CN114878502A - 一种基于中红外光谱带电检测气体的装置的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于中红外光谱带电检测气体的装置的设计方法，所述方法包括：步骤1、确定待检气体在中红外光谱的吸收特性及检测方案；步骤2、确定待检气体中红外光谱带电检测关键技术；步骤3、待检气体中红外光谱带电检测装置的制备及测试；解决了现有技术中气体带电检测装置均依靠各自的研究方案进行摸索，没有一套标准化的带电检测装置设计方案；带电检测装置的确定需要消耗大量人力物力，而且还不能及时走向实用化应用等技术问题。
Description
技术领域
本发明属于气体检测技术，尤其涉及一种基于中红外光谱带电检测气体的装置的设计方法。
背景技术
针对气体检测技术中，现有技术主要采用的方法有气相色谱法、傅里叶红外光谱法、碳纳米管传感器法或气-质联用法等。然而，碳纳米管传感器法实际未实用化，停留在实验室理论研究阶段，其他因方法对环境的要求高在实验室应用效果好，却不能用于便携带电检测故障特征组分，频繁钢瓶采集设备中气体回实验室检测会导致设备气压低告警，甚至造成断路器闭锁，不利于设备安全运行。
各行业迫切需要在现场带电检测故障特征气体组分，从而指示设备故障，光学方法因其稳定好，灵敏度高，抗干扰能力强，是形成带电检测的主流方法；在中红外区域，对气体组分有很好的吸收峰，然而，中红外光谱检测方法众多，包含激光光腔衰荡(CRDS)、激光光声光谱(PAS)或可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)等中红外激光光谱检测技术等，而各种检测方法研制的带电检测装置均依靠各自的研究方案进行摸索，没有一套标准化的带电检测装置设计方案；带电检测装置的确定需要消耗大量人力物力，而且还不能及时走向实用化应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题：提供一种基于中红外光谱带电检测气体的装置的设计方法，以解决现有技术中气体带电检测装置均依靠各自的研究方案进行摸索，没有一套标准化的带电检测装置设计方案；带电检测装置的确定需要消耗大量人力物力，而且还不能及时走向实用化应用等技术问题。
本发明技术方案：
一种基于中红外光谱带电检测气体的装置的设计方法，所述方法包括：
步骤1、确定待检气体在中红外光谱的吸收特性及检测方案；
步骤2、确定待检气体中红外光谱带电检测关键技术；
步骤3、待检气体中红外光谱带电检测装置的制备及测试。
步骤1所述确定待检气体在中红外光谱的吸收特性的方法包括：
步骤1.1、基于分子动力学理论，分析待检气体的振动、转动能级及分布，针对4~8um区间待检气体在相对分子量大于100的气体背景下的光谱吸收能力；确定大分子气体背景下对待检气体分子吸收光谱展宽、强度的影响，模拟出分子红外吸收光谱，获取光谱分辨率优于0.4cm-1的高精度吸收谱图；
步骤1.2、基于气体配分函数理论，确定温度对待检气体的红外吸收光谱影响，设计并完成待检气体的温度和压力试验；根据傅里叶变换红外光谱技术确定在不同温度和压力条件下的气体吸收光谱强度变化和展宽效应。
步骤1所述检测方案的确定方法包括：
步骤1.3、确定激光吸收光谱技术、光声光谱技术或光腔衰荡红外光谱技术测量待检气体的可行性和优缺点；对吸收谱形状、幅度、波长位置及共存干扰物的干扰波长位置特性的研究和试验数据，根据中红外可选光源的发光原理、发射谱特性、输出功率和电调制特性因素，选择合适的探测波长位置和相应光源；开展红外光谱技术进行待检气体气体的比选试验，在满足同等性能指标前提下确定具有成本优势的光谱技术。
步骤2所述确定待检气体中红外光谱带电检测关键技术的方法包括：
步骤2.1、气体吸收池材料选择材料密度大于2.6g/cm3，抗拉强度大于300MPa，电导率大于30S·m-1，导热系数大于200W/（m·k），能够实现钝化和硫化表面处理工艺的材料；保证气体吸收池的刚性实现恒温控制保证结构稳定性，并达到ppb级别的防吸附特性；
步骤2.2、采用光路设计软件对光学气体吸收池进行光路设计，根据高斯光束的光路传输矩阵模型，对光路进行模拟仿真，根据气体的吸收光谱强度和确定的测量范围，进行满足测量光程需求的气体池光路设计；开展光路光噪声及光干涉模拟仿真分析，对光路噪声抑制方法进行分析提升气体池的有效光强，降低光噪声。
步骤2所述确定待检气体中红外光谱带电检测关键技术的方法包括：
步骤2.3、从电流电压驱动、散热因素及环境温度参数对波长稳定性的影响进行分析，确定中红外探测器小信号采集放大及解调；根据光源波形函数和气体吸收谱型函数，理论研究温度、压力和浓度对气体吸光度的影响因素，为温度和压力补偿提供算法依据；进行气体吸收实验测试实验，根据测量到的温度、压力和光强信号数据，应用化学计量学算法，提出温度、压力补偿及浓度反演算法。
所述待检气体中红外光谱带电检测装置的制备方法包括：
步骤3.1、通过辅助设计软件建立光学气体吸收池机械结构三维模型，通过有限元仿真分析软件对热变形、环境震动及承压能力环境因素进行仿真分析，对气密特性进行针对性设计；对研制的光学气体吸收池开展组装及光路调试，确保气体池密封性和调试气体池的有效光程；通入确定浓度的气体进行吸光度的测量，与理论计算进行对比，验证吸收池的光程；
步骤3.2、设计制作基于中红外量子级联激光器、锁相放大技术和长光程气体吸收池的带电气体检测装置。
步骤3.2所述设计锁相放大技术和长光程气体吸收池的带电气体检测装置的方法为：设计激光驱动电路、调制电路和信号采集放大电路，利用FPGA和嵌入式系统实现激光信号的高速调制和解调，实现测量信号的锁相放大；通过该长光程气体吸收池增强气体的吸光度；通过化学计量学算法、温度和压力补偿，对测量到的光信号进行更准确的浓度反演；进行人机交互平台设计，实现对装置参数设置、状态监控和测量结果的显示。
待检气体中红外光谱带电检测装置的的测试方法包括：
步骤3.3、对已经标定好的设备进行性能检验，通入不同浓度的标气对整机设备的性能指标进行测试，满足示值误差小于0.5ppm、最低检测限小于1ppm、重复性小于1%及线性优于0.99；开展现场检测环境温湿度的适应性测试，并验证仪器检出性能以满足带电检测要求。
本发明的有益效果：
根据本发明方法，可形成科学、系统的确定待检气体中红外光谱带电检测装置，为各种光谱检测气体组分技术指明研究方向，同时根据本发明的方法能更快速的形成实用化检测装置。
解决了现有技术中红外光谱检测气体的带电检测装置的确定均依靠各自的研究方案进行摸索，没有一套标准化的带电检测装置设计方案；带电检测装置的确定需要消耗大量人力物力，而且还不能及时走向实用化应用等技术问题。
具体实施方式
一种基于中红外光谱带电检测气体的装置的设计方法，包括：
步骤1、确定待检气体在中红外光谱的吸收特性及检测方案
具体的实施过程如下：
1）基于分子动力学理论，分析待检气体的振动、转动能级及其分布，重点研究4~8um区间待检气体在相对分子量大于100的气体背景下的光谱吸收能力；研究大分子气体背景下对待检气体分子吸收光谱展宽、强度的影响，模拟出分子红外吸收光谱，获取光谱分辨率优于0.4cm-1的高精度吸收谱图。
2）基于气体配分函数理论，研究温度对待检气体的红外吸收光谱影响，设计并完成待检气体的温度、压力试验；结合傅里叶变换红外光谱技术，研究在不同温度和压力条件下的气体吸收光谱强度变化和展宽效应。为不同的测量方案提供中心波长选择、带宽确定、气体温度和压力等测试条件提供理论参考，优化测量方案，提升检测限、示值误差和重复性等性能指标。
3）采用调研和理论分析方法，研究激光吸收光谱技术、光声光谱技术、光腔衰荡技术等红外光谱技术测量待检气体的可行性、优缺点。对吸收谱形状、幅度、波长位置、共存干扰物的干扰波长位置等特性的研究和试验数据，结合中红外可选光源的发光原理、发射谱特性、输出功率、电调制特性等因素，选择合适的探测波长位置和相应光源。在此基础上，开展红外光谱技术进行待检气体气体的比选试验，在满足同等性能指标前提下着重研究具有成本优势的光谱技术，将更利于推广及产业化应用，从而确定最佳光谱测量方案。
步骤2、确定待检气体中红外光谱带电检测关键技术
具体的实施过程如下：
1）待检气体分子极性较强，有极强的吸附性，选取合适惰性材料和表面处理工艺制备光学气体吸收池尤为关键。综合评价气体吸收池材料，选择材料密度大于2.6g/cm3，抗拉强度大于300MPa，电导率大于30S·m-1，导热系数大于200W/（m·k），能够实现钝化和硫化等表面处理工艺的材料。保证气体吸收池的刚性，实现恒温控制保证结构稳定性，并达到ppb级别的防吸附特性。
2）采用专业光路设计软件对光学气体吸收池进行光路设计，结合高斯光束的光路传输矩阵模型，对光路进行模拟仿真，根据气体的吸收光谱强度和确定的测量范围，进行满足测量光程需求的气体池光路设计。开展光路光噪声及光干涉模拟仿真分析，对光路噪声抑制方法进行分析研究，提升气体池的有效光强，降低光噪声。
3）研究量子级联激光器特性，从电流电压驱动、散热因素及环境温度等多参数对波长稳定性的影响开展研究；研究中红外探测器小信号采集放大及解调技术。根据光源波形函数和气体吸收谱型函数，理论研究温度、压力和浓度对气体吸光度的影响因素，为温度和压力补偿提供算法依据；进行气体吸收实验测试实验，根据测量到的温度、压力和光强信号数据，应用化学计量学算法，提出温度、压力补偿及浓度反演关键算法。
步骤3、待检气体中红外光谱带电检测装置的制备及测试。
具体的实施过程如下：
1）通过辅助设计软件建立光学气体吸收池机械结构三维模型，结合有限元仿真分析软件，对热变形、环境震动、承压能力等环境因素进行仿真分析，对气密特性进行针对性设计。对研制的光学气体吸收池开展组装及光路调试，确保气体池密封性和调试气体池的有效光程；通入确定浓度的气体进行吸光度的测量，与理论计算进行对比，验证吸收池的光程。
2）设计制作基于中红外量子级联激光器、锁相放大技术和长光程气体吸收池的带电气体检测装置。中红外量子级联激光器的可调谐、窄线宽、高功率密度等特性，从源头避免交叉干扰；设计激光驱动电路、调制电路和信号采集放大电路，利用FPGA和嵌入式系统实现激光信号的高速调制和解调，实现测量信号的锁相放大，提高系统光信号的信噪比；结合长光程气体吸收池，增强气体的吸光度，提高系统响应灵敏度；通过化学计量学算法，结合温度和压力补偿，对测量到的光信号进行更准确的浓度反演；进行人机交互平台设计，实现对装置参数设置、状态监控和测量结果的显示。对已经标定好的设备进行性能检验，通入不同浓度的标气对整机设备的性能指标进行测试，满足示值误差小于0.5ppm、最低检测限小于1ppm、重复性小于1%、线性优于0.99等设计指标，并通过第三方检测机构的关键参数测试。
开展现场检测环境温湿度的适应性测试，并验证仪器检出性能以满足带电检测要求；以变电站作为装置应用试点，开展多次现场SF6电气设备的带电检测试点应用。
Claims (8)
1.一种基于中红外光谱带电检测气体的装置的设计方法，其特征在于：所述方法包括：
步骤1、确定待检气体在中红外光谱的吸收特性及检测方案；
步骤2、确定待检气体中红外光谱带电检测关键技术；
步骤3、待检气体中红外光谱带电检测装置的制备及测试。
2.根据权利要求1所述的一种基于中红外光谱带电检测气体的装置的设计方法，其特征在于：步骤1所述确定待检气体在中红外光谱的吸收特性的方法包括：
步骤1.1、基于分子动力学理论，分析待检气体的振动、转动能级及分布，针对4~8um区间待检气体在相对分子量大于100的气体背景下的光谱吸收能力；确定大分子气体背景下对待检气体分子吸收光谱展宽、强度的影响，模拟出分子红外吸收光谱，获取光谱分辨率优于0.4cm-1的高精度吸收谱图；
步骤1.2、基于气体配分函数理论，确定温度对待检气体的红外吸收光谱影响，设计并完成待检气体的温度和压力试验；根据傅里叶变换红外光谱技术确定在不同温度和压力条件下的气体吸收光谱强度变化和展宽效应。
3.根据权利要求2所述的一种基于中红外光谱带电检测气体的装置的设计方法，其特征在于：步骤1所述检测方案的确定方法包括：
步骤1.3、确定激光吸收光谱技术、光声光谱技术或光腔衰荡红外光谱技术测量待检气体的可行性和优缺点；对吸收谱形状、幅度、波长位置及共存干扰物的干扰波长位置特性的研究和试验数据，根据中红外可选光源的发光原理、发射谱特性、输出功率和电调制特性因素，选择合适的探测波长位置和相应光源；开展红外光谱技术进行待检气体气体的比选试验，在满足同等性能指标前提下确定具有成本优势的光谱技术。
4.根据权利要求1所述的一种基于中红外光谱带电检测气体的装置的设计方法，其特征在于：步骤2所述确定待检气体中红外光谱带电检测关键技术的方法包括：
步骤2.1、气体吸收池材料选择材料密度大于2.6g/cm3，抗拉强度大于300MPa，电导率大于30S·m-1，导热系数大于200W/（m·k），能够实现钝化和硫化表面处理工艺的材料；保证气体吸收池的刚性实现恒温控制保证结构稳定性，并达到ppb级别的防吸附特性；
步骤2.2、采用光路设计软件对光学气体吸收池进行光路设计，根据高斯光束的光路传输矩阵模型，对光路进行模拟仿真，根据气体的吸收光谱强度和确定的测量范围，进行满足测量光程需求的气体池光路设计；开展光路光噪声及光干涉模拟仿真分析，对光路噪声抑制方法进行分析提升气体池的有效光强，降低光噪声。
5.根据权利要求4所述的一种基于中红外光谱带电检测气体的装置的设计方法，其特征在于：步骤2所述确定待检气体中红外光谱带电检测关键技术的方法包括：
步骤2.3、从电流电压驱动、散热因素及环境温度参数对波长稳定性的影响进行分析，确定中红外探测器小信号采集放大及解调；根据光源波形函数和气体吸收谱型函数，理论研究温度、压力和浓度对气体吸光度的影响因素，为温度和压力补偿提供算法依据；进行气体吸收实验测试实验，根据测量到的温度、压力和光强信号数据，应用化学计量学算法，提出温度、压力补偿及浓度反演算法。
6.根据权利要求1所述的一种基于中红外光谱带电检测气体的装置的设计方法，其特征在于：所述待检气体中红外光谱带电检测装置的制备方法包括：
步骤3.1、通过辅助设计软件建立光学气体吸收池机械结构三维模型，根据有限元仿真分析软件对热变形、环境震动及承压能力环境因素进行仿真分析，对气密特性进行针对性设计；对研制的光学气体吸收池开展组装及光路调试，确保气体池密封性和调试气体池的有效光程；通入确定浓度的气体进行吸光度的测量，与理论计算进行对比，验证吸收池的光程；
步骤3.2、设计制作基于中红外量子级联激光器、锁相放大技术和长光程气体吸收池的带电气体检测装置。
7.根据权利要求6所述的一种基于中红外光谱带电检测气体的装置的设计方法，其特征在于：步骤3.2所述设计锁相放大技术和长光程气体吸收池的带电气体检测装置的方法为：设计激光驱动电路、调制电路和信号采集放大电路，利用FPGA和嵌入式系统实现激光信号的高速调制和解调，实现测量信号的锁相放大；根据长光程气体吸收池增强气体的吸光度，通过化学计量学算法，通过温度和压力补偿，对测量到的光信号进行更准确的浓度反演；进行人机交互平台设计，实现对装置参数设置、状态监控和测量结果的显示。
8.根据权利要求6所述的一种基于中红外光谱带电检测气体的装置的设计方法，其特征在于：待检气体中红外光谱带电检测装置的的测试方法包括：
步骤3.3、对已经标定好的设备进行性能检验，通入不同浓度的标气对整机设备的性能指标进行测试，满足示值误差小于0.5ppm、最低检测限小于1ppm、重复性小于1%及线性优于0.99；开展现场检测环境温湿度的适应性测试，并验证仪器检出性能以满足带电检测要求。
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