基于光聲光譜的電纜微量氣體濃度標(biāo)定和自動(dòng)化預(yù)警系統(tǒng)

高建國

（國網(wǎng)山西省電力公司朔州供電公司，朔州 036002）

目前電力電纜隧道環(huán)境以封閉為主，隧道經(jīng)常出現(xiàn)積水、淤泥等問題，便會(huì)出現(xiàn)甲烷、氨氣等氣體。此類氣體具有易燃易爆特征，對(duì)電纜隧道中運(yùn)維人員的人身安全存在不利影響，因此需要研究電纜微量氣體濃度標(biāo)定和自動(dòng)化預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題[1-2]。當(dāng)前工作人員在進(jìn)入電纜隧道之前會(huì)隨身佩戴便捷式氣體監(jiān)測(cè)裝置，若氣體濃度標(biāo)定結(jié)果異常，監(jiān)測(cè)裝置便會(huì)預(yù)警，提醒工作人員及時(shí)撤離[3]。但是當(dāng)預(yù)警提醒信息發(fā)出時(shí)，代表氣體濃度已經(jīng)超過標(biāo)定值，撤離的及時(shí)性已不能保證，工作人員可能已經(jīng)吸入有害氣體[4]。為此，需要研究一種可連續(xù)在線監(jiān)測(cè)電纜隧道微量氣體濃度的標(biāo)定和自動(dòng)化預(yù)警系統(tǒng)，為運(yùn)維人員提供具有指導(dǎo)意義的環(huán)境數(shù)據(jù)，無需運(yùn)維人員親自進(jìn)入電纜隧道，便可實(shí)現(xiàn)氣體濃度遠(yuǎn)程監(jiān)控。文獻(xiàn)[5]研究了一種放射性氣體37Ar 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，此系統(tǒng)對(duì)放射性氣體37Ar 的監(jiān)測(cè)效果較好，但此系統(tǒng)的研究存在針對(duì)性，因此在現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用性存在使用局限。文獻(xiàn)[6]利用傳感器和SSA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)一種氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，此系統(tǒng)能夠有效融合多傳感器的監(jiān)測(cè)信息，并通過SSA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷氣體濃度異常與否，但是，此系統(tǒng)僅具備氣體監(jiān)測(cè)功能，還不具備異常報(bào)警功能。

結(jié)合前人研究基礎(chǔ)，本文以電纜微量氣體濃度標(biāo)定與預(yù)警問題為研究核心，設(shè)計(jì)基于光聲光譜的電纜微量氣體濃度標(biāo)定和自動(dòng)化預(yù)警系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，其在電纜微量氣體監(jiān)測(cè)方面具有良好的應(yīng)用前景。

1 電纜微量氣體濃度標(biāo)定和自動(dòng)化預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)與核心設(shè)備設(shè)計(jì)

基于光聲光譜的電纜微量氣體濃度標(biāo)定和自動(dòng)化預(yù)警系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。氣體濃度信息采集端采集的氣體濃度信息在網(wǎng)絡(luò)端的協(xié)助下發(fā)送至預(yù)警端，當(dāng)氣體濃度超限，預(yù)警端便會(huì)發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

圖1 電纜微量氣體濃度標(biāo)定和自動(dòng)化預(yù)警系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the overall architecture of the cable trace gas concentration calibration and automatic early warning system

氣體濃度信息采集端的功能是采集電纜隧道現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。氣體濃度信息采集端的核心單元是光聲池，當(dāng)氣體傳感器采集氣體信號(hào)后，在激光器的作用下，單色光被發(fā)送至光聲池后，如果光波長未超出氣體吸收范圍，那么氣體分子便會(huì)吸收此波長光，然后由分子的碰撞方式，將分子在無輻射弛豫階段吸收的光能變換成分子平動(dòng)動(dòng)能，進(jìn)入放熱狀態(tài)。如果光在調(diào)制處理后進(jìn)入周期性照射狀態(tài)，放熱過程中電纜微量氣體便會(huì)出現(xiàn)周期性膨脹，在此狀態(tài)下將出現(xiàn)聲波。

圖2 氣體濃度信息采集端結(jié)構(gòu)信息Fig.2 Structural information of the gas concentration information acquisition end

聲波強(qiáng)度和電纜微量氣體濃度之間存在線性關(guān)系，當(dāng)光功率、光聲池結(jié)構(gòu)等因素固定，使用微音器把聲波變換成電信號(hào)，研究電信號(hào)便可得到氣體濃度信息，最后由前置放大器放大信號(hào)信息，通過鎖相放大器采集電信號(hào)的二次諧波成分，此成分信息即為電纜微量氣體濃度數(shù)值[7-8]，發(fā)送至計(jì)算機(jī)分析氣體濃度是否異常。

光聲光譜和微量氣體濃度的關(guān)系分析原理為若入射光強(qiáng)度與頻率處于調(diào)制狀態(tài)，那么光聲池中氣體溫度會(huì)隨著頻率變化而變化，電纜微量氣體壓強(qiáng)也隨之變化。如果調(diào)制頻率未超出聲頻范圍，那么便會(huì)出現(xiàn)光聲信號(hào)。此光聲信號(hào)和激發(fā)光功率、氣體濃度之間關(guān)系R 為

式中：Rn、w 分別是麥克風(fēng)靈敏性、入射光功率（激發(fā)光功率）；G、β 分別是光聲池常數(shù)、氣體分子在激光頻率中的吸收系數(shù)；h 是電纜微量氣體濃度值。

考慮到電纜隧道環(huán)境惡劣，傳感器對(duì)多種氣體的采集精度會(huì)受到外界條件的影響而降低。為保證氣體信息采集精度，準(zhǔn)確分析氣體濃度信息，必須保證氣體濃度檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。所以使用動(dòng)態(tài)氣體標(biāo)定儀，此裝置結(jié)構(gòu)分為CPU 軟件處理單元、V/F板、質(zhì)量流量控制器MPC1、MPC2 與多種傳感器，標(biāo)定儀結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 中，此裝置能夠產(chǎn)生校正的電纜微量氣體。其使用2 個(gè)精密的質(zhì)量流量控制器MPC1、MPC2，調(diào)節(jié)零氣與瓶氣的混合比，因此每類氣體均能夠獲取標(biāo)準(zhǔn)的混合濃度信息[9]。質(zhì)量流量控制器使用電子閉環(huán)控制方法，外設(shè)驅(qū)動(dòng)電壓和氣體流量、氣體流量監(jiān)測(cè)電壓之間存在線性關(guān)系[10]。CPU 運(yùn)算瓶氣流速與所采集氣體流速的方法是：

式中：hg、hj分別是所采集電纜微量氣體最終濃度、瓶氣體濃度；A、F 分別是校準(zhǔn)的電纜微量氣體流速、瓶氣體流速。

聲光報(bào)警裝置的功能為當(dāng)電信號(hào)采集完畢，計(jì)算機(jī)判斷氣體濃度超出標(biāo)定值后，預(yù)警信號(hào)啟動(dòng)，聲光報(bào)警裝置啟動(dòng)。聲光報(bào)警裝置的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。圖4 中，聲光報(bào)警裝置的本安電源，需要把電纜隧道127 V 交流，由變壓器隔離、減壓處理，整流輸出24 V 直流。再使用二級(jí)DC/DC 直流降壓轉(zhuǎn)換，發(fā)送至過壓、過流保護(hù)電路，調(diào)整為滿足安全應(yīng)用的12 V 直流輸出。本安電源的輸出是報(bào)警電路的語音、LED 發(fā)光陣列電路所需電能量，如果電纜微量氣體濃度超出標(biāo)定范圍，觸發(fā)電路啟動(dòng)后，語音報(bào)警信號(hào)、燈光警示信號(hào)便會(huì)同時(shí)啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化預(yù)警。

圖4 聲光報(bào)警裝置結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of the sound and light alarm device

圖5 氣體濃度光譜信息Fig.5 Gas concentration spectral information

1.2 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的微量氣體濃度異常診斷模型

為提高電纜隧道微量氣體濃度的檢測(cè)精度與速度，構(gòu)建基于RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的微量氣體濃度異常診斷模型。

1.2.1 氣體濃度統(tǒng)計(jì)特征提取

氣體濃度越低，則吸收光譜信息明顯度越低，所以需要提取信號(hào)多個(gè)特征參數(shù)，才可全面優(yōu)化濃度診斷精度。

（1）均值。均值可描述氣體濃度為h 時(shí)，獲取的氣體激光信號(hào)和原始信號(hào)之差的均值Qh，mean。計(jì)算方法是：

式中：M、Qj分別是獲取的氣體激光信號(hào)和原始激光偏差的點(diǎn)數(shù)總值、每個(gè)采樣點(diǎn)獲取的激光信號(hào)和原始激光的偏差數(shù)值。

（2）標(biāo)準(zhǔn)差。標(biāo)準(zhǔn)差Qh，std可描述電纜微量氣體濃度是h 條件中，氣體激光信號(hào)和原始信號(hào)之差的標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)值。計(jì)算方法是：

（3）偏差平方和。偏差平方和Qh，sse可描述氣體濃度h 條件中，氣體激光信號(hào)和原始信號(hào)差值的離散水平，數(shù)值靠近0，那么氣體吸收的光信號(hào)較少。計(jì)算方法是：

（4）變異系數(shù)。變異系數(shù)Qh，c可描述電纜微量氣體濃度h 條件中，獲取的氣體激光信號(hào)和原始信號(hào)差值的變異系數(shù)。計(jì)算方法是：

（5）最大偏差。最大偏差Qh，dev可描述氣體濃度是h 條件中，電纜微量氣體激光信號(hào)和原始信號(hào)差值的最大值。計(jì)算方法是：

1.2.2 微量氣體濃度異常診斷

RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層結(jié)構(gòu)為多個(gè)源點(diǎn)，主要將電纜微量氣體濃度統(tǒng)計(jì)特征在輸入層輸入各個(gè)源點(diǎn)，發(fā)送至隱藏層；隱藏層把輸入的氣體濃度統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行非線性變換，由高斯函數(shù)把輸入的信息轉(zhuǎn)換為非線性激活函數(shù)。激活函數(shù)為

式 中：Q＝Qh，mean+Qh，std+Qh，sse+Qh，c+Qh，dev為輸入的電纜微量氣體濃度統(tǒng)計(jì)特征樣本；α 為核函數(shù)寬度向量，α 和隱藏層神經(jīng)元數(shù)目存在關(guān)聯(lián)性，α 的運(yùn)算方法為

式中：cn、n 分別代表輸入樣本與核函數(shù)中心距離最大值、隱藏層神經(jīng)元數(shù)目。

網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出依次是Q、r。RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出的電纜微量氣體濃度異常診斷結(jié)果r 之間關(guān)系為

式中：f ［］、p（）分別為隱藏層與輸出層節(jié)點(diǎn)所用傳遞函數(shù)分別為輸入層至隱含層權(quán)重、隱藏層至輸入層權(quán)值；c1、c2分別為隱藏層閾值、輸出層閾值；i、j∈m。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)定

電纜微量氣體濃度標(biāo)定和自動(dòng)化預(yù)警實(shí)驗(yàn)中，結(jié)合相關(guān)資料記載，電纜隧道一氧化碳?xì)怏w波長為1600 nm 左右時(shí)，吸收特性顯著，此時(shí)波長抗擾性顯著，因此，實(shí)驗(yàn)中使用IR 激光發(fā)射器，將波長范圍設(shè)成［950 nm，1750 nm］，環(huán)境溫度25℃，大氣壓強(qiáng)100 kPa，在此工況中，以一氧化碳為例，使用本文系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行濃度檢測(cè)與預(yù)警，測(cè)試其使用性能。

2.2 氣體濃度信息采集效果

本文系統(tǒng)使用前后，一氧化碳?xì)怏w濃度的采集精度如表1 所示。本文系統(tǒng)使用后，一氧化碳?xì)怏w濃度采集精度顯著，氣體濃度采集結(jié)果與實(shí)際濃度的偏差值僅為0.1 μL/L，結(jié)合此實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文系統(tǒng)在電纜微量氣體濃度檢測(cè)問題中具備可用性。

表1 本文系統(tǒng)氣體濃度信息采集效果Tab.1 Acquisition effect of system gas concentration information

2.3 氣體濃度異常診斷效果測(cè)試

測(cè)試本文系統(tǒng)使用前后電纜微量氣體濃度異常診斷效果，結(jié)果如圖6 所示。從圖6 可知，本文系統(tǒng)使用基于RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的微量氣體濃度異常診斷模型，對(duì)電纜隧道中微量一氧化碳?xì)怏w的異常診斷結(jié)果與實(shí)際變化量相關(guān)系數(shù)最大值為0.99，診斷結(jié)果準(zhǔn)確。

圖6 電纜微量氣體濃度異常診斷效果Fig.6 Diagnostic effect of abnormal trace gas concentration of the cable

2.4 氣體濃度標(biāo)定和自動(dòng)化預(yù)警測(cè)試

本文系統(tǒng)預(yù)警時(shí)延測(cè)試結(jié)果如圖7 所示。從圖7 可知，本文系統(tǒng)在氣體濃度標(biāo)定和自動(dòng)化預(yù)警測(cè)試中，氣體標(biāo)定后，對(duì)異常濃度氣體的自動(dòng)化預(yù)警時(shí)延在0.4 s 之內(nèi)，由此證實(shí)，本文系統(tǒng)可快速測(cè)量異常氣體濃度并標(biāo)定，針對(duì)濃度超標(biāo)的情況，可快速響應(yīng)預(yù)警程序，具備自動(dòng)化預(yù)警的能力。

圖7 氣體濃度報(bào)警時(shí)延測(cè)試結(jié)果Fig.7 Gas concentration alarm delay test results

3 結(jié)語

氣體濃度檢測(cè)與預(yù)警問題不僅在工農(nóng)業(yè)、環(huán)境管理等領(lǐng)域?qū)儆诤诵膯栴}，在電纜隧道的運(yùn)維工作中也十分重要。光聲光譜技術(shù)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程式氣體濃度檢測(cè)與分析，在惡劣環(huán)境中具備可用價(jià)值。為此，本文結(jié)合此技術(shù)的使用優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種基于光聲光譜的電纜微量氣體濃度標(biāo)定和自動(dòng)化預(yù)警系統(tǒng)，此系統(tǒng)為保證電纜隧道微量氣體的檢測(cè)精度與預(yù)警效果，在設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)了微量氣體濃度標(biāo)定這一裝置，此裝置能夠?qū)⑺杉瘹怏w濃度信息進(jìn)行校準(zhǔn)，從而保證氣體濃度預(yù)警啟動(dòng)的準(zhǔn)確性。最后通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試此系統(tǒng)的使用性能，得出結(jié)論如下：①本文系統(tǒng)對(duì)一氧化碳?xì)怏w濃度采集精度顯著，氣體濃度采集結(jié)果與實(shí)際濃度的相對(duì)誤差僅為0.1 μL/L；②本文系統(tǒng)使用基于RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的微量氣體濃度異常診斷模型，對(duì)電纜隧道中微量一氧化碳?xì)怏w的異常診斷結(jié)果與實(shí)際變化量相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.99；③本文系統(tǒng)在氣體濃度標(biāo)定和自動(dòng)化預(yù)警測(cè)試中，對(duì)異常濃度氣體的自動(dòng)化預(yù)警時(shí)延在0.4 s 之內(nèi)，可滿足電纜隧道微量氣體自動(dòng)化預(yù)警使用需求。