CN116026777A - 基于窄带差分光谱法的空间痕量气体检测定位方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开基于窄带差分光谱法的空间痕量气体检测定位方法，涉及GIS设备监测技术领域，包括：通过红外热辐射光源产生红外热辐射光源；对GIS设备的SF6泄漏情况进行检测定位获取检测定位信息；接收检测定位信息进行处理显示并上传至远端监控平台。本发明公开基于窄带差分光谱法的空间痕量气体检测定位装置。本发明对气体绝缘高压设备SF6气体泄漏进行检测和定位，先于压力表发现微量气体泄漏，并指示泄漏点位置；大幅提升了现有SF6气体泄漏监测技术水平，及早发现设备早期气体泄漏；使用窄带差分光谱对两路回波信号进行差分处理，既可以保证待测气体吸收足够的光强又可避免其他气体以及环境产生的干扰，实现对SF6气体微泄漏的精准检测。
Description
技术领域
本发明涉及GIS设备监测技术领域，具体涉及基于窄带差分光谱法的空间痕量气体检测定位方法及装置。
背景技术
SF6泄漏是GIS最常见的缺陷，导致电气设备内部压力降低，设备绝缘和灭弧能力下降，甚至会导致设备放电故障或开关设备闭锁；SF6气体温室效应是CO2的23900多倍，在空气中能够存在3200多年，对环境存在严重影响。SF6在常温下无毒且不具有腐蚀性，但是经过局部放电、电弧放电等后，会分解出四氟化硫、二氟化硫等多种低氟硫化物，进一步与水分反应后，生成氟化氢、二氧化硫等有毒有害物质，会影响运维人员的安全。
对于GIS气体检漏技术，目前主要的检测原理有紫外线电离、高频振荡无极电离、电子捕获、负电晕放电等，但在实际使用中存在泄漏部位定位效率低、检测误差随环境变化大、难以做到精确定位和定量检测等问题。
近几年，利用SF6气体红外特性发展的激光成像检漏法及红外成像检漏法在检测SF6气体泄漏方面实现了重大突破，能够在相对较远距离发现泄漏点，但该方法灵敏度较低，难以对微量的SF6泄漏进行有效检测，难以及时发现GIS漏气缺陷。目前用于SF6泄漏监测的红外成像检测法技术有着非接触，检测距离远携带方便等优点，但检测灵敏度较低，难以实现SF6微量泄漏的早期预警，且检测效率偏低。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的不足，本发明提供基于窄带差分光谱法的空间痕量气体检测定位方法及装置。
本发明提出的技术方案为：
基于窄带差分光谱法的空间痕量气体检测定位方法，包括：
通过红外热辐射光源产生红外热辐射光源；
对GIS设备的SF6泄漏情况进行检测定位获取检测定位信息；
接收检测定位信息进行处理显示并上传至远端监控平台。
作为本发明的进一步技术方案为，所述通过红外热辐射光源产生红外热辐射光源；具体包括：
所述红外热辐射光源包括：红外热辐射光源、反光镜、凸透镜和滤光片；所述红外热辐射光源的背部设置反射镜，所述红外热辐射光源的前侧设置凸透镜，所述凸透镜的出光侧设置滤光片。
作为本发明的进一步技术方案为，对GIS设备的SF6泄漏情况进行检测得到检测信息，具体包括：
采用快速光谱采集技术得到差分吸收光谱；
利用双通道窄带差分光谱检测技术，获得环境对气体能量吸收的干扰情况，实现泄漏量的定量测量；
通过增加一路参考通道，对测量信号与参考信号做差分处理，将两次计算过程中的变化因素进行抵消；
依据待测SF6气体的选择吸收特性，将大功率宽带热辐射光源的发射光经分束器分为两束，经过滤光片后产生两个中心波长光信号，分别对应SF6气体分子最高吸收峰与弱吸收处，得到GIS设备的SF6泄漏位置；
将气体泄漏轨迹图像的像素点着重标识，并用双波段精确定位。
作为本发明的进一步技术方案为，所述接收检测定位信息进行处理显示并上传至远端监控平台，具体包括：
根据GIS设备的SF6泄漏位置得到气体泄漏运动轨迹；
利用非线性最小二乘法拟合手段，分析特征气体对差分吸收光谱的贡献，确定气态污染物种类；
最终将处理和判定结果通过传输模块传输至远端监控平台。
本发明还提供基于窄带差分光谱法的空间痕量气体检测与SF6泄漏定位装置，包括：
红外热辐射光源，通过红外热辐射光源产生红外热辐射光源；
红外图像探测模块，对GIS设备的SF6泄漏情况进行检测定位获取检测定位信息；
显示控制模块，用于接收检测信息和泄漏位置进行处理显示并上传至远端监控平台。
作为本发明的进一步技术方案为，所述红外热辐射光源包括：红外热辐射光源、反光镜、凸透镜和滤光片；所述红外热辐射光源的背部设置反射镜，所述红外热辐射光源的前侧设置凸透镜，所述凸透镜的出光侧设置滤光片。
作为本发明的进一步技术方案为，所述红外图像探测模块包括：
探测器，用于对微弱信号的探测得到探测信号；
双通道差分检测模块，对探测信号进行定位获取泄漏位置；
信号处理模块，用于对探测信号和泄漏位置进行处理。
作为本发明的进一步技术方案为，所述红外热辐射光源选择10.55μm作为SF6气体吸收峰检测波长。
作为本发明的进一步技术方案为，所述探测器采用液氮冷却的碲镉汞合金材料探测器。
作为本发明的进一步技术方案为，所述双通道差分检测模块包括：半透半反镜、第一滤光片、第二滤光片、红外热像仪，红外热辐射光源的发射端通过半透半反镜分为两束，其中一束通过第一滤光片输出第一光束，另外一束通过第二滤光片输出第二光束，第一光束和第二光束通过泄漏SF6气体与空气的混合气体产生红外影像，通过红外热像仪对第一光束和第二光束进行检测显示。
本发明的有益效果为：
1、本发明对气体绝缘高压设备SF6气体泄漏进行检测和定位，先于压力表发现微量气体泄漏，并指示泄漏点位置；大幅提升了现有SF6气体泄漏监测技术水平。对六氟化硫泄漏进行监测，及早发现设备早期气体泄漏；
2、本发明应用于室内变电站监测，实现痕量气体泄漏预警定位；解决SF6气体红外特征吸收光谱的窄带差分光谱检测，用于SF6气体含量检测的光学系统，提升气体检测精度，实现SF6气体检测与泄漏定位。
3、通过增加一路参考通道，对测量信号与参考信号做差分处理，将两次计算过程中的变化因素进行抵消，可以大幅提高检测信号的信噪比。
4、使用窄带差分光谱对两路回波信号进行差分处理，既可以保证待测气体吸收足够的光强又可避免其他气体以及环境产生的干扰，实现对SF6气体微泄漏的精准检测。
附图说明
图1为本发明提出的基于窄带差分光谱法的空间痕量气体检测定位方法流程图；
图2为本发明提出的一具体实施例结构图；
图3为本发明提出的基于窄带差分光谱法的空间痕量气体检测定位方法结构图；
图4为本发明提出的红外热辐射光源系统光路设计图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
如图1所示，其示出了本发明的具体实施方式，
基于窄带差分光谱法的空间痕量气体检测定位方法，包括：
步骤101，通过红外热辐射光源产生红外热辐射光源；
步骤102，对GIS设备的SF6泄漏情况进行检测定位获取检测定位信息；
步骤103，接收检测定位信息进行处理显示并上传至远端监控平台。
本发明对气体绝缘高压设备SF6气体泄漏进行检测和定位，先于压力表发现微量气体泄漏，并指示泄漏点位置。大幅提升了现有SF6气体泄漏监测技术水平。对六氟化硫泄漏进行监测，及早发现设备早期气体泄漏，对于保证电力设备及整个电力系统的安全、可靠、稳定运行具有重要的理论意义和实用价值。
在步骤101中，所述通过红外热辐射光源产生红外热辐射光源；具体包括：红外热辐射光源包括：红外热辐射光源、反光镜、凸透镜和滤光片；所述红外热辐射光源的背部设置反射镜，所述红外热辐射光源的前侧设置凸透镜，所述凸透镜的出光侧设置滤光片。
本发明实施例中，红外热辐射光源产生的红外热辐射光源经反射后两路回波信号通过聚焦和滤光会聚到两个红外探测器上，探测器将辐射能转换成电信号，经过差分放大处理将电信号输出到显示器上显示热像，显示器中的热像通过数据接口输入计算机进行分析处理。
本发明应用于室内变电站监测，实现痕量气体泄漏预警定位。解决SF6气体红外特征吸收光谱的窄带差分光谱检测，用于SF6气体含量检测的光学系统，提升气体检测精度，实现SF6气体检测与泄漏定位。
在步骤102中，对GIS设备的SF6泄漏情况进行检测得到检测信息，具体包括：
采用快速光谱采集技术得到差分吸收光谱；
利用双通道窄带差分光谱检测技术，获得环境对气体能量吸收的干扰情况，实现泄漏量的定量测量；
通过增加一路参考通道，对测量信号与参考信号做差分处理，将两次计算过程中的变化因素进行抵消；
依据待测SF6气体的选择吸收特性，将大功率宽带热辐射光源的发射光经分束器分为两束，经过滤光片后产生两个中心波长光信号，分别对应SF6气体分子最高吸收峰与弱吸收处，得到GIS设备的SF6泄漏位置；
将气体泄漏轨迹图像的像素点着重标识，并用双波段精确定位。
本发明实施例中，通过差分模块对由温度不稳定、光源波动、光路强弱等引起的一系列干扰等问题进行处理，提高探测灵敏度实现气体的定量测量，提供差分光谱技术进行SF6泄漏监测。通过增加一路参考通道，对测量信号与参考信号做差分处理，将两次计算过程中的变化因素进行抵消，可以大幅提高检测信号的信噪比。
合适的滤光片是将红外热辐射光源的宽谱辐射转化为特定波长窄带红外光的关键，凭借气体吸收谱线确定滤光片的设计参数，与不同的滤光片配合使用，分别获得两种波长窄带红外光。一种波长为SF6气体的主要吸收波长，另外一种波长处SF6几乎无吸收并且不存在CO2和H2O的干扰。
使用窄带差分光谱对两路回波信号进行差分处理，既可以保证待测气体吸收足够的光强又可避免其他气体以及环境产生的干扰，实现对SF6气体微泄漏的精准检测。
在步骤103中，所述接收检测定位信息进行处理显示并上传至远端监控平台，具体包括：
根据GIS设备的SF6泄漏位置得到气体泄漏运动轨迹；
利用非线性最小二乘法拟合手段，分析特征气体对差分吸收光谱的贡献，确定气态污染物种类；
最终将处理和判定结果通过传输模块传输至远端监控平台。
本发明实施例中，选择10.55μm作为SF6气体吸收峰检测波长，选择气体吸收系数高并且无其他气体干扰的吸收谱线，减少其他气体的交叉干扰，提高SF6探测信号的强度。SF6在波长10.55μm处有最强的吸收系数，并且在此波长处CO2、H2O对SF6的干扰也非常小，是测量SF6气体的理想波段。
参见图2，本发明还提出基于窄带差分光谱法的空间痕量气体检测与SF6泄漏定位装置，包括：
红外热辐射光源201，通过红外热辐射光源产生红外热辐射光源；
红外图像探测模块202，对GIS设备的SF6泄漏情况进行检测定位获取检测定位信息；
显示控制模块203，用于接收检测信息和泄漏位置进行处理显示并上传至远端监控平台。
参见图3，本发明实施例中，所述红外热辐射光源201包括：红外热辐射光源211、反光镜212、凸透镜213和滤光片214；所述红外热辐射光源211的背部设置反射镜212，所述红外热辐射光源211的前侧设置凸透镜213，所述凸透镜213的出光侧设置滤光片214。
本发明针对室内变电站SF6泄漏量小的应用情景，设计大功率红外热辐射光源模块，协同考虑了环境因素、反射率变化、电路温漂等参量的变化过程，通过差分检测技术并结合成像检测模块，实现SF6泄漏源的定性定位和定量高灵敏测量。
本发明实施例中，通过红外热辐射光源，可以大幅提高SF6气体的红外吸收信号强度；采用滤光片将红外热辐射光源的宽谱辐射转化为特定波长的窄带红外光，利用差分光谱检测技术，通过增加一路参考通道，将红外热辐射光源发出的光分成两路以此消除光源的不稳定性、环境的影响、光探测器件的噪声、电路温漂、反射面反射率变化等因素的影响；采用双通道差分红外成像技术实现对SF6泄漏气体的定量测量和空间定位，利用主动探测技术和窄带滤波技术大幅度提高气体的检测灵敏度。
本发明实施例中，所述红外图像探测模块包括：
探测器，用于对微弱信号的探测得到探测信号；
双通道差分检测模块，对探测信号进行定位获取泄漏位置；
信号处理模块，用于对探测信号和泄漏位置进行处理。
其中，红外热辐射光源包括：红外热辐射光源、反光镜、凸透镜和滤光片；所述红外热辐射光源的背部设置反射镜，所述红外热辐射光源的前侧设置凸透镜，所述凸透镜的出光侧设置滤光片。
采用的红外热辐射光源通过较小的体积实现较高的光源发射功率，其辐射率是理想黑体辐射率的80％，发光效率较高，为了提高信号的检测强度，红外热辐射光源配套使用反射镜以及透镜，反射镜选择汇聚效果好的镀金平凹镜，用于提高光源的利用效率。在光源前加反射镜，在光源后加透镜均可起到一定的汇聚作用，使得探测光的功率提高70％，并且透镜与光源之间的距离越小，探测到的光功率越大。因此结合红外热辐射光源，并安装反射镜、透镜等装置，可大幅度提高信号的检测强度。另外由于眼球含有较多的液体，对红外光源吸收较强，当一定强度的红外光源直接照射时，其吸收所产生的热能可能会损伤人眼，因此在红外光源前加滤光片，滤光片可以将大部分的红外光源吸收掉，从而对人眼进行有效的保护。
本发明实施例中，探测器采用液氮冷却的碲镉汞合金材料的探测器。
辐射的红外光，经反射后两路回波信号通过聚焦和滤光会聚到两个红外探测器上，探测器将辐射能转换成电信号，之后经过差分放大处理将电信号输出到显示器上显示热像，显示器中的热像通过数据接口输入计算机进行分析处理。由于探测的信号波段在10.4μm-10.6μm，为检测这个波长拟使用的传感器材料为碲镉汞合金材料的，属于光敏电阻类型，是靠光辐射的入射引起半导体电阻变化来进行工作的。为了降低背景热噪声的干扰，提高信噪比，需要对探测器采取必要的冷却，将探测器冷却到70-80K左右。本发明中使用液氮冷却的探测器，冷却性能好，成本低并且工作寿命长。
参见图4，本发明实施例中，双通道差分检测模块包括：半透半反镜、第一滤光片、第二滤光片、红外热像仪，红外热辐射光源的发射端通过半透半反镜分为两束，其中一束通过第一滤光片输出第一光束，另外一束通过第二滤光片输出第二光束，第一光束和第二光束通过泄漏SF6气体与空气的混合气体产生红外影像，通过红外热像仪对第一光束和第二光束进行检测显示。
采用差分光谱技术进行SF6泄漏监测。通过增加一路参考通道，对测量信号与参考信号做差分处理，将两次计算过程中的变化因素进行抵消，可以大幅提高检测信号的信噪比。依据待测SF6气体的选择吸收特性，将大功率宽带热辐射光源的发射光经半透半反镜分为两束，两束光分别经过不同参数的滤光片得到用于激发待测SF6气体两束光束，其中一路包含SF6的特征吸收波长10.55μm，当SF6泄漏时，气体与光的相互作用最强，光被大量吸收，经过SF6的光强度衰减；两者在同一环境内产生一定的温差，产生由明显色差的红外影像，被红外热像仪检测；SF6与空气相比红外吸收特性极强，所以在有SF6气体泄漏的时候，比无气体泄漏时所构建的图像要黯淡许多，在一张红外图像上能够很容易地辨别红外能量强与弱的部分。另外一路包含SF6基本不吸收且无CO2、H2O的干扰的波长，此光束经过SF6后光强基本不变。通过分别检测反射回来的两路回波信号，进行差分处理，避免了由温度不稳定，光源波动，光路的强弱等引起的一系列干扰影响，进一步提高了探测灵敏度，实现气体的定性测量。
本发明利用气体对特定波长光能量的吸收特性，SF6泄漏气体会强烈的吸收10.55μm的光。而没有气体泄漏的背景则将大部分红外光反射回探测器，从而使肉眼不可见的SF6气体能够在背景下显现出来。使用差分光谱法，对同一位置的回波信号进行差分处理，获得更高的检测灵敏度。
将大功率的红外热辐射光源发射的宽谱光由半透半反镜分成两束，两束光分别经过不同参数的滤光片得到用于激发待测SF6气体的10.55μm波长窄带红外光与SF6弱吸收峰处10.4μm的两束光束，经过泄漏SF6气体与空气的混合气体，SF6与空气相比红外吸收特性极强，两者在同一环境内产生一定的温差，产生有明显色差的红外影像，融合后的图像能够清晰指示漏点位置。为了能够更好地利用有效的回射能量，在回射光路上分别加上一块聚焦透镜，对光线起汇聚作用。
以上对本发明进行了详细介绍，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。
Claims (10)
1.基于窄带差分光谱法的空间痕量气体检测定位方法，其特征在于，包括：
通过红外热辐射光源产生红外热辐射光源；
对GIS设备的SF6泄漏情况进行检测定位获取检测定位信息；
接收检测定位信息进行处理显示并上传至远端监控平台。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过红外热辐射光源产生红外热辐射光源；具体包括：
所述红外热辐射光源包括：红外热辐射光源、反光镜、凸透镜和滤光片；所述红外热辐射光源的背部设置反射镜，所述红外热辐射光源的前侧设置凸透镜，所述凸透镜的出光侧设置滤光片。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对GIS设备的SF6泄漏情况进行检测得到检测信息，具体包括：
采用快速光谱采集技术得到差分吸收光谱；
利用双通道窄带差分光谱检测技术，获得环境对气体能量吸收的干扰情况，实现泄漏量的定量测量；
通过增加一路参考通道，对测量信号与参考信号做差分处理，将两次计算过程中的变化因素进行抵消；
依据待测SF6气体的选择吸收特性，将大功率宽带热辐射光源的发射光经分束器分为两束，经过滤光片后产生两个中心波长光信号，分别对应SF6气体分子最高吸收峰与弱吸收处，得到GIS设备的SF6泄漏位置；
将气体泄漏轨迹图像的像素点着重标识，并用双波段精确定位。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收检测定位信息进行处理显示并上传至远端监控平台，具体包括：
根据GIS设备的SF6泄漏位置得到气体泄漏运动轨迹；
利用非线性最小二乘法拟合手段，分析特征气体对差分吸收光谱的贡献，确定气态污染物种类；
最终将处理和判定结果通过传输模块传输至远端监控平台。
5.基于窄带差分光谱法的空间痕量气体检测与SF6泄漏定位装置，其特征在于，采用如权利要求1-4中任一所述的方法，包括：
红外热辐射光源，通过红外热辐射光源产生红外热辐射光源；
红外图像探测模块，对GIS设备的1SF6泄漏情况进行检测定位获取检测定位信息；
显示控制模块，用于接收检测信息和泄漏位置进行处理显示并上传至远端监控平台。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述红外热辐射光源包括：红外热辐射光源、反光镜、凸透镜和滤光片；所述红外热辐射光源的背部设置反射镜，所述红外热辐射光源的前侧设置凸透镜，所述凸透镜的出光侧设置滤光片。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述红外图像探测模块包括：
探测器，用于对微弱信号的探测得到探测信号；
双通道差分检测模块，对探测信号进行定位获取泄漏位置；
信号处理模块，用于对探测信号和泄漏位置进行处理。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述红外热辐射光源选择10.55μm作为SF6气体吸收峰检测波长。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述探测器采用液氮冷却的碲镉汞合金材料探测器。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述双通道差分检测模块包括：半透半反镜、第一滤光片、第二滤光片、红外热像仪，红外热辐射光源的发射端通过半透半反镜分为两束，其中一束通过第一滤光片输出第一光束，另外一束通过第二滤光片输出第二光束，第一光束和第二光束通过泄漏SF6气体与空气的混合气体产生红外影像，通过红外热像仪对第一光束和第二光束进行检测显示。
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