一种密闭空间SF6气体红外光谱仿真装置的制作方法

一种密闭空间sf6气体红外光谱仿真装置
技术领域
1.本发明涉及sf6气体泄漏检测技术领域，具体来说是一种密闭空间sf6气体红外光谱仿真装置。


背景技术：

2.电力行业的密闭空间主要包括输电管廊、地下变电站、室内变电站等。这些密闭场景占地面积小、环境适应能力强，被广泛应用于城市人员、建筑密集以及地理环境复杂等区域。使用六氟化硫(sulphur hexafluoride，sf6)气体绝缘的电气设备具有结构紧凑尺寸小、电磁环境友好、安全性高等特点，在电力密闭空间中大量应用。sf6作为一种高效的绝缘与灭弧气体被广泛应用于电力生产中(gis，气体绝缘开关；gil，气体绝缘管线)，一旦发生大量泄漏，造成设备绝缘性能下降，引起设备运行故障。同时，sf6气体具有窒息性，且运行后的sf6气体中可能含有剧毒分解物，密闭空间中极易造成聚集性人员伤亡。此外，sf6是目前温室效应最强的工业气体，必须严格控制排放，因此急需开展电力场景sf6气体泄漏检测研究。目前最先进的现场检测手段是以傅里叶红外光谱遥测为代表的远距离、无接触、光谱类的技术，不仅利用光谱分析提升精度和检测灵敏度，而且被动遥测方式有利于实现场景大范围自主巡检，极大地满足电力场景sf6泄漏检测实际需求。
3.现有sf6气体泄漏红外光谱检测技术使用傅里叶变换技术获得目标光谱信息，随后建立光谱识别数据库，提取目标光谱特征完成目标定性定量分析。实际检测中，由于气体背景包含各种自然地物及人造目标，红外辐射特性差异巨大；同时，在热红外波段，大气中水汽、二氧化碳等干扰气体具有较强吸收带，对六氟化硫气体红外特征影响较大。综合来看，无论复杂背景物还是大气干扰气体都会对六氟化硫气体红外辐射产生较大影响，需要予以扣除。现有红外光谱识别算法的建立及完善都依赖于目标气体实测红外光谱数据，一个具备尽可能多“先验知识”的实测光谱训练集成为提升算法识别准确率的关键因素.密闭空间下六氟化硫气体红外光谱仿真问题，相比于野外检测条件，室内环境下大气环境变化较小，复杂背景物干扰成为影响六氟化硫气体红外辐射特征的主要因素。然而，实际中受限于电力密闭空间背景红外辐射信息难以获得或者获取信息不完整问题，有必要开展针对电力密闭空间的六氟化硫气体红外光谱仿真研究。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于如何提供更多的六氟化硫泄漏检测算法的验证数据。
5.本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
6.一种密闭空间sf6气体红外光谱仿真装置，包括密闭的吸收池(1)，所述吸收池(1)的两端均为红外窗口，红外光谱仪(2)和模拟典型背景物(3)分别位于吸收池(1)的两端；所述背景物的红外光穿过吸收池(1)到达红外光谱仪(2)；加热单元(4)对所述典型背景物(3)进行加热；所述吸收池(1)开有气口，所述气口与抽真空设备或注气设备连接；所述加热单
元(4)与红外光谱仪(2)均与控制系统通信连接。
7.本发明通过搭建仿真装置，并通过充分考虑背景物材质、背景物温度、气体浓度对光谱的影响，可通过更换不同背景材质、调节不同温度、不同六氟化硫浓度得到多种场景下的数据，用于扩充六氟化硫泄漏检测算法的验证集。
8.进一步的，所述吸收池(1)两端红外窗口采用红外窗片。
9.进一步的，所述背景物(3)的面积覆盖所述吸收池(1)的端面红外窗口。
10.进一步的，所述背景物(3)为板状结构，其表面材质与密闭空间实际设备表面材质一致。
11.进一步的，所述背景物(3)采用铝板制得。
12.进一步的，所述加热单元(4)为温控硅胶加热片；所述温控硅胶加热片贴敷在背景物(3)背面且完全覆盖背景物(3)。
13.进一步的，所述背景物(3)与吸收池(1)的红外窗口抵接。
14.进一步的，所述红外光谱仪(2)的发射端距吸收池(1)的透明窗口距离小于5mm。
15.与上述仿真装置对应的，本发明还提供一种密闭空间sf6气体红外光谱仿真装置的应用，选择不同典型背景物(3)，模拟不同大气环境下、不同浓度和不同温度情况下的六氟化硫红外光谱数据，用于扩充六氟化硫泄漏检测算法的验证集。
16.本发明的优点在于：
17.本发明通过搭建仿真装置，并通过充分考虑背景物材质、背景物温度、气体浓度对光谱的影响，可通过更换不同背景、调节不同温度、不同六氟化硫浓度得到多种场景下的数据，用于扩充六氟化硫泄漏检测算法的验证集。
附图说明
18.图1为本发明实施例中仿真装置的整体结构示意图；
19.图2为本发明实施例中不同背景温度下的六氟化硫红外实测光谱与仿真光谱；(a)为不同背景温度下红外实测光谱；(b)30度背景实测与仿真光谱对比；(c)40度背景实测与仿真光谱对比；(d)50度背景实测与仿真光谱对比；(e)60度背景实测与仿真光谱对比；(f)70度背景实测与仿真光谱对比；
20.图3为本发明实施例中不同气体浓度下的六氟化硫红外实测光谱与仿真光谱；(a)不同浓度下红外实测光谱；(b)20ppm气体实测与仿真光谱对比；(c)40ppm气体实测与仿真光谱对比；(d)60ppm气体实测与仿真光谱对比；(e)80ppm气体实测与仿真光谱对比；(f)100ppm气体实测与仿真光谱对比。
具体实施方式
21.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.实施例1
23.本实施例公开一种密闭空间sf6气体红外光谱仿真装置，如图1，仿真装置包括密
闭的吸收池1，吸收池1的两端均为红外窗片，红外光谱仪2和模拟典型背景物3分别位于吸收池1的两端；模拟背景的红外光穿过吸收池1到达红外光谱仪2；加热单元4对典型背景物3进行加热；吸收池1开有气口，气口与抽真空设备或注气设备连接。本实施例中，加热单元4采用加热片，贴在背景物3背部，通过控制器可控制加热温度，以满足不同温度模拟状态。本实施例中，背景物3为模拟密闭空间里如墙面乳胶漆、电力设备面漆-丙烯酸聚氨酯等典型背景，以达到仿真效果。本实施例中，加热单元4和红外光谱仪2均与控制系统通信连接，以便于控制加热温度和实施获取数据。控制系统为常规系统。
24.本实施例中，吸收池1的气口可用于与抽真空设备连接，对吸收池1进行抽真空，也可以与注气设备连接，向吸收池1内注入设定的大气，以及六氟化硫。
25.本实施例的仿真装置搭建的关键在于背景物3要与实际背景材料保持一致，且具有良好的导热和热均匀性，所以采用铝板作为背景物3基底，在铝板表面喷涂与实际背景表面一样材质的油漆或胶等。然后在铝板背面黏贴硅胶加热片，硅胶加热片与背景物3可采用导热胶粘接，或通过捆绑等辅助手段。需要住一个的是，加热片要全面覆盖背景物3，保证背景物3加热均匀。另外，背景物3的面积要大于吸收池1端面的红外窗口，避免对仿真结构造成影响。
26.本实施例中，背景物3与吸收池1的透明窗口抵接或尽量抵接，以消减外部大气信号干扰，以减少环境对检测的影响。同理，红外光谱仪2的发射端距吸收池1的透明窗口距离应尽量小，一般应小于5mm。
27.为了对上述仿真装置有效性进行验证，下面对验证方法进行描述：
28.密闭空间六氟化硫气体红外被动遥测通常可用“三层”模型描述其红外辐射传输过程，其中，第一层为大气，第二层为六氟化硫气体云团，第三层为密闭空间背景物3。
29.红外探测器获取的六氟化硫红外辐射亮度光谱为：
30.l(v)＝(1-τ1(v))b1(v,t1)+τ1(v)((1-τ2(v))*b2(v,t2)+τ2(v)l3(v))(1)
31.式中，v为波数(cm-1
)，τ1(v)为大气透过率，t1为大气温度(k)，τ2(v)为六氟化硫气体云团透过率，t2为六氟化硫气体云团温度(k)；l3()为背景物3辐射亮度；bi(v,ti)为黑体等效温度辐射亮度；
32.通常情况下，当六氟化硫气体从电力设备泄漏后，迅速扩散到周围空气中并达到平衡，此时六氟化硫气体云团温度与大气温度保持一致，即ts＝1＝2，式(1)可化简为：
33.l(v)＝(1-τ1(v)τ2(v))b1(v,ts)+τ1(v)τ2(v)l3(v)(2)
34.其中，背景物3辐射亮度l3()可表示为：
35.l3(v)＝ε3(v)b3(v,t3)(3)
36.式中，ε3()为背景物3红外发射率，t3为背景物3温度(k)。
37.在吸收池1窗片干扰特征峰无法扣除，且不考虑中间大气层(吸收池1抽真空)的情况下，可以对公式(2)进行简化，将背景板特征辐射和吸收池1窗片特征辐射统一视为背景物3辐射l3(v)，得：
38.l(v)＝(1-τ2(v))b2(v,ts)+τ2(v)l3(v)(4)
39.下面在统一背景物3特性前提下，根据公式(4)，仿真统一背景物3下相同六氟化硫浓度、不同背景物3温度的红外仿真光谱与实测光谱进行比对，具体为：
40.先根据公式(4)计算得到某一背景物3、某一背景物3温度、某一六氟化硫浓度下的
仿真红外辐射亮度光谱。
41.然后搭建仿真装置，将上述背景物3模拟板安装好，并加热到上述温度，将吸收池1内的大气环境和六氟化硫浓度调节到与上述一致，然后启动红外光谱仪2，获得实测红外辐射亮度光谱。
42.为了便于计算误差，将仿真红外辐射亮度光谱和实测红外辐射亮度光谱转变成亮温光谱，将两个亮温光谱相减，即可得到误差，如果误差小于设定阈值，这表明仿真数据有效。
43.下面以设备面漆作为统一背景物3对上述验证方法进行详细说明。
44.1、同一背景物3、同一六氟化硫浓度、不同背景温度条件下
45.图2中(a)图为同一背景物3(设备面漆)、同一气体浓度(100ppm)下不同背景温度(30℃、40℃、50℃、60℃、70℃)六氟化硫红外实测光谱，可以看到随着背景温度的升高，不仅光谱强度整体提升，且六氟化硫吸收特征也加深，验证了温差对光谱仿真的影响。图2中(a)至(f)为不同背景温度下六氟化硫红外实测光谱与仿真光谱对比，计算仿真误差如表1。
46.表1不同背景温度下红外实测与仿真光谱亮度温度误差
47.序号背景物3温度(℃)亮度误差(k)1300.112400.113500.384600.135700.15
48.2、同一背景物3下相同温度、不同六氟化硫浓度条件下
49.图3中(a)图为同一背景物3(乳胶漆)、同一背景温度(50℃)下不同气体浓度(20ppm、40ppm、60ppm、80ppm、100ppm)六氟化硫红外实测光谱，可以看到随着气体浓度的升高，六氟化硫吸收特征逐步加深，与比尔朗伯定律相符。图3中(a)至(f)为不同气体浓度下六氟化硫红外实测光谱与仿真光谱对比，计算仿真误差如表2.
50.表2不同背景温度下红外实测与仿真光谱亮度温度误差
51.序号六氟化硫浓度(ppm)亮度误差(k)1200.252400.453600.254800.4251000.35
52.根据以上两个验证结果，仿真光谱与实测光谱比较，亮度温度仿真误差在0.1～0.5k之间，说明提出的仿真方法是有效的，可直接利用获取的背景模拟板红外光谱广泛仿真密闭空间中六氟化硫红外光谱数据。
53.实施例2
54.本实施例为实施例1的应用，既采用实施例1中的仿真装置，获得不同条件下的光谱数据，用于扩充六氟化硫泄漏检测算法的验证集。
55.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例
对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。