一種基于雙氣室切換分時(shí)掃描的新型氣體吸收光譜補(bǔ)償方法

任雙贊，王經(jīng)緯，高亮亮，朱紅梅，吳 昊，劉 晶，湯曉君*，王 斌

1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710100 2.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049

引 言

變壓器作為電力系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的電力設(shè)備之一，一旦發(fā)生故障，會(huì)給人們生活帶來(lái)不利影響，更會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失[1]。因此，及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出早期潛伏性的故障，顯得尤為重要。油中溶解氣體分析法是IEC60599—2007中規(guī)定的判斷油浸式電力變壓器早期潛伏性故障的有效方法[2]。傅里葉變換紅外光譜法，作為一種常見(jiàn)的氣體分析方法已被應(yīng)用于變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中[3]。

但是，由于紅外光譜儀中的光源等器件在長(zhǎng)期工作過(guò)程中會(huì)發(fā)生一定的特性變化，致使在長(zhǎng)時(shí)間在線分析過(guò)程中，光譜會(huì)發(fā)生一定的漂移，甚至是畸變[4]，最終影響到油中溶解氣體的在線分析的結(jié)果。因此，在使用光譜進(jìn)行定量分析前，需要對(duì)光譜儀測(cè)定的光譜進(jìn)行預(yù)處理，獲得可用于氣體定量分析的較為理想的光譜。

目前，針對(duì)由光譜儀的元器件特性變化引起的光譜基線漂移問(wèn)題，目前常用的方法是校正算法處理。作者對(duì)紅外光源溫度波動(dòng)及漂移等因素對(duì)光譜基線的影響進(jìn)行仿真研究，結(jié)果表明透射光譜的基線漂移近似線性，并提出分段比光譜基線漂移修正法校正光譜基線[5]，并在此基礎(chǔ)上提出了基于光譜重構(gòu)、傅里葉變換與特征提取的光譜基線畸變識(shí)別的方法[4]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者提出了多種基線校正方法，例如導(dǎo)數(shù)法[6]，小波變換[7-8]，多項(xiàng)式擬合[9]，自適應(yīng)迭代加權(quán)懲罰最小二乘法[10]等方法。使用導(dǎo)數(shù)法校正光譜基線時(shí)，噪聲可能容易放大。一旦噪聲被放大，不但降低信噪比，而且基線校正后光譜會(huì)失真。當(dāng)分析物的譜線稀疏時(shí)，小波變換法無(wú)法將峰值信號(hào)與噪聲區(qū)分開(kāi)，可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真。此外，在選擇小波基以及其他的最優(yōu)參數(shù)方面仍存在困難。多項(xiàng)式擬合方法簡(jiǎn)單，但是容易過(guò)擬合或欠擬合。Peng等[11]通過(guò)在偏最小二乘法中嵌入基線校正約束，該標(biāo)定算法克服了基線校正的不確定性，消除了低階多項(xiàng)式的干擾。Baek等[12]提出了一種不對(duì)稱重加權(quán)懲罰最小二乘法(arPLS)實(shí)現(xiàn)基線校正，通過(guò)對(duì)噪聲進(jìn)行迭代估計(jì)和調(diào)整相應(yīng)的權(quán)重，獲得更好的基線校正效果。但在基線模型的選擇方面目前尚無(wú)較為統(tǒng)一的選擇標(biāo)準(zhǔn)。

雖然大多數(shù)基線校正算法可以有效修正光譜基線漂移，但對(duì)于光譜的畸變處理效果有限[3]。消除光譜畸變最為有效的方法是重新掃描背景光譜。在變壓器油中氣體在線分析應(yīng)用中，一方面，每次從變壓器油中脫氣出來(lái)的氣體非常有限，只有數(shù)十毫升，在用氮?dú)馇逑礆馐覓呙璞尘昂?，難以讓氣室內(nèi)氣體快速達(dá)到平衡；其次，清洗氣室需要氮?dú)?，這大大增加了分析儀的維護(hù)工作。

此外，氣室和光譜儀之間存在間隙，間隙中空氣包含水汽、CO2等組分，使得掃描得到的紅外光譜會(huì)包含水汽、CO2等組分的紅外吸收信息。理論上，這一部分間隙內(nèi)的空氣紅外光譜吸收信息會(huì)在樣品單波圖和背景單波圖做比對(duì)時(shí)被抵消，但前提是空氣中各組分氣體濃度必須保持不變。顯然，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，特別是空氣對(duì)流狀況嚴(yán)重時(shí)，這個(gè)前提條件是無(wú)法滿足的。

鑒于此，提出了一種基于雙氣室切換分時(shí)掃描光譜的氣體吸收光譜補(bǔ)償方法，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間工作后氣體吸收光譜發(fā)生的基線漂移與畸變的情況進(jìn)行補(bǔ)償，提高了整個(gè)氣體分析儀的長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定性，同時(shí)消除了間隙氣體成分變化給變壓器油中氣體分析中目標(biāo)組分氣體分析結(jié)果帶來(lái)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

基于雙氣室切換分時(shí)掃描氣體吸收光譜的基線補(bǔ)償方法如下：(1)在常規(guī)的單氣室混合氣光譜分析儀器基礎(chǔ)上，增加一個(gè)材料、尺寸等參數(shù)基本相同的氣室，一個(gè)氣室用于測(cè)量待測(cè)氣體，稱之為測(cè)量氣室，另一個(gè)氣室充滿背景氣體(通常用氮?dú)?，用于掃描背景光譜，稱之為背景氣室；

(2)在儀器投入使用后，系統(tǒng)采用分時(shí)掃描光譜讀取方法讀取氣體吸收光譜，然后再采用多組分氣體傅里葉變換紅外光譜分析法進(jìn)行分析[3]。

1.1 雙氣室切換裝置結(jié)構(gòu)及控制方式

雙氣室切換裝置，包括測(cè)量氣室、背景氣室、電磁閥及雙通接頭等，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，測(cè)量氣室有一個(gè)進(jìn)氣口和一個(gè)出氣口，分置氣室兩端，與進(jìn)氣管道和出氣管道相連；背景氣室也有一個(gè)進(jìn)氣口和一個(gè)出氣口，正常情況下，這兩個(gè)口是密閉的，只有在需要更換背景氣時(shí)打開(kāi)進(jìn)氣口和出氣口更換背景氣。測(cè)量氣室的進(jìn)氣口裝有一個(gè)電磁閥，電磁閥通過(guò)三通接頭與進(jìn)氣管道相連，測(cè)量氣室的出氣口則直接通過(guò)三通接頭與氣路的出氣口相連。這兩個(gè)氣室之間的切換通過(guò)一個(gè)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該電機(jī)通過(guò)控制板接入工控機(jī)中，由工控機(jī)上的監(jiān)測(cè)軟件對(duì)氣室切換的控制。在氣體分析時(shí)，測(cè)量氣室應(yīng)置于光路中；需要重新掃描背景時(shí)，工控機(jī)控制電機(jī)將背景氣室置于光路中。

圖1 雙氣室切換裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 基于雙氣室切換分時(shí)掃描的氣體吸收光譜讀取方法

基于雙氣室切換分時(shí)掃描的氣體吸收光譜讀取與處理具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)對(duì)背景氣室和測(cè)量氣室充滿背景氣體(通常為氮?dú)?，并按照背景光譜的方式掃描光譜，得到以波數(shù)為橫軸，以光強(qiáng)為縱軸的光譜；得到的光譜分別標(biāo)示為back0和back1；其中back0表示對(duì)背景氣室掃描得到的光譜，back1表示對(duì)測(cè)量氣室掃描得到的光譜；

(2)在對(duì)變壓器油中氣體進(jìn)行分析的過(guò)程中，將背景氣室，以及充滿待分析氣體的測(cè)量氣室依次切入光路中，采用自動(dòng)裝置自動(dòng)切換，保證光路中每次只有一個(gè)氣室；再一次對(duì)背景氣室和測(cè)量氣室進(jìn)行光譜掃描，并得到分別標(biāo)示為meas0和meas1的以光強(qiáng)為輸出的光譜；其中meas0表示對(duì)背景氣室掃描得到的光譜，meas1表示對(duì)測(cè)量氣室掃描得到的光譜；

(3)按照下面的式(1)進(jìn)行光譜處理，以吸光度為輸出的吸收光譜

(1)

式(1)中，A即為測(cè)量氣室的以吸光度為輸出的吸收光譜，log(·)為常用對(duì)數(shù)。

此外，所述的步驟(2)中，每次進(jìn)行氣體分析時(shí)，必須重新掃描測(cè)量氣室，獲取meas1；但meas0的更新是由通過(guò)識(shí)別光譜是否發(fā)生基線漂移和畸變[4]來(lái)決定，若基線漂移嚴(yán)重，或發(fā)生基線畸變，則重新獲取meas0；否則，meas0保持不變。

由于雙氣室間的切換控制及光譜掃描都可以工控機(jī)實(shí)現(xiàn)，其流程圖如圖2所示。

圖2 雙氣室補(bǔ)償流程圖

2 結(jié)果與討論

對(duì)于常規(guī)吸光度的計(jì)算方法如式(2)所示

(2)

式(2)中，log(·)為常用對(duì)數(shù)，A即為測(cè)量氣室的以吸光度為輸出的吸收光譜。理論上，如果兩個(gè)氣室的結(jié)構(gòu)參數(shù)與材質(zhì)完全一樣，式(2)中的back1可用meas0替代，即可

(3)

儀器剛投入使用后，采用式(1)和式(3)得到的光譜如圖3所示。從圖中可以看出，采用式(1)得到的光譜基線是一條基本為0值的直線，水汽(1 400～1 800 cm-1以及3 600～3 800 cm-1)和二氧化碳吸收峰(2 340 cm-1附近)明顯。而由式(3)得到的光譜基線抬升到0.3以上，且隨著波數(shù)減小，基線進(jìn)一步抬升。這說(shuō)明，通過(guò)這種方式計(jì)算得到的光譜圖基線有著十分嚴(yán)重的基線偏移現(xiàn)象。而且，在1 100～1 200 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)還存在著不明吸收峰(圖3中用小圈標(biāo)出)。

通過(guò)比對(duì)空氣中常見(jiàn)成分的紅外吸收?qǐng)D譜[14]發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致這種情況的最大原因是背景氣室與測(cè)量氣室的窗片之間的差異。紅外光譜儀的氣體池通常都會(huì)安裝有兩塊溴化鉀鍍膜的窗片，其作用是既保證氣體池密封，又不影響紅外光路的透過(guò)。理論上而言在400～4 000 cm-1范圍內(nèi)溴化鉀是不會(huì)有紅外吸收[13]，然而由于制作工藝的原因，窗片上鍍膜的溴化鉀會(huì)摻有雜質(zhì)，且每塊窗片在鍍膜時(shí)膜厚都會(huì)有一定差異，這就導(dǎo)致了不同的窗片會(huì)有不同的紅外單波吸收?qǐng)D，因此通過(guò)計(jì)算方式(3)求出的光譜圖就會(huì)有嚴(yán)重的基線偏移現(xiàn)象和異常吸收峰的出現(xiàn)。

在執(zhí)行雙氣室補(bǔ)償程序后，我們需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)判。主要考察紅外光譜圖的基線是否發(fā)生偏移，在1 100～1 200 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)是否還存在著不明吸收峰。圖3實(shí)線譜圖是基于式(1)獲得雙氣室掃描的光譜吸光度圖，對(duì)比圖3短線譜圖，可以發(fā)現(xiàn)執(zhí)行完雙氣室切換后的光譜圖基線比較穩(wěn)定，從400 cm-1處到4 000 cm-1處光譜吸光度的總漂移量不到0.005，明顯小于圖3短線譜圖中將近0.3的光譜吸光度漂移量，說(shuō)明雙氣室切換的補(bǔ)償方法有效解決了紅外光譜圖基線漂移的問(wèn)題。再考察1 100～1 200 cm-1波數(shù)范圍，統(tǒng)計(jì)這段范圍內(nèi)所有采樣點(diǎn)的光譜吸光度標(biāo)準(zhǔn)差，圖3中短線譜的標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到了0.051，而圖3中實(shí)線譜計(jì)算結(jié)果為0.003 9，由于這段波數(shù)范圍內(nèi)沒(méi)有任何指標(biāo)氣體的紅外吸收峰，只存在隨機(jī)噪聲，因此標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算的結(jié)果越大，體現(xiàn)基線的畸變情況越嚴(yán)重，故可以判定執(zhí)行完雙氣室切換補(bǔ)償后譜線在1 100～1 200 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)的畸變情況明顯得到解決，不明吸收峰被成功消除。

圖3 基于式(1)與式(3)獲得雙氣室掃描的吸光光譜

分別在7月10日、8月10日以及9月10日同一時(shí)刻于陜西省某變電站的變壓器中，取得變壓器油樣，經(jīng)脫氣處理后，獲得相應(yīng)的氣體樣本，使用同一臺(tái)珀金埃爾默Spectrum Two紅外光譜儀進(jìn)行光譜掃描。在背景掃描時(shí)，測(cè)量氣室和背景氣室的窗片都是使用相同規(guī)格的溴化鉀窗片，且選擇氮?dú)庾鳛楸尘皻怏w。

圖4則是通過(guò)本文提出的基于雙氣室切換分時(shí)掃描的氣體吸收光譜讀取與處理方法獲得的吸光度光譜。從圖4可以看出，7月10日、8月10日、以及9月10日獲得的三個(gè)光譜基線幾乎都是水平線，并沒(méi)有出現(xiàn)畸變。因此，本方法可以解決氣體吸收光譜的基線畸變問(wèn)題，保證氣體分析儀長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性。

圖4 采用式(1)計(jì)算方法分別于(a)7月10日、(b)8月10日和(c)9月10日獲得的吸光光譜

利用上述兩種吸光度計(jì)算方法方法獲得的吸光度光譜分析樣氣成分，其分析結(jié)果如表1所示。其中組別1, 2分別表示基于吸光度計(jì)算方法(2)、(1)的結(jié)果。從表中可以看出，組別1的甲烷的濃度分析結(jié)果總是大于組別2。同時(shí)，組別1的二氧化碳濃度總是大于組別2的二氧化碳濃度。而造成這樣分析結(jié)果的明顯差異極可能是由于光譜儀與氣室間氣隙中空氣的影響。從整體上來(lái)看，相比于組別1，組別2的分析結(jié)果更接近于氣相色譜法的分析結(jié)果，說(shuō)明本工作提出的基于雙氣室切換分時(shí)掃描的新型氣體吸收光譜補(bǔ)償方法在變壓器油中溶解氣體分析中具有更好的準(zhǔn)確性。

表1 氣體分析結(jié)果對(duì)比表(mL·L-1)

3 結(jié) 論

針對(duì)紅外光譜儀由于長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作時(shí)光源等器件特性變化引起的光譜基線漂移與畸變問(wèn)題，提出了一種基于雙氣室切換分時(shí)掃描的新型氣體吸收光譜讀取與處理方法。實(shí)驗(yàn)表明，與常規(guī)的單氣室掃描和吸光度計(jì)算方法相比，本方法可以有效的解決光譜基線畸變問(wèn)題，獲得較為理想的光譜曲線，克服氣室與光譜儀間氣隙帶來(lái)的影響，因此在變壓器油中溶解氣體的分析中具有更大的優(yōu)勢(shì)，可以獲得更為準(zhǔn)確的分析結(jié)果。