一種便攜式多組分混合氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于多組分混合氣檢測(cè)領(lǐng)域，涉及礦井氣體、廢氣排放的巡視檢驗(yàn)領(lǐng)域，具 體涉及一種便攜式多組分混合氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 包括我國(guó)在內(nèi)的許多發(fā)展中國(guó)家的許多小型企業(yè)非法排放污染廢水和廢氣嚴(yán)重， 有些企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境嚴(yán)重不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致爆炸等諸多生產(chǎn)安全問(wèn)題，環(huán)保單位、安全生產(chǎn)監(jiān)督單 位、以及希望能安全生產(chǎn)的單位需要有儀器進(jìn)行巡視檢查。
[0003] 例如，我國(guó)是一個(gè)能源消耗大國(guó)，其中很大一部分的能源需求是由我國(guó)境內(nèi)的煤 炭資源的開采來(lái)滿足的。然而在煤炭開采過(guò)程中事故卻頻發(fā)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年因礦井事故而 死亡的人數(shù)高達(dá)6000人以上，這其中瓦斯爆炸、一氧化碳中毒導(dǎo)致的死亡數(shù)占到了 54%以 上，由煤炭自然發(fā)火災(zāi)害氣體直接或間接引起的礦難數(shù)量所占比例高達(dá)70%以上。由此可 見，礦井內(nèi)氣體環(huán)境的及時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)至關(guān)重要，研發(fā)一種高效、便捷的氣 體檢測(cè)裝置來(lái)對(duì)礦井內(nèi)氣體進(jìn)行更實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)對(duì)于保護(hù)煤礦企業(yè)的財(cái)產(chǎn)和員工的生命安 全有著重要作用。
[0004] 目前，對(duì)于礦井內(nèi)氣體的檢測(cè)，以及眾多廠礦企業(yè)所排放廢氣的精確分析，通常采 用的是氣相色譜法。氣相色譜法是利用要分離的諸組分在流動(dòng)相（載氣）和固定相兩相間 的分配有不同的分配系數(shù)的原理，當(dāng)兩相作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些組分在兩相間的分配反復(fù)進(jìn) 行，只要次數(shù)足夠多，即使組分的分配系數(shù)只有微小的差異，隨著流動(dòng)相的移動(dòng)可以有明顯 的差距，最終可使這些組分得到分離并被檢測(cè)出來(lái)。氣相色譜法盡管靈敏度高、檢測(cè)分辨范 圍廣，但是由于需要高壓載氣，有的還需要?dú)浠鹧骐x子探測(cè)器，不能再礦井內(nèi)進(jìn)行工作，而 且對(duì)操作人員的要求也較高，每年都需要進(jìn)行標(biāo)定，甚至更換色譜柱，維護(hù)麻煩。除此之 夕卜，氣相色譜儀體積和重量也都過(guò)大，這限制了它的使用范圍，使得每次用氣相色譜法分析 礦井氣體都必須由專人下礦井取氣并拿至工作臺(tái)后方可進(jìn)行，或者通過(guò)束管將氣體從井下 抽到井口，然后再進(jìn)行分析，無(wú)法在下井時(shí)就完成檢測(cè)工作，缺乏時(shí)效性。而且，由于束管內(nèi) 外的巨大壓力差，使得外部空氣進(jìn)入束管，造成誤警，礦井巷道由于受地質(zhì)影響，產(chǎn)生變形， 甚至拉斷，維護(hù)麻煩。另外，市面上還有一些礦用氣體傳感器，這些設(shè)備雖然輕巧靈便，但是 通常只針對(duì)一種氣體，無(wú)法實(shí)現(xiàn)廣譜定量檢測(cè)，而且還有維護(hù)周期短、穩(wěn)定性差等弊端，不 利于廣泛地推廣使用。
[0005] 為了克服氣相色譜法和常規(guī)氣體傳感器在多組分氣體監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的缺陷，發(fā)明人 提出采用光譜法來(lái)實(shí)現(xiàn)，并針對(duì)光譜法在多組分氣體在線分析應(yīng)用中存在的問(wèn)題，如基線 漂移、難于區(qū)分分子結(jié)構(gòu)相近氣體等，做了詳細(xì)深入的研究，提出了許多相關(guān)方法。例如， 專利201010270822. 3解決了多組分氣體標(biāo)定所需樣本量大的問(wèn)題；專利201010268039. 3 解決了光譜基線漂移與畸變問(wèn)題；專利201010218580. 3解決了干擾氣體問(wèn)題；專利 201210076501. 9解決了所分析氣體分子結(jié)構(gòu)接近，難于區(qū)分的問(wèn)題；專利201110355413. 8 解決了氣體分析現(xiàn)場(chǎng)干擾大，分析結(jié)果曲線中噪聲大的問(wèn)題；專利201210076502. 3解決了 小檢測(cè)限、大檢測(cè)范圍之間的矛盾問(wèn)題，同時(shí)提高了分析結(jié)果準(zhǔn)確性；在這些技術(shù)的基礎(chǔ) 上，開發(fā)了一種井口氣遠(yuǎn)程測(cè)定儀（授權(quán)號(hào)=201210076503. 8)，可在線定量分析甲烷、乙 烷、丙烷、異丁烷、正丁烷、異戊烷、正戊烷、一氧化碳和二氧化碳等氣體，并在國(guó)內(nèi)油田推廣 應(yīng)用，但該儀器體積大、也比較笨重，只能定點(diǎn)進(jìn)行氣體分析，不便于攜帶。
[0006] 由于某些小型化工廠，廢氣非法排放導(dǎo)致環(huán)境污染嚴(yán)重，致使周邊數(shù)百米，甚至數(shù) 公里范圍內(nèi)都會(huì)彌散著難聞的氣味。某些工廠，如煉油廠，由于油氣泄露彌散在空中，從而 導(dǎo)致爆炸等嚴(yán)重事故。若能開發(fā)出便攜式多組分混合氣分析儀器，該儀器分析速度快、操作 簡(jiǎn)單、安全性好、維護(hù)費(fèi)用低，則將非常有助于提高我國(guó)安全生產(chǎn)監(jiān)督、環(huán)境保護(hù)的能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種便攜式多組分混合氣監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)人員攜帶設(shè)備進(jìn)入到現(xiàn)場(chǎng)，如煤礦的采空區(qū)，廠礦企業(yè)的非法廢氣排放 口，以及非法配氣排放的附近區(qū)域，對(duì)被監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的氣體進(jìn)行快速、定量準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，為生 產(chǎn)環(huán)境的安全性提供預(yù)警，為大氣環(huán)境監(jiān)察與巡查提供數(shù)據(jù)。
[0008] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0009] 一種便攜式多組分混合氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括氣體取樣器、樣氣處理裝置、氣壓與溫度 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、便攜式計(jì)算機(jī)、便攜式紅外光譜儀以及蓄電池；其中，待分析氣體利用氣體取樣 器吸入到樣氣處理裝置中，經(jīng)除塵、干燥后進(jìn)入到氣體池中，再利用便攜式紅外光譜儀對(duì)氣 體池中的樣氣進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，得到樣氣的光譜數(shù)據(jù)，同時(shí)利用氣壓與溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān) 測(cè)氣體池中氣體的氣壓和溫度，以補(bǔ)償分析結(jié)果，分析結(jié)果通過(guò)便攜式計(jì)算機(jī)顯示；蓄電池 用于為該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電。
[0010] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：便攜式紅外光譜儀選用便攜式傅里葉變化紅外光譜 儀、便攜式紅外光聲光譜儀、便攜式紫外光譜儀或者是便攜式傅里葉變化紅外光譜儀與便 攜式紫外光譜儀的組合。
[0011] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：還包括用于監(jiān)測(cè)將待分析氣體濕度的濕度傳感器。
[0012] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：氣體池中的樣氣光譜數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)線、無(wú)線電傳輸方式、 串口或者USB接口方式發(fā)送至便攜式計(jì)算機(jī)，便攜式計(jì)算機(jī)首先通過(guò)預(yù)置的光譜定量分析 程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，再根據(jù)氣壓與溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償， 并將各氣體分析結(jié)果作記錄后顯示，同時(shí)在危險(xiǎn)氣體濃度超標(biāo)時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警。
[0013] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：氣體取樣器選用由蓄電池供電的氣泵，若是有潤(rùn)滑油 的氣泵，則氣泵放在氣室的后端，即氣體先經(jīng)過(guò)管道進(jìn)入樣氣處理裝置中，然后進(jìn)入氣室， 再由氣泵從氣室中抽出，若要放置在氣室前端，則氣泵是無(wú)油氣泵，以防止氣泵長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn) 產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致潤(rùn)滑油裂解而產(chǎn)生的氣體污染被測(cè)氣體。
[0014] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：氣體分析結(jié)果的補(bǔ)償方法按如下方法實(shí)現(xiàn)：
[0015] 首先獲取某組分氣體的光譜分析分析結(jié)果pU，以及當(dāng)前溫度T與壓力P，然后按 下式進(jìn)行補(bǔ)償，獲取其補(bǔ)償后的體積比濃度PM:
[0016] p后=p前X(T+273)/293XP0/P (12)
[0017] 式中，匕為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，P為環(huán)境壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，其單位均為atm或Pa;T為溫度傳感器 傳回的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，單位為攝氏度。
[0018] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：樣氣處理裝置是由除濕、除塵裝置構(gòu)成，以防止灰塵污 染便攜式紅外光譜儀氣室中的窗片，同時(shí)防止因濕度過(guò)大而在便攜式紅外光譜儀內(nèi)氣室的 窗片上產(chǎn)生水珠，而使得窗片上的溴化鉀潮解。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的技術(shù)效果：
[0020] 本發(fā)明利用絕大多數(shù)廠礦企業(yè)排放的廢氣、或者安全生產(chǎn)指標(biāo)氣體是極性分子氣 體，如彌散在煤礦采空區(qū)中的煤炭自燃發(fā)火氣體包括甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳和二 氧化碳等氣體。這些氣體中，不同組分對(duì)光具有不同的吸收波長(zhǎng)，在傅立葉變換紅外光譜 儀、或紫外光譜儀平臺(tái)上采用光譜氣體在線分析技術(shù)對(duì)礦井氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并利用溫 度與氣壓對(duì)氣體體積比濃度的影響，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)人員在入井后，或者 進(jìn)入廢氣排放區(qū)域附近，便捷、實(shí)時(shí)地對(duì)該區(qū)域各類氣體進(jìn)行分析；通過(guò)濕度的監(jiān)測(cè)，判斷 是否需要更換干燥器，以確保系統(tǒng)內(nèi)部氣室上的窗片不會(huì)潮解。
[0021] 當(dāng)監(jiān)測(cè)人員攜帶本檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)入測(cè)量環(huán)境時(shí)，本發(fā)明中的氣體取樣器首先會(huì)抽取 環(huán)境內(nèi)的氣體，再將抽取的樣氣經(jīng)過(guò)樣氣處理裝置處理后，由傅立葉紅外光譜儀對(duì)氣室中 已干燥除塵的樣氣進(jìn)行掃描，然后將光譜數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)線或其他無(wú)線傳輸方式發(fā)送至系統(tǒng)內(nèi) 的計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)將首先通過(guò)預(yù)置的光譜定量分析程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，再依據(jù)氣 壓與溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，并將各補(bǔ)償后的氣體濃度結(jié)果作記錄后顯示在交 互屏上，同時(shí)可在危險(xiǎn)氣體濃度超標(biāo)時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警等功能。
[0022] 本發(fā)明便攜式多組分混合氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是采用吸收光譜定量分析來(lái)實(shí)現(xiàn)的，以滿 足本系統(tǒng)氣體定量分析快速性、高精度、安全性要求，被監(jiān)測(cè)氣體的光譜分析是通過(guò)特征變 量提取、分析模型建立、光譜分析及光譜畸變識(shí)別與處理來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中分析模型是在系統(tǒng) 研發(fā)過(guò)程中建立的，光譜分析及光譜畸變識(shí)別與處理方法與特征變量提取的參數(shù)是在系統(tǒng) 開發(fā)過(guò)程中確定的，而在光譜檢測(cè)裝置正常工作時(shí)，只需對(duì)執(zhí)行特征變量提取、光譜畸變識(shí) 別與處理、分析模型的計(jì)算即可。
[0023] 光譜定量分析技術(shù)是基于以下過(guò)程完成的，首先獲得被測(cè)環(huán)境內(nèi)各類可能存在的 氣體的標(biāo)樣及其光譜圖，然后采用特征提取的方法，為每種氣體提取特征變量，并以這些特 征變量作為輸入，以氣體的種類，濃度為輸出，采用偏最小二乘法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法建立其分析 模型。在依此原理編譯的分析軟件中，首先需要對(duì)光譜基線進(jìn)行校正，然后根據(jù)特征變量的 計(jì)算式計(jì)算特征變量值，并根據(jù)所建立的模型參數(shù)，計(jì)算出各組分氣體的濃度。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1便攜式氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能圖；
[0025] 圖2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)操作流程圖；
[0026] 圖3建立光譜分析模型所需樣氣光譜制作示意圖，其中，圖3(a)為獲得的濃度均 為1%的單組份氣體甲烷、乙烷和丙烷的光譜圖，圖3(b)為獲得的單組份氣體10%甲烷、 1 %乙烷、1 %丙烷以及10%甲烷和2%乙烷的混合氣光譜圖；
[0027] 圖4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖5伴生氣吸收光譜基線校正與結(jié)果圖，其中，5(a)是甲烷、乙烷和丙烷氣體長(zhǎng)期 在線監(jiān)測(cè)過(guò)程中獲得的發(fā)生基線畸變的三個(gè)譜圖；
[0029] 圖5(b)為圖5(a)中三個(gè)光譜圖基線校正后的光譜圖；
[0030] 圖5(c