一种光声光谱多组分气体分析仪器的性能评价装置及方法与流程

本发明涉及高电压技术和气体检测技术领域，具体而言，涉及一种光声光谱多组分气体分析仪器的性能评价装置及方法。

背景技术：

国家电网的发展将大电网安全和构建高效、安全、坚强的智能电网作为重要建设目标。随着特高压互联电网的高速发展，新建变电站和新投入的主变电站每年以7％—10％的速度增长。受国家电力系统高速发展和对变压器在线监测设备需求的牵引，新型变压器油中溶解气体分析（dga）在线监测技术快速发展，用先进的光声光谱变压器dga在线监测技术取代气相色谱在线监测技术已成为电力系统普遍的共识。光声光谱dga方法近年来在电力系统大型变压器在线监测领域得到越来越广泛的应用，不同技术来源和生产厂家的产品有不同的技术特点和现场环境适应性，为对此类产品的主要技术性能进行准确的评定分级，需要建立一套高效可靠的测试流程和方案。光声光谱多组分气体分析仪器对环境噪声的敏感程度直接影响该装置的实际检测灵敏度极限指标和抗干扰能力；气体的红外吸收光谱之间的交叉干扰是光声光谱检测装置气体浓度测量误差的主要来源，直接影响其气体测量的选择性指标。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提出了一种光声光谱多组分气体分析仪器的性能评价装置及方法，旨在解决现有技术中难以对光声光谱多组分气体分析仪器的技术性能进行准确评价的问题。

一个方面，本发明提出了一种光声光谱多组分气体分析仪器的性能评价装置，包括：隔音箱、高纯氮气输送系统、待测气体输送系统、盐溶液盛放容器和气体混合室；其中，所述盐溶液盛放容器的进口与所述高纯氮气输送系统的出口连通，所述盐溶液盛放容器的出口与所述气体混合室的第一进口连通，用以使得从所述高纯氮气流量管路流出的高纯氮气先流经所述盐溶液盛放容器中的盐溶液后再进入所述气体混合室中；所述待测气体输送系统的出口与所述气体混合室的第二进口连通；所述隔音箱内设置有环境噪声模拟装置和待评价光声光谱仪，所述待评价光声光谱仪的进气口与所述气体混合室的出口连通，用以检测进入所述气体混合室中的气体的浓度；所述环境噪声模拟装置设置在所述待评价光声光谱仪的一侧，用以模拟所述待评价光声光谱仪工作时的环境噪音。

进一步地，上述性能评价装置中，所述环境噪声模拟装置包括：控制器、信号发生器、扬声器和声压计；其中，所述声压计与所述扬声器的输出端连接，用以检测所述扬声器输出的噪声的声压；所述信号发生器与所述扬声器的输入端连接，用以驱动所述扬声器工作；所述控制器与所述声压计及所述信号发生器均连接，用以根据所述声压计获取的声压数据，控制所述信号发生器驱动所述扬声器工作，从而使所述隔音箱中的声压维持在预设范围内。

进一步地，上述性能评价装置中，还包括：干扰气体输送系统；其中，

所述干扰气体输送系统的出口与所述气体混合室的进口连通。

本发明中，通过环境噪声模拟装置模拟真实工作环境下，噪声对测量结果的影响，从而有利于评价光声光谱仪的耐受环境噪声干扰的能力；同时还可以更换不同种类和浓度的测试气体，结合特定的信号处理方法，实现气体交叉敏感性和检测极限的测试，通过对待评价光声光谱仪的关键技术指标进行准确、高效、可靠的性能评价，可最大限度地减小误报警或者漏报警造成的危害和损失。

另一方面，本发明还提出了一种光声光谱多组分气体分析仪器的性能评价方法，包括以下步骤：关闭环境噪声模拟装置，并将盐溶液盛放容器中的溶液排出，通入高纯氮气清洗气路，然后启动待评价光声光谱仪的气体循环测量程序，完成1次循环采样和测量过程后记录待测气体的本底浓度测试数据组a1；对所述数据组a1进行处理得到待评价光声光谱仪对于待测气体中每种气体组分的零点偏差；打开环境噪声模拟装置，以预设声压强度进行连续声波频率扫描，并将待测气体通入待评价光声光谱仪中进行多次连续测量，记录待测气体的实际测量浓度数据组a2；根据所述数据组a2和所述待评价光声光谱仪对于每种气体组分的零点偏差得到光声池噪声频率响应曲线，用于定量表征所述待评价光声光谱仪耐受环境噪声干扰的能力。

进一步地，上述性能评价方法中，所述预设声压强度为90-100db。

进一步地，上述性能评价方法中，所述对数据组a1的处理步骤包括：

将所述数据组a1中记录的待测气体中各气体组分的本底浓度数据分别求标准差，以所述标准差的3倍作为该待评价光声光谱仪的对相应气体组分的最低检测下限浓度的实测指标，并对各所述气体组分的最低检测下限浓度的实测指标求平均值后与浓度零点的差值作为所述待评价光声光谱仪对于该种气体组分的零点偏差。

进一步地，上述性能评价方法中，还包括：经待测气体输送系统向所述气体混合室中通入第一预设浓度的待测气体，或者同时通过高纯氮气输送系统向所述气体混合室中通入高纯氮气对所述待测气体进行稀释，并通过待评价光声光谱仪对不同情况下的气体进行多次循环测量，记录待测气体的实际测量浓度数据组a3；将所述数据组a3求平均值后，减去待测气体对应的标准气体的已知浓度后取绝对值，得到第一预设浓度情况下，所述待评价光声光谱仪的测量误差。

进一步地，上述性能评价方法中，还包括：经待测气体输送系统向所述气体混合室中通入第一预设浓度的待测气体，经干扰气体输送系统向所述气体混合室中通入第二预设浓度的干扰气体，并通过高纯氮气对所述干扰气体进行稀释后，对进入待评价光声光谱仪中的气体进行测量，记录待测气体的实际测量浓度数据组a4；其中，所述第二预设浓度为所述第一预设浓度的10-100倍；

根据所述数据组a4得到第二预设浓度的干扰气体对第一预设浓度的待测气体的干扰影响程度。

进一步地，上述性能评价方法中，所述待测气体为co、co2、ch4、c2h6、c2h4和c2h2的混合气。

进一步地，上述性能评价方法中，所述干扰气体为co、co2、ch4、c2h6、c2h4和c2h2中的一种或多种。

进一步地，上述性能评价方法中，还包括：在盐溶液盛放容器中先后放入不同的盐溶液，使得高纯氮气输送系统输送的高纯氮气分别流经所述不同浓度的盐溶液后，进入气体混合室中与待测气体混合，通过待评价光声光谱仪对所述待测气体进行多次循环测量，记录待测气体的实际测量浓度数据组a5；将所述数据组a5减去待测气体对应的标准气体的已知浓度后取绝对值，取其中最大值表征该光声光谱仪器耐受湿度干扰的能力。

本发明提供的光声光谱多组分气体分析仪器的性能评价方法，通过获取待测气体的本底浓度测试数据组后得到光声光谱仪的零点偏差，同时得出光谱光谱仪对每种气体组分的最低检测极限，根据有环境噪声影响情况下的测量数据和所述待评价光声光谱仪的零点偏差得到光声池噪声频率响应曲线，实现对光声光谱仪环境噪声干扰能力的评价；并通过加入干扰气体，实现对光声光谱仪的气体交叉敏感性的评价，有利于最大限度地减小误报警或者漏报警造成的危害和损失。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的光声光谱多组分气体分析仪器的性能评价装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的光声光谱多组分气体分析仪器的性能评价方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

装置实施例：

参阅图1，本发明实施例的光声光谱多组分气体分析仪器的性能评价装置包括：隔音箱1、高纯氮气输送系统6、待测气体输送系统7、盐溶液盛放容器4和气体混合室3；其中，所述盐溶液盛放容器4的进口与所述高纯氮气输送系统6的出口连通，所述盐溶液盛放容器4的出口与所述气体混合室3的第一进口连通，用以使得从所述高纯氮气流量管路6流出的高纯氮气先流经所述盐溶液盛放容器4中的盐溶液后再进入所述气体混合室3中；所述待测气体输送系统7的出口与所述气体混合室3的第二进口连通；所述隔音箱1内设置有环境噪声模拟装置和待评价光声光谱仪（图中未示出），所述待评价光声光谱仪的进气口与所述气体混合室3的出口连通，用以检测进入所述气体混合室3中的气体的浓度；所述环境噪声模拟装置设置在所述待评价光声光谱仪的一侧，用以模拟所述待评价光声光谱仪工作时的环境噪音。

具体而言，高纯氮气输送系统6可以由高纯氮气流量控制器62和高纯氮气瓶61组成，通过高纯氮气流量控制器62可以调节高纯氮气瓶61中高纯氮气的流量。高纯氮气瓶61中高纯氮气的纯度不低于99.999%。

本实施例中，待测气体可以为待测变压器油中的混合气体，也可以由标准气体来模拟。为了操作方便，待测气体由标准气体来模拟。待测气体输送系统7可以由标准气瓶组71和标准气流量控制器72组成，通过标准气流量控制器72控制标准气瓶组71中标准气的流量。标准气瓶组71可以由不同浓度的co、co2、ch4、c2h6、c2h4、c2h2混合而成，并采用氮气作为背景气体。

高纯氮气与标准气在气体混合室3中混合后经过进气管2通入到隔音箱1中的待测光声光谱仪器中。

盐溶液盛放容器4中的溶液5可以为由氯化钠、氯化镁等配置的饱和盐溶液，配置的溶液具有不同的饱和蒸汽压，每种盐的饱和溶液对应一个固定的湿度值，采用不同种类的盐就可以形成一系列的湿度点（例如可以配制湿度分别为15%、30%、50%和80%的盐溶液），以在不同的湿度值下检测待测气体的浓度数据。

所述环境噪声模拟装置包括：控制器（图中未示出）、信号发生器10、扬声器11和声压计12；其中，所述声压计12与所述扬声器11的输出端连接，用以检测所述扬声器11输出的噪声的声压；所述信号发生器10与所述扬声器11的输入端连接，用以驱动所述扬声器11工作；所述控制器与所述声压计12及所述信号发生器10均连接，用以根据所述声压计12获取的声压数据，控制所述信号发生器10驱动所述扬声器11工作，从而使所述隔音箱1中的声压维持在预设范围内。

扬声器11可以为具有较好的低频响应特性的喇叭，其与待评价光声光谱仪的距离可以保持在1m左右。声压计12的最低响应频率小于20hz。声压计12对声压进行测量，控制器根据声压测量结果调节信号发生器10使隔音箱1中的声压维持在50db左右。

本实施例中，还可以包括：干扰气体输送系统（图中未示出）；其中，所述干扰气体输送系统的出口与所述气体混合室3的进口连通。

具体而言，在待测气体为co、co2、ch4、c2h6、c2h4和c2h2的混合气的情况下，干扰气体可以为co、co2、ch4、c2h6、c2h4和c2h2中的一种或多种，并且干扰气体的浓度数量级要高于待测气体的浓度数量级，以更准确的评价干扰气体对待测气体的测量结果的影响。

上述显然可以得出，本实施例中提供的光声光谱多组分气体分析仪器的性能评价装置，通过环境噪声模拟装置模拟真实工作环境下，噪声对测量结果的影响，从而有利于评价光声光谱仪的耐受环境噪声干扰的能力；同时还可以更换不同种类和浓度的测试气体，结合特定的信号处理方法，实现气体交叉敏感性和检测极限的测试，通过对待评价光声光谱仪的关键技术指标进行准确、高效、可靠的性能评价，可最大限度地减小误报警或者漏报警造成的危害和损失。

方法实施例：

参见图2，本发明还提出了一种光声光谱多组分气体分析仪器的性能评价方法，包括以下步骤：

步骤s1，关闭环境噪声模拟装置，并将盐溶液盛放容器中的溶液排出，通入高纯氮气清洗气路，然后启动待评价光声光谱仪的气体循环测量程序，完成1次循环采样和测量过程后记录待测气体的本底浓度测试数据组a1；对所述数据组a1进行处理得到待评价光声光谱仪对于待测气体中每种气体组分的零点偏差。

由于开启电源后，环境噪声模拟装置会自动开启，因此，在进行本底浓度测量前，需要先关闭环境噪声模拟装置。同时需要排除湿度因素的影响，也需要将盐溶液盛放容器中的溶液排出。通入高纯氮气以1l/min的流速清洗气路10分钟后即可进行待测气体的本底浓度测试。

更具体的，对数据组a1的处理步骤包括：将所述数据组a1中记录的待测气体中各气体组分的本底浓度数据分别求标准差，以所述标准差的3倍作为该待评价光声光谱仪的对相应气体组分的最低检测下限浓度的实测指标，并对各所述气体组分的最低检测下限浓度的实测指标求平均值后与待评价光声光谱仪的浓度零点（在没有气体通入时光声光谱仪测得的浓度值）的差值作为所述待评价光声光谱仪对于该种气体组分的零点偏差。

步骤s2，打开环境噪声模拟装置，以预设声压强度进行连续声波频率扫描，并将待测气体通入待评价光声光谱仪中进行多次连续测量，记录待测气体的实际测量浓度数据组a2。预设声压强度为90-100db，例如94db。连续声波频率扫描范围可以为20-500hz，扫描速度限制在10hz/min以下。待评价光声光谱仪对待测气体进行连续测量的周期可以小于10s，也就是每10s内完成一次测试。

步骤s3，根据所述数据组a2和所述待评价光声光谱仪对于每种气体组分的零点偏差得到光声池噪声频率响应曲线，用于定量表征所述待评价光声光谱仪耐受环境噪声干扰的能力。

具体而言，将数据组a2中每种气体的浓度数据减去待评价光声光谱仪对于该种气体的零点偏差后做出光声池噪声频率响应曲线，得出最大影响频率处的噪声等效浓度，表示为nec=（x）ppm/pa（@xhz），nec表示待测气体中每种气体组分的浓度与噪声频率的关系函数，x表示测得的气体组分的浓度值，@xhz表示声波频率为xhz处。最大影响频率处的噪声等效乙炔浓度和频响曲线用于定量表征该光声光谱仪器耐受环境噪声干扰的能力。

本实施例还可以包括以下步骤：

步骤s4，经待测气体输送系统向所述气体混合室中通入第一预设浓度的待测气体，或者同时通过高纯氮气输送系统向所述气体混合室中通入高纯氮气对所述待测气体进行稀释，并通过待评价光声光谱仪对不同情况下的气体进行多次循环测量，记录待测气体的实际测量浓度数据组a3。

具体而言，第一预设浓度可以为10ppm，实际测量是，可以通过高纯氮气流量控制器和标准气流量控制器将高纯氮气和标准气的浓度比分别控制为0:1、1:1等，获取不同情况下的待测气体的浓度测量数据。

步骤s5，将所述数据组a3求平均值后，减去待测气体对应的标准气体的已知浓度后取绝对值，得到第一预设浓度情况下，所述待评价光声光谱仪的测量误差。

具体而言，第一预设浓度的浓度数值较低，相应的即可得到低浓度情况下，待评价光声光谱仪在的测量误差。

本实施例还可以包括以下步骤：

步骤s6，经待测气体输送系统向所述气体混合室中通入第一预设浓度的待测气体，经干扰气体输送系统向所述气体混合室中通入第二预设浓度的干扰气体，并通过高纯氮气对所述干扰气体进行稀释后，对进入待评价光声光谱仪中的气体进行测量，记录待测气体的实际测量浓度数据组a4；其中，所述第二预设浓度为所述第一预设浓度的10-100倍。

具体而言，待测气体为co、co2、ch4、c2h6、c2h4和c2h2的混合气。干扰气体为co、co2、ch4、c2h6、c2h4和c2h2中的一种或多种。为了得到准确、可靠的评价结果，干扰气体的浓度的数量级与待测气体的浓度数量级相差较大。例如待测气体的浓度为10ppm，干扰气体可以选择浓度为100ppm、200ppm的co2、ch4的混合气。通过高纯氮气对干扰气体进行稀释，可以得到不同浓度的干扰气体，从而有利于获取更充分的数据，使得评价结果更加准确可靠。例如可以先后通入以下干扰气体分别对10ppm的低浓度待测气体进行交叉敏感性测试：10ppm的co和1000ppm的co2的标准混合气体、10ppm的c2h2和1000ppm的co2的标准混合气体、10ppm的ch4和1000ppm的c2h6的标准混合气体、10ppm的c2h6和1000ppm的ch4的标准混合气体、10ppm的c2h4和1000ppm的ch4的标准混合气体、10ppm的c2h2和1000ppm的c2h6的标准混合气体、10ppm的c2h2和1000ppm的c2h4的标准混合气体，考察高浓度干扰气体对低浓度待测气体测量的影响，共进行5组测量，每次测量前用氮气进行气路清洗，每组进行3次循环测量得到数据组a4。

步骤s7，根据所述数据组a4得到第二预设浓度的干扰气体对第一预设浓度的待测气体的干扰影响程度。

具体而言，可以用低浓度气体的测量误差与干扰气体的浓度值之比的百分比形式，同时注明干扰气体种类来表示高浓度干扰气体对低浓度待测气体的干扰影响程度。此外，采用与步骤s5相同的方法，通过a4组数据还可以得到高浓度下的气体浓度测量误差。

本实施例还可以包括以下步骤：

步骤s8，在盐溶液盛放容器中先后放入不同的盐溶液，使得高纯氮气输送系统输送的高纯氮气分别流经所述不同浓度的盐溶液后，进入气体混合室中与待测气体混合，通过待评价光声光谱仪对所述待测气体进行多次循环测量，记录待测气体的实际测量浓度数据组a5。

具体而言，可以选取四种不同饱和蒸气压的盐溶液置于盐溶液盛放容器中，高纯氮气通入每种溶液中时，对待测气体进行3次循环测量，总共测试12组数据，得到数据组a5。本实施例中配制的盐溶液对应的湿度分别为15%、30%、50%和80%，得到的数据组a5即为待测气体中每种气体成分在各湿度点的浓度检测结果。

步骤s9，将所述数据组a5减去待测气体对应的标准气体的已知浓度后取绝对值，取其中最大值表征该光声光谱仪器耐受湿度干扰的能力。

本发明实施例中，也可以在步骤s2、步骤s4、步骤s6执行完毕后，再执行步骤s3、步骤s5和步骤s7。其中，步骤s2、步骤s4、步骤s6不分先后顺序。

需要说明的是，本发明中的评价方法与评价装置的原理相同，相关之处可以相互参照。

综上，本发明提供的光声光谱多组分气体分析仪器的性能评价方法，通过获取待测气体的本底浓度测试数据组后得到光声光谱仪的零点偏差，同时得出光谱光谱仪对每种气体组分的最低检测极限，根据有环境噪声影响情况下的测量数据和所述待评价光声光谱仪的零点偏差得到光声池噪声频率响应曲线，实现对光声光谱仪环境噪声干扰能力的评价；并通过加入干扰气体，实现对光声光谱仪的气体交叉敏感性的评价，有利于最大限度地减小误报警或者漏报警造成的危害和损失。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。