混合气体近红外激光在线监测系统技术方案

混合气体近红外激光在线监测系统涉及信息技术，尤其是激光气体探测技术和信号处理技术领域。本发明专利技术针由云端混合气体集中分析系统和激光探测器端采集系统组成；云端混合气体集中分析系统由混合气体编号器、曲线标准化算法、离散余弦变换算法、混合气体特征记录器、在线监测端混合气体特征采集器组成；激光探测器端采集系统由激光探测器、曲线标准化算法、离散余弦变换算法、混合气体特征匹配器组成；本发明专利技术具有自动判定混合气体类型，自动更新混合气体激光探测装置数据，自动给出混合气体激光探测装置模块最优组合的功能，同时通过数据的积累混合气体近红外激光在线监测系统的精度不断提高。

On-line monitoring system of mixed gas near infrared laser

【技术实现步骤摘要】
混合气体近红外激光在线监测系统
本专利技术涉及信息技术，尤其是激光气体探测技术和信号处理

技术介绍
目前，石油化工作为工作区的重大隐患，工作区域需要对可燃气体采用一种可靠、稳定的方法对其浓度进行实时检测，监测其不超过临界值，以保证日常安全生产。储油罐是一种大型容器，是炼油厂、油田、油库以及石油管道行业中的重要设备，专门用于接收、储存和发放易燃、易爆的油品介质。正是由于它储存的油品具有易燃、易爆、易产生静电的特殊性质，使其成为石油储运行业中安全管理工作的重要对象。在油罐日常的使用和管理中，任何一个人的不安全行为和物的不安全状态，都可能造成事故的发生，导致巨大的经济损失和人身伤害事故。储油罐的安全管理是油库管理的其他各项工作的前提，是安全生产的生命线，也是改善经营环境、提高企业经济效益的基础。因此，加强储油罐的安全管理，及时发现和消除储油罐的不安全因素，杜绝各类事故的发生，对石油储运企业具有重要意义。公知石油化工使用的常用二次密封舱管道抽气、管道传输、安全区域化验，抽气方式感知，感知滞后性，抽气形成负压，空气进入密封舱，给石油安全生产带来极大危害。倘若因此发生燃烧或爆炸，那将是极其重大的安全事故，对社会安定以及人类进步也会造成巨大的影响。如何避免在可燃气体检测时无源（即不带电）、实时状态，能够安全、高效直接判断大型应用场所中可燃气体的泄漏范围，已经成为亟需解决的问题。目前中国石油在储油罐的二次密封舱使用定时抽风装置，将混合油气抽出到安全区域用带电的传感器进行检测，如果出现浓度过大，再启动注入氮气的装置来降低储油罐风险。此方法面临几个现实问题，第一抽取的时间频率过频繁耗能大，抽取的时间频率过稀疏无法及时发现险情，即使不断抽取储油罐气体用来检测由于安全区域距离油罐事发地距离很远也不能保证及时发现问题；第二抽取气体的方位固定，无法对储油罐全区域进行检测尤其是储油罐的中心区域。同样在汽油储存领域也有汽油油气在内浮顶储油罐存储时易泄漏到浮盘与罐顶之间的空间中，遇有雷电或静电感应，可以燃爆储油罐，造成安全事故的隐患。内浮顶储油罐是立式圆筒形金属油罐的一种，由于其在降低油品损耗、减少火灾危险性以及满足环保要求等方面较其它形式油罐更具优势。内浮顶把介质即罐内储料和空气有效隔绝，从一定程度上也降低了发生火灾爆炸的危险等级，因此目前在炼化企业大量使用内浮顶罐储装汽油及其它易挥发性油品。但是，内浮顶储油罐使用一段时间后，由于浮盘、运动部件、密封件磨损，储存原料的气相（具备可燃气气体性质气体）部分，泄漏到浮盘与罐顶之间的空间中，遇有雷电或静电感应，可以燃爆储油罐，造成安全事故。目前解决问题的办法是，定期对轻质油监控指标包括蒸汽压（C4含量）、硫含量等进行采样分析；采样分析频次应每罐每周不少于1次；建立可燃气体浓度检测制度，没有设置氮封设施的轻质油储罐每月检测不少于1次，设置氮封措施的储罐可适当延长，但至少每季度检查1次。因此，们需要一种能够在储油罐上在线监测油气的装置，要求这种装置，是绝对安全的，当装置感知油气超标时，能够立即通知值班人员，采取“注氮”或“停车检查”等具体技术措施。即使按照上述规定操作，现场操作人员的工作强度较大，难以持久合规操作，监管人员工作也难以量化落实。并且，人工巡检周期较长，难免在巡检周期外，漏检油气超标时机，埋下安全隐患。为安全运行起见，需要对内浮顶油罐内的油气进行在线监测。针对原油储油罐的混合油气，有专利号为201510052757X，专利名称为“多种条件下油气类混合气体无源激光探测实现的方法”的专利，该专利技术克服的技术难点在于以下两点：第一，油气类气体是混合气体组成成分复杂，不同品质的原油的油气其组成成分有所差别；第二，同品质原油的油气气体在不同温度下其混合成分不同。通过该专利技术所描述的实验装置以原油品质，外界温度两个维度为依据测量原油蒸发量，气相组成情况两个基本值，再使用气相色谱检测装置记录临爆点的气相组成，根据原油品质和外界温度，将临爆点的气相组成描绘成曲线图，再将曲线图做模数转换，达成输入原油品质和外界温度数值可以输出临爆点气相组成数值的方法，该方法称作多种条件下油气类混合气体无源激光探测实现的方法，用作多种条件下油气类混合气体无源激光探测报警装置的核心技术。针对汽油储油罐的混合油气，有申请号为201710032745X，专利技术名称为“油气类混合气体激光在线采样探测实现的方法”的专利申请，该专利技术专利申请的技术难点在于：1、使用色谱仪检测不用考虑混合油气气相组成，而使用红外带通滤波器检测必须考虑不同气相组成与色谱仪检测结果的差异性，原因是红外带通滤波器检测只能针对气相组成的主要气体进行检测，不同的气体所用的红外光频率不同，该专利技术主要针对汽油油气气相组分中的正丁烷和异戊烷进行红外带通滤波器检测并比较检测结果与色谱仪在相同环境下检测结果的差异，从而做出差异补偿。2、同品质汽油的油气类气体是混合气体，组成成分复杂。通过该专利技术所描述的实验装置以汽油品质、外界空气注入量两个维度为依据测量汽油蒸发量，使用气相色谱仪检测装置记录气相组成情况，根据气相组成描绘成曲线图，达成将红外带通滤波器的探测器测量的实际汽油气相组成值曲线图模数转换补偿修正的方法，该方法称作油气类混合气体激光在线采样探测实现的方法，用作油气类混合气体在线采样探测报警装置的核心技术。上述的两种现有技术对混合油气的类型和使用环境都具有一定的限制，原油油气的测定方法和汽油油气的测定方法完全不同，对原油油气的测定使用特殊装置对油气气相组成和临爆点温度梯度做了记录，使用激光气体探测技术跟踪原油主要成分的浓度，达到临爆点气相组成时报警；汽油油气使用色谱仪和激光气体探测技术同时跟踪正丁烷和异戊烷的浓度，描绘出两种手段的实验室数据差别，然后修正到激光气体探测的装置中，达到激光气体探测更加准确的效果，同样是达到临爆点气相组成时报警。
技术介绍
，有《中国职业医学》,2011(S1):8-10，描述的《工作场所空气中甲烷、丙烷、丁烷或异丁烷直接进样气相色谱测定》，其内容说明使用激光气体探测技术不容易区分的丙烷、丁烷、异丁烷可以直接气相色谱测定的现有技术。
技术介绍
，有《环境监测管理与技术》,2007,19(6):33-35，描述了《气相色谱法测定空气和废气中8种烃类化合物》，其内容说明建立针筒采样、大口径毛细管柱分离、气相色谱-氢火焰离子化检测器测定空气和废气中甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、异丁烷、正丁烷和正戊烷等8种烃类化合物的方法。
技术介绍
，有俄罗斯NewLaserTechnology公司生产的可调谐波长单频激光器可以提供650-1650nm波长。其产品采用了特殊的双制冷设计，调谐波长的时候可以基本保持输出功率的稳定无变化。产品可调谐范围在2-3nm之间。
技术介绍
，物理学报第59卷第10期2010年10月，《基于多波长激光吸收光谱技术的气体浓度与温度二维分布遗传模拟退火重建研究》，利用可调谐半导体激光吸收光谱技术实现气体浓度温度二维分布重建。采用四路波分复用技术，将遗传算法与模拟退火算法相结合，对于图像重建过程中建立的非线性投影方程组进行求解。
技术介绍
，西南科技大学学报第26卷第1期，《光声气体检测系统中半导体激光器的波长调制》，在光声光谱法气体本文档来自技高网...

【技术保护点】
混合气体近红外激光在线监测系统，其特征在于由云端混合气体集中分析系统和激光探测器端采集系统组成；云端混合气体集中分析系统由混合气体编号器、曲线标准化算法、离散余弦变换算法、混合气体特征记录器、在线监测端混合气体特征采集器组成；激光探测器端采集系统由激光探测器、曲线标准化算法、离散余弦变换算法、混合气体特征匹配器组成；混合气体编号器负责记录采样的被测混合气体在实验室条件下的气相参数和波长吸光率曲线；气相参数包括气压、混合气体监控阈值、气相色谱仪得出的气相组成及组分气体浓度；波长吸光率曲线为在确定气压的情况下，实验室条件下对采样的被测混合气体使用混合气体激光探测装置得出的波长吸光率曲线，其中混合气体激光探测装置由可调谐波长单频激光器、InGaAs材质激光探测器、可调谐激光器波长控制器、混合气体吸光率记录器组成；混合气体编号器对记录的被测混合气体进行编号，并生成混合气体吸光率树形列表，混合气体吸光率树形列表的表根是混合气体编号，混合气体吸光率树形列表的紧邻表根的枝干分两组，分别是特征组和阈值组，在特征组中记录混合气体的气压和由气压对应的混合气体波长吸光率曲线；波长吸光率曲线的步进波长为5nm，由可调谐激光器波长控制器控制可调谐波长单频激光器以5nm步进方式用近红外激光照射采样的混合气体，经可调谐激光器与InGaAs材质激光探测器固定距离后，读取InGaAs材质激光探测器的近红外激光强度通过比尔定律得出；对易爆类混合气体，混合气体监控阈值是实验室条件下被测混合气体临爆时的气压和波长吸光率曲线的合集；混合气体编号器将混合气体监控阈值编入混合气体吸光率树形列表，混合气体吸光率树形列表的阈值组内记录混合气体临爆时的气压和波长吸光率曲线；混合气体编号器调用曲线标准化算法将混合气体吸光率树形列表中的混合气体波长吸光率曲线全部标准化，标准化的方法包括：由5nm步进描点换算成10nm步进描点达到降噪效果，曲线统一从800nm到1650nm描点以减少数据量；经过曲线标准化算法处理的混合气体吸光率树形列表生成标准的混合气体吸光率树形列表；混合气体编号器调用离散余弦变换算法将标准的混合气体吸光率树形列表中的所有混合气体波长吸光率曲线进行离散余弦变换，生成混合气体特征树形列表，混合气体特征树形列表的表根是混合气体编号，混合气体特征树形列表中紧邻表根的枝干分成两组，分别是特征组和阈值组，在特征组内存储混合气体的气压和气压对应的由波长吸光率曲线经过离散余弦变换生成的直流系数F（0，0）和交流系数F（u，v），在阈值组内存储混合气体临爆时的气压和气压对应的由波长吸光率曲线经过离散余弦变换生成的直流系数F（0，0），阈值组内存储的气压和气压对应的F（0,0）作为混合气体临爆阈值；混合气体特征树形列表由混合气体特征记录器存储，混合气体编号器将混合气体编号与混合气体的气相参数对应存储于混合气体特征记录器，混合气体特征记录器根据混合气体编号存储混合气体特征树形列表和混合气体的气相参数；激光探测器由可调谐波长单频激光器、InGaAs材质激光探测器、可调谐激光器波长控制器、混合气体吸光率记录器、气压探测器组成；波长吸光率曲线的步进波长为5nm，由可调谐激光器波长控制器控制可调谐波长单频激光器以5nm步进方式用近红外激光照射采样的混合气体，经可调谐激光器与InGaAs材质激光探测器固定距离后，读取InGaAs材质激光探测器的近红外激光强度通过比尔定律得出；激光探测器读取被监测混合气体的气压和波长吸光率曲线；激光探测器调用曲线标准化算法将被检测混合气体的波长吸光率曲线标准化生成标准吸光率曲线，标准化的方法包括：由5nm步进描点换算成10nm步进描点达到降噪效果，曲线统一从800nm到1650nm描点以减少数据量；激光探测器调用离散余弦变换算法对标准吸光率曲线进行离散余弦变换生成被监测混合气体特征，被监测混合气体特征包括混合气体的气压和由标准吸光率曲线经离散余弦变换生成的直流系数F’（0,0）和交流系数F’（u，v）；激光探测器将被监测混合气体特征发送到云端混合气体集中分析系统的在线监测端混合气体特征采集器；在线监测端混合气体特征采集器，将被监测混合气体特征发送给混合气体特征记录器；混合气体特征记录器将被监测混合气体特征与已经存储的混合气体特征树形列表进行比较计算，比较计算的方法是找到与被测混合气体特征的气压相同且直流系数相同的混合气体特征树形列表，再从中比较被测混合气体特征的交流系数和混合气体特征树形列表中的交流系数，从低频向高频方向比较交流系数，找到交流系数与被测混合气体特征的交流系数数值相同最多的混合气体特征树形列表作为目标混合气体特征树形列表；混合气体特征记录器将目标混合气体特征树形列表和与目标混合气体特征树形列表对应的气相参数发送给激光探测器端采集系统的混合气体特征匹配...

【技术特征摘要】
1.混合气体近红外激光在线监测系统，其特征在于由云端混合气体集中分析系统和激光探测器端采集系统组成；云端混合气体集中分析系统由混合气体编号器、曲线标准化算法、离散余弦变换算法、混合气体特征记录器、在线监测端混合气体特征采集器组成；激光探测器端采集系统由激光探测器、曲线标准化算法、离散余弦变换算法、混合气体特征匹配器组成；混合气体编号器负责记录采样的被测混合气体在实验室条件下的气相参数和波长吸光率曲线；气相参数包括气压、混合气体监控阈值、气相色谱仪得出的气相组成及组分气体浓度；波长吸光率曲线为在确定气压的情况下，实验室条件下对采样的被测混合气体使用混合气体激光探测装置得出的波长吸光率曲线，其中混合气体激光探测装置由可调谐波长单频激光器、InGaAs材质激光探测器、可调谐激光器波长控制器、混合气体吸光率记录器组成；混合气体编号器对记录的被测混合气体进行编号，并生成混合气体吸光率树形列表，混合气体吸光率树形列表的表根是混合气体编号，混合气体吸光率树形列表的紧邻表根的枝干分两组，分别是特征组和阈值组，在特征组中记录混合气体的气压和由气压对应的混合气体波长吸光率曲线；波长吸光率曲线的步进波长为5nm，由可调谐激光器波长控制器控制可调谐波长单频激光器以5nm步进方式用近红外激光照射采样的混合气体，经可调谐激光器与InGaAs材质激光探测器固定距离后，读取InGaAs材质激光探测器的近红外激光强度通过比尔定律得出；对易爆类混合气体，混合气体监控阈值是实验室条件下被测混合气体临爆时的气压和波长吸光率曲线的合集；混合气体编号器将混合气体监控阈值编入混合气体吸光率树形列表，混合气体吸光率树形列表的阈值组内记录混合气体临爆时的气压和波长吸光率曲线；混合气体编号器调用曲线标准化算法将混合气体吸光率树形列表中的混合气体波长吸光率曲线全部标准化，标准化的方法包括：由5nm步进描点换算成10nm步进描点达到降噪效果，曲线统一从800nm到1650nm描点以减少数据量；经过曲线标准化算法处理的混合气体吸光率树形列表生成标准的混合气体吸光率树形列表；混合气体编号器调用离散余弦变换算法将标准的混合气体吸光率树形列表中的所有混合气体波长吸光率曲线进行离散余弦变换，生成混合气体特征树形列表，混合气体特征树形列表的表根是混合气体编号，混合气体特征树形列表中紧邻表根的枝干分成两组，分别是特征组和阈值组，在特征组内存储混合气体的气压和气压对应的由波长吸光率曲线经过离散余弦变换生成的直流系数F（0，0）和交流系数F（u，v），在阈值组内存储混合气体临爆时的气压和气压对应的由波长吸...

【专利技术属性】
技术研发人员：李岩，
申请(专利权)人：李岩，
类型：发明
国别省市：北京,11