一種檢測諧波法測水蒸氣濃度系統(tǒng)性能的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氣體傳感系統(tǒng)檢測領(lǐng)域，具體是一種檢測諧波法測水蒸氣濃度系統(tǒng)性能的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]從地下產(chǎn)出的天然氣均含有一定量的水，當(dāng)溫度降低或壓力增加時，這些水蒸氣的一部分可能會析出，形成液態(tài)水，可能形成具有強(qiáng)腐燭性的酸液，腐燭管線和設(shè)備。變壓器在運(yùn)輸、存儲和使用過程中都可以導(dǎo)致水由外界進(jìn)入，同時油自身氧化也可以產(chǎn)生水。這些氣體雜質(zhì)和微量水分會降低變壓器油的絕緣性能；超高壓輸電系統(tǒng)設(shè)備中新型絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)氣體中含有水分時，易生成腐燭性的化學(xué)物質(zhì)，腐燭絕緣設(shè)備。因此，水蒸氣檢測在天然氣、石油、電力行業(yè)中對于保證設(shè)備的正常使用，避免意外爆炸事故的發(fā)生具有重要意義。
[0003]紅外光譜吸收法是檢測水蒸氣濃度的重要方法之一，具有實時監(jiān)測，響應(yīng)快，壽命長，成本低的優(yōu)勢，但是傳統(tǒng)的光譜吸收法易受電磁干擾。
[0004]在哈爾濱工程大學(xué)的博士研究生張可可的學(xué)位論文《光譜吸收式氣體檢測理論及技術(shù)研究》中，提出了用諧波法檢測瓦斯的濃度，并對其性能進(jìn)行評估。但是，這種評估方法對于水蒸氣來說是難以實現(xiàn)的，因為作為一種非標(biāo)準(zhǔn)氣體，水蒸氣并沒有一個檢測的標(biāo)準(zhǔn)來作基準(zhǔn)。現(xiàn)有技術(shù)的操作需要在實際存在的水蒸氣發(fā)生吸收的情況下，才能給出檢測結(jié)果。但是因為檢測系統(tǒng)自身的性能是未知的，并不能準(zhǔn)確地判斷檢測的結(jié)果的可靠性。所以，在實際的檢測過程中，如何確定檢測系統(tǒng)的性能，包括線性度和重復(fù)性，是一個急需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種檢測諧波法測水蒸氣濃度系統(tǒng)性能的方法。
[0006]本發(fā)明方法的技術(shù)方案如下:
[0007]一種檢測諧波法測水蒸氣濃度系統(tǒng)性能的方法，由以下系統(tǒng)來實現(xiàn)，該系統(tǒng)主要包括單片機(jī)、驅(qū)動模塊、電路模塊、氣路模塊以及光路模塊、信號采集模塊，電路模塊包括電流-電壓轉(zhuǎn)換模塊和鎖相放大器；光路模塊包括激光器、親合器和光電探測器；氣路模塊包括氣室；模擬比爾-朗勃定律，將激光器的高頻正弦驅(qū)動信號與氣體的吸收系數(shù)在相對應(yīng)的波長處相乘，模擬實際吸收過程，并將此信號作為最終的驅(qū)動信號輸入檢測系統(tǒng)使用，通過系統(tǒng)中接入不同的檢測模塊，采集分析數(shù)據(jù)，從而確認(rèn)系統(tǒng)的重復(fù)性和線性度兩方面的性能，以下分為電路模塊、光路模塊和氣路模塊三個部分進(jìn)行檢測，具體檢測步驟為:
[0008]—:電路模塊性能的檢測
[0009]1)單片機(jī)和驅(qū)動模塊相連，驅(qū)動模塊上設(shè)置連接激光器的引腳處用激光器的等效電阻代替，驅(qū)動模塊的輸出端和電流-電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸入端相連接，電流-電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸出端和鎖相放大器的輸入端相連接，鎖相放大器的輸出端連接到信號采集模塊；
[0010]2)將上述各部件連接好，接通電源，使系統(tǒng)能正常工作；
[0011]3)通過數(shù)學(xué)軟件，模擬比爾-朗勃定律，設(shè)置參數(shù)光強(qiáng)I(v)，吸收系數(shù)α (ν)為特定函數(shù)，氣室長度L為固定不變參數(shù)，以氣體濃度C為變量，可得到不同的驅(qū)動信號，分別設(shè)置C為10組相同濃度和10組不同濃度，可得到10組相同的驅(qū)動信號和10組不同的驅(qū)動信號；
[0012]4)通過單片機(jī)依次將模擬得到的10組相同的驅(qū)動信號和10組不同的驅(qū)動信號給予驅(qū)動模塊，信號從驅(qū)動模塊輸出后，接入電流電壓轉(zhuǎn)換部分，經(jīng)過轉(zhuǎn)換之后的信號輸入鎖相放大器的信號輸入引腳，通過信號采集模塊采集鎖相放大器的輸出結(jié)果；
[0013]5)對信號采集模塊所得到的檢測結(jié)果分析整理，得到該系統(tǒng)電路模塊的重復(fù)性和線性度的性能:對10組相同驅(qū)動信號的檢測結(jié)果分析，計算采集結(jié)果之間的標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差越小，則重復(fù)性越好；對10組不同驅(qū)動信號的檢測結(jié)果分析，以不同濃度C為自變量，以相對應(yīng)的檢測結(jié)果為因變量，根據(jù)最小二乘法，可得到自變量與因變量的相關(guān)系數(shù)，該相關(guān)系數(shù)越高，線性度越好；
[0014]二:光路模塊性能的檢測
[0015]6)將單片機(jī)和驅(qū)動模塊相連接，驅(qū)動模塊和激光器相連接，激光器后面放置耦合器，親合器的輸出與光電探測器相連接，光電探測器的輸出端和電流-電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸入端相連接，電流-電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸出端和鎖相放大器的輸入端相連接，鎖相放大器的輸出端連接到信號采集模塊；
[0016]7)將上述各部件連接好，接通電源，使系統(tǒng)能正常工作；
[0017]8)通過單片機(jī)依次將步驟3)中模擬得到的10組相同的驅(qū)動信號和10組不同的驅(qū)動信號給予驅(qū)動模塊，信號從驅(qū)動模塊輸出后，進(jìn)入激光器，驅(qū)動激光器發(fā)出與驅(qū)動信號相對應(yīng)的光信號，光信號經(jīng)過耦合器之后進(jìn)入光電探測器，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，光電探測器的的輸出信號接入電流電壓轉(zhuǎn)換部分，經(jīng)過轉(zhuǎn)換之后的信號輸入鎖相放大器的信號輸入引腳，通過信號采集模塊采集鎖相放大器的輸出結(jié)果；
[0018]9)在步驟5)的基礎(chǔ)上，對信號采集模塊所得到的檢測結(jié)果分析整理，得到該系統(tǒng)光路模塊的重復(fù)性和線性度的性能:對10組相同驅(qū)動信號的檢測結(jié)果分析，計算采集結(jié)果之間的標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差越小，則重復(fù)性越好；對10組不同驅(qū)動信號的檢測結(jié)果分析，以不同濃度C為自變量，以相對應(yīng)的檢測結(jié)果為因變量，根據(jù)最小二乘法，可得到自變量與因變量的相關(guān)系數(shù)，該相關(guān)系數(shù)越高，線性度越好；
[0019]三:氣路模塊性能的檢測
[0020]10)將單片機(jī)和驅(qū)動模塊相連接，驅(qū)動模塊和激光器相連接，激光器后面放置耦合器，親合器的輸出與氣室相連接，氣室光電探測器相連接，光電探測器的輸出端和電流-電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸入端相連接，電流-電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸出端和鎖相放大器的輸入端相連接，鎖相放大器的輸出端連接到信號采集模塊；
[0021]11)用氮氣將其氣室內(nèi)原有空氣排空，因為驅(qū)動信號中已經(jīng)模擬了氣體的吸收過程，在實際過程中，無需再重復(fù)實際的氣體吸收過程，故需要將氣室排空；
[0022]12)將上述各部件連接好，接通電源，使系統(tǒng)能正常工作；
[0023]13)通過單片機(jī)依次將步驟3)中模擬得到的10組相同的驅(qū)動信號和10組不同的驅(qū)動信號給予驅(qū)動模塊，信號從驅(qū)動模塊輸出后，進(jìn)入激光器，驅(qū)動激光器發(fā)出與驅(qū)動信號相對應(yīng)的光信號，光信號經(jīng)過耦合器之后進(jìn)入氣室，氣室的輸出信號進(jìn)入光電光電探測器，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，光電探測器的的輸出信號接入電流電壓轉(zhuǎn)換部分，經(jīng)過轉(zhuǎn)換之后的信號輸入鎖相放大器的信號輸入引腳，通過信號采集模塊采集鎖相放大器的輸出結(jié)果；
[0024]14)在步驟5)和步驟9)的基礎(chǔ)上，對信號采集模塊所得到的檢測結(jié)果分析整理，得到該系統(tǒng)氣路模塊的重復(fù)性和線性度的性能:對10組相同驅(qū)動信號的檢測結(jié)果分析，計算采集結(jié)果之間的標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差越小，則重復(fù)性越好；對10組不同驅(qū)動信號的檢測結(jié)果分析，以不同濃度C為自變量，以相對應(yīng)的檢測結(jié)果為因變量，根據(jù)最小二乘法，可得到自變量與因變量的相關(guān)系數(shù)，該相關(guān)系數(shù)越高，線性度越好。
[0025]本發(fā)明的有益效果是:
[0026]1)通過對氣體實際吸收過程的模擬，可以實現(xiàn)對諧波法測水蒸氣濃度系統(tǒng)性能的分析，為水蒸氣這種非標(biāo)準(zhǔn)氣體的檢測提供了標(biāo)準(zhǔn)。
[0027]2)分別得到系統(tǒng)中電路模塊、光路模塊和氣路模塊的性能，在這種情況下，可有針對地對系統(tǒng)中的各模塊改進(jìn)。
【附圖說明】
[0028]圖1是檢測諧波法測水蒸氣濃度系統(tǒng)的性能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0029]圖中，1:單片機(jī)，2:驅(qū)動模塊，3:鎖相放大器，4:信號采集模塊，5:電流電壓轉(zhuǎn)換部分，6:光電探測器，7:氣室，8:親合器，9:激光器。
[0030]圖2是在高頻正弦驅(qū)動的情況下對比爾-朗勃定律的模擬的結(jié)果。
【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖和是實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不限于此。
[0032]實施例:
[0033]一種檢測諧波法測水蒸氣濃度系統(tǒng)性能的方法，由以下系統(tǒng)來實現(xiàn)，該系統(tǒng)主要包括單片機(jī)、驅(qū)動模塊、電路模塊、氣路模塊以及光路模塊、信號采集模塊，電路模塊包括電流-電壓轉(zhuǎn)換模塊和鎖相放大器；光路模塊包括激光器、親合器和光電探測器；氣路模塊包括氣室；模擬比爾-朗勃定律，將激光器的高頻正弦驅(qū)動信號與氣體的吸收系數(shù)在相對應(yīng)的波長處相乘，模擬實際吸收過程，并將此信號作為最終的驅(qū)動信號輸入檢測系統(tǒng)使用，通過系統(tǒng)中接入不同的檢測模塊，采集分析數(shù)據(jù)，從而確認(rèn)系統(tǒng)的重復(fù)性和線性度兩方面的性能，以下分為電路模塊、光路模塊和氣路模塊三個部分進(jìn)行檢測，具體檢測步驟為:
[0034]一:電路模塊性能的檢測
[0035]1)單片機(jī)和驅(qū)動模塊相連，驅(qū)動模塊上設(shè)置連接激光器的引腳處用激光器的等效電阻代替，驅(qū)動模塊的輸出端和電流-電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸入端相連接，電流-電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸出端和鎖相放大器的輸入端相連接，鎖相放大器的輸出端連接到信號采集模塊；
[0036]2)將上述各部件連接好，接通電源，使系統(tǒng)能正常工作；
[0037]3)通過數(shù)學(xué)軟件，模擬比爾-朗勃定律，設(shè)置參數(shù)Ι(ν)，α (ν)為特定函數(shù)，氣室長度L為固定不變參數(shù)，以氣體濃度C為變量，可得到不同的驅(qū)動信號，分別設(shè)置C為10組相同濃度和10組不同濃度，可得到10組相同的驅(qū)動信號和10組不同的驅(qū)動信號；
[0038]4)通過單片機(jī)依次將模擬得到的10組相同的驅(qū)動信號和10組不同的驅(qū)動信號給予驅(qū)動模塊，信號