CN115436320A - 一种混合气体背景下气体吸收线的修正方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种混合气体背景下气体吸收线的修正方法，包括：S1：将输出中心频率υn的激光器通过浓度为c1的待测气体，获得待测气体对称的吸收线的二次谐波，S2：将输出中心频率υn的激光器通过包含浓度为c2的待测气体n的混合气体中，获得浓度为c2的待测气体在混合气体背景下的实测二次谐波信号Mn(υ)；S3：建立待测气体在混合气体背景下拟合吸收线的二次谐波信号模型
S4：根据二次谐波信号模型
和实测二次谐波信号Mn(υ)获得混合气体背景分离后的待测气体吸收线
S5：根据待测气体吸收线
和标准吸收二次谐波An(υ)获得谱线形变参数；S6：根据横向伸缩系数和平移系数完成实时吸收线修正。可有效解决混合气体背景对待测气体吸收谱线干扰问题。
Description
技术领域
本发明属于变压器油中溶解气体检测技术领域，具体涉及一种混合气体背景下气体吸收线的修正方法。
背景技术
相较于现有的基于物理/化学的变压器油中溶解气体检测方法具有稳定性差、需定期更换和校准会增加操作和维护的工作量等不足之处，可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)具有线宽窄、波长扫描快、可在室温下工作等优点在变压器油中溶解气体检测方面具有广阔应用前景。然而在实际测量系统中，激光器驱动电流与温度的漂移等会造成激光器波长偏移，而且由于变压器油中溶解气体种类多，混合气体中的其他分子之间的碰撞和发射也会影响待测气体吸收线的形状，如不进行吸收线修正，会严重影响气体测量准确性，特别是对于低浓度气体测量准确性，从而影响变压器运行状态分析和早期故障诊断。
现有的解决方案中没有考虑到气体吸收线形变来源于温度、光强幅度调制等多因素的影响耦合，仅通过改变激光器驱动参数或者补偿某一影响量难以达到吸收线整体复原的效果，且针对动态变化的工况条件适应性差。特别地，考虑到变压器油中溶解气体检测气体种类多(包括但不限于一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔)，混合气体中的其他分子之间的碰撞和发射也会影响待测气体吸收线的形状。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种混合气体背景下气体吸收线的修正方法，以解决现有技术存在的上述至少一个问题。
基于上述目的，本申请中一个或多个实施例提供了一种混合气体背景下气体吸收线的修正方法，内容包括以下步骤：
S1：将输出中心频率υn的激光器通过浓度为c1的待测气体n，获得待测气体关于中心频率υn对称的吸收线的二次谐波，即标准吸收二次谐波An(υ)，υ为该激光器的瞬时频率；
S2：将输出中心频率υn的激光器通过包含浓度为c2的待测气体n的混合气体中，获得浓度为c2的待测气体在混合气体背景下的实测二次谐波信号Mn(υ)，其中c2<c1；
S3：建立待测气体在混合气体背景下拟合吸收线的二次谐波信号模型
S4：根据二次谐波信号模型
和实测二次谐波信号Mn(υ)获得混合气体背景分离后的待测气体吸收线
S5：根据待测气体吸收线
和标准吸收二次谐波An(υ)获得谱线形变参数；
S6：根据横向伸缩系数和平移系数完成实时吸收线修正，得到修正后的气体吸收线A′n(v)。
基于本发明的上述技术方案，还可以作出如下改进：
可选的，所述步骤S3中的二次谐波信号模型
表示为：
其中，N为混合气体中气体种类数，
分别为混合气体中第i种气体的吸收系数αi(υ)的一阶、二阶和三阶导数，xi，yi，zi分别为拟合系数。
可选的，第i种气体的吸收系数αi(υ)的表示为αi(υ)＝SiΦ(ν)Ng，其中Si为气体的吸收线强，Ng为气体的分子数密度，
为高斯线型函数，高斯线型函数表示为
其中
为高斯线型函数的半高半宽，T为气体绝对温度，m为分子质量，υi为第i种气体在该激光器输出频率范围内的吸收线频率。
可选的，步骤S4中获得混合气体背景分离后的待测气体吸收线
包括：建立二次谐波信号模型
和实测二次谐波信号Mn(υ)的误差公式
其中υ1、υ2分别表示输出中心频率υn的激光器瞬时频率的范围，且满足：υ1＜υ2；应用最小二乘法求得误差E最小时
的参数；根据求得的参数，得到待测气体n的气体吸收线
可表示为：
可选的，步骤S5中的谱线形变参数包括横向伸缩系数和平移系数，其中，横向伸缩系数通过计算
A n(υ)吸收峰峰值到谷值的距离得到；平移系数通过吸收线
A n(υ)吸收峰峰值位置的差值得到；
其中，定义气体吸收线
的吸收峰峰值位置为p*，平移系数为s1，An(υ)吸收峰峰值位置的位置p，则平移系数s1＝p*-p；
定义气体吸收线
的吸收峰左波谷位置为
右波谷位置为
横向伸缩系数为sR，伸缩系数为sL，A n(υ)吸收峰左波谷位置为t1，右波谷位置为t2，则伸缩系数
横向伸缩系数
可选的，所述的横向伸缩系数和平移系数完成实时吸收线修正包括：根据横向伸缩系数，采用线性插值完成气体吸收线的修正；根据平移系数，横向平移吸收线完成气体吸收线的修正；
其中，根据平移系数s1，若s1＞0，则将待测气体吸收线
向左平移|s1|个点，若s1＜0，则将待测气体吸收线
向右平移|s1|个点，其中|s1|表示s1的绝对值，若s1＝0，则不操作；
根据伸缩系数sL，若sL＞1，则对吸收线
进行压缩插值，插值系数为1/|sL|；若sL＜1，则进行拉伸插值，插值系数为1/|sL|；若sL＝1，则不操作；
根据伸缩系数sR，若sR＞1，则对吸收线
进行压缩插值，插值系数为1/|sR|；若sR＜1，则进行拉伸插值，插值系数为1/|sR|；若sR＝1，则不操作。
本发明的有益效果是，本发明提供了一种混合气体背景下气体吸收线的修正方法，解决了应用TDLAS技术实现变压器油中溶解气体检测时谱线形变影响检测精度的问题，从而有效提高对变压器油中溶解气体检测准确性、可靠性。可有效解决混合气体背景对待测气体吸收谱线干扰问题，对实现单个激光器下多种气体检测具有重要意义，从而有效简化基于TDLAS的变压器油中溶解气体检测系统结构，降低系统成本；
还可以修正温度等环境干扰对吸收谱线的影响，有效提高基于TDLAS的变压器油中溶解气体检测系统的测量精度和抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明实施例的一种混合气体背景下气体吸收线的修正方法的步骤流程示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本申请中一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请中一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
本申请中一个或多个实施例的一一种混合气体背景下气体吸收线的修正方法，包括以下步骤：
S1：将输出中心频率υn的激光器通过浓度为c1的待测气体n，获得待测气体关于中心频率υn对称的吸收线的二次谐波，即标准吸收二次谐波An(υ)，υ为该激光器的瞬时频率；
S2：将输出中心频率υn的激光器通过包含浓度为c2的待测气体n的混合气体中，获得浓度为c2的待测气体在混合气体背景下的实测二次谐波信号Mn(υ)，其中c2<c1；
S3：建立待测气体在混合气体背景下拟合吸收线的二次谐波信号模型
S4：根据二次谐波信号模型
和实测二次谐波信号Mn(υ)获得混合气体背景分离后的待测气体吸收线
S5：根据待测气体吸收线
和标准吸收二次谐波An(υ)获得谱线形变参数；
S6：根据横向伸缩系数和平移系数完成实时吸收线修正，得到修正后的气体吸收线A′n(v)。
可以理解的是，在本实施例中，解决了应用TDLAS技术实现变压器油中溶解气体检测时谱线形变影响检测精度的问题，从而有效提高对变压器油中溶解气体检测准确性、可靠性。可有效解决混合气体背景对待测气体吸收谱线干扰问题，对实现单个激光器下多种气体检测具有重要意义，从而有效简化基于TDLAS的变压器油中溶解气体检测系统结构，降低系统成本；并能够修正温度等环境干扰对吸收谱线的影响，有效提高基于TDLAS的变压器油中溶解气体检测系统的测量精度和抗干扰能力。
根据本实施例的技术方案，基于得到的修正后的气体吸收线A′n(v)实现待测气体浓度特征值的计算。
在一种可选的实施例方式中，所述步骤S3中的二次谐波信号模型
表示为：
其中，N为混合气体中气体种类数，
分别为混合气体中第i种气体的吸收系数αi(υ)的一阶、二阶和三阶导数，xi，yi，zi分别为拟合系数。
可以理解的是，在本实施例中，建立的二次谐波信号模型
中涵盖了多种混合气体的存在的情况，并基于混合气体的吸收系数的一阶、二阶和三阶导数，以及拟合系数进行综合计算，使得结果更加精准可靠。
在一种可选的实施例方式中，第i种气体的吸收系数αi(υ)的表示为αi(υ)＝SiΦ(ν)Ng，其中Si为气体的吸收线强，Ng为气体的分子数密度，
为高斯线型函数，高斯线型函数表示为
其中
为高斯线型函数的半高半宽，T为气体绝对温度，m为分子质量，υi为第i种气体在该激光器输出频率范围内的吸收线频率。
可以理解的是，在本实施例中，于现有技术不同的是，本实施例中所采用的技术方案中考虑的对气体吸收线的影响因素更多，基于不同类型的影响因素，采用对应的方式进行综合考虑，并基于此对气体吸收线进行进一步修正。
在一种可选的实施例方式中，步骤S4中获得混合气体背景分离后的待测气体吸收线
(υ)包括：建立二次谐波信号模型
和实测二次谐波信号Mn(υ)的误差公式
其中υ1、υ2分别表示输出中心频率υn的激光器瞬时频率的范围，且满足：υ1＜υ2；应用最小二乘法求得误差E最小时
的参数；根据求得的参数，得到待测气体n的气体吸收线
可表示为：
可以理解的是，在本实施例中，步骤S4中根据二次谐波信号模型
和实测二次谐波信号Mn(υ)获得混合气体背景分离后的待测气体吸收线
具体的，建立
Mn(υ)的误差公式，在误差最小的情况下确定
的参数，并据此确定气体吸收线的表达式。
在一种可选的实施例方式中，步骤S5中的谱线形变参数包括横向伸缩系数和平移系数，其中，横向伸缩系数通过计算
A n(υ)吸收峰峰值到谷值的距离得到；平移系数通过吸收线
A n(υ)吸收峰峰值位置的差值得到；
其中，定义气体吸收线
的吸收峰峰值位置为p*，平移系数为s1，An(υ)吸收峰峰值位置的位置p，则平移系数s1＝p*-p；
定义气体吸收线
的吸收峰左波谷位置为
右波谷位置为
横向伸缩系数为sR，伸缩系数为sL，A n(υ)吸收峰左波谷位置为t1，右波谷位置为t2，则伸缩系数
横向伸缩系数
在一种可选的实施例方式中，所述的横向伸缩系数和平移系数完成实时吸收线修正包括：根据横向伸缩系数，采用线性插值完成气体吸收线的修正；根据平移系数，横向平移吸收线完成气体吸收线的修正；
其中，根据平移系数s1，若s1＞0，则将待测气体吸收线
向左平移|s1|个点，若s1＜0，则将待测气体吸收线
向右平移|s1|个点，其中|s1|表示s1的绝对值，若s1＝0，则不操作；
根据伸缩系数sL，若sL＞1，则对吸收线
进行压缩插值，插值系数为1/|sL|；若sL＜1，则进行拉伸插值，插值系数为1/|sL|；若sL＝1，则不操作；
根据伸缩系数sR，若sR＞1，则对吸收线
进行压缩插值，插值系数为1/|sR|；若sR＜1，则进行拉伸插值，插值系数为1/|sR|；若sR＝1，则不操作。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的系统。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令系统的制造品，该指令系统实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
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，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种混合气体背景下气体吸收线的修正方法，其特征是，其包括以下步骤：
S1：将输出中心频率υn的激光器通过浓度为c1的待测气体n，获得待测气体关于中心频率υn对称的吸收线的二次谐波，即标准吸收二次谐波An(υ)，υ为该激光器的瞬时频率；
S2：将输出中心频率υn的激光器通过包含浓度为c2的待测气体n的混合气体中，获得浓度为c2的待测气体在混合气体背景下的实测二次谐波信号Mn(υ)，其中c2<c1；
S3：建立待测气体在混合气体背景下拟合吸收线的二次谐波信号模型
S4：根据二次谐波信号模型
和实测二次谐波信号Mn(υ)获得混合气体背景分离后的待测气体吸收线
S5：根据待测气体吸收线
和标准吸收二次谐波An(υ)获得谱线形变参数；
S6：根据横向伸缩系数和平移系数完成实时吸收线修正，得到修正后的气体吸收线A′n(ν)。
2.如权利要求1所述的一种混合气体背景下气体吸收线的修正方法，其特征是，所述步骤S3中的二次谐波信号模型
表示为：
其中，N为混合气体中气体种类数，
分别为混合气体中第i种气体的吸收系数αi(υ)的一阶、二阶和三阶导数，xi，yi，zi分别为拟合系数。
3.如权利要求2所述的一种混合气体背景下气体吸收线的修正方法，其特征是，第i种气体的吸收系数αi(υ)的表示为αi(υ)＝SiΦ(ν)Ng，其中Si为气体的吸收线强，Ng为气体的分子数密度，
为高斯线型函数，高斯线型函数表示为
其中
为高斯线型函数的半高半宽，T为气体绝对温度，m为分子质量，υi为第i种气体在该激光器输出频率范围内的吸收线频率。
4.如权利要求3所述的一种混合气体背景下气体吸收线的修正方法，其特征是，步骤S4中获得混合气体背景分离后的待测气体吸收线
包括：建立二次谐波信号模型
和实测二次谐波信号Mn(υ)的误差公式
其中υ1、υ2分别表示输出中心频率υn的激光器瞬时频率的范围，且满足：υ1＜υ2；应用最小二乘法求得误差E最小时
的参数；根据求得的参数，得到待测气体n的气体吸收线
可表示为：
5.如权利要求4所述的一种混合气体背景下气体吸收线的修正方法，其特征是，步骤S5中的谱线形变参数包括横向伸缩系数和平移系数，其中，横向伸缩系数通过计算
An(υ)吸收峰峰值到谷值的距离得到；平移系数通过吸收线
An(υ)吸收峰峰值位置的差值得到；
其中，定义气体吸收线
的吸收峰峰值位置为p*，平移系数为s1，An(υ)吸收峰峰值位置的位置p，则平移系数s1＝p*-p；
定义气体吸收线
的吸收峰左波谷位置为
右波谷位置为
横向伸缩系数为sR，伸缩系数为sL，An(υ)吸收峰左波谷位置为t1，右波谷位置为t2，则伸缩系数
横向伸缩系数
6.如权利要求5所述的一种混合气体背景下气体吸收线的修正方法，其特征是，所述的横向伸缩系数和平移系数完成实时吸收线修正包括：根据横向伸缩系数，采用线性插值完成气体吸收线的修正；根据平移系数，横向平移吸收线完成气体吸收线的修正；
其中，根据平移系数s1，若s1＞0，则将待测气体吸收线
向左平移|s1|个点，若s1＜0，则将待测气体吸收线
向右平移|s1|个点，其中|s1|表示s1的绝对值，若s1＝0，则不操作；
根据伸缩系数sL，若sL＞1，则对吸收线
进行压缩插值，插值系数为1/|sL|；若sL＜1，则进行拉伸插值，插值系数为1/|sL|；若sL＝1，则不操作；
根据伸缩系数sR，若sR＞1，则对吸收线
进行压缩插值，插值系数为1/|sR|；若sR＜1，则进行拉伸插值，插值系数为1/|sR|；若sR＝1，则不操作。
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2022
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