信号提取方法对光声光谱监测技术影响的研究

2018-08-14王红亮王富民

东北电力技术 2018年6期

庞佳，王红亮，王富民

(四方特变电工智能电气有限公司，辽宁沈阳 110144)

目前，变压器设备故障诊断多基于三比值或改良三比值算法，其中故障气体比值多来源于变压器油中气体在线监测设备[1-4]。变压器用光声光谱设备是一种基于光声效应原理实现变压器油中溶解气体含量监测的在线监测设备。由于设备安装在变压器后，不需要对该设备进行周期性维护，进而得到用户的欢迎，并有取代基于传统色谱柱方式(需要定期更换载气)的故障气体含量在线监测装置的趋势[5-6]。然而，变压器油中能够判断故障原因的气体含量很低，且现场干扰信号复杂，使得光声光谱设备实现较高精度测量信号较为困难[7]。影响光声光谱设备监测精度的因素有很多，如光源强度、稳定性，光声池的设计对干扰信号的抑制和对真实信号的加强，监测时的光声池温度，微小信号提取方法等多方面因素[8-10]。本文就光声信号的提取方法进行了研究。

1 光声光谱设备原理

故障气体吸收红外区域内特定波长的光使物质分子处于激发态，受激的分子振动加剧，与周围分子碰撞使温度升高，入射光转化为气体分子的热效应。当入射光通过某种手段对其光强进行周期调制时热效应也周期性变化，进而使气体产生同样频率的振动声波向外传播[11-13]。光声光谱设备监测气体含量原理正是基于该物理过程。图1中的光声光谱设备使用的是红外谱段连续的光源，在监测某种气体时，选择与该气体吸收谱相对应的滤光片，且该吸收谱不能与混合气体中其他成分的吸收谱重叠，使透射光变成单一光，照向光声池盛有气体的腔室。在滤光片与光声池的光路中使用调制盘(均匀分布有透光孔的圆盘)对透射光进行周期性截断，光的强度随着调制盘周期变化，光声池内将产生同样周期变化的声压，进而使光声池内的微音器在输出端产生相应频率的电信号输出。该信号的强度和混合气体中能够吸收该波长光的气体含量存在对应关系[14]。该对应关系与被测气体对特定波长光的吸收系数和光声池的声音传播系数有关。通过在恒定温度下标定该对应关系就可以对气体含量进行测量。

图1 光声光谱设备结构原理

2 信号提取原理分析

设定光声信号调制盘的调制频率为f，谐波次数为n，微音器输出信号F(t)用傅里叶级数表示为[15]

bn·sin(n·2πf·t)

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：cn为各次谐波幅值，n为谐波次数;t为时间变量;cos(n·2πf·t)与sin(n·2πf·t)可以看作用于信号提取的一对正交同步信号。当需要提取某个特定频率信号的幅值，只要知道该信号频率f，并使n等于1就能够准确提取出信号幅值。m为正整数时才能获得精度更高的积分结果。为了使信号更稳定避免受到与基波频率接近的频率分量干扰，可以尽量延长积分周期，使不到整周期倍数的积分分量不会影响到积分结果。如果干扰频率已知，则积分周期可以选为调制信号周期与干扰信号周期的公倍数作为积分周期加以滤除，进而可以有效过滤掉该类型的干扰成分。

光声效应周期信号由调制盘周期调制产生，因此需要保证调制盘的转速精度。目前一些光声光谱设备以直流和无刷直流电机作为调制盘驱动电机，在稳定频率输出上使用PID调节方式。该方式虽能实现自动控制，但控制过程属于动态调整，使得信号周期和相位角随调节器变化，会产生一定的误差。使用永磁同步电机，转速和电源频率同步，利用微处理芯片发出恒定频率SPWM波的三相电压使电机几乎没有转速偏差，是理想的调制盘驱动源。由于光声信号与光源光强成正比，需要对光源强度波动加以抑制。

3 仿真试验

a. 式(6)模拟的是输入信号，信号频率(调制频率)为稳定的30 Hz，干扰信号频率在25 Hz、50 Hz和100 Hz。积分时间选择2 s，调制信号为60个信号周波，而25 Hz、50 Hz、100 Hz的干扰信号分别为50、100和200个周波，并且都是整周波。50 Hz用于模拟工频干扰信号，25 Hz用于模拟难以用滤波器滤除的低频干扰信号，100 Hz用于模拟高频干扰信号。各个频率的信号幅值均选择100，可以方便查看曲线输出结果。

F(t)=100·sin(2π·30·t)+100·sin(2π·25·t)+100·sin(2π·50·t)+100·sin(2π·100·t)

(6)

图2中提取信号显示的结果为

(7)

图2 稳定信号输入的信号积分值

积分时间T选择2 s时提取信号的数值正好等于cn的大小，该值为100。且2 s也是调制信号周期的整数倍(m=60)，满足公式中的积分条件。

b. 信号频率为不稳定的30 Hz，信号摆动频率为4 Hz(用于模仿调制盘在控制过程中的抖动过程)，摆动幅度为π/6；干扰信号频率在25 Hz、50 Hz和100 Hz。

(8)

由图2和图3对比可知，当调制信号为不稳定的动态调整过程会使信号幅值偏小。

图3 摆动频率4 Hz、幅度为π/6的信号积分值

c. 信号频率为不稳定的30 Hz，信号摆动频率为4 Hz，摆动幅度为π/3；干扰信号频率在25 Hz、50 Hz和100 Hz。

(9)

由图4可知，信号在动态调整过程中，其输出的调整相位偏差越大，则信号提取出来的有效幅值越小。

图4 摆动频率4 Hz、幅度为π/3的信号积分值

d. 信号频率为不稳定的30 Hz，信号摆动频率为2 Hz，摆动幅度为π/3；干扰信号频率在25 Hz、50 Hz和100 Hz。

(10)

由图4与图5对比可知，影响信号精度的是信号相位偏离的程度。信号相位调整的频率对信号提取精度的影响并不明显。

图5 摆动频率2 Hz、幅度为π/3的信号积分值

仿真结果验证，输入信号在频率稳定时，测量的幅值准确；而当输入信号的相位角度发生一定变化后，测量的幅值就开始不准确。影响信号采集误差的关键因素是信号相位角波动的幅度，角度波动越大，误差越大。信号相位角度波动的频率对信号的精度影响不大。因此，信号调制盘的驱动电机在转速和转角上要足够精确才能保证信号采集精度。

通过图2—图5提取信号的积分图可知，信号幅值提取过程并不是一条完美的直线，而是夹杂着波动。通过式(2)、(3)、(4)、(7)可以说明cn与提取信号曲线的斜率成比例，积分周期越长，则斜率抖动就越小，cn精度就越高。