基于紫外光谱检测的GIS内多类故障早期预警

气体绝缘开关(GIS)故障预警强调异常识别的实效性和现场适用性,是精确诊断的基础。研究GIS内局部放电(PD)及过热故障的统一预警方法具有重要意义。提出将SO₂作为GIS内部两类故障公共的特征分解物,并应用紫外光谱(UV)测量SO₂实现多故障早期预警。一阶导数法和Savitzky-Golay滤波被用于快速基线校正和光谱平滑,290～310 nm被选为特征区进行SO₂检测及定量。UV检测可避免诸如SF₆及SOF₂、SO₂F₂等分解物的干扰,便于从复杂的SF₆分解物组分中识别微量SO₂特征,测量系统结构简单、维护成本低、适于现场检测。通过模拟SF₆气体在两类PD缺陷及200～400 ℃过热条件下的分解实验,证实所提UV预警方法的有效性：两类GIS故障条件下都会稳定的生成SO₂。对UV预警后的故障诊断,借助傅里叶变换红外光谱仪及气相色谱仪,确认PD及过热故障下的分解物组分存在差异,并据此简要分析了故障类型辨识方法。PD分解物以SOF₂和SO₂F₂为主,SO₂含量远小于SOF₂,放电涉及环氧树脂时含碳分解物含量上升。过热材质为不锈钢时,SF₆约在300 ℃发生分解,300～400 ℃内的过热分解物主要为SO₂和SOF₂,350 ℃以上SO₂生成速率明显快于PD时。随着GIS内故障持续恶化,SO₂含量均呈现稳定上升趋势。在UV预警后,可利用获得的SO₂生成特性初步辨识故障类型。     

一种改进的奇异值降噪阶次选取方法用于紫外光谱信号去噪的研究

光谱去噪是光谱检测的重要环节。针对光谱信号易受光谱仪热噪声、现场机械振动以及随机噪声等因素影响,而在线监测系统要求减少人为参数选择对去噪效果的影响,提出利用奇异值分解(SVD)理论对光谱信号去噪。提出一种改进的降噪阶次选取方法：指定奇异值差分谱最大峰值点θ₁为所选阶次下界;利用奇异值、奇异值差分谱综合信息选取阶次上界θ₂;将区间θ₁～θ₂定义为模糊区域,通过模糊C均值聚类求取隶属度,赋予模糊区域内奇异值相应的权重系数。用所提方法对不同信噪比下SO₂紫外光谱信号去噪,将信噪比、均方根误差、波形相似系数、平滑度指标用于去噪效果的评价。去噪结果表明：所提方法完全基于数据驱动,具有较好的去噪效果,能够真实的恢复原始信号。     

利用二维相关红外光谱方法确定气体最优定量波数区间

气体检测中需选用最优波数范围来进行气体光谱的定量分析。传统波数范围的选取主要根据标准光谱的特征吸收,存在抗干扰性较差、在实际情况中容易出现较大偏差的问题。文章将二维相关红外光谱方法用于气体检测,对SO₂,NO及NO₂进行光谱结构分析和光谱信息发掘,以确定最优定量波数区间。以浓度值为微扰量,用含不同浓度某气体成分的一组红外吸收光谱,做二维相关得到SO₂,NO及NO₂的动态光谱,利用同步相关光谱和异步相关光谱来分析对气体浓度变化最敏感的波数区间,确定了被测气体定量分析的优选波数范围,包括一系列独立的波数点和连续的波数区间。作为一种新颖的最优定量波数区间选取方法,其得到的结论与理想的分析谱带选取的结果相吻合,证明了此方法的有效性。     

被动差分吸收光谱法测量区域内污染气体排放通量的方法研究

研究了一种基于被动差分吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy, DOAS)测量区域(如工业区,城市)内SO₂等大气污染气体排放通量的光学遥测方法。采用安装在汽车上的被动DOAS系统围绕区域进行扫描测量,通过被动DOAS光谱处理方法对系统采集的天顶太阳散射光谱进行处理获取污染气体柱密度,再结合测量时段的气象(风场)信息获得该区域内污染气体对外的净排放通量。文章着重描述了获得污染气体柱密度的差分吸收光谱方法以及区域内污染气体净排放通量的计算方法,并构建了车载被动DOAS系统对北京市五环路以内区域的SO₂和NO₂排放进行外场测量,测得了该区域内SO₂和NO₂净排放通量分别为1.13×104和9.3×103 kg·h-1。实验结果表明这种基于被动DOAS的光学遥测方法能够用于区域内污染气体排放通量的快速测量。     

室温下基于微等离子体放电发射光谱法检测甲烷

建立了一套针板电极交流放电微等离子发生装置,以氮气作为载气,甲烷为分析气体,放电电压为1.32 kV, 放电距离为3 mm, Pt丝和Pt/MWNT复合纳米粒子修饰FTO电极为放电电极,放电频率为30 kHz,功率消耗为13 W,利用发射光谱法检测放电过程中产生的微等离子体发射光谱,用于在室温下检测甲烷气体。在交流电压下,检测到甲烷的谱线有CH,C₂和H_α,以C₂谱线作为甲烷分析线,发现C₂谱线强度与甲烷浓度在0.5%～4.0%(φ)的范围内呈线性,检出限(S/N=3)为0.19%。以H_α谱线为分析线,H_α谱线强度与甲烷浓度在0.1%～3.0 %(φ)范围内呈线性, 检测限(S /N=3)为0.03%(φ)。对于3.2%的甲烷气体,平行测定11次,在Pt/MWNT/FTO电极上以C₂谱线为分析线和以H_α谱线为分析线的相对标准偏差分别为 1.3%和1.9%。说明Pt/MWNT 纳米复合材料修饰电极提高了分析方法的重现性和精密度。以空气混合气体为稀释气体,甲烷气体放电行为与纯氮气中放电行为有较大差异,C₂峰消失,只有H_α峰存在。H_α峰强度与甲烷浓度在0.5%～4%范围内有线性相关性。与其他的光发射光谱检测系统相比,该系统装置尺寸小,制备简单且在室温下操作。     

基于红外光谱的GIS设备内SF6废气定量分析

气体绝缘组合电器(GIS)内的绝缘介质SF6及其衍生物的种类和体积严重地影响GIS的绝缘能力,定量分析故障GIS内SF6衍生物有助于评估设备发生故障的原因.为了从GIS设备内SF6气体的红外光谱中获取衍生物的种类和体积,本文将粒子群优化算法和支持向量机回归相结合用于绝缘介质SF6及其部分衍生物的定量分析研究.以衍生物中...     

基于飞秒激光引导高压放电的SF6分解物原位检测

气体绝缘开关设备(GIS)绝缘缺陷引发的放电会导致SF₆分解,分解产生的低氟硫化物与设备内的微量H₂O和O₂反应生成具有腐蚀性的物质,影响设备正常运行,因此,研究SF₆分解机理对GIS的安全运行具有重要意义。由于部分分解物在采样过程中发生转化,因此,实现SF₆分解物的原位检测对于研究SF₆分解机理是十分必要的。采用飞秒激光引导高压放电实现了高压放电空间和时间的精确控制,并利用飞秒激光引导高压放电产生的空间分辨光谱实现了SF₆分解物的原位测量。首先研究证明了飞秒激光不会引起SF₆的分解;其次,利用飞秒激光产生的等离子体通道实现了放电空间和时间的精确控制;最后,发现分解物中包含由于高能电子碰撞直接或间接产生的大量S和F的离子和原子。研究证明了基于飞秒激光引导高压放电可以实现SF₆分解物的原位检测,为开展高压放电下SF₆分解机理研究提供了一种新的研究手段。     

基于NIR的鲜食葡萄物流过程安全系统

针对鲜食葡萄物流过程中的实际模式及通常会使用SO₂保鲜剂的情况,研究了4种温度及定量SO₂胁迫条件下,基于近红外光谱和质构变化的鲜食葡萄货架期预测方法,结合信息技术设计了基于货架期预测的物流过程安全系统,以期减少鲜食葡萄物流过程中的损失。质构变化是鲜食葡萄采后到达货架期终点的重要原因,研究使用SO₂浓度传感器控制电磁阀,通过SO₂自动补偿获得设定SO₂浓度,研究了不同浓度SO₂胁迫条件下鲜食葡萄的质构变化规律及温度的影响。对比了多元散射校正和一阶S-G求导预处理方法对原始光谱的预处理效果,采用偏最小二乘回归方法建立了基于近红外光谱的鲜食葡萄质构无损检测模型,模型决定系数为0.93,均方根误差为1.70,通过交叉验证,模型预测准确度为0.81,均方根误差为2.91。研究表明,近红外快速无损检测可结合品质变化建模和信息技术用于提高果蔬采后物流过程安全管理效率。     

SF_6气体及其衍生物的红外光谱分析

SF6气体大量应用于气体绝缘组合电器(GIS)中。通过化学方法检测SF6气体及其衍生物是检测GIS设备故障的一种重要方法。该文采用红外光谱技术分析了三种情况下的GIS设备内SF6气体组成情况,得出S2F10气体含量可以用来分析GIS故障原因是否为强火花或者电弧放电引起;CF4气体可以用来表征GIS设备内绝缘气体的绝缘状态。另外,研究表明,GIS设备在线运行时,绝缘气体气室密封失效、造成气体泄漏,引入新的气体杂质的问题比较严重。所以在进行GIS设备维护工作时,绝缘气室的密封维护工作十分重要。文章在研究GIS设备绝缘气体SF6红外谱图的基础之上提出了建立基于红外光谱技术的GIS设备故障诊断专家系统的意见。     

FTIR被动遥测热烟羽中污染气体

文章介绍和讨论了傅里叶变换红外光谱法(FTIR)在大气环境下被动遥测热烟羽中污染气体的原理及相关技术;提出了辐射光谱、测量区域内大气透过率谱的算法模型,以及应用非线性最小二乘拟合算法实现气体浓度反演的方法。实际遥测了工厂燃煤锅炉烟囱排放的污染气体,对SO₂和CO₂气体浓度进行了定量分析。实验结果表明该技术在工业烟囱及其他燃烧源污染排放的应急监测方面具有极大的应用前景。     

ICP-AES法测定石膏中的多元素含量

分别采用酸溶和碱熔两种样品前处理方法处理样品,ICP-AES测定石膏中多元素。酸溶法适用于样品中CaO,SO₃,Al₂O₃,Fe₂O₃,MgO,K₂O,Na₂O,TiO₂,P₂O₅,MnO,SrO,BaO的同时测定。碱熔法适用于样品中CaO,SO₃,SiO₂,Al₂O₃,Fe₂O₃,MgO,TiO₂,P₂O₅,MnO,SrO,BaO,B₂O₃的同时测定。根据各个元素的性质、含量高低和基体因素配制了不同的系列标准溶液,确定了各个元素的最佳分析谱线和相应分析谱线下方法的检出限和定量限。结果表明,除酸溶法测定TiO₂的回收率略低外(81%～87%),两种前处理方法测定石膏样品中各元素的整体回收率为93%～110%,RSD(n=6)为0.70%～3.42%。但CaO和SO₃测定的准确度还比不上化学分析方法。采用本方法测定石膏中的CaO和SO₃仅适用于对测定结果准确度要求相对较低的情况。本方法操作简单,分析速度快,测定结果可靠,可以同时测定石膏中的多元素,综合酸溶和碱熔两种处理方法,可以实现石膏样品的全元素分析。     

温度对二氧化硫紫外吸收特性的影响

以氘灯为激发源,获得了不同温度、大气压条件下SO₂分子在285.0～320.0 nm波长区间的吸收谱。光谱图由弥散谱叠加分离谱组成,弥散谱产生于SO₂分子由基态向密集的高振转能级的吸收跃迁,分离谱主要产生于B1B₁←X1A₁跃迁,由分离谱带的间隔,获得了B1B₁激发电子态的对称拉伸和弯曲振动频率分别为：ω₁=(665±29) cm-1,ω₂=(448±17) cm-1。通过观测不同温度下的吸收谱,发现不同温度下吸收谱的结构基本相同,但吸收截面随温度升高而下降,不同吸收峰对应的吸收截面随温度呈现三次方规律变化,但比例系数不同。所以,在以吸收截面为基础的SO₂差分吸收光谱探测中,必须考虑温度变化对测量结果的影响。     

基于线性调频Z变换的差分吸收光谱数据处理方法研究

差分吸收光谱法(differential optical absorption spectroscopy,DOAS)是一种常用的污染气体监测方法,对所监测的光谱数据去噪可以提高反演精度。可采用傅里叶变换(fast Fourier transform, FFT)滤波法滤除光谱数据中的噪声,但该算法本身会引入误差。提出一种线性调频Z变换法(chirp Z transform,CZT),通过对傅里叶变换之后的频谱进行局部细化,能够在保留傅里叶变换滤波法去噪效果的基础上,对算法的误差进行补偿,从而进一步提高反演精度。实验配置了SO₂及NO₂进行浓度反演,结果表明,直接采用相除法反演浓度时误差较大且很不稳定,线性调频Z变换法能够获得比傅里叶变换滤波法更高的反演精度。模拟了SO₂和NO₂混合气体实验,频谱分析结果表明FFT算法无法解决特征吸收结构被扭曲、削弱等问题,CZT算法能完成特定频段频谱的精细化重构。     

离子液体在甲烷等离子体转化中作用机理的光谱研究

在直流等离子体甲烷转化反应体系中分别引入C₆MIMBF₄,C₆MIMCF₃COO,C₆MIMHSO₄三种离子液体,采用光谱在线技术检测反应中活性物种的种类和光谱谱峰相对强度的变化,研究了离子液体在气液等离子体甲烷转化反应中的作用机理。结果表明：向甲烷等离子体体系中引入离子液体可得到稳定的气液界面,并提高了甲烷转化率和C₂烃产物收率,C₆MIMCF₃COO和C₆MIMBF₄有助于提高C₂烃选择性,而C₆MIMHSO₄则导致C₂烃选择性下降。在气液等离子体甲烷放电体系中检测到了C,C₂,C₃,CH,H等活性物种的发射光谱,与未引入离子液体时相比大多数活性物种的谱线强度均有增加。核磁共振研究表明反应后离子液体C₆MIMBF₄结构稳定,可认为离子液体作为液体导电介质提高了等离子体放电强度,促进等离子体区气相反应过程,同时离子液体在气液表面反应过程起催化作用。     

高场不对称波形离子迁移谱非线性函数系数误差分析

离子迁移率非线性函数系数α₂和α₄是高场不对称波形离子迁移谱(FAIMS)实现物质识别的基础。现有的α₂和α₄缺少先验值和误差分析方法,因此有必要建立关于α₂和α₄求解结果误差的评估标准,进而在此基础上提高α₂和α₄的求解精度。通过自制FAIMS分别对丙酮、异丙醇和1,2二氯苯三种物质在不同分离电压下的检测实验,获取样本在不同分离电压下的谱图和谱图特征值,运用组合的方法从多组分离电压值和相应补偿电压值的数据中选取指定组数,计算出大量的α₂和α₄数据。通过对α₂和α₄的数值分析,探究了α₂和α₄的分布特点和二者之间的相关性,研究了分离电压取点数量和取点方式对其求解结果误差的影响。在拟合α₂和α₄数据不同范围的频数后,发现α₂和α₄符合正态分布,其拟合度均在0.96以上,可以利用α₂和α₄分布的标准差来评估其求解结果的误差。通过对(α₂, α₄)散点进行拟合,发现α₂和α₄之间具有很强的负相关性,三样本的相关度分别为-0.977,-0.968,-0.992。随着分离电压选取点数的增加,其相应的求解结果误差在不断减少。通过不同分离电压取点方式的对比,发现当分离电压取V_Dmax和0.7 V_Dmax时求解结果最优。在保证α₂和α₄求解的准确性的前提下有效降低了检测次数,为FAIMS实现快速现场检测和精确的谱图解析创造了有利的条件。     

喷雾热解法制备红色发光粉LiEu(SiO2)1/6W2O8的研究

采用喷雾热解法制备红色荧光粉LiEu(SiO₂)_1/6W₂O₈。研究了反应温度、前驱体溶液浓度、载气流速对实验结果的影响。通过扫描电镜、X射线衍射、激发和发射光谱对所制样品进行了研究,发现样品颗粒呈实心类球形、结晶度好、表面光滑、发光强度较高、粒径平均1.5μm左右且分布较窄。该类荧光粉激发主峰位于396nm,发射主峰位于615nm。LiEu(SiO₂)_1/6W₂O₈发光的色坐标为:x=0.667 9,y=0.3310,与NTSC的红色标准基本一致,该荧光粉色纯度非常高,适用于制造紫光芯片激发的白光LED。用喷雾热解法制备红色荧光粉LiEu(SiO₂)_1/6W₂O₈的研究尚未见报道。     

基于非分散红外(NDIR)技术的土壤剖面二氧化碳浓度的测定

为了探索土壤剖面CO₂浓度以及不同土壤层(腐殖质H层、A层、B层、C层)土壤呼吸的变化规律,应用非分散红外(NDIR)技术的新方法,持续不间断的测量土壤剖面二氧化碳浓度。实验所用的主要仪器为硅基非分散红外测量仪,能在高湿、高粉尘、污垢及其他恶劣环境中进行光谱数据采集。通过2013年全年光谱测定值的采集,并应用梯度法模型计算不同深度土壤碳通量,同时利用LI-8100碳通量自动监测系统持续监测的土壤碳通量值进行回归分析。结果显示：土壤剖面CO₂浓度呈现明显的梯度变化,即随着土壤深度的增加,土壤CO₂浓度增大;梯度法模型得出的不同土壤层的土壤呼吸模拟值与实测土壤呼吸值之间具有较好的线性相关,H,A,B,C层的模型预测的决定系数(R2)分别为0.906 9,0.718 5,0.838 2,0.903 0,均方根误差(RMSE)分别为0.206 7,0.104 1,0.015 6,0.009 6。均达到了较好的预测结果,表明该方法对定量分析不同土壤层碳通量是可行的。该方法具有清晰揭示土壤CO₂在不同土壤层之间的传输规律,以及有助于分析不同土壤层土壤呼吸特性的优点,能为全球土壤剖面碳通量计算提供基础数据,是一种具有发展前途的传感器。     

介质阻挡放电中不同厚度气隙内微放电通道的光谱特性研究

采用发射光谱法,研究了具有三层介质的介质阻挡放电中不同厚度气隙内微放电通道的等离子体参量的变化规律。与在传统的具有双层介质的介质阻挡放电系统中所产生的微放电通道不同,三层介质系统内微放电通道在光谱特性方面展现了完全不同的性质以及变化规律。实验发现,微放电通道在不同的放电气隙中具有不同的发光强度。利用氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_g)的发射谱线以及对氮分子离子391.4 nm谱线强度与氮分子394.1 nm谱线强度之比的考察,实验进一步测量了氮分子(C3Π_u)的振动温度以及电子平均能量分别随氩气含量以及在不同电压下的变化规律。结果表明,当外加电压一定时,厚气隙内形成的微放电丝在分子振动温度以及电子平均能量上均低于薄气隙微放电丝。并且它们都随着氩气含量的增加而降低。随着电压的逐步升高,厚气隙内的微放电丝在以上两种参量上均基本保持不变,而薄气隙内微放电丝则出现较为明显的升高。这表明具有三层介质的介质阻挡放电中薄气隙较厚气隙对电压更为敏感且在相同电压浮动内电场变化范围更大。