一種基于雙氣室切換分時掃描的新型氣體吸收光譜補償方法

任雙贊，王經緯，高亮亮，朱紅梅，吳 昊，劉 晶，湯曉君*，王 斌

1.國網陜西省電力公司電力科學研究院，陜西 西安 710100 2.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049

引 言

變壓器作為電力系統中最為關鍵的電力設備之一，一旦發生故障，會給人們生活帶來不利影響，更會造成經濟損失[1]。因此，及時準確地檢測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，作為一種常見的氣體分析方法已被應用于變壓器油中溶解氣體在線監測領域中[3]。

但是，由于紅外光譜儀中的光源等器件在長期工作過程中會發生一定的特性變化，致使在長時間在線分析過程中，光譜會發生一定的漂移，甚至是畸變[4]，最終影響到油中溶解氣體的在線分析的結果。因此，在使用光譜進行定量分析前，需要對光譜儀測定的光譜進行預處理，獲得可用于氣體定量分析的較為理想的光譜。

目前，針對由光譜儀的元器件特性變化引起的光譜基線漂移問題，目前常用的方法是校正算法處理。作者對紅外光源溫度波動及漂移等因素對光譜基線的影響進行仿真研究，結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]，并在此基礎上提出了基于光譜重構、傅里葉變換與特征提取的光譜基線畸變識別的方法[4]。近年來，國內外研究者提出了多種基線校正方法，例如導數法[6]，小波變換[7-8]，多項式擬合[9]，自適應迭代加權懲罰最小二乘法[10]等方法。使用導數法校正光譜基線時，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失真。當分析物的譜線稀疏時，小波變換法無法將峰值信號與噪聲區分開，可能會導致信號失真。此外，在選擇小波基以及其他的最優參數方面仍存在困難。多項式擬合方法簡單，但是容易過擬合或欠擬合。Peng等[11]通過在偏最小二乘法中嵌入基線校正約束，該標定算法克服了基線校正的不確定性，消除了低階多項式的干擾。Baek等[12]提出了一種不對稱重加權懲罰最小二乘法(arPLS)實現基線校正，通過對噪聲進行迭代估計和調整相應的權重，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較為統一的選擇標準。

雖然大多數基線校正算法可以有效修正光譜基線漂移，但對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用中，一方面，每次從變壓器油中脫氣出來的氣體非常有限，只有數十毫升，在用氮氣清洗氣室掃描背景后，難以讓氣室內氣體快速達到平衡；其次，清洗氣室需要氮氣，這大大增加了分析儀的維護工作。

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，這一部分間隙內的空氣紅外光譜吸收信息會在樣品單波圖和背景單波圖做比對時被抵消，但前提是空氣中各組分氣體濃度必須保持不變。顯然，在現場應用中，特別是空氣對流狀況嚴重時，這個前提條件是無法滿足的。

鑒于此，提出了一種基于雙氣室切換分時掃描光譜的氣體吸收光譜補償方法，對長時間工作后氣體吸收光譜發生的基線漂移與畸變的情況進行補償，提高了整個氣體分析儀的長時間工作穩定性，同時消除了間隙氣體成分變化給變壓器油中氣體分析中目標組分氣體分析結果帶來的影響。

1 實驗部分

基于雙氣室切換分時掃描氣體吸收光譜的基線補償方法如下：(1)在常規的單氣室混合氣光譜分析儀器基礎上，增加一個材料、尺寸等參數基本相同的氣室，一個氣室用于測量待測氣體，稱之為測量氣室，另一個氣室充滿背景氣體(通常用氮氣)，用于掃描背景光譜，稱之為背景氣室；

(2)在儀器投入使用后，系統采用分時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行分析[3]。

1.1 雙氣室切換裝置結構及控制方式

雙氣室切換裝置，包括測量氣室、背景氣室、電磁閥及雙通接頭等，其結構示意圖如圖1所示。其中，測量氣室有一個進氣口和一個出氣口，分置氣室兩端，與進氣管道和出氣管道相連；背景氣室也有一個進氣口和一個出氣口，正常情況下，這兩個口是密閉的，只有在需要更換背景氣時打開進氣口和出氣口更換背景氣。測量氣室的進氣口裝有一個電磁閥，電磁閥通過三通接頭與進氣管道相連，測量氣室的出氣口則直接通過三通接頭與氣路的出氣口相連。這兩個氣室之間的切換通過一個電機來實現，該電機通過控制板接入工控機中，由工控機上的監測軟件對氣室切換的控制。在氣體分析時，測量氣室應置于光路中；需要重新掃描背景時，工控機控制電機將背景氣室置于光路中。

圖1 雙氣室切換裝置結構示意圖

1.2 基于雙氣室切換分時掃描的氣體吸收光譜讀取方法

基于雙氣室切換分時掃描的氣體吸收光譜讀取與處理具體實現步驟如下：

(1)對背景氣室和測量氣室充滿背景氣體(通常為氮氣)，并按照背景光譜的方式掃描光譜，得到以波數為橫軸，以光強為縱軸的光譜；得到的光譜分別標示為back0和back1；其中back0表示對背景氣室掃描得到的光譜，back1表示對測量氣室掃描得到的光譜；

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

(3)按照下面的式(1)進行光譜處理，以吸光度為輸出的吸收光譜

(1)

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

此外，所述的步驟(2)中，每次進行氣體分析時，必須重新掃描測量氣室，獲取meas1；但meas0的更新是由通過識別光譜是否發生基線漂移和畸變[4]來決定，若基線漂移嚴重，或發生基線畸變，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實現，其流程圖如圖2所示。

圖2 雙氣室補償流程圖

2 結果與討論

對于常規吸光度的計算方法如式(2)所示

(2)

式(2)中，log(·)為常用對數，A即為測量氣室的以吸光度為輸出的吸收光譜。理論上，如果兩個氣室的結構參數與材質完全一樣，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，且隨著波數減小，基線進一步抬升。這說明，通過這種方式計算得到的光譜圖基線有著十分嚴重的基線偏移現象。而且，在1 100～1 200 cm-1波數范圍內還存在著不明吸收峰(圖3中用小圈標出)。

通過比對空氣中常見成分的紅外吸收圖譜[14]發現，導致這種情況的最大原因是背景氣室與測量氣室的窗片之間的差異。紅外光譜儀的氣體池通常都會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。理論上而言在400～4 000 cm-1范圍內溴化鉀是不會有紅外吸收[13]，然而由于制作工藝的原因，窗片上鍍膜的溴化鉀會摻有雜質，且每塊窗片在鍍膜時膜厚都會有一定差異，這就導致了不同的窗片會有不同的紅外單波吸收圖，因此通過計算方式(3)求出的光譜圖就會有嚴重的基線偏移現象和異常吸收峰的出現。

在執行雙氣室補償程序后，我們需要對結果進行評判。主要考察紅外光譜圖的基線是否發生偏移，在1 100～1 200 cm-1波數范圍內是否還存在著不明吸收峰。圖3實線譜圖是基于式(1)獲得雙氣室掃描的光譜吸光度圖，對比圖3短線譜圖，可以發現執行完雙氣室切換后的光譜圖基線比較穩定，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，說明雙氣室切換的補償方法有效解決了紅外光譜圖基線漂移的問題。再考察1 100～1 200 cm-1波數范圍，統計這段范圍內所有采樣點的光譜吸光度標準差，圖3中短線譜的標準差達到了0.051，而圖3中實線譜計算結果為0.003 9，由于這段波數范圍內沒有任何指標氣體的紅外吸收峰，只存在隨機噪聲，因此標準差計算的結果越大，體現基線的畸變情況越嚴重，故可以判定執行完雙氣室切換補償后譜線在1 100～1 200 cm-1波數范圍內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日同一時刻于陜西省某變電站的變壓器中，取得變壓器油樣，經脫氣處理后，獲得相應的氣體樣本，使用同一臺珀金埃爾默Spectrum Two紅外光譜儀進行光譜掃描。在背景掃描時，測量氣室和背景氣室的窗片都是使用相同規格的溴化鉀窗片，且選擇氮氣作為背景氣體。

圖4則是通過本文提出的基于雙氣室切換分時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日獲得的三個光譜基線幾乎都是水平線，并沒有出現畸變。因此，本方法可以解決氣體吸收光譜的基線畸變問題，保證氣體分析儀長期工作的穩定性。

圖4 采用式(1)計算方法分別于(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算方法方法獲得的吸光度光譜分析樣氣成分，其分析結果如表1所示。其中組別1, 2分別表示基于吸光度計算方法(2)、(1)的結果。從表中可以看出，組別1的甲烷的濃度分析結果總是大于組別2。同時，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。從整體上來看，相比于組別1，組別2的分析結果更接近于氣相色譜法的分析結果，說明本工作提出的基于雙氣室切換分時掃描的新型氣體吸收光譜補償方法在變壓器油中溶解氣體分析中具有更好的準確性。

表1 氣體分析結果對比表(mL·L-1)

3 結 論

針對紅外光譜儀由于長時間連續工作時光源等器件特性變化引起的光譜基線漂移與畸變問題，提出了一種基于雙氣室切換分時掃描的新型氣體吸收光譜讀取與處理方法。實驗表明，與常規的單氣室掃描和吸光度計算方法相比，本方法可以有效的解決光譜基線畸變問題，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勢，可以獲得更為準確的分析結果。