CN113758899B - 一种基于tdlas技术的微水测量方法及其装置 - Google Patents

一种基于tdlas技术的微水测量方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于TDLAS技术的微水测量方法，包括：计算所测气体的浓度信息和计算网络样本数据残差；还提供基于TDLAS技术的微水测量的装置，TDLAS实验平台对微水进行检测时，光路由于暴露在空气中，肯定会有空气中的水分子对实验的检测结果造成干扰，其次使用的背景气体如氮气等也有微量的水分子，这些都会对检测精度产生影响。为了避免这种现象，本发明将激光分为两束，强度分别为95%和5%，以激光强度为5%的作为参考信号，来消除空气和背景气体中水分的干扰；此外，通过网络样本数据残差能够进一步的消除外界因素对浓度信息的影响，使所得的浓度值区域精确。

Description

一种基于TDLAS技术的微水测量方法及其装置
技术领域
本发明涉及信号检测技术领域，尤其涉及一种基于TDLAS技术的微水测量方法及其装置。
背景技术
当SF6气体绝缘设备发生局部放电时，电弧高温、火花放电和电晕会使SF6气体分解，但电弧熄灭后绝大部分的分解物又重新结合成稳定的SF6分子，如果H2O含量超标的情况下，会生成SOF2、SO2F2、SO2等有毒物质及氢氟酸、亚硫酸等强酸性物质，这些SF6分解组分会加速气体绝缘开关设备（GIS）内绝缘老化和金属材料表面腐蚀，加重局部放电程度，进而导致GIS发生内部击穿故障。因此，通过检测SF6电气绝缘设备中的水分含量，对其进行控制，从而降低SF6电气设备突发性故障发生概率。
为了保证SF6电气设备的可靠运行，提高电力系统连续可靠运行能力，对其性能实现在线状态检测、监测与故障预测，已成为SF6电气设备应用中重要研究方向；同时，随着无人值守变电站对遥控、遥测的要求，在线监测SF6电气设备内部H2O含量具有非常重要的实际应用价值。
可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技术利用半导体激光的窄带宽和可调谐特性，该方法检测时间通常在几分钟，远远少于目前常用的微水检测方法，该方法还具有高灵敏、快速响应、高选择性、样品非破坏性等特点，是克服电力系统多变环境，实现GIS气室微水及分解组分测量的理想方法。因此本发明致力于一种高效准确的方法对GIS内部微水及SF6分解组分含量进行检测，从而及时掌握GIS设备状态，确保设备安全稳定运行。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种基于TDLAS技术的微水测量方法及其装置，以高精度的方式测量GIS内部重要气体分子的浓度。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种基于TDLAS技术的微水测量方法，包括：
S1、计算所测气体的浓度信息；
S2、计算网络样本数据残差；
S21、为了消除外界因素对所述浓度信息的影响，所述网络样本数据残差为：
Figure 798039DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中，N为训练样本个数；Yi为网络理想输出值；yi为网络实际输出值；其中，i为自然数；Yi取值就是常温常压不受环境干扰下的下测定的值；
S22、通过粒子群算法对神经网络计算得到的RSS值进行进一步的优化，用前一个粒子的速度分量来预测后一个粒子的速度分量，以对所述外界因素和微水体积分数值进行训练，公式如下：
Figure 143569DEST_PATH_IMAGE002
（2）
Figure 28349DEST_PATH_IMAGE003
（3）
其中，
Figure 357699DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 353337DEST_PATH_IMAGE005
为粒子i速度和位置j维分量；
Figure 818953DEST_PATH_IMAGE006
为后一个粒子的速度分量；w为常数，v为惯性因子，用来控制继承多个粒子当前的速度的，在0.6到0.75之间进行选取；
Figure 137283DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 422771DEST_PATH_IMAGE008
为加速常数，加速常数控制着飞翔速度的计算，取
Figure 487679DEST_PATH_IMAGE007
=
Figure 73381DEST_PATH_IMAGE008
=1.7；
Figure 34384DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 72747DEST_PATH_IMAGE010
为0到1范围内的随机数；
Figure 410188DEST_PATH_IMAGE011
为后一个粒子的位置分量；
Figure 584817DEST_PATH_IMAGE012
为指第
Figure 247880DEST_PATH_IMAGE013
个粒子的最优解，其中，
Figure 776469DEST_PATH_IMAGE013
为自然数；粒子的分量即为浓度的速度和位置分量；
得到最终优化后的RSS值，将它与实际检测到的浓度值作加或者差，得到不受环境影响的理想值。
进一步，所述计算所测气体的浓度信息包括对测量信号和参考信号进行处理；
所述测量信号是通过气体测量通道得到，所述气体测量通道是指用来直接测量气体，反映气体浓度响应特征波长的红外光的变化关系；
所述参考信号是通过参考通道得到，所述参考通道是用来测量没有被待测气体所吸收的光强的通道，与气体浓度的变化无关；所述参考信号与背景光或外界环境干扰有关。
进一步，对于所述气体测量通道，
Figure 917600DEST_PATH_IMAGE014
对于所述参考通道，
Figure 477894DEST_PATH_IMAGE015
所述测量信号和所述参考信号均正比于光强，对于一个密封的气室内，得：
所述气体测量通道：
Figure 780700DEST_PATH_IMAGE016
（4）
所述参考通道：
Figure 59234DEST_PATH_IMAGE017
（5）
其中，K为吸收系数；L为光程长度，均是确定的；两路通道拥有比例因子K1为95%，K2为5%；
Figure 738477DEST_PATH_IMAGE018
为光电探测器里面的电流值；
Figure 153278DEST_PATH_IMAGE019
为测量信号；
Figure 892564DEST_PATH_IMAGE020
为参考信号；
Figure 127236DEST_PATH_IMAGE021
为水蒸汽浓度。
进一步，在实际测试中，光强是通过探测器的电信号来代表光强信号，为了消除误差，对所述式（4）和所述式（5）比值得：
Figure 610170DEST_PATH_IMAGE022
（6）
通过公式（6）计算出浓度为：
Figure 610969DEST_PATH_IMAGE023
（7）
其中，对于一个确定的系统，
Figure 786735DEST_PATH_IMAGE024
为常数Q；K1和K2只与当前环境有关，设
Figure 508703DEST_PATH_IMAGE025
为一个随环境变化的值m，通过标定得到；
Figure 529749DEST_PATH_IMAGE026
通过单片机直接计算而得到，设为X；公式（7）简化为：
Figure 653563DEST_PATH_IMAGE027
（8）
本发明还提供一种基于TDLAS技术的微水测量装置，执行所述方法的步骤，以及包括
加热炉，通过所述加热炉使水变为水蒸汽，所述水蒸汽被惰性气体带入气室中；
激光器驱动，用来驱动激光器，使所述激光器发出特定波段的激光；
激光光源，发出波长为1392.5nm的激光，以对水进行检测，所述激光器驱动和所述激光光源相连接；
光纤，用来实现光信号的传输，所述光纤分为第一通路和第二通路，所述第一通路的比例因子为95%，所述第二通路的比例因子为5%；
所述第一通路与第一光纤口相连接，所述第一光纤口用于发出第一激光，所述第一激光通过多块第一反射棱镜反射后进入所述气室中；
所述第二通路与第二光纤口相连接，所述第二光纤口用于发出第二激光，所述第二激光通过第二反射棱镜反射后进入光电探测器中，所述光电探测器用于探测光信号。
进一步，多块所述第一反射棱镜分布两排，且两排所述第一反射棱镜相对设置；
所述第二反射棱镜设置在多块所述第一反射棱镜的底端；
所述第二激光穿过所述第一激光的照射区后被所述第二反射棱镜反射回所述光电探测器中。
进一步，所述光电探测器与TDLAS控制器相连接，所述TDLAS控制器包括前置放大电路，数模信号转换电路和锁相放大器，用来处理所述光电探测器检测到的光信号；所述TDLAS控制器与起控制作用的PC端相连接。
进一步，所述加热炉的一侧通过导气管与不锈钢气瓶相连通；所述加热炉连有用于反映所述加热炉温度的热敏电阻，所述热敏电阻与控制所述加热炉温度的温度控制装置相连接。
本发明的有益效果为：TDLAS实验平台对微水进行检测时，光路由于暴露在空气中，肯定会有空气中的水分子对实验的检测结果造成干扰，其次使用的背景气体如氮气等也有微量的水分子，这些都会对检测精度产生影响。为了避免这种现象，本发明将激光分为两束，强度分别为95%和5%，以激光强度为5%的作为参考信号，来消除空气和背景气体中水分的干扰。
此外，通过网络样本数据残差能够进一步的消除外界因素对浓度信息的影响，使所得的浓度值区域精确。
附图说明
图1 为本发明一种基于TDLAS技术的微水测量装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种基于TDLAS技术的微水测量方法，包括：
S1、计算所测气体的浓度信息；
计算所测气体的浓度信息包括对测量信号和参考信号进行处理；
所述测量信号是通过气体测量通道得到，所述气体测量通道是指用来直接测量气体，反映气体浓度响应特征波长的红外光的变化关系；
所述参考信号是通过参考通道得到，所述参考通道是用来测量没有被待测气体所吸收的光强的通道，与气体浓度的变化无关；所述参考信号与背景光或外界环境干扰有关。
对于所述气体测量通道，
Figure 230DEST_PATH_IMAGE014
对于所述参考通道，
Figure 943916DEST_PATH_IMAGE028
所述测量信号和所述参考信号均正比于光强，对于一个密封的气室内，得：
所述气体测量通道：
Figure 768652DEST_PATH_IMAGE029
（4）
所述参考通道：
Figure 746973DEST_PATH_IMAGE030
（5）
其中，K为吸收系数；L为光程长度，均是确定的；两路通道拥有比例因子K1为95%，K2为5%；
Figure 998962DEST_PATH_IMAGE018
为光电探测器里面的电流值；
Figure 698453DEST_PATH_IMAGE019
为测量信号；
Figure DEST_PATH_IMAGE031
为参考信号；
Figure 123618DEST_PATH_IMAGE021
为水蒸汽浓度。
在实际测试中，光强是通过探测器的电信号来代表光强信号，为了消除误差，对所述式（4）和所述式（5）比值得：
Figure 956444DEST_PATH_IMAGE032
（6）
通过公式（6）计算出浓度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
（7）
其中，对于一个确定的系统，
Figure 441652DEST_PATH_IMAGE034
为常数Q；K1和K2只与当前环境有关，设
Figure DEST_PATH_IMAGE035
为一个随环境变化的值m，通过标定得到；
Figure 156668DEST_PATH_IMAGE036
通过单片机直接计 算而得到，设为X；公式（7）简化为：
Figure 588786DEST_PATH_IMAGE037
（8）
由公式（8）可知，只需要监测气体测量通道和参考通道所输出光强度信息，便可以反演出所测气体的浓度信息，并在一定程度上消除因光源抖动、光学器件污染、电路噪声等外界因素导致的传感器测量误差。
为了进一步消除外界因素（温度、压强等）对实验结果的影响（外界因素会影响到微水的体积分数，进一步影响到测量的结果），可引入网络样本数据残差。
S2、计算网络样本数据残差；
S21、为了消除外界因素对所述浓度信息的影响，所述网络样本数据残差为：
Figure 374706DEST_PATH_IMAGE038
（1）
其中，N为训练样本个数；Yi为网络理想输出值；yi为网络实际输出值；i为第i个训练样本，其中，i为自然数；
具体的，yi等于公式（8）中的C；Yi为定值；Yi取值就是常温常压不受环境干扰下的下测定的值(相当于标定值)。
RSS的目的是实际检测微水的检测浓度与估计浓度之间的差值， 再得到最终优化后的RSS值，将它与实际检测到的浓度值（即C）作加或者差，得到不受环境影响的理想值。
为了进一步使微水浓度不受环境因素（温度或压强）的影响， 通过粒子群算法对神经网络计算得到的RSS值进行进一步的优化。
即，使微水浓度不受其体积分数的影响，引入公式（2）和公式（3）。
S22、用前一个粒子的速度分量来预测后一个粒子的速度分量，以对所述外界因素和微水体积分数值进行训练，公式如下：
Figure 234078DEST_PATH_IMAGE039
（2）
Figure 639651DEST_PATH_IMAGE040
（3）
其中，
Figure 344302DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure 151721DEST_PATH_IMAGE042
为粒子i速度和位置j维分量；
Figure 181994DEST_PATH_IMAGE043
为后一个粒子 的速度分量；w为常数，v为惯性因子，用来控制继承多个粒子当前的速度的，在0.6到0.75之 间进行选取；
Figure 74864DEST_PATH_IMAGE044
，
Figure 583205DEST_PATH_IMAGE045
为加速常数，加速常数控制着飞翔速度的计算，取
Figure 510710DEST_PATH_IMAGE044
=
Figure 446305DEST_PATH_IMAGE045
=1.7；
Figure 829401DEST_PATH_IMAGE046
，
Figure 141433DEST_PATH_IMAGE047
为0到1范围内的随机数；
Figure 923444DEST_PATH_IMAGE048
为后一个粒子的位置分量；
Figure 29941DEST_PATH_IMAGE049
为指第
Figure 631823DEST_PATH_IMAGE050
个粒 子的最优解。
公式（2）、（3）的目的即为优化公式（1）得到的样本残差值RSS。
公式（2）和（3）中的粒子即为基于TDLAS技术的微水测量装置中测到的某一时刻的微水浓度C，粒子的分量即为浓度的速度和位置分量（二维坐标中）。
本发明的实施例中，参数可设置为：学习因子
Figure 481968DEST_PATH_IMAGE051
=3.0，惯性权重wmax=0.7，wmin=0.6的初始值和终止值，最大迭代次数设置为1000，组合粒子群算法迭代，使微水浓度不受其体积分数的影响。
请参阅图1，一种基于TDLAS技术的微水测量装置，执行基于TDLAS技术的微水测量方法的步骤，以及包括
加热炉4，通过所述加热炉4使水变为水蒸汽，所述水蒸汽被惰性气体带入气室16中；
其中，加热炉4包括进气口和出气口，水蒸汽通过进气口进入到加热炉4中。
激光器驱动7，用来驱动激光器，使所述激光器发出特定波段的激光；
激光光源8，发出波长为1392.5nm的激光，以对水进行检测，所述激光器驱动7和所述激光光源8相连接；
光纤9，用来实现光信号的传输，所述光纤9分为第一通路和第二通路，所述第一通路的比例因子为95%，所述第二通路的比例因子为5%；
所述第一通路与第一光纤口131相连接，所述第一光纤口131用于发出第一激光，所述第一激光通过多块第一反射棱镜151反射后进入所述气室16中；
其中，气室16用于检测H2O的容器。
所述第二通路与第二光纤口132相连接，所述第二光纤口132用于发出第二激光，所述第二激光通过第二反射棱镜152反射后进入光电探测器14中，所述光电探测器14用于探测光信号。
多块所述第一反射棱镜151分布两排，且两排所述第一反射棱镜151相对设置；
其中，第一反射棱镜151用来调整光路。
所述第二反射棱镜152设置在多块所述第一反射棱镜151的底端；
所述第二激光穿过所述第一激光的照射区后被所述第二反射棱镜152反射回所述光电探测器14中。
即，第一光纤口131、多块第一反射棱镜151、第二光纤口132、第二反射棱镜152和光电探测器14均设置与光路装置中，光路装置中通过通口17可通入惰性气体（如氮气），从而使整个光路装置充满氮气，降低干扰。
所述光电探测器14与TDLAS控制器10相连接，所述TDLAS控制器10包括前置放大电路，数模信号转换电路和锁相放大器，用来处理所述光电探测器14检测到的光信号；所述TDLAS控制器10与起控制作用的PC端18相连接。
所述加热炉4的一侧通过导气管与不锈钢气瓶1相连通；所述加热炉4连有用于反映所述加热炉4温度的热敏电阻5，所述热敏电阻5与控制所述加热炉4温度的温度控制装置6相连接。
不锈钢气瓶1，最大可承受0.5MPa气压，作为实验装置的输气部分。不锈钢气瓶1中装入的是氮气等惰性气体。
其中，不锈钢气瓶1与加热炉4之间安装有气阀，用来控制气路的开关。
加热炉4的顶部设有进水口，通过进水口向加热炉中注入水。
具体的，对激光器进行自校准工作，使其工作在最佳状态；
向加热炉4中加入水，对其进行加热；
打不锈钢气瓶1，使不锈钢气瓶1中的氮气将加热炉4中的水蒸气带入气室16中；
打开激光器驱动7，使激光光源8的光源射出的光通过一系列的反射入射到气室16中；
激光在气室16中经过一系列的反射射出，并打到光电探测器14上；
光电探测器14探测到的电信号，经过TDLAS控制器，将信号传入PC端；
在PC端对得到的信号进行分析和调试，以满足要求；
关闭激光器驱动7，打开排气口将气体池中气体排出，实验结束。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于TDLAS技术的微水测量方法，其特征在于，包括：
S1、计算所测气体的浓度信息；
S2、计算网络样本数据残差；
S21、为了消除外界因素对所述浓度信息的影响，所述网络样本数据残差为：
Figure 721636DEST_PATH_IMAGE001
（1）
其中，N为训练样本个数；Yi为网络理想输出值；yi为网络实际输出值；i为第i个训练样本，其中，i为自然数；Yi取值就是常温常压不受环境干扰下的下测定的值；
S22、通过粒子群算法对神经网络计算得到的RSS值进行进一步的优化，用前一个粒子的速度分量来预测后一个粒子的速度分量，以对所述外界因素和微水体积分数值进行训练，公式如下：
Figure 699956DEST_PATH_IMAGE002
（2）
Figure 217525DEST_PATH_IMAGE003
（3）
其中，
Figure 445244DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 73672DEST_PATH_IMAGE005
为粒子
Figure 172078DEST_PATH_IMAGE006
速度和位置
Figure 594969DEST_PATH_IMAGE007
维分量；
Figure 47334DEST_PATH_IMAGE008
为后一个粒子的速度分量；w为常数，v为惯性因子，用来控制继承多个粒子当前的速度的，在0.6到0.75之间进行选取；
Figure 213874DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 166786DEST_PATH_IMAGE010
为加速常数，加速常数控制着飞翔速度的计算，取
Figure 26158DEST_PATH_IMAGE009
=
Figure 431731DEST_PATH_IMAGE010
=1.7；
Figure 667541DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 740539DEST_PATH_IMAGE012
为0到1范围内的随机数；
Figure 770812DEST_PATH_IMAGE013
为后一个粒子的位置分量；
Figure 663681DEST_PATH_IMAGE014
为指第
Figure 169093DEST_PATH_IMAGE015
个粒子的最优解，其中，
Figure 96598DEST_PATH_IMAGE015
为自然数；粒子的分量即为浓度的速度和位置分量；
得到最终优化后的RSS值，将它与实际检测到的浓度值作加或者差，得到不受环境影响的理想值。
2.根据权利要求1所述的一种基于TDLAS技术的微水测量方法，其特征在于：所述计算所测气体的浓度信息包括对测量信号和参考信号进行处理；
所述测量信号是通过气体测量通道得到，所述气体测量通道是指用来直接测量气体，反映气体浓度响应特征波长的红外光的变化关系；
所述参考信号是通过参考通道得到，所述参考通道是用来测量没有被待测气体所吸收的光强的通道，与气体浓度的变化无关；所述参考信号与背景光或外界环境干扰有关。
3.根据权利要求2所述的一种基于TDLAS技术的微水测量方法，其特征在于：
对于所述气体测量通道，
Figure 32193DEST_PATH_IMAGE016
对于所述参考通道，
Figure 677938DEST_PATH_IMAGE017
所述测量信号和所述参考信号均正比于光强，对于一个密封的气室内，得：
所述气体测量通道：
Figure 255550DEST_PATH_IMAGE018
（4）
所述参考通道：
Figure 37561DEST_PATH_IMAGE019
（5）
其中，K为吸收系数；L为光程长度，均是确定的；两路通道拥有比例因子K1为95%，K2为5%；
Figure 144057DEST_PATH_IMAGE020
为光电探测器里面的电流值；
Figure 542678DEST_PATH_IMAGE021
为测量信号；
Figure 395752DEST_PATH_IMAGE022
为参考信号；
Figure 297849DEST_PATH_IMAGE023
为水蒸汽浓度。
4.根据权利要求3所述的一种基于TDLAS技术的微水测量方法，其特征在于：在实际测试中，光强是通过探测器的电信号来代表光强信号，为了消除误差，对所述式（4）和所述式（5）比值得：
Figure 575246DEST_PATH_IMAGE024
（6）
通过公式（6）计算出浓度为：
Figure 664425DEST_PATH_IMAGE025
（7）
其中，对于一个确定的系统，
Figure 583839DEST_PATH_IMAGE026
为常数Q；K1和K2只与当前环境有关，设
Figure 74864DEST_PATH_IMAGE027
为一个随环境变化的值m，通过标定得到；
Figure 788742DEST_PATH_IMAGE028
通过单片机直接计算而得到，设为X；公式（7）简化为：
Figure 630796DEST_PATH_IMAGE029
（8）。
5.一种基于TDLAS技术的微水测量装置，其特征在于：执行如权利要求1至4中任一项所述方法的步骤，以及包括
加热炉（4），通过所述加热炉（4）使水变为水蒸汽，所述水蒸汽被惰性气体带入气室（16）中；
激光器驱动（7），用来驱动激光器，使所述激光器发出特定波段的激光；
激光光源（8），发出波长为1392.5nm的激光，以对水进行检测，所述激光器驱动（7）和所述激光光源（8）相连接；
光纤（9），用来实现光信号的传输，所述光纤（9）分为第一通路和第二通路，所述第一通路的比例因子为95%，所述第二通路的比例因子为5%；
所述第一通路与第一光纤口（131）相连接，所述第一光纤口（131）用于发出第一激光，所述第一激光通过多块第一反射棱镜（151）反射后进入所述气室（16）中；
所述第二通路与第二光纤口（132）相连接，所述第二光纤口（132）用于发出第二激光，所述第二激光通过第二反射棱镜（152）反射后进入光电探测器（14）中，所述光电探测器（14）用于探测光信号。
6.根据权利要求5所述的一种基于TDLAS技术的微水测量装置，其特征在于：多块所述第一反射棱镜（151）分布两排，且两排所述第一反射棱镜（151）相对设置；
所述第二反射棱镜（152）设置在多块所述第一反射棱镜（151）的底端；
所述第二激光穿过所述第一激光的照射区后被所述第二反射棱镜（152）反射回所述光电探测器（14）中。
7.根据权利要求6所述的一种基于TDLAS技术的微水测量装置，其特征在于：所述光电探测器（14）与TDLAS控制器（10）相连接，所述TDLAS控制器（10）包括前置放大电路，数模信号转换电路和锁相放大器，用来处理所述光电探测器（14）检测到的光信号；所述TDLAS控制器（10）与起控制作用的PC端（18）相连接。
8.根据权利要求7所述的一种基于TDLAS技术的微水测量装置，其特征在于：所述加热炉（4）的一侧通过导气管与不锈钢气瓶（1）相连通；所述加热炉（4）连有用于反映所述加热炉（4）温度的热敏电阻（5），所述热敏电阻（5）与控制所述加热炉（4）温度的温度控制装置（6）相连接。
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