一种近红外光谱多组分气体在线检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种近红外光谱多组分气体在线检测系统及方法，采用近红外宽带检测光源，并结合长程光学系统实现危化区域多组分气体泄漏在线检测。本方法采用多波长光学调制盘进行波长转换，实现多组分气体同时检测，通过双波长检测消除光强起伏对检测的影响，利用内置校准池结合双光路与双波长检测实现气体浓度在线校准和多组分气体爆炸危险性检测。本方法和系统可以满足工业环境CO、甲烷、丙烷等可燃气体爆炸危险性安全检测应用需要。

【技术实现步骤摘要】
一种近红外光谱多组分气体在线检测系统及方法
本专利技术属于气体检测领域，具体涉及一种近红外光谱多组分气体在线检测系统及方法。
技术介绍
石化工业过程不可避免的存在各种易燃、易爆气体成分，这些气体一旦泄漏并积聚在周围环境中，将成为燃烧、爆炸等恶性事故的隐患，为了防患于未然，需要采用性能可靠的气体检测报警监控装置对工艺装置或储运设施环境中的气体浓度进行严密监测,以确保安全生产。传统电化学和催化燃烧型点式传感器存在易中毒、寿命短、监测范围小，以及非故障自趋安全等不足，难以满足石化行业区域爆炸性气体长期、可靠监测与预警的需求。另外，点式仪器无法及时提供区域性完全覆盖的安全监测与事故预警。光学检测方法具有非接触测量，灵敏度高，寿命长等突出优点，通过与长光程技术相结合，可以实现区域安全监测的完全覆盖，是目前工业安全监测技术发展的一个重要方向。近些年来，随着红外和激光技术的快速发展，基于气体红外吸收的光谱检测技术已经成为环境及工业过程气体一种有效检测手段，特别是使用光通讯半导体激光器作为光源的红外半导体激光光谱检测技术，其具有的高灵敏、高分辨和长光程检测特点，使其在工业过程气体在线检测领域具有极大的吸引力。使用宽带光源的红外光谱技术可以实现多组分气体在线检测，特别是基于目标气体分子基频吸收的中红外光谱技术，具有较高的检测灵敏度高的优点。但由于气体分子基频吸收带谱线密集，不同分子的吸收带交叠，难以完全消除组分间的交叉干扰，并且由于具有较强吸收线强，有效检测光程短，难以满足高浓度环境下爆炸限检测应用需要。
技术实现思路
本专利技术提出一种针对危化区域多组分可燃气体泄漏爆炸安全监测的近红外光谱多组分气体在线检测系统及方法，采用近红外宽带检测光源，并结合长程光学系统实现危化区域多组分气体泄漏在线检测。本专利技术采用多波长光学调制盘进行波长转换，实现多组分气体同时检测，通过双波长检测消除光强起伏对检测的影响，利用内置校准池结合双光路与双波长检测实现气体浓度在线校准和多组分气体爆炸危险性检测。本专利技术可以满足工业环境CO、甲烷、丙烷等可燃气体爆炸危险性安全检测应用需要。本专利技术采用的技术方案是：一种近红外光谱多组分气体在线检测系统，其特征在于：包括有主机和外部检测光路系统，外部检测光路系统包括收发光学探头、角反射器；所述收发光学探头包括脉冲氙灯、电缆接口一，脉冲氙灯的前方光路上依次设置有准直镜头、光学滤波盘、分束镜一，分束镜一的透射光路上设有分束镜二，分束镜二的透射光路上依次设有菲涅尔透镜、石英窗片、角反射器，分束镜一的反射光路上依次设有校准吸收池、红外光电探测器二，分束镜二的反射光路上设有红外光电探测器一；所述分束镜一、分束镜二、菲涅尔透镜、石英窗片、角反射器、红外光电探测器一构成检测光路；所述分束镜一、校准吸收池、红外光电探测器二构成校准光路，校准吸收池中充有包含已知浓度n种系统检测气体一个大气压的标准气体；所述电缆接口一与脉冲氙灯、光学滤波盘的驱动机构、红外光电探测器一、红外光电探测器二连接；所述主机包括主机箱，主机箱壁上设有电缆接口二、交流电源插座，主机箱中设有分别与电缆接口二连接的光源脉冲电源、光学滤波盘控制电源、低通滤波放大电路一、低通滤波放大电路二，低通滤波放大电路一、低通滤波放大电路二的信号输出端与信号采集和处理模块连接，信号采集与处理模块的信号输出端与光源脉冲电源、光学滤波盘控制电源、液晶显示屏连接，交流电源插座上连接直流稳压电源，直流稳压电源为主机箱中的其余各模块供电；所述电缆接口一、二通过多芯电缆连接，红外光电探测器一、二测得的检测信号、参考信号分别接入低通滤波放大电路一、二。所述的一种近红外光谱多组分气体在线检测系统，其特征在于：所述光学滤波盘边缘均匀开有2×n个通光孔，通光孔上安装有针对不同通光波长的滤光片，针对第i种检测气体，对应一个检测波长滤光片和一个参考波长滤光片，检测波长滤光片通光波长对应第i种检测气体的吸收波段，参考波长滤光片通光波长对应没有第i种检测气体和干扰气体吸收的波段。所述的一种近红外光谱多组分气体在线检测系统，其特征在于：所述光学滤波盘边缘设有定位标志，用于光学调制盘转动位置检测。一种近红外光谱多组分气体在线检测方法，其特征在于：针对系统检测的n种气体，任意第i种气体浓度检测的数据处理方法如下：(1)启动检测系统，光学调制盘每转动一周，同时得到一个周期的检测信号和一个周期的校准信号，一个周期的检测信号和一个周期校准信号均由2×n个脉冲序列组成；一个周期的检测信号脉冲序列的第2×i-1个脉冲对应检测光路第i种检测气体的吸收信号，第2×i个脉冲对应检测光路第i种检测气体的参考信号；一个周期校准信号脉冲序列的第2×i-1个脉冲对应校准光路第i种检测气体的吸收信号，第2×i个脉冲对应检测光路第i种检测气体的参考信号；(2)信号采集和处理模块对检测信号和校准信号进行数据采集和多次累加平均后得到一个周期分析用检测信号数据M和一个周期分析用校准信号数据N；一个周期分析用检测信号M的第2×i-1个脉冲数据用作检测光路第i种检测气体的检测吸收信号Mi，一个周期分析用检测信号M的第2×i个脉冲数据用作检测光路第i种检测气体的检测参考信号Mib；一个周期分析用校准信号数据N的第2×i-1个脉冲对应校准光路第i种检测气体的校准吸收信号Ni，一个周期分析用校准信号数据N的第2×i个脉冲对应检测光路第i种检测气体的校准参考信号Nib；已知校准吸收池中充有的第i种系统检测气体浓度为Ci；(3)对第i种检测气体的检测吸收信号Mi进行数值积分，得到第i种检测气体的检测吸收信号强度，定义为MAi；对第i种检测气体的检测参考信号Mib进行数值积分，得到第i种检测气体的检测参考信号强度，定义为MBi；对第i种检测气体的校准吸收信号Ni进行数值积分，得到第i种检测气体的校准吸收信号Ni强度，定义为NAi；对第i种检测气体的校准参考信号Nib进行数值积分，得到第i种检测气体的校准参考信号Nib强度，定义为NBi；定义Ai为检测吸收信号强度MAi与检测参考信号强度MBi的比值，Bi为校准吸收信号强度NAi与校准参考信号强度NBi的比值，有：定义检测光路上第i种系统检测气体浓度为Xi，则有：其中，Yi为系统参数。所述的一种近红外光谱多组分气体在线检测方法，其特征在于：所述系统参数Yi的测定方法如下：将校准吸收池中充入一个大气压高纯氮气，对第i种检测气体的校准吸收信号Ni进行数值积分，得到第i种检测气体的空白校准吸收信号Mi强度，定义为NAi0；对第i种检测气体的校准参考信号Nib进行数值积分，得到第i种检测气体的校准参考信号Nib强度，定义为NBi0；与已有技术相比，本专利技术有益效果体现在：(1)本专利技术采用双光路结构和双波长检测，并结合内置校准池实现多组分气体的在线校准，消除了光源光强起伏对检测的影响，提高了气体测量的精度。(2)本专利技术采用高亮度脉冲近红外宽带光源，利用多波长光学调制盘进行波长转换，通过双波长检测消除检测光路消光变化导致的光强起伏对检测的影响，实现了长光程多组分气体同时检测，提高了检测光程，满足危化区域多组分可燃气体泄漏爆炸安全监测的应用需要。附图说明：图1所示为本专利技术的近红外光谱多组分气体在线检测系统结构示意图图2所示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种近红外光谱多组分气体在线检测系统，其特征在于：包括有主机和外部检测光路系统，外部检测光路系统包括收发光学探头、角反射器；所述收发光学探头包括脉冲氙灯、电缆接口一，脉冲氙灯的前方光路上依次设置有准直镜头、光学滤波盘、分束镜一，分束镜一的透射光路上设有分束镜二，分束镜二的透射光路上依次设有菲涅尔透镜、石英窗片、角反射器，分束镜一的反射光路上依次设有校准吸收池、红外光电探测器二，分束镜二的反射光路上设有红外光电探测器一；所述分束镜一、分束镜二、菲涅尔透镜、石英窗片、角反射器、红外光电探测器一构成检测光路；所述分束镜一、校准吸收池、红外光电探测器二构成校准光路，校准吸收池中充有包含已知浓度n种系统检测气体一个大气压的标准气体；所述电缆接口一与脉冲氙灯、光学滤波盘的驱动机构、红外光电探测器一、红外光电探测器二连接；所述主机包括主机箱，主机箱壁上设有电缆接口二、交流电源插座，主机箱中设有分别与电缆接口二连接的光源脉冲电源、光学滤波盘控制电源、低通滤波放大电路一、低通滤波放大电路二，低通滤波放大电路一、低通滤波放大电路二的信号输出端与信号采集和处理模块连接，信号采集与处理模块的信号输出端与光源脉冲电源、光学滤波盘控制电源、液晶显示屏连接，交流电源插座上连接直流稳压电源，直流稳压电源为主机箱中的其余各模块供电；所述电缆接口一、二通过多芯电缆连接，红外光电探测器一、二测得的检测信号、参考信号分别接入低通滤波放大电路一、二。...

【技术特征摘要】
1.一种近红外光谱多组分气体在线检测系统，其特征在于：包括有主机和外部检测光路系统，外部检测光路系统包括收发光学探头、角反射器；所述收发光学探头包括脉冲氙灯、电缆接口一，脉冲氙灯的前方光路上依次设置有准直镜头、光学滤波盘、分束镜一，分束镜一的透射光路上设有分束镜二，分束镜二的透射光路上依次设有菲涅尔透镜、石英窗片、角反射器，分束镜一的反射光路上依次设有校准吸收池、红外光电探测器二，分束镜二的反射光路上设有红外光电探测器一；所述分束镜一、分束镜二、菲涅尔透镜、石英窗片、角反射器、红外光电探测器一构成检测光路；所述分束镜一、校准吸收池、红外光电探测器二构成校准光路，校准吸收池中充有包含已知浓度n种系统检测气体一个大气压的标准气体；所述电缆接口一与脉冲氙灯、光学滤波盘的驱动机构、红外光电探测器一、红外光电探测器二连接；所述主机包括主机箱，主机箱壁上设有电缆接口二、交流电源插座，主机箱中设有分别与电缆接口二连接的光源脉冲电源、光学滤波盘控制电源、低通滤波放大电路一、低通滤波放大电路二，低通滤波放大电路一、低通滤波放大电路二的信号输出端与信号采集和处理模块连接，信号采集与处理模块的信号输出端与光源脉冲电源、光学滤波盘控制电源、液晶显示屏连接，交流电源插座上连接直流稳压电源，直流稳压电源为主机箱中的其余各模块供电；所述电缆接口一、二通过多芯电缆连接，红外光电探测器一、二测得的检测信号、参考信号分别接入低通滤波放大电路一、二。2.根据权利要求1所述的一种近红外光谱多组分气体在线检测系统，其特征在于：所述光学滤波盘边缘均匀开有2×n个通光孔，通光孔上安装有针对不同通光波长的滤光片，针对第i种检测气体，对应一个检测波长滤光片和一个参考波长滤光片，检测波长滤光片通光波长对应第i种检测气体的吸收波段，参考波长滤光片通光波长对应没有第i种检测气体和干扰气体吸收的波段。3.根据权利要求1所述的一种近红外光谱多组分气体在线检测系统，其特征在于：所述光学滤波盘边缘设有定位标志，用于光学调制盘转动位置检测。4.一种近红外光谱多组分气体在线检测方法，其特征在于：针对系统检测的n种气体，任意第i种气体浓度检测的数据处理方法如下：(1)启动检测系统，光学调制盘每转动一周，同时得到一个周期的检测信号和...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈东，贾兆丽，房鹏飞，张玉钧，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34