CN111982819A - 检测六氟化硫气体浓度的装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种检测六氟化硫气体浓度的装置。该装置包括：第一处理器，用于产生锯齿波；信号发生器，用于产生正弦波；加法器，分别与第一处理器和信号发生器电连接，具有输入端和输出端，输入端用于输入锯齿波和正弦波，输出端输出驱动信号；激光器，与加法器电连接，驱动信号用于驱动激光器工作；光程池，光程池中存储有被测气体和参考气体，被测气体中包括六氟化硫气体；传感器，与第一处理器电连接，激光器产生的激光经过光程池中的被测气体和参考气体吸收后，被传感器接收。本方案通过将锯齿波和正弦波叠加，也就是采用二次谐波的方式实现了六氟化硫气体浓度的检测，相对于直接吸收的方式，实现了对六氟化硫气体浓度的高精度的检测。
Description
技术领域
本申请涉及六氟化硫气体检测领域，具体而言，涉及一种检测六氟化硫气体浓度的装置。
背景技术
SF6(六氟化硫)电气设备在电力系统中广泛使用，一旦设备发生故障，大量SF6气体泄漏后扩散到空间中与空气混合，形成的混合气体中SF6气体含量较低，对于泄漏的SF6气体检测报警造成了极大的困难，如何实现SF6气体泄漏后的高精度检测是该领域的技术难题。尤其，在大量使用充满着SF6气体的GIS设备的室内变电站中，工作环境对SF6气体监测的精度、可靠性、抗干扰性、检测灵敏度和分辨率等方面的要求更高。现有的气体检测技术总体上可分为光学气体传感器技术、气相色谱分析技术、红外光谱法和其它类别的气体检测技术。
光学气体传感器技术能够感受并检测到被测量的信息，按一定规律变换成为电信号或其它形式的信息输出，以满足信息的传输、处理和存储与显示等要求。但光离子化气体传感器需要经常对灯源进行清洁，使检测过程变得繁琐，对被测气体的选择性差，容易受到杂质气体的干扰。
气相色谱分析技术是一种物理分离分析技术，根据不同气体在色谱柱中速度的差别实现气体成分的检测，在石油工业和化学分析中有着广泛的应用。该方法检测灵敏度高、可靠性好，但是常常受到色谱柱和载气流速等参数的限制，所以在气体检测中必须经过多次重复实验，才能得到比较理想的测量结果。
红外光谱法能够检测到其体积分数10-6级的SF6。它存在的问题是：SF6及其部分分解气体的吸收峰十分接近，有交叉干扰现象，必须使用标气得到参考图谱对分析结果进行校正，而有些标气如SOF4非常不稳定；红外光源强度低、检测器灵敏度低，造成其定量精度不如紫外-可见光谱等方法。
在背景技术部分中公开的以上信息只是用来加强对本文所描述技术的背景技术的理解，因此，背景技术中可能包含某些信息，这些信息对于本领域技术人员来说并未形成在本国已知的现有技术。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种检测六氟化硫气体浓度的装置，以解决现有技术中的六氟化硫气体检测装置的检测精度较低的问题。
为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种检测六氟化硫气体浓度的装置，包括：第一处理器，用于产生锯齿波；信号发生器，用于产生正弦波；加法器，分别与所述第一处理器和所述信号发生器电连接，具有输入端和输出端，所述输入端用于输入所述锯齿波和所述正弦波，所述输出端输出驱动信号；激光器，与所述加法器电连接，所述驱动信号用于驱动所述激光器工作；光程池，所述光程池中存储有被测气体和参考气体，所述被测气体中包括六氟化硫气体；传感器，与所述第一处理器电连接，所述激光器产生的激光经过所述光程池中的所述被测气体和所述参考气体吸收后，被所述传感器接收。
可选地，所述装置还包括：第二处理器，与所述第一处理器电连接；人机交互单元，与所述第二处理器电连接；存储与通信单元，与所述第二处理器电连接。
可选地，所述装置还包括：激光器温度控制单元，分别与所述第一处理器和所述激光器电连接；激光器电流驱动单元，分别与所述第一处理器和所述激光器电连接。
可选地，所述光程池包括被测气体吸收池和参考气体吸收池，所述被测气体吸收池中存储有所述被测气体，所述参考气体吸收池中存储有所述参考气体，所述传感器包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器用于接收经所述被测气体吸收后的所述激光，所述第二传感器用于接收经所述参考气体吸收后的所述激光。
可选地，所述装置还包括：吸收信号转换电路，分别与所述第一处理器和所述第一传感器电连接；参考信号转换电路，分别与所述第一处理器和所述第二传感器电连接。
可选地，第一处理器包括D/A转换器，所述D/A转换器用于产生所述锯齿波。
可选地，所述第一处理器选型为ADSP-CM403，所述第二处理器选型为AM335X，所述信号发生器选型为AD9850。
可选地，所述激光器为中红外量子级联激光器，所述传感器为碲镉汞探测器。
可选地，所述中红外量子级联激光器的中心波长为10.5um，所述中红外量子级联激光器的输出功率大于2MW，所述中红外量子级联激光器接收可调谐电流范围为300mA～550mA。
可选地，所述碲镉汞探测器的响应波长为3000nm～12000nm。
应用本申请的技术方案，通过将第一处理器产生的锯齿波和信号发生器产生的正弦波进行叠加得到驱动信号，再利用驱动信号驱动所述激光器工作，激光器发出的激光经过光程池中的被测气体和参考气体吸收后，被传感器接收，由于被测气体和参考气体的存在，使得激光器发出的激光经过光程池后发生了能量的损耗，传感器再接收经过光程池的激光信号，进而根据激光器产生的激光的能量和传感器接收到的激光的能量，确定光程池中的被测气体的浓度和参考气体的浓度，进而确定被测气体中的六氟化硫气体的浓度。本方案通过将锯齿波和正弦波叠加，也就是采用二次谐波的方式实现了六氟化硫气体浓度的检测，相对于直接吸收的方式，实现了对六氟化硫气体浓度的高精度的检测。本方案相对于现有技术中的光学气体传感器技术简化了检测的过程，且被测气体的可选择性较强，不容易受到杂质气体的干扰；相对于现有技术中的气相色谱分析技术减少了实验的次数，相对于现有技术中的红外光谱法提高了检测的灵敏度。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本申请的实施例的检测六氟化硫气体浓度的装置示意图；以及
图2示出了根据本申请的实施例的锯齿波和正弦波叠加原理示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。
正如背景技术所介绍的，现有技术中的六氟化硫气体检测装置的检测精度较低，为了解决如上六氟化硫气体检测装置的检测精度较低，本申请的实施例提出了一种检测六氟化硫气体浓度的装置。
本申请的一种典型的实施例，提出了一种检测六氟化硫气体浓度的装置。图1是根据本申请的实施例的检测六氟化硫气体浓度的装置示意图，图2是根据本申请的实施例的锯齿波和正弦波叠加原理示意图，锯齿波和正弦波如图2所示，如图1所示，该装置包括：
第一处理器，用于产生锯齿波；
信号发生器，用于产生正弦波；
加法器，分别与上述第一处理器和上述信号发生器电连接，具有输入端和输出端，上述输入端用于输入上述锯齿波和上述正弦波，上述输出端输出驱动信号；
激光器，与上述加法器电连接，上述驱动信号用于驱动上述激光器工作；
光程池，上述光程池中存储有被测气体和参考气体，上述被测气体中包括六氟化硫气体；
传感器，与上述第一处理器电连接，上述激光器产生的激光经过上述光程池中的上述被测气体和上述参考气体吸收后，被上述传感器接收。
上述方案中，通过将第一处理器产生的锯齿波和信号发生器产生的正弦波进行叠加得到驱动信号，再利用驱动信号驱动上述激光器工作，激光器发出的激光经过光程池中的被测气体和参考气体吸收后，被传感器接收，由于被测气体和参考气体的存在，使得激光器发出的激光经过光程池后发生了能量的损耗，传感器再接收经过光程池的激光信号，进而根据激光器产生的激光的能量和传感器接收到的激光的能量，确定光程池中的被测气体的浓度和参考气体的浓度，进而确定被测气体中的六氟化硫气体的浓度。本方案通过将锯齿波和正弦波叠加，也就是采用二次谐波的方式实现了六氟化硫气体浓度的检测，相对于直接吸收的方式，实现了对六氟化硫气体浓度的高精度的检测。本方案相对于现有技术中的光学气体传感器技术简化了检测的过程，且被测气体的可选择性较强，不容易受到杂质气体的干扰；相对于现有技术中的气相色谱分析技术减少了实验的次数，相对于现有技术中的红外光谱法提高了检测的灵敏度。
本申请的又一种实施例中，如图1所示，上述装置还包括激光器温度控制单元和激光器电流驱动单元，激光器温度控制单元分别与上述第一处理器和上述激光器电连接；激光器电流驱动单元分别与上述第一处理器和上述激光器电连接。
本申请的再一种实施例中，如图1所示，上述光程池包括被测气体吸收池和参考气体吸收池，上述被测气体吸收池中存储有上述被测气体，上述参考气体吸收池中存储有上述参考气体，上述传感器包括第一传感器和第二传感器，上述第一传感器用于接收经上述被测气体吸收后的上述激光，上述第二传感器用于接收经上述参考气体吸收后的上述激光。由于参考气体中不包含六氟化硫气体，被测气体中包括六氟化硫气体，由于六氟化硫气体的固有的属性，使得第一传感器的输出信号与第二传感器的输出信号具有差异，根据第一传感器的输出信号与第二传感器的输出信号的差异分析得到被测气体中的六氟化硫气体的浓度。
本申请的一种具体的实施例中，如图1所示，上述装置还包括吸收信号转换电路和参考信号转换电路，吸收信号转换电路分别与上述第一处理器和上述第一传感器电连接；参考信号转换电路分别与上述第一处理器和上述第二传感器电连接。即第一传感器的输出信号经吸收信号转换电路放大滤波处理后，输出第一处理器中进行运算，第二传感器的输出信号经参考信号转换电路放大滤波处理后，输出第一处理器中进行运算。
本申请的一种实施例中，如图1所示，上述装置还包括第二处理器、人机交互单元和存储与通信单元，第二处理器与上述第一处理器电连接；人机交互单元与上述第二处理器电连接；存储与通信单元与上述第二处理器电连接。第一处理器中的波形发生功能即产生锯齿波的功能，温度控制功能即控制激光器温度控制单元进行温度控制的功能，电流驱动功能即控制激光器电流驱动单元进行电流控制的功能，传感信号处理功能即处理第一传感器的输出信号和第二传感器的输出信号的功能，转换信号处理功能即处理吸收信号转换电路的输出信号和参考信号转换电路的输出信号的功能等，均是并行操作，所以为提高数据处理的速度，增加了第二处理器，应用第二处理器完成人机交互功能以及数据存储和通信的功能，以减少第一处理器的处理数据。
本申请的另一种实施例中，上述装置还包括协处理器，协处理器与第一处理器通信，协处理器选型为ADSP-403，协处理器用于处理并行数据和高速数据的运算操作，并行数据和高速数据包括上述激光器温度控制单元产生的数据、激光器电流驱动单元产生的数据、第一传感器输出的数据、第二传感器数据的数据、吸收信号转换电路输出的数据、参考信号转换电路输出的数据等，以减轻第一处理器的数据处理的负担，从而提高数据的处理速度。
本申请的一种更为具体的实施例中，第一处理器包括D/A转换器，上述D/A转换器用于产生上述锯齿波。锯齿波的频率可以为1HZ，利用第一处理器中现有的D/A转换器，实现数模转换，通过设置D/A转换器的相关参数，产生符合要求的频率和幅值的锯齿波，以便于后续波形的叠加，以产生符合要求的驱动信号。
本申请的一种实施例中，上述第一处理器选型为ADSP-CM403，上述第二处理器选型为AM335X，上述信号发生器选型为AD9850，相比制作直接吸收方法样机，使用谐波检测需要更高的采样率，以整个谐波周期需要500个二次谐波数据为例进行预算：每个谐波点需要8个谐波周期，每个谐波周期需要128个采样数据为例，每个谐波周期需要500K个采样数据。每秒生成一次处理结果，需要数字处理系统采样率为500K以上，本专利采用ADSP-CM403作为主处理器完成采样，ADSP-CM403 AD采样率最高为1Mhz，分辨率为12BIT，完全满足需求。
本申请的一种具体的实施方式中，上述激光器为中红外量子级联激光器，上述传感器为碲镉汞探测器，根据SF6以及O2、H2O、CO2等几种干扰气体光谱曲线，发现SF6在波数950cm-1(波长10.5um)附近有极强的吸收峰，同时避开了空气中其他干扰气体的吸收峰，较适合采用基于二次谐波的可调谐二极管激光吸收光谱技术进行SF6气体的浓度的检测，进一步地选用中心波长在10.5um附近，输出功率大于2mW，激光器线宽MHz量级的中红外量子级联激光器(QCL激光器)实现了对SF6气体浓度的高精度检测。
本申请的一种更为具体的实施例中，上述中红外量子级联激光器的中心波长为10.5um，上述中红外量子级联激光器的输出功率大于2MW，上述中红外量子级联激光器接收可调谐电流范围为300mA～550mA。激光器中心波长可由10485nm调整至10533nm，温度不变的情况下，激光器可调谐范围约为1.1nm，根据SF6在波数950cm-1(波长10.5um)附近有极强的吸收峰，同时避开了空气中其他干扰气体的吸收峰，选用中心波长在10.5um附近，输出功率大于2mW，激光器线宽MHz量级的中红外量子级联激光器(QCL激光器)实现了对SF6气体浓度的高精度检测，且有效避免了杂质气体的干扰。
本申请的一种实施例中，上述碲镉汞探测器的响应波长为3000nm～12000nm。其在10.5um区域有较好响应，响应能力大于0.4A/W，检测器光敏面为1mm×1mm，可实现对激光信号的精确检测。
本申请的一种实施例中，用于基于二次谐波的可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术的激光器对光源波长要求非常严格，需要光源波长非常稳定，同时能在小范围内进行调谐(小于1nm)。在这个过程中，温度和电流都会对波长造成影响，他们的作用非常重要。参数对波长的影响度如表1所示：
表1温度电流对激光波长的影响
一般而言，用于TDLAS检测的激光器在使用过程中温度不需要调谐，只需要改变驱动激光器的电流信号来改变激光器的波长。使用二次谐波技术时这个信号需要两个原始波形进行叠加，一个是变换相对比较缓慢但是幅度较大的锯齿波，用于频率扫描；一个是频率较高但是幅度较低的正弦波，用于锁相放大。两个信号经过比例叠加后加载到激光器上，继而可产生出原始信号(即驱动信号)，如图2所示。
以数字系统控制D/A转换器产生锯齿波进行计算：假设扫频速率为f，D/A转换器分辨率为x位，则D/A转换器的转换速率f满足如下关系：
f＝k×2x
以扫频速率为5hz，D/A转换器分辨率为16位为例，完全插补的情况下，D/A转换器分辨率的转换速率f需要达到320K Hz，普通D/A转换芯片还可以达到这种要求，所以选用了ADSP-CM403中的D/A转换器，以满足需求。
从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：
本申请的检测六氟化硫气体浓度的装置，通过将第一处理器产生的锯齿波和信号发生器产生的正弦波进行叠加得到驱动信号，再利用驱动信号驱动上述激光器工作，激光器发出的激光经过光程池中的被测气体和参考气体吸收后，被传感器接收，由于被测气体和参考气体的存在，使得激光器发出的激光经过光程池后发生了能量的损耗，传感器再接收经过光程池的激光信号，进而根据激光器产生的激光的能量和传感器接收到的激光的能量，确定光程池中的被测气体的浓度和参考气体的浓度，进而确定被测气体中的六氟化硫气体的浓度。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种检测六氟化硫气体浓度的装置，其特征在于，包括：
第一处理器，用于产生锯齿波；
信号发生器，用于产生正弦波；
加法器，分别与所述第一处理器和所述信号发生器电连接，具有输入端和输出端，所述输入端用于输入所述锯齿波和所述正弦波，所述输出端输出驱动信号；
激光器，与所述加法器电连接，所述驱动信号用于驱动所述激光器工作；
光程池，所述光程池中存储有被测气体和参考气体，所述被测气体中包括六氟化硫气体；
传感器，与所述第一处理器电连接，所述激光器产生的激光经过所述光程池中的所述被测气体和所述参考气体吸收后，被所述传感器接收。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
第二处理器，与所述第一处理器电连接；
人机交互单元，与所述第二处理器电连接；
存储与通信单元，与所述第二处理器电连接。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
激光器温度控制单元，分别与所述第一处理器和所述激光器电连接；
激光器电流驱动单元，分别与所述第一处理器和所述激光器电连接。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光程池包括被测气体吸收池和参考气体吸收池，所述被测气体吸收池中存储有所述被测气体，所述参考气体吸收池中存储有所述参考气体，所述传感器包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器用于接收经所述被测气体吸收后的所述激光，所述第二传感器用于接收经所述参考气体吸收后的所述激光。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
吸收信号转换电路，分别与所述第一处理器和所述第一传感器电连接；
参考信号转换电路，分别与所述第一处理器和所述第二传感器电连接。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第一处理器包括D/A转换器，所述D/A转换器用于产生所述锯齿波。
7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一处理器选型为ADSP-CM403，所述第二处理器选型为AM335X，所述信号发生器选型为AD9850。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述激光器为中红外量子级联激光器，所述传感器为碲镉汞探测器。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述中红外量子级联激光器的中心波长为10.5um，所述中红外量子级联激光器的输出功率大于2MW，所述中红外量子级联激光器接收可调谐电流范围为300mA～550mA。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述碲镉汞探测器的响应波长为3000nm～12000nm。
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