CN117517237A - 一种基于气体传感的变压器油中气体检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气体传感的变压器油中气体检测方法，属于变压器油中气体检测技术领域，其包括以下步骤：S1、对变压器油中气体产生的机制进行分析并制定策略；S2、通过光声池的几何参数调节检测灵敏度；S3、建立气压与气体吸收系数、光声电压信号之间的函数；S4、通过算法进行去噪处理。通过光声光谱法对变压器监测系统精度优化，根据气体光谱检测原理搭建了光声光谱在线监测系统，设计了卡尔曼滤波结合数字锁相放大器降噪的降噪方法，并对系统进行了标定；在保持其它条件不变的前提下，用两种不同的信号处理方法对同一浓度的C2H2气体进行测量，无论是在测量精度还是稳定性方面均优于现有技术。

Description

一种基于气体传感的变压器油中气体检测方法

技术领域

本发明属于变压器油中气体检测技术领域，具体涉及一种基于气体传感的变压器油中气体检测方法。

背景技术

电力行业作为保障社会其它产业稳定运行的基础行业，其安全稳定运行对社会稳定和经济发展有不可替代的作用。电能是即发即用的能源，变压器承担着电压变换和电能传输的作用，作为电能传递的中枢设备，变压器的安全运行能力决定了电网的可靠性。目前，充油型变压器仍然是国内应用较为广泛的电力变压器，变压器油主要由烃类物质组成，是碳氢化合物的混合物，起到绝缘、散热和消灭电弧的作用，可以很好的提高变压器的整体绝缘能力，这对电力变压器十分重要。因此，变压器油的性能直接影响变压器的安全可靠性，由于变压器油在其内部循环流动，所以监测变压器油的性能能够较好的反映出变压器的运行状况。电力变压器在高电压大电流的环境下，电压冲击会导致油裂解产生一些气体，这些气体主要是各种烃类和碳氧化合物，这些气体能够溶解在油中导致其电气性能降低。专家研究表明通过分析油中溶解气体浓度之间的比例，可以分析出变压器的运行状态以及潜在故障，这类气体在电力行业被专业人士称为“故障气体”，因此，检测变压器油中溶解的气体浓度，分析不同气体浓度的比值能够为变压器的检修与维护提供依据。

近年来，随着各行各业对电力需求逐步增加，各电网电压等级逐渐升高，各发电机、变压器等变电设备的装机容量正在逐步扩大，电力行业逐步进入高电压、大电网时代。随着输变电技术的迅速发展，我国的输电的电压等级进一步提高，而变压器作为电压变换和电能传输的关键设备，变压器的安全就决定了后级电网的安全，因此，提高对大型电力变压器监测的可靠性已经成研究热点。提高监测设备的可靠性的首先要提高对油中溶解气体浓度的测量精度。所以通过对变压器绝缘油中气体浓度检测系统精度的优化研究，将会为变压器的监测设备提供更加准确的技术参数，从而得到更为准确的变压器运行状态的数据，这对我国电压等级进一步提高有促进作用。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种基于气体传感的变压器油中气体检测方法，解决了上述背景技术中的问题。

本发明的目的是这样实现的：一种基于气体传感的变压器油中气体检测方法，其包括以下步骤：

S1、对变压器油中气体产生的机制进行分析并制定策略；

S2、通过光声池的几何参数调节检测灵敏度；

S3、建立气压与气体吸收系数、光声电压信号之间的函数；

S4、通过算法进行去噪处理。

进一步地，所述对变压器油中气体产生的机制进行分析包括光信号分析、光到热的转换分析和热到声的转换分析，所述制定策略包括制定气体光声实验室平台；

所述光信号分析包括光声光谱气体检测，利用光到热再到声进行，包括第一个过程是光到热的转换，第二个过程是热到声的转换，两个过程的转换用于保证光声信号与气体浓度之间的线性关系，进而从声音信号中得到气体浓度变化的信息；

所述光到热的转换分析依靠气体分子对光子的选择性吸收以及吸收之后的无辐射跃迁来实现的，一束光入射到待测气体中，频率为v的光子被处于基态E₀的气体分子有选择性地吸收后，将其激发到激发态E₁，两个能级的本征能量满足E₁-E₀＝hv，处于激发态的分子发生无辐射跃迁，池豫到基态，吸收的光能转换为分子平动能进而产生热；

所述热到声的转换分析包括气体中传播的声波由声压来描述，光声信号产生过程中，热量到声波的转换依靠密闭气室内气体压力的周期性变化完成，第一个过程形成热密度源待测气体吸收光子后，通过无辐射迁跃释放热量H，声波产生声源而存在。

进一步地，所述光到热的转换分析包括光能转换到热能依靠气体分子对光子的选择性吸收以及吸收之后的无辐射跃迁，光的调制频率在ω＜＜10⁶时，进一步将返回基态过程中的产热化简，表达式为，

H₀＝N₀σI₀

式中，σ表示气体分子对特定频率光子的吸收截面，N₀表示双能系统中气体分子密度，I₀表示入射光强度。

进一步地，所述热到声的转换分析包括光声信号的产生过程中，热量到声波的转换依靠气体压力周期性变化完成，不考虑粘带损耗和热传导损耗带来的声损耗，当光源调制频率满足ω＜＜ω_j时不存在共振效应，A_j(ω)具有的表达式为，

式中，τ_T代表热弛豫时间，γ代表气体的比热比，α表示气体分子的吸收系数；

当光源调制频率与共振模式的频率相同时，即ω＝ω_j，在共振模式下，激发的声波振幅达到值为表达式，

式中，(Δω)为共振频率曲线的半峰宽度，即

进一步地，所述制定气体光声实验室平台包括光源、光线频率调制装置、滤光片、光声池、微音器、数据采集卡和锁相放大器；所述光源由宽带光源加单色仪组成，或使用带宽极窄的激光，且光源的辐射波长与待测气体的吸收谱线一致，且不被其他气体吸收，且产生时变的压力波，光束经过调制器进行调制；所述调制器包括机械斩波器、电光和声光调制器；单色光源辐射出能够被待测气体吸收的单色光，经过调制器的调制变成周期时变的断续光后，气体吸收断续光，引起它的周期性无辐射驰豫，宏观上表现为压力和温度的周期性变化，形成光声信号；声传感器探测到压力波后将其转变为电信号，该电信号由锁相放大器检测，并送给远程计算机分析处理或存盘。

进一步地，所述光声池作为光声信号的信号源，用于决定系统的分辨力、信噪比和检测极限性能，包括非谐振气体光声池，且其采用热传导系数较大的黄铜以及不锈钢，当调制频率低于池体的最低阶的共振频率时，光声池在非共振状态，这时池内光声信号是同相的，而光声信号幅值为，

式中，τ_T＝R²c_r/2.048k，k为热传导系数，c_r为气体等容热容；V为共振管体积，A_j(ω_j)为光声信号，I(r,ω_j)入射光线；

共振式光声池其池体的尺寸由所选的共振模式p_j(r)及共振频率所决定，其中r为光线沿径向传输的距离坐标，当光的调制频率ω＝ω_j时，光声信号A_j(ω)(w)为极大，表达式为，

式中，A_j(ω_j)为光声信号，I(r,ω_j)入射光线，p_j(r)为共振模式。

进一步地，所述建立气压与气体吸收系数、光声电压信号之间的函数包括气体压力特征，吸收系数是表征气体吸收行为并显示各种波长的红外辐射吸收的特性，气体分子的吸收谱带由重叠若干个吸收谱线组成，吸收系数α_Σ(λ)的表达式为，

式中，S_i、g_i(λ)分别是气体分子第i条谱线的线强度和线型函数；结合气压与气体吸收系数、分子平均自由程、分子平均速度、粘滞系数、导热系数、品质因数、光声池常数之间的函数关系，气压与光声电压信号之间的函数关系，表达式为，

式中，为光声电压信号对气压P^1.5有近似的线性相关。

进一步地，所述通过算法进行去噪处理包括光声信号中的噪声，所述光声信号中的噪声包括相干噪声和非相干噪声；

所述相干噪声为频率与调制的光声信号的频率相同或者相关的噪声，且固体也存在光声效应，当光通过光声池的窗口玻璃、以及照射到光声池壁时，窗口玻璃与池壁吸收光能向光声池内辐射热能，产生与有用信号同频或相关频率的信号，这部分信号并不是待测气体激发产生的，所以对待测气体来说这部分信号也是噪声；有的检测系统是利用机械斩波器对入射光源的频率进行调制，机械转动发出的声音也为相干噪声；

所述非相干噪声为环境噪声、气体流动噪声和电噪声，环境噪声是指待测气体激发产生的光声信号以外的声音信号，外界环境传入的声波信号；气体流动噪声由光声池内气体分子的布朗运动产生，因为分子无时无刻都在进行无规则运动，分子自由运动产生的噪声是限制光声光谱气体检测技术测量精度下限的因素；电噪声是由检测系统电子器件产生电子噪声和电压噪声。

进一步地，所述微音器为气体吸收调制光能在光声池中形成的周期性压力波动，即光声信号的强度极其微弱；微音器包括电容式和驻极体，用于把声能转化成电能反应出压力的变化。

进一步地，所述锁相放大器包括信号通道、参考通道、相敏检测器和低通滤波器；所述信号通道用于对调制正弦信号输入进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相敏检测器工作电平，并且滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检测的动态范围；所述参考通道用于对参考输入进行放大或衰减，为相敏检测器提取被检测信号的频率特征，提供适合幅度的与被测信号频率相关的信号；参考输入是等幅正弦信号或方波开关信号，包括从外部输入的周期信号，用于调制的载波信号或用于斩波的信号；所述相敏检测器和低通滤波器的信号为有周期性的函数，通过傅里叶变换计算。

本发明的有益效果：从光声光谱法变压器监测系统精度优化的整体出发，根据气体光谱检测原理搭建了光声光谱在线监测系统，设计了卡尔曼滤波结合数字锁相放大器降噪的降噪方法，并对系统进行了标定；在保持其它条件不变的前提下，用两种不同的信号处理方法对同一浓度的C2H2气体进行测量，结果显示所提的二级滤波降噪方法，无论是在测量精度还是稳定性方面均优于传统。通过单一锁相放大器相比传统的检测方法具有检测精度高、重复性好、操作简单维护少的优势，可以实时在线监测，可以较好的应用于变压器油中气体浓度在线监测领域。放大器的二级滤波降噪方法，可以进一步的降低光声信号中的噪声、提高监测系统的测量精度与稳定性，且该方法通过DSP编程即可实现，可以应用于其它微弱信号提取降噪过程，具有成本低、易推广的优点。

附图说明

图1是本发明的气体光声光谱检测示意图；

图2是本发明的光声光谱气体检测系统结构示意图；

图3是本发明的锁相放大器原理图；

图4是本发明的气体压强对气体吸收谱线峰值吸收系数的影响示意图；

图5是本发明的20KPa、60KPa、80KPa时C₂H₂分子吸收6578.5cm^-1的吸收系数示意图；

图6是本发明的不同气体压强下的C₂H₂光声电信号示意图；

图7是本发明的卡尔曼滤波与锁相放大器结合降噪结构图；

图8是本发明的二级滤波降噪结构示意图；

图9是本发明的卡尔曼滤波器内部结构图；

图10是本发明的数字锁相运算流程图；

图11是本发明的卡尔曼滤波降噪流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明，需要指出的是本发明中出现的所有上下前后左右等方位词，所有方位词均不对本发明做限定，只是为了更清楚的说明和解释本发明。

如图1-11所示，本实施例公开了一种基于气体传感的变压器油中气体检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对变压器油中气体产生的机制进行分析并制定策略；所述对变压器油中气体产生的机制进行分析包括光信号分析、光到热的转换分析和热到声的转换分析，所述制定策略包括制定气体光声实验室平台；所述光信号分析包括光声光谱气体检测，利用光到热再到声进行，包括第一个过程是光到热的转换，第二个过程是热到声的转换，两个过程的转换用于保证光声信号与气体浓度之间的线性关系，进而从声音信号中得到气体浓度变化的信息；所述光到热的转换分析依靠气体分子对光子的选择性吸收以及吸收之后的无辐射跃迁来实现的，一束光入射到待测气体中，频率为v的光子被处于基态E₀的气体分子有选择性地吸收后，将其激发到激发态E₁，两个能级的本征能量满足E₁-E₀＝hv，处于激发态的分子发生无辐射跃迁，池豫到基态，吸收的光能转换为分子平动能进而产生热；所述热到声的转换分析包括气体中传播的声波由声压来描述，光声信号产生过程中，热量到声波的转换依靠密闭气室内气体压力的周期性变化完成，第一个过程形成热密度源待测气体吸收光子后，通过无辐射迁跃释放热量H，声波产生声源而存在。

所述光到热的转换分析包括光能转换到热能依靠气体分子对光子的选择性吸收以及吸收之后的无辐射跃迁，光的调制频率在ω＜＜10⁶时，进一步将返回基态过程中的产热化简，表达式为，

H₀＝N₀σI₀

式中，σ表示气体分子对特定频率光子的吸收截面，N₀表示双能系统中气体分子密度，I₀表示入射光强度。

所述热到声的转换分析包括光声信号的产生过程中，热量到声波的转换依靠气体压力周期性变化完成，不考虑粘带损耗和热传导损耗带来的声损耗，当光源调制频率满足ω＜＜ω_j时不存在共振效应，A_j(ω)具有的表达式为，

式中，τ_T代表热弛豫时间，γ代表气体的比热比，α表示气体分子的吸收系数；

当光源调制频率与共振模式的频率相同时，即ω＝ω_j，在共振模式下，激发的声波振幅达到值为表达式，

式中，(Δω)为共振频率曲线的半峰宽度，即

所述制定气体光声实验室平台包括光源、光线频率调制装置、滤光片、光声池、微音器、数据采集卡和锁相放大器；所述光源由宽带光源加单色仪组成，或使用带宽极窄的激光，且光源的辐射波长与待测气体的吸收谱线一致，且不被其他气体吸收，且产生时变的压力波，光束经过调制器进行调制；所述调制器包括机械斩波器、电光和声光调制器；单色光源辐射出能够被待测气体吸收的单色光，经过调制器的调制变成周期时变的断续光后，气体吸收断续光，引起它的周期性无辐射驰豫，宏观上表现为压力和温度的周期性变化，形成光声信号；声传感器探测到压力波后将其转变为电信号，该电信号由锁相放大器检测，并送给远程计算机分析处理或存盘。

所述微音器为气体吸收调制光能在光声池中形成的周期性压力波动，即光声信号的强度极其微弱；微音器包括电容式和驻极体，用于把声能转化成电能反应出压力的变化。

所述锁相放大器包括信号通道、参考通道、相敏检测器和低通滤波器；所述信号通道用于对调制正弦信号输入进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相敏检测器工作电平，并且滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检测的动态范围；

所述参考通道用于对参考输入进行放大或衰减，为相敏检测器提取被检测信号的频率特征，提供适合幅度的与被测信号频率相关的信号；参考输入是等幅正弦信号或方波开关信号，包括从外部输入的周期信号，用于调制的载波信号或用于斩波的信号；

所述相敏检测器和低通滤波器的信号为有周期性的函数，通过傅里叶变换计算。

傅立叶红外光谱法是基于光的干涉原理，首先让光源发出的光分为两束后并形成一定的光程差，然后让这两束光产生干涉，得到的干涉图谱函数包含了光源的强度信息，然后进行傅里叶变换后得到红外光谱图，最后对光谱图进行分析然后计算出气体的含量，傅立叶红外光谱法有速度快精度高的优点。此外，还可以采用光声光谱法基于光声效应的量热光谱方法，它用一束频率可调制的带宽一定的光照射气体，气体吸收光能发生跃迁，然后以释放热能的方式退激，由于入射光是呈现一定的周期性，激发和退激也呈一定的周期性。所以，释放的热能按光的调制频率对周围介质周期性加热，介质产生周期性压力波动，这种压力波被称为光声信号。这种信号可以被高精度麦克风检测并转化成电信号，当气体分子数越多时产生的光声压力波越强，电信号也会越强，如果用已知浓度的气体对光声信号进行量化，因此便可以对未知气体浓度进行定量分析。

S2、通过光声池的几何参数调节检测灵敏度；所述光声池作为光声信号的信号源，用于决定系统的分辨力、信噪比和检测极限性能，包括非谐振气体光声池，且其采用热传导系数较大的黄铜以及不锈钢，当调制频率低于池体的最低阶的共振频率时，光声池在非共振状态，这时池内光声信号是同相的，而光声信号幅值为，

式中，τ_T＝R²c_r/2.048k，k为热传导系数，c_r为气体等容热容；V为共振管体积，A_j(ω_j)为光声信号，I(r,ω_j)入射光线；

共振式光声池其池体的尺寸由所选的共振模式p_j(r)及共振频率所决定，其中r为光线沿径向传输的距离坐标，当光的调制频率ω＝ω_j时，光声信号A_j(ω)(w)为极大，表达式为，

式中，A_j(ω_j)为光声信号，I(r,ω_j)入射光线，p_j(r)为共振模式。

通过选取适当的波长并结合检测压力波的强度，不仅可验证某种气体是否存在，更可确定其浓度。甚至对某些混合物或化合物也可作出定性、定量分析。而这也正是应用光声光谱方法的理论基础。一个简单的灯丝光源可提供包括红外谱带在内的宽带光辐射,采用抛物面反射镜聚焦后进入光声光谱测量模块。以恒定速率(30Hz)转动的调制盘可产生频闪效应以便对光源进行频率调制。在入射至光声室之前，红外辐射需透过一系列滤光片。不同的滤光片仅允许透射与某种分子光谱波长一致的光辐射,以便激发某种化合物分子。将气态样品注入光声室后,记录由微音器检测到的入射光透射各滤光片后激发气体样品产生的压力波强度。相应的数值则代表样品中所含特征气体的浓度值。光声光谱法具有灵敏度高、稳定性好等优点，对变压器故障诊断和预测有明显的促进作用，有利于进一步研究待检测气体与变压器故障之间的联系。在实际应用中，光声光谱技术装置维护任务较少，操作简单，不易出现操作失误，对一些工作人员更具有实用性，因此这种方法被迅速推广使用。

采用光声光谱测量原理的系统结构简单可靠，采用光声光谱原理仪器核心部件就是采用动态顶空法的脱气模块和采用光声光谱原理的光声光谱测量模块。在动态顶空室经过高效脱气分离后的混合气体直接进人光声室,由光声光谱测量模块进行检测,不需要组分分离模块。采用光声光谱测量原理的系统测量方法先进，代表了未来变压器油中溶解气体及微水在线检测的发展趋势，测量精度更高,重复性好,乙炔的最低测量下限超过了国家标准。

S3、建立气压与气体吸收系数、光声电压信号之间的函数；所述建立气压与气体吸收系数、光声电压信号之间的函数包括气体压力特征，吸收系数是表征气体吸收行为并显示各种波长的红外辐射吸收的特性，气体分子的吸收谱带由重叠若干个吸收谱线组成，吸收系数α_Σ(λ)的表达式为，

式中，S_i、g_i(λ)分别是气体分子第i条谱线的线强度和线型函数；结合气压与气体吸收系数、分子平均自由程、分子平均速度、粘滞系数、导热系数、品质因数、光声池常数之间的函数关系，气压与光声电压信号之间的函数关系，表达式为，

式中，为光声电压信号对气压P^1.5有近似的线性相关。

采样光声光谱测量原理的系统测量效率高，与现有的气相色谱测量原理的系统的测量相比，大大提高效率。前者的最短检测周期可达1h次，能最大程度的体现在线检测的意义。光声光谱系统采用高效的动态顶空法进行脱气,所需要的油样少，脱气时间短，在很短的时间就可以达到动态平衡。测量周期最短可以设置成1h次,能最大程度的实现在线检测。而采用气相色谱测量原理的系统,其脱气过程大多比较长。目前普遍使用的高分子膜,平衡时间较长,使测量失去了及时性。光声光谱测量原理的系统性价比更高,能真正实现免维护,无后续投资,因此长期使用投资回报率更大。而气相色谱测量原理的系统性价比相对较低,人工维护量大,需后续投资。光声光谱测量原理的系统的关键设备使用寿命长,而气相色谱测量原理的系统的关键设备使用寿命较短。绝大多数的基于气相色谱测量原理的系统内的色谱柱、传感器的寿命在2-4a左右,这与变压器的30a的设计寿命相比,监测系统本身所需要的维护周期太短。

光声光谱测量原理的系统不需要标气、载气、色谱柱等耗材,而采用气相色谱测量原理的系统则需要上述耗材。光声光谱技术测量环节中没有色谱柱,不存在色谱柱的污染、老化、饱和等因素,因此不需要用标气进行标定,而后者的测量环节由于有核心部件色谱柱,存在老化的现象,需要用标气对其进行定期标定。光声光谱技术测量过程中不需要载气,而后者需要定期更换载气。采用气相色谱测量原理的在线检测系统,使用高纯载气携带特定量的混合特征气体通过色谱柱,其消耗性载气高纯氮气、氦气通常可用一年,如果检测周期较短的话,消耗更快。其对消耗性高纯载气的依赖也增大了在线应用时的维护工作量。长期而言,消耗性备件需求大。在变压器现场的高压气瓶也可能存在安全隐患。光声光谱测量环节中没有无色谱柱,因此也没有色谱柱老化、污染、饱和等缺点无固态半导体传感器,因此也不受CO或其他气体污染,不存在被污染的可能。

S4、通过算法进行去噪处理；所述通过算法进行去噪处理包括光声信号中的噪声，所述光声信号中的噪声包括相干噪声和非相干噪声；

所述相干噪声为频率与调制的光声信号的频率相同或者相关的噪声，且固体也存在光声效应，当光通过光声池的窗口玻璃、以及照射到光声池壁时，窗口玻璃与池壁吸收光能向光声池内辐射热能，产生与有用信号同频或相关频率的信号，这部分信号并不是待测气体激发产生的，所以对待测气体来说这部分信号也是噪声；有的检测系统是利用机械斩波器对入射光源的频率进行调制，机械转动发出的声音也为相干噪声。

所述非相干噪声为环境噪声、气体流动噪声和电噪声，环境噪声是指待测气体激发产生的光声信号以外的声音信号，外界环境传入的声波信号；气体流动噪声由光声池内气体分子的布朗运动产生，因为分子无时无刻都在进行无规则运动，分子自由运动产生的噪声是限制光声光谱气体检测技术测量精度下限的因素；电噪声是由检测系统电子器件产生电子噪声和电压噪声。

光声光谱法在光和声的影响下，通过测量材料吸收光后产生的声场强度来对气体进行定性和定量分析，其中气压是最重要的干扰因素之一。基于气体光声电压信号的激励机制，本发明包括一种便携式且可调的实验装置，理论推导气压与气体吸收系数、光声电压信号之间的函数关系，并对溶解在变压器油中的乙炔、甲烷和二氧化碳的进行试验。实验装置采用DFB二极管激光器，在激光器的末端安装一个准直仪，使壁吸收产生的声噪声最小。光调制频率由机械斩波器SR540控制，以实现稳定的性能；微音器EK-3024用于获取光声电压信号；使用锁定放大器SR830测量光声电压信号。光声池为不锈钢制成的光声光谱检测装置，其表面通过超声波抛光，并且两侧都使用透射率大于90％的石英窗以布鲁斯特角密封。

采用C₂H₂来进行实验分析气体压力特性,实验步骤如下：

首先在光电池中密封标准浓度的400uL/LC₂H₂，用恒温器保持温度稳定在296K，锁定放大器的积分时间设置为1s，将DFB激光电流调整为45.30mA，功率调整为13.7mW；然后调节温度控制电阻，使激光辐射波长为1520.09nm，并将池中的气压从0KPa更改为140KPa；接着调节斩波器的斩波频率，以在不同气压下最大化光声电压信号的值，并记录斩波频率和最大值；最后调整并保持斩波器的斩波频率为1309Hz，并记录不同气压下的光声电压信号值。

气压与光声电压信号之间的关系如图6所示，说明气压极大地影响了光声光谱检测，光声电压信号的最大值和斩波频率1309Hz的值随气压的增加而增加，并且光声电压信号与P^1.5(0KPa<P<75KPa)和成近似线性关系。图6还表明光声电压信号的最大值不同于斩波频率1309Hz时的值，偏差值在约30KPa处时达到最大值41.2uV。

由于监测系统是用来监测变压器的运行状态，因此通常放在变压器附近，而通常变压器传输的为高电压、大电流，所以光声信号中不可避免的夹杂有很强的工频噪声。其次，在线监测系统会用到大量的电子器件，这些器件会产生的大量噪声，有时还会采用许多非线性电子元件，在各种监测信号中常常会受到各种各样电子器件噪声的严重干扰。此外，监测系统长时间处于不间断的工作状态，机械振动也会对测量结果产生影响。由于光声信号进行降噪时主要从频率上进行区分，而这些噪声的频率有的与信号频率相关有的则无关，所以统称为相干噪声和非相干噪声。

现有油色谱在线监测装置，通常使用瓶装高纯度空气或高纯氮气作为载气。然而，随着装置运行时载气消耗，载气压力不足时即需更换，否则装置将自动停运。这期间如果载气不能及时供应，变压器出现异常就不能及时发现。假设装置按1天1次的频率运行，经计算，一个8L的载气气瓶的可用时间为4至6个月。使用瓶装载气的装置需加强巡视并及时维护，给运维人员增加了较大负担，运行成本高。

本发明从光声光谱法变压器监测系统精度优化的整体出发，根据气体光谱检测原理搭建了光声光谱在线监测系统，设计了卡尔曼滤波结合数字锁相放大器降噪的降噪方法，并对系统进行了标定；在保持其它条件不变的前提下，用两种不同的信号处理方法对同一浓度的C2H2气体进行测量，结果显示所提的二级滤波降噪方法，无论是在测量精度还是稳定性方面均优于传统。通过放大器的二级滤波降噪方法，可以进一步的降低光声信号中的噪声、提高监测系统的测量精度与稳定性，且该方法通过DSP编程即可实现，可以应用于其它微弱信号提取降噪过程，具有成本低、易推广的优点。单一锁相放大器相比传统的检测方法具有检测精度高、重复性好、操作简单维护少的优势。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于气体传感的变压器油中气体检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对变压器油中气体产生的机制进行分析并制定策略；

S2、通过光声池的几何参数调节检测灵敏度；

S3、建立气压与气体吸收系数、光声电压信号之间的函数；

S4、通过算法进行去噪处理。

2.根据权利要求1所述的基于气体传感的变压器油中气体检测方法，其特征在于：所述对变压器油中气体产生的机制进行分析包括光信号分析、光到热的转换分析和热到声的转换分析，所述制定策略包括制定气体光声实验室平台；

所述光信号分析包括光声光谱气体检测，利用光到热再到声进行，包括第一个过程是光到热的转换，第二个过程是热到声的转换，两个过程的转换用于保证光声信号与气体浓度之间的线性关系，进而从声音信号中得到气体浓度变化的信息；

所述光到热的转换分析依靠气体分子对光子的选择性吸收以及吸收之后的无辐射跃迁来实现的，一束光入射到待测气体中，频率为v的光子被处于基态E₀的气体分子有选择性地吸收后，将其激发到激发态E₁，两个能级的本征能量满足E₁-E₀＝hv，处于激发态的分子发生无辐射跃迁，池豫到基态，吸收的光能转换为分子平动能进而产生热；

所述热到声的转换分析包括气体中传播的声波由声压来描述，光声信号产生过程中，热量到声波的转换依靠密闭气室内气体压力的周期性变化完成，第一个过程形成热密度源待测气体吸收光子后，通过无辐射迁跃释放热量H，声波产生声源而存在。

3.根据权利要求2所述的基于气体传感的变压器油中气体检测方法，其特征在于：所述光到热的转换分析包括光能转换到热能依靠气体分子对光子的选择性吸收以及吸收之后的无辐射跃迁，光的调制频率在ω＜＜10⁶时，进一步将返回基态过程中的产热化简，表达式为，

H₀＝N₀σI₀

式中，σ表示气体分子对特定频率光子的吸收截面，N₀表示双能系统中气体分子密度，I₀表示入射光强度。

4.根据权利要求2所述的基于气体传感的变压器油中气体检测方法，其特征在于：所述热到声的转换分析包括光声信号的产生过程中，热量到声波的转换依靠气体压力周期性变化完成，不考虑粘带损耗和热传导损耗带来的声损耗，当光源调制频率满足ω＜＜ω_j时不存在共振效应，A_j(ω)具有的表达式为，

式中，τ_T代表热弛豫时间，γ代表气体的比热比，α表示气体分子的吸收系数；

当光源调制频率与共振模式的频率相同时，即ω＝ω_j，在共振模式下，激发的声波振幅达到值为表达式，

式中，(Δω)为共振频率曲线的半峰宽度，即

5.根据权利要求2所述的基于气体传感的变压器油中气体检测方法，其特征在于：所述制定气体光声实验室平台包括光源、光线频率调制装置、滤光片、光声池、微音器、数据采集卡和锁相放大器；所述光源由宽带光源加单色仪组成，或使用带宽极窄的激光，且光源的辐射波长与待测气体的吸收谱线一致，且不被其他气体吸收，且产生时变的压力波，光束经过调制器进行调制；所述调制器包括机械斩波器、电光和声光调制器；单色光源辐射出能够被待测气体吸收的单色光，经过调制器的调制变成周期时变的断续光后，气体吸收断续光，引起它的周期性无辐射驰豫，宏观上表现为压力和温度的周期性变化，形成光声信号；声传感器探测到压力波后将其转变为电信号，该电信号由锁相放大器检测，并送给远程计算机分析处理或存盘。

6.根据权利要求1所述的基于气体传感的变压器油中气体检测方法，其特征在于：所述光声池作为光声信号的信号源，用于决定系统的分辨力、信噪比和检测极限性能，包括非谐振气体光声池，且其采用热传导系数较大的黄铜以及不锈钢，当调制频率低于池体的最低阶的共振频率时，光声池在非共振状态，这时池内光声信号是同相的，而光声信号幅值为，

式中，τ_T＝R²c_r/2.048k，k为热传导系数，c_r为气体等容热容；V为共振管体积，A_j(ω_j)为光声信号，I(r,ω_j)入射光线；

共振式光声池其池体的尺寸由所选的共振模式p_j(r)及共振频率所决定，其中r为光线沿径向传输的距离坐标，当光的调制频率ω＝ω_j时，光声信号A_j(ω)(w)为极大，表达式为，

式中，A_j(ω_j)为光声信号，I(r,ω_j)入射光线，p_j(r)为共振模式。

7.根据权利要求1所述的基于气体传感的变压器油中气体检测方法，其特征在于：所述建立气压与气体吸收系数、光声电压信号之间的函数包括气体压力特征，吸收系数是表征气体吸收行为并显示各种波长的红外辐射吸收的特性，气体分子的吸收谱带由重叠若干个吸收谱线组成，吸收系数α_Σ(λ)的表达式为，

式中，S_i、g_i(λ)分别是气体分子第i条谱线的线强度和线型函数；结合气压与气体吸收系数、分子平均自由程、分子平均速度、粘滞系数、导热系数、品质因数、光声池常数之间的函数关系，气压与光声电压信号之间的函数关系，表达式为，

式中，为光声电压信号对气压P^1.5有近似的线性相关。

8.根据权利要求1所述的基于气体传感的变压器油中气体检测方法，其特征在于：所述通过算法进行去噪处理包括光声信号中的噪声，所述光声信号中的噪声包括相干噪声和非相干噪声；

所述相干噪声为频率与调制的光声信号的频率相同或者相关的噪声，且固体也存在光声效应，当光通过光声池的窗口玻璃、以及照射到光声池壁时，窗口玻璃与池壁吸收光能向光声池内辐射热能，产生与有用信号同频或相关频率的信号，这部分信号并不是待测气体激发产生的，所以对待测气体来说这部分信号也是噪声；有的检测系统是利用机械斩波器对入射光源的频率进行调制，机械转动发出的声音也为相干噪声；

所述非相干噪声为环境噪声、气体流动噪声和电噪声，环境噪声是指待测气体激发产生的光声信号以外的声音信号，外界环境传入的声波信号；气体流动噪声由光声池内气体分子的布朗运动产生，因为分子无时无刻都在进行无规则运动，分子自由运动产生的噪声是限制光声光谱气体检测技术测量精度下限的因素；电噪声是由检测系统电子器件产生电子噪声和电压噪声。

9.根据权利要求5所述的基于气体传感的变压器油中气体检测方法，其特征在于：所述微音器为气体吸收调制光能在光声池中形成的周期性压力波动，即光声信号的强度极其微弱；微音器包括电容式和驻极体，用于把声能转化成电能反应出压力的变化。

10.根据权利要求5所述的基于气体传感的变压器油中气体检测方法，其特征在于：所述锁相放大器包括信号通道、参考通道、相敏检测器和低通滤波器；所述信号通道用于对调制正弦信号输入进行交流放大，将微弱信号放大到足以推动相敏检测器工作电平，并且滤除部分干扰和噪声，以提高相敏检测的动态范围；

所述参考通道用于对参考输入进行放大或衰减，为相敏检测器提取被检测信号的频率特征，提供适合幅度的与被测信号频率相关的信号；参考输入是等幅正弦信号或方波开关信号，包括从外部输入的周期信号，用于调制的载波信号或用于斩波的信号；

所述相敏检测器和低通滤波器的信号为有周期性的函数，通过傅里叶变换计算。