗、高性能抗干扰能力、强易配处理器等优点，可以直接将温度转化成串行数字信号给所述的单片机处理，温度测试范围为-55、125°C，测温分辨率优于O. 1°C，具有超低功耗工作方式。所述的温度传感器装设在所述光声池的外表面上。[0041]气压传感器为市购产品，温度补偿范围为-4(T+125 °C，压力范围为20kPa 2050kPa，输出电压信号范围为O. 3 4. 65V，测量精度为O. 1%VFSS，同时具有良好的线性，所述的气压传感器置入光声池内部，用于测量光声池内部的气压，气压传感器输出经信号电缆进入A/D转换器进行模数转换，再输入所述的单片机进行处理，单片机通过信号线与液晶显示驱动模块的输入端连接，将所述光声池内部的气压值在所述液晶驱动及显示屏上的气压区实时显不，便于控制向光声池内充气和抽气。A/D转换器为市购产品，可单、双电源供电，电压范围为5 40V，脉冲输出可兼容任何逻辑形式，内部具有温度补偿能隙基准电路，因而具有极佳的温度稳定性，频率范围为IHf 100kHz，最大非线性误差为O. 01%，用于将所述气压传感器和锁相放大模块输出的模拟信号转换成数字信号传输到所述的单片机进行处理。液晶驱动及显示屏为市购产品，长为15(T200mm、宽为8(Tl20mm,能够分段显示， 工作电流仅为几微安，同时可以显示大量信息，除了数字外，还可以显示文字、曲线，液晶驱动及显示屏的输入端通过信号线与所述的单片机连接，用于分别显示所述单片机经处理后输出的所述光声池内温度值和气压值、所述锁相放大模块得到的光声信号值及各分解组分的浓度。本实用新型的的检测方法具体步骤为( I)现场测量前准备，对装置进行调试和气密性检测，并清洗光声池；(2)确定光声信号和组分浓度之间的函数关系①数据采样用配气装置将所要测量的六种单一气体C02、CF4, SO2F2, SOF2, SO2, HF配比成不同体积分数的标准单一气体，同时用配气装置将所要测量的六种单一气体C02、CF4, SO2F2,SOF2, SO2, HF配比成不同体积分数的混合气体；通过所述的单片机控制所述的进气阀自动开启，分别向所述的光声池内部充入配好的气体，再通过所述的单片机程序控制滤光片轮旋转，依次将中心波长分别为4260nmC02吸收峰中心波长、7780nmCF4吸收峰中心波长、18550nmS02F2吸收峰中心波长、18860nmS0F2吸收峰中心波长、7350nmS02吸收峰中心波长、2740nmHF吸收峰中心波长)的滤光片旋转至光路中，并依次记下每个滤光片所对应的所述液晶驱动及显示屏上光声信号区显示的光声信号值S (S1, S2,…，S6),记录六种气体各种体积分数Ci= (C1,C2,…，C6),所述液晶驱动及显示屏上光声信号区显示的测得的光声信号值Si，其中i表示不同中心波长的滤光片，1-6分别代表C02、CF4, SO2F2, SOF2, SO2和HF气体对应的滤光片；Si (i=l, 2，3，4，5，6)与 Ci (i=l, 2，3，4，5，6)分别表示 CO2, CF4、SO2F2' S0F2、SO2和HF气体所对应的光声信号值和气体体积分数。②交叉响应处理对光声信号值Si进行交叉响应处理，结合支持向量回归机方法依次计算支持向量回归机决策函数以及计算克服交叉响应后的混合气体中某种单一气体的体积分数& ;将每个滤光片所对应的所述液晶驱动及显示屏上光声信号区显示锁相放大模块测得的交叉响应光声信号值Si作为输入特征量，将混合气体中某种气体的体积分数作为输出Cp采用支持向量回归机方法消除交叉响应，实现对混合气体中某种气体体积分数的精确检测； (3)测SF6局部放电分解气检体的浓度将所述的便携式SF6分解组分的光声光谱检测装置放置在现场的合适位置，进气管与GIS的出气接口连接，开机；单片机自动控制所述进气阀的自动关闭，所述出气阀自动开启，所述真空泵也自动开启，对所述光声池抽真空，当所述液晶驱动及显示屏上对应的气压模块显示的气压值小于O. 005MPa时，所述的单片机自动控制所述出气阀和真空泵自动关闭，静置所述光声池一段时间后，又自动控制所述进气阀的开启，向所述的光声池内充入一个气压的SF6分解气体，所述的进气阀又自动关闭；再通过所述单片机控制所述滤光片轮旋转，依次将中心波长分别为4260nmC02吸收峰中心波长、7780nmCF4吸收峰中心波长、18550nmS02F2吸收峰中心波长、18860nmS0F2吸收峰中心波长、7350nmS02吸收峰中心波长、2740nmHF吸收峰中心波长的滤光片旋转至光路中，通过所述微音器检测到的光声信号通过所述的A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，再通过信号电缆与所述的单片机连接，通过上述基于支持向量机所编的计算程序将测得的光声信号转换成相对应的组分浓度，并将所得到的浓度值在所述的液晶驱动及显示屏的分解组分浓度区上显示；(4)设备维护。
本实用新型的有益效果是在现有红外光声光谱检测系统基础上，结合单片机、光声池、锁相放大模块、温度和气压测量模块和液晶驱动及显示屏等实现对红外光声光谱检测系统的自动控制和实时数字显示，使得红外光声光谱检测装置携带方便、操作简单、检测精度高，有利于此实用新型装置便于用于现场，对实际GIS中的SF6气体局部放电分解气体进行检测和分析，从而判断绝缘缺陷的类型和程度，为GIS设备的绝缘水平的判断和状态检修提供依据。本实用新型可广泛用于SF6气体绝缘金属封闭电气设备中局部放电的在线监测，特别适用于GIS设备中SF6气体局部放电分解组分的检测，提供了一种便于用在现场的便携式光声光谱检测装置，具有操作简单、方便，检测精度高等优点。

图I为便携式SF6分解组分的光声光谱检测装置图；图中1外壳；2抛物面柱镜；3红外光源；4斩波器；5滤光片轮；6滤光片；7光窗；8光声池；9气压传感器；10温度传感器；11微音器；12信号传输电缆；13进气阀；14出气阀；15输气管；16真空泵；17斩波器控制器；18锁相放大模块；19A/D转换器；20单片机；21工作电源；22液晶驱动及显示屏。
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明。图I中，它包括外壳I，在外壳I内设有抛物面柱镜2，在抛物面柱镜2上设有红外光源3,在抛物面柱镜2前方依次设有斩波器4、滤光片轮5以及光声池8,在滤光片轮5上设有若干沿圆周方向均勻分布的若干滤光片6,红外光线穿过滤光片6进入光声池8的光窗7 ;光声池8设有微音器11、气压传感器9、温度传感器10,光声池8与输气管15和真空管路连接，真空管路与真空泵16连接；斩波器4与斩波器控制器17连接，滤光片轮5与单片机20连接，微音器11与锁相放大模块18，气压传感器9与单片机20连接，温度传感器10与A/D转换器19连接，A/D转换器19与锁相放大模块18连接，单片机20与液晶驱动及显示屏22和工作电源21连接。[0060]外壳I分为上下两层，用隔板隔开，抛物面柱镜2、红外光源3、斩波器4、滤光片轮5以及光声池8固装在外壳I上层；斩波器控制器17、锁相放大模块18、A/D转换器19、单片机20、稳压器21、液晶驱动及显示屏22固装在下层。所述光声池8与输气管15和真空管路的连接处分别设有进气阀13和出气阀14。所述光声池8为一阶纵向共振光声池,在光声池8的圆柱体内的轴向中心处设置谐振腔，谐振腔的内壁经抛光处理，用以产生光声信号，在谐振腔的两端还分别设有缓冲气室，用以减小所述光窗7吸收红外光产生的噪声对光声信号造成的干扰，同时在所述的光声池8的上端设有一通孔；所述的微音器11固接在此通孔处，并通过所述的信号电缆12与所述的锁相放大模块18的输入端连接，所述的微音器11将谐振腔产生的光声信号转换成电信号后通过信号电缆12传输给所述的锁相放大模块18进行检测，然后又通过信号传输电缆12与所述的A/D转换器19连接，再将出来的数字信号输入单片机20进行处理。所述工作电源21主要由变压器、整流模块和锂电池构成，变压器的原边与市电连 接，变压器的副边与整流模块的输入端相连接，整流模块的输出端与锂电池并联后，再与电源开关串联，然后通过电源线分别与所述的红外光源3、斩波器4、滤光片轮5、微音器11、温度传感器10、气压传感器9、斩波器控制器17、锁相放大模块18、A/D转换器19、单片机20、液晶驱动及显示屏22、真空泵16、进气阀13和出气阀14线圈的电源端相接，用以供给上述各元件的工作电源；锂电池与变压器和整流模块采用浮充运行方式。一种便携式SF6分解组分的光声光谱测试方法，利用本实用新型装置，对GIS模拟元件中的SF6气体的局部放电分解组分进行检测的具体步骤如下(I)现场测量前准备①调试和气密性检测在将所述的便携式SF6分解组分光声光谱检测装置用于现场检测之前，在实验室应对其进行调试和气密性检测，首先用无水酒精清洗光声池的内壁，除去池内壁的杂质，待光声池风干后，再安装温度传感器、气压传感器、微音器、进出气管、进出气阀、光窗等部件；然后调整红外光源、斩波器、滤光片轮、光窗和光声池的位置，保证各部件和光声池的中心在同一水平线上，使得红外光能够准确直射透过各个部件，射入光声池，并对各元件进行固定，再按用所述的信号传输线按要求连接电路，确定电路连接无误后，将所述工作电源输入端的插头与220V三相电连接，然后打开所述的电源开关给所述的单片机、液晶驱动及显示屏、气压传感器、进气阀和出气阀线圈供电，所述的单片机自动控制所述进气阀的自动关闭，所述出气阀自动开启，所述真空泵也自动开启，对所述光声池抽真空，当所述液晶驱动及显示屏上对应的气压模块显示的气压值小于O. 005MPa时，所述的单片机自动控制所述出气阀和真空泵自动关闭，静置一段时间后，再观察所述液晶驱动及显示屏上对应的气压模块的示数，如基本保持不变，则说明本装置的所述光声池在真空下的气密性良好。然后，所述的进气阀自动开启，向所述的光声池内缓缓的充入SF6气体，当所述液晶驱动及显示屏上对应的气压模块显示的气压值为O. 2 O. 25MPa时，所述的进气阀自动关闭，静置一段时间后，如果所述液晶驱动及显示屏上对应的气压模块的示数保持不变，则说明本装置的所述光声池在高气压下的气密性良好。②清洗光声池在(I)一①步完成后，所述的单片机自动控制所述的出气阀和所述真空泵自动开启，对所述的光声池抽真空，当所述的光声池真空度小于O. 005MPa时，所述的出气阀和真空泵自动关闭，然后所述的进气阀自动开启，向所述的光声池内充入空气，直到所述光声池内气压值为O. IMPa时为止，所述的进气阀又自动关闭，对所述的光声池进行清洗。接着按前述操作步骤，先抽真空，再充入空气清洗，如此重复冲洗2 4次，并所述的进气阀自动关闭，清洗后通过所述的真空泵自动开启，将所述光声池抽真空，最后所述真空泵自动关闭。(2)确定光声信号和组分浓度之间的函数关系①数据采样第(I)步完成后，用配气装置将所要测量的六种单一气体(C02、CF4, SO2F2, SOF2,SO2, HF)配比成不同体积分数的标准单一气体，同时用配气装置将所要测量的六种单一气体(C02、CF4, SO2F2, SOF2, SO2, HF)配比成不同体积分数的混合气体。先通过所述的单片机控制所述的进气阀自动开启，分别向所述的光声池内部充入配好的气体，再通过所述的单片机程序控制滤光片轮旋转，依次将中心波长分别为4260nm(C02吸收峰中心波长)、7780nm(CF4吸收峰中心波长)、18550nm(SO2F2吸收峰中心波长)、18860nm(S0F2吸收峰中心 波长)、7350nm(S02吸收峰中心波长)、2740nm(HF吸收峰中心波长)的滤光片旋转至光路中，并依次记下每个滤光片所对应的所述液晶驱动及显示屏上光声信号区显示的光声信号值S = (S1, S2, ···, S6),记录六种气体各种体积分数Ci= (C1, C2, ···, C6),下所述液晶驱动及显示屏上光声信号区显示的测得的光声信号值Si (其中i表示不同中心波长的滤光片，1-6分别代表C02、CF4, SO2F2, SOF2, SO2和HF气体对应的滤光片；如S1表示测得CO2气体的光声信号值，C1表示光声信号S1对应的CO2气体在混合体积中的体积分数，以此类推)。②交叉响应处理第(2)-①步完成后，需要对光声信号值Si进行交叉响应处理，结合支持向量回归机方法依次计算支持向量回归机决策函数以及计算克服交叉响应后的混合气体中某种单一气体的体积分数具体为将每个滤光片所对应的所述液晶驱动及显示屏上光声信号区显不锁相放大模块测得的交叉响应光声信号值Si作为输入特征量,将混合气体中某种气体的体积分数作为输出Cj，采用支持向量回归机方法消除交叉响应，实现对混合气体中某种气体体积分数的精确检测。输入特征量Si实际上对应多维空间中的一个点，而这些点在空间中具有一定的分布规律，需要通过某种方法，寻求这种分别规律，从而得到相应的函数解析式。支持向量回归机原理就是寻求一个超平面，使得样本尽可能或者全部在超平面上，不在超平面上的样本具有一点的裕度范围ε，即优化下列问题
Iwφφ
I11 i|2L = --Y^{ai-a；){ai-a')K{si,si)
mm -IIfflII2Itjti
_yηη(I)
s.t. (ω-s^+b-y^ <ε,+Σ-ν;(% —%*)—+%*)
yt - (m-st)-b<s, =1 =1建立支持向量回归机决策函数F(s),表达式为/-'(.V) = J\(at -a*)K(s,st)+b(2)
i=l其中α P a J为支持向量，b为阈值。[0079]F(S)其物理意义是混合气体中某类单一气体的气体体积分数C」。交叉响应处理的具体步骤如下I)初始化设置用于高斯核函数K(S，Si)=eXp(-|S-Si|2/2。2)的参数。和支持向量回归机的预设误差限ε。利用网格搜索法，寻找这两个参数的最优组合，寻优区间分别为(0，10)和(0，1)，寻优过程选格点数为1*10，搜索步长为O. 1，当均方差最小时获得最优参数组合
(σ , ε )。2)构建支持向量回归机第I)步完成后,将建立生成降低混合气体光声信号交叉响应的支持向量回归机。 首先建立降低混合气体中CO2光声信号交叉响应支持向量回归机,输入为每个滤光片所对应的锁相放大器测得的交叉响应光声信号值Si,输出为混合气体中SF6气体的体积分数Cp支持向量回归机的预设误差限ε通过第I步初始化为O. 01。当生成降低混合气体中CO2光声信号交叉响应的支持向量回归机构建完毕之后，利用高斯核函数分布函数来训练该支持向量回归机，获得标准输入输出模型，建立支持向量回归机学习样本库。将输出改变为混合气体中CF4气体的体积分数C2，输入不变则可以生成降低混合气体中CF4光声信号交叉响应的支持向量回归机。同理，分别改变输出为S02F2、SOF2, SO2和HF气体的体积分数C3、C4、C5以及C6，则可以分别生成降低混合气体中SO2F2、SOF2、SO2和HF气体光声信号交叉响应的支持向量回归机。3)训练样本库(此步为训练我们在第2)步中所建立的支持向量回归机，训练完毕之后，在实际应用时直接使用)第2)步完成后，训练样本库用实验获得的用光声信号值Si (CO2光声信号、CF4光声信号、SO2F2光声信号、SOF2光声信号、SO2光声信号、HF光声信号)样本分为训练样本S-Train和测试样本S-Test,选取S-Train并结合先验知识来训练上述模型,根据式(I)计算出混合气体中各种单一气体对应的支持向量集合{ a lCo2B、a lCo2B* ； a 2CF4> a 2CF4*, a 3S02F2>
Q 3S02F2，Q 4S0F2、Q 4S0F2，Q 5S02、Q 5S02% a6HF、a 6H/}，分别构造出对应的六种决策函数Fj (s)。
从而得到混合气体中某种单一气体的体积分数Cfh (S)，并将此关系所述的单片机中以程
序反应。(3)测SF6局部放电分解气检体的浓度将所述的便携式SF6分解组分的光声光谱检测装置放置在现场的合适位置，将所述的进气管与GIS的出气接口连接，然后将所述工作电源输入端的插头与220V市电连接，然后打开所述的电源开关给所述的单片机、液晶驱动及显示屏、气压传感器、进气阀和出气阀线圈供电，所述的单片机自动控制所述进气阀的自动关闭，所述出气阀自动开启，所述真空泵也自动开启，对所述光声池抽真空，当所述液晶驱动及显示屏上对应的气压模块显示的气压值小于O. 005MPa时，所述的单片机自动控制所述出气阀和真空泵自动关闭，静置所述光声池一段时间后，又自动控制所述进气阀的开启，向所述的光声池内充入一个气压的SF6分解气体，所述的进气阀又自动关闭。再通过所述单片机控制所述滤光片轮旋转，依次将中心波长分别为4260nm(C02吸收峰中心波长)、7780nm(CF4吸收峰中心波长)、18550nm(SO2F2吸收峰中心波长)、18860nm(S0F2吸收峰中心波长)、7350nm(S02吸收峰中心波长)、2740nm(HF吸收峰中心波长)的滤光片旋转至光路中，通过所述微音器检测到的光声信号通过所述的A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，再通过信号电缆与所述的单片机连接，通过上述基于支持向量机所编的计算程序将测得的光声信号转换成相对应的组分浓度，并将所得到的浓度值在所述的液晶驱动及显示屏的分解组分浓度区上显示。(4)设备维护在第(3)步完成后，在GIS接口处取下所述的进气管，所述的单片机控制所述出气阀和真空泵自动开启，将所述光声池中的气体抽至室外排放，然后又自动关闭所述出气阀和真空泵，打开进气阀门充入空气，然后依次打开所述出气阀门和真空泵，将光声池中的气体抽至室外排放，重复以上操作2 4次，用空气将光声池清洗干净，防止SF6局部放电分解组分中的酸性气体腐蚀光声池。本实用新型采用上述技术方案后，主要有以下效果(I)本实用新型装置的灵敏度高，能有效检测出低至O. I μ L/L的S02、CO2, CF4,SO2F2, SOF2等气体组分，能够对六氟化硫局部放电下分解组分进行准确的定性和定量分析，准确性高。(2)本实用新型装置是便携式光声光谱检测装置，能够方便用于现场，对实际GIS中六氟化硫的分解组分进行检测和分析，其优点在于一是该装置不需要通过采气袋采气，直接将输气管与GIS出气口连接，然后注入到光声光谱检测装置中，不会因为采气袋的密封性、采集过程和存放时间等因素的而影响检测精度；二是该装置体积小，便于携带，而且整套检测系统构成一个完整的整体，消除了光声检测系统外部环境对其检测精度的影响，相对于现有的光声光谱检测装置，检测精度和稳定性都有较大的提高；三是在检测方法中，检测过程都是全自动运行，大大减少了人工操作量，读数直接通过液晶驱动及显示屏进行显示，并且具有存储功能，便于现场自动检测。
权利要求1.一种便携式SF6气体分解物的光声光谱检测装置，其特征是，它包括外壳，在外壳内设有抛物面柱镜，在抛物面柱镜上设有红外光源，在抛物面柱镜前方依次设有斩波器、滤光片轮以及光声池，在滤光片轮上设有若干沿圆周方向均匀分布的若干滤光片，红外光线穿过滤光片进入光声池的光窗；光声池设有微音器、气压传感器、温度传感器，光声池与输气管和真空管路连接，真空管路与真空泵连接；斩波器与斩波器控制器连接，滤光片轮与单片机连接，微音器与锁相放大模块，气压传感器与单片机连接，温度传感器与A/D转换器连接，A/D转换器与锁相放大模块连接，单片机与液晶驱动及显示屏和工作电源连接。
2.如权利要求I所述的便携式SF6气体分解物的光声光谱检测装置，其特征是，所述外壳分为上下两层，用隔板隔开，抛物面柱镜、红外光源、斩波器、滤光片轮以及光声池固装在外壳上层；斩波器控制器、锁相放大模块、A/D转换器、单片机、稳压器、液晶驱动及显示屏固装在下层。
3.如权利要求I所述的便携式SF6气体分解物的光声光谱检测装置，其特征是，所述光声池与输气管和真空管路的连接处分别设有进气阀和出气阀。
4.如权利要求I所述的便携式SF6气体分解物的光声光谱检测装置，其特征是，所述光声池为一阶纵向共振光声池，在光声池的圆柱体内的轴向中心处设置谐振腔，谐振腔的内壁经抛光处理，用以产生光声信号，在谐振腔的两端还分别设有缓冲气室，用以减小所述光窗吸收红外光产生的噪声对光声信号造成的干扰，同时在所述的光声池的上端设有一通孔；所述的微音器固接在此通孔处，并通过所述的信号电缆与所述的锁相放大模块的输入端连接，所述的微音器将谐振腔产生的光声信号转换成电信号后通过信号电缆传输给所述的锁相放大模块进行检测，然后又通过信号电缆与所述的A/D转换器连接，再将出来的数字信号输入单片机进行处理。
5.如权利要求I所述的便携式SF6气体分解物的光声光谱检测装置，其特征是，所述工作电源主要由变压器、整流模块和锂电池构成，变压器的原边与市电连接，变压器的副边与整流模块的输入端相连接，整流模块的输出端与锂电池并联后，再与电源开关串联，然后通过电源线分别与所述的红外光源、斩波器、滤光片轮、微音器、温度传感器、气压传感器、斩波控制器、锁相放大单元、A/D转换器、单片机、液晶驱动及显示屏、真空泵、进气阀和出气阀线圈的电源端相接，用以供给上述各元件的工作电源；锂电池与变压器和整流模块采用浮充运行方式。
专利摘要本实用新型涉及一种便携式SF6气体分解物光声光谱检测装置，具有灵敏度高、自动实现检测和浓度换算、检测速度快、精度高、易携带、适合在线监测。在外壳内设有抛物面柱镜，抛物面柱镜上设有红外光源，抛物面柱镜前方设有斩波器、滤光片轮、光声池，滤光片轮上设有若干沿圆周方向均匀分布的若干滤光片；光声池设有微音器、气压传感器、温度传感器，光声池与输气管和真空管路连接，真空管路与真空泵连接；斩波器与斩波器控制器连接，滤光片轮与单片机连接，微音器与锁相放大模块，气压传感器与单片机连接，温度传感器与A/D转换器连接，A/D转换器与锁相放大模块连接，单片机与液晶驱动及显示屏和工作电源连接。
文档编号G01N21/35GK202631418SQ201220305580
公开日2012年12月26日 申请日期2012年6月27日 优先权日2012年6月27日
发明者云玉新, 姚金霞, 赵笑笑, 李秀卫, 王辉, 郑建 申请人:山东电力集团公司电力科学研究院, 国家电网公司