一种基于非分光红外法的油气在线检测装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于非分光红外法的油气在线检测装置，包括：主动式抽气单元、油气浓度检测单元、氧气和温湿度测量单元、分析主机、工作站。本发明基于红外光谱法，提高了油气浓度检测的精度；红外分析室，直径为25mm，高效的增加了装置使用寿命和灵敏度，采用从油气危险源现场8点机械式不锈钢管路吸气，将防爆分析仪表安装在油库外，降低了油气爆炸风险，同时采用8路气体采样预抽气路，能实时在线检测各点油气浓度；采用高频率电磁阀和研发的组合式控制阀体，保证了对每路气体精确的供应分析气源，位置信号判定，无错启动、无堵塞；设置氧、温度和湿度传感器，提高了报警的可靠性；采用CAN总线，实现了报警信号的远距离传输，提高了可靠性。
【专利说明】一种基于非分光红外法的油气在线检测装置
【技术领域】
[0001] 本发明属于油气检测【技术领域】，尤其涉及一种基于非分光红外法的油气在线检测 装直。
【背景技术】
[0002] 目前易燃易爆气体在线监测、传感器标定技术已成为安全监控、环境预警的关键 环节和技术基础，同时为安全评估提供数据支持和理论判据。中华人民共和国石油天然气 行业标准Sy6503-2008规定：存在可燃气体释放源的场所应设可燃气体检测报警系统。
[0003] 油气混合物爆炸是典型的气体爆炸，气体爆炸是工业生产和生活领域爆炸灾害的 主要形式之一。油库中储存的石油产品大都具有易挥发性，当油气与空气混合物的浓度处 于爆炸范围内时，如果遇到引爆能量即刻会发生爆炸，油气与空气混合物的浓度高于或低 于爆炸范围的上下限时都不会发生爆炸。
[0004] 目前易燃易爆气体在线监测已成为安全监控、环境预警的关键环节和技术基础， 同时为安全评估提供数据支持和理论判据。传统的气体在线监测技术主要有气相色谱法、 气敏传感器法、傅里叶红外光谱法、光声光谱法等，但在实际使用中，这些方法存在取样复 杂、交叉敏感、长期稳定性差、检测气体组分不够齐全、成本高等缺点。
[0005] 现阶段使用较多的催化燃烧式检测方法存在如下弊端：
[0006] 感应器监测范围：催化燃烧感应器有一个固定的暴露能力范围，在这个范围内， 监测性能可靠。超过监测范围的使用和感应器负荷超载，影响它的准确性，传感器也相应地 时常处于饱和状态；气体浓度低于常规范围，会削弱反映的信号，加上环境噪声干扰，使仪 器读数不准确，从而降低了仪器的准确性和分辨率。
[0007] 待测气体交叉影响：催化燃烧传感器是借助催化剂在低温下（200?400°C )下， 实现对有机物的完全氧化的过程来确定气体的浓度。这一反应过程对很多气体是很普通 的。待测气体的交叉影响使检测结果不能反映检测气体的实际含量，检测结果失去科学价 值和合理性。
[0008] 传感器的寿命问题：催化燃烧的催化剂失效及催化剂的中毒，是该传感器的致命 弊病。催化燃烧传感器均存在寿命因素，最长寿命为空气中2年，基本在6个月后灵敏度就 会不断的下降，需要通过反复的调试才能够维持使用。
[0009] NDIR(非分光）红外气体分析仪作为一种快速、准确的气体分析技术，特别连续污 染物监测系统以及机动车尾气检测应用中十分普遍。主要工作原理是利用气体对红外辐射 有选择性吸收和其吸收强度是气体浓度的函数关系，实现油气气体浓度的检测。该系统将 红外辐射强度转化为电压信号，通过数字处理器分析电压信号来实现对油气浓度的精确 测量。
[0010] 但目前非分光红外气体分析仪在测量油库油气时存在如下缺陷：一是没有考虑油 气多组分组成和易吸附的特点，设计的油气浓度传感器结构上存在缺陷，造成油气浓度测 量存在一定误差；二是没有考虑温度、湿度和氧浓度对油气爆炸极限的影响，在报警判据上 不够准确；三是没有考虑在受限空间油气多点同时测量时的油气采样流程。
【发明内容】
[0011] 本发明实施例的目的在于提供一种基于非分光红外法的油气在线检测装置，旨在 解决目前非分光红外气体分析仪在测量油库油气时存在的油气浓度测量存在误差；没有考 虑温度、湿度和氧浓度对油气爆炸极限的影响，在报警判据上不够准确；没有考虑在受限空 间油气多点同时测量时油气采样流程的问题。
[0012] 本发明实施例是这样实现的，一种基于非分光红外法的油气在线检测装置，该基 于非分光红外法的油气在线检测装置包括：主动式抽气单元、油气浓度检测单元、氧气和温 湿度测量单元、分析主机、CAN总线、工作站；
[0013] 主动式抽气单元用于通过设置在油品储存库的8个取样点采集混合气体；
[0014] 油气浓度检测单元、氧气和温湿度测量单元与主动式抽气单元连接，用于测量主 动式抽气单元采集混合气体的氧气浓度、以及温度和湿度；
[0015] 分析主机与油气浓度检测单元、氧气和温湿度测量单元连接，用于对油气浓度、氧 气、温湿度测量单元测量的混合气体油气浓度、氧气浓度、以及温度和湿度进行分析，并进 行显示；
[0016] 工作站通过CAN总线与分析主机连接，接收分析主机分析的混合气体油气浓度、 氧气浓度、以及温度和湿度，如果气体浓度超过爆炸上限，则发出报警，实现对油气危险源 的分级预警监测和报警。
[0017] 进一步，主动式抽气单元采用现场8点机械式不锈钢管路吸气。
[0018] 进一步，现场8点机械式不锈钢管路吸气采用高频率电磁阀和研发组合式控制阀 体。
[0019] 进一步，油气浓度检测单元由红外气体吸收室、红外光源和红外探测器和放大电 路组成；具体工作原理为：光源部件将连续的红外辐射调制成6. 25Hz的断续辐射，再交替 地通过气室的分析边和参比边（单管隔半气室，参比边密封着不吸收红外线的高纯氮气）， 最后被检测器（该仪器采用的检测器是胆酸锂热释电检测器）吸收。当分析室通入高纯氮 气时，则检测器交替接收的参比边和分析边红外辐射能量相等，仪器的输出信号为零；当分 析室通入待测气体时，检测器所接收的参比信号不变，而分析信号由于分析室中待测气体 的吸收而发生变化，于是便产生一个与待测气体浓度成比例的输出信号。该微小的电信号 通过前置放大、主放大、选频、相敏检波和滤波等多个环节变成与待测气体浓度成比例的直 流电信号。
[0020] 进一步，红外分析室直径为25mm。
[0021] 进一步，红外分析室采用一次成型加工工艺，在气室内壁采用1mm厚的整体镀金 层，气室的两端密封材料测采用高透明度的宝石镜片粘接。
[0022] 进一步，抽气单元的安装高度为lm以内，油品储存库的拐角及尺寸、结构变化处 为重点安装点。
[0023] 进一步，分析主机由单片机控制、TFT彩色液晶显示器、A/D转换电路、数字接口电 路组成。
[0024] 本发明提供的基于非分光红外法的油气在线检测装置，首先基于红外光谱法，通 过得到特征吸收峰的强度来测定常见油气混合物中各组分的含量；得到油气在3. 39 μ m附 近有强烈、单一的吸收峰，并依此进行油气浓度检测单元的设计，提高了检测的精度；设计 的红外分析室，直径为25_，是常规红外分析室的3-6倍，抗污染能力增加3-6倍，高效的增 加了在测量过程中的长寿命和灵敏度，而在对于红外光路的损耗问题上，整套红外分析室 采用一次成型加工工艺，在气室内壁采用1mm厚的整体镀金层，气室的两端密封材料测采 用高透明度的宝石镜片粘接，使红外光源发出的红外光接近零损耗的形式穿过光学气室， 精准的保证了分析仪的分析能力；采用从油气危险源现场8点机械式不锈钢管路吸气，将 防爆分析仪表安装在油库外，降低了油气爆炸风险，同时采用8路气体采样预抽气路，能实 时在线检测各点油气浓度；采用高频率电磁阀和研发组合式控制阀体，保证了对每路气体 精确的供应分析气源，位置信号判定，无错启动、无堵塞；设置氧、温度和湿度传感器；采用 CAN总线，实现了报警信号的远距离传输，提高了可靠性。本发明的结构简单，较好的解决了 目前非分光红外气体分析仪在测量油库油气时存在的油气浓度测量存在误差；没有考虑温 度、湿度和氧浓度对油气爆炸极限的影响，在报警判据上不够准确；没有考虑在受限空间油 气多点同时测量时油气采样流程的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 图1是本发明实施例提供的基于非分光红外法的油气在线检测装置结构示意图；
[0026] 图2是本发明实施例提供的油品储存库的8个取样点的示意图；
[0027] 图3是本发明实施例提供的分析主机和工作站的结构示意图；
[0028] 图中：1、氧气和温湿度测量单元；2、主动式抽气单元；3、分析主机；4、工作站；5、 油气浓度检测单元。
【具体实施方式】
[0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于 限定本发明。
[0030] 下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
[0031] 如图1所示，本发明实施例的基于非分光红外法的油气在线检测装置主要由氧气 和温湿度测量单元1、主动式抽气单元2、分析主机3、工作站4、油气浓度检测单元5组成；
[0032] 主动式抽气单元2用于通过设置在油品储存库的8个取样点采集混合气体；
[0033] 油气浓度检测单元5、氧气和温湿度测量单元1与主动式抽气单元2连接，用于测 量主动式抽气单元2采集混合气体的油气浓度检测单元、氧气浓度、以及温度和湿度；
[0034] 分析主机3与油气浓度检测单元5、氧气和温湿度测量单元1连接，用于对油气浓 度、氧气、温湿度测量单元1测量的混合气体油气浓度、氧气浓度、以及温度和湿度进行分 析，并进行显示；
[0035] 工作站4通过CAN总线与分析主机3连接，接收分析主机3分析的混合气体油气 浓度、氧气浓度、以及温度和湿度，如果气体浓度超过爆炸上限，则发出报警，实现对油气危 险源的分级预警监测和报警；
[0036] 在本发明的实施例中，主动式抽气单元采用现场8点机械式不锈钢管路吸气；现 场8点机械式不锈钢管路吸气采用高频率电磁阀和研发组合式控制阀体，油气浓度检测单 元由红外气体吸收室、红外光源和红外探测器和放大电路组成。具体工作原理为：光源部件 将连续的红外辐射调制成6. 25Hz的断续辐射，再交替地通过气室的分析边和参比边（单管 隔半气室，参比边密封着不吸收红外线的高纯氮气），最后被检测器（该仪器采用的检测器 是胆酸锂热释电检测器）吸收。当分析室通入高纯氮气时，则检测器交替接收的参比边和 分析边红外辐射能量相等，仪器的输出信号为零；当分析室通入待测气体时，检测器所接 收的参比信号不变，而分析信号由于分析室中待测气体的吸收而发生变化，于是便产生一 个与待测气体浓度成比例的输出信号。该微小的电信号通过前置放大、主放大、选频、相敏 检波和滤波等多个环节变成与待测气体浓度成比例的直流电信号；
[0037] 红外分析室直径为25mm ;红外分析室采用一次成型加工工艺，在气室内壁采用 1_厚的整体镀金层，气室的两端密封材料测采用高透明度的宝石镜片粘接；抽气单元的 安装高度为lm以内，油品储存库的拐角及尺寸、结构变化处为重点安装点；分析主机由单 片机控制、TFT彩色液晶显示器、A/D转换电路、数字接口电路组成。分析主机3由单片机控 制、TFT彩色液晶显示器（150 X 100VGA)、A/D转换电路、数字接口电路组成。
[0038] 结合图1-图3对本发明的工作原理做进一步的说明：
[0039] 本发明在油库受限空间，被监测混合气体由主动式抽气单元将其送入油气浓度检 测单元、氧气和温湿度测量单元，由在线监测非分光红外的分析主机完成浓度测试分析，而 后通过CAN总线传输至控制室的工作站，如果气体浓度超过爆炸上限，则发出报警，与一般 的可燃气体检测仪器不同；本发明装置考虑到油气爆炸浓度与温度、湿度及氧浓度有关，因 此系统同时耦合氧气、温湿度测量单元；
[0040] 可根据时间段依次打开各个测量点的控制阀门，分别对不同测量点的油气、氧气、 温湿度等各项参数逐一进行测量，将罐室内现场传感器数据传入分析主机进行显示；再由 CAN总线直接将分析主机上的数据传送至控制室后台工作站进行分级预警软件分析处理， 实现对油气危险源的分级预警监测和报警，特别在取样的设计上，采用现场8点机械式不 锈钢管路吸气，将防爆分析仪表安装在油库外，从而大大的降低了油气分析的风险性，保证 在罐室内没有任何的电路系统，避免因为测量而引起的点燃；
[0041] 分析主机系统由单片机控制、TFT彩色液晶显示器（150X 100VGA)、A/D转换电路、 数字接口电路、自行开发的具有中文菜单的控制软件组成；电源控制系统根据实际情况可 采用 AC :20-27V ;70-250V(50Hz)，DC :20-36V ;70V-250,输出两块 AC/DC 电源模块分别为微 机系统和电磁三通阀供电，变压器与+5V输出稳压电源及+5V输入、± 12V输出DC/DC升压 模块为测量系统其他部分供电；
[0042] 本发明的优势在于：
[0043] 1)基于红外光谱法，通得到特征吸收峰的强度来测定常见油气混合物（汽油、柴 油和煤油等）中各组分的含量；得到油气在3. 39 μ um附近有强烈、单一的吸收峰，依据这一 重要特征进行油气浓度检测单元的设计，提高了检测的精度；
[0044] 2)对于长时间测量状态，油气的吸附、气体的湿度及气体中的微小的灰尘颗粒都 将是影响测量的关键指标，而普通的红外分析气室，最大的直径只有8_，最小的直径只有 4mm，长时间的测量后以上的几种因素会直接的附着在分析室的内壁上，这样在小的气室 空间内，直接对红外光有着极高损耗，从而导致灵敏度很快的下降，导致分析仪器不能精准 的测量，针对油气的强附着能力，设计的大空间红外分析室，直径为25mm，是常规红外分析 室的3-6倍，抗污染能力增加3-6倍，高效的增加了在测量过程中的长时间灵敏度，而在对 于红外光路的损耗问题上，整套红外分析室采用一次成型加工工艺，在气室内壁采用1_ 厚的整体镀金层，气室的两端密封材料测采用高透明度的宝石镜片粘接，使红外光源发出 的红外光接近零损耗的形式穿过光学气室，从而精准的保证了分析仪的分析能力；
[0045] 3)在取样的设计上，采用从油气危险源现场8点机械式不锈钢管路吸气，将防爆 分析仪表安装在油库外，降低了油气爆炸风险，同时采用8路气体采样预抽气路，能实时在 线检测各点油气浓度；采用高频率电磁阀和研发组合式控制阀体，独特的设计组合式切换 气路，在相对的小体积内完成快速的气路切换，同时配合分析仪的分析指令，对指令需要控 制的气路及时响应，从而保证对每路气体精确的供应分析气源，位置信号判定，无错启动、 无堵塞，在抽气单元安装高度布置上，根据油气容易在拐角等处聚集，因此初步确定安装高 度为lm以内，拐角及尺寸、结构变化处为重点安装点；
[0046] 4)充分考虑温度、湿度及氧浓度对油气爆炸极限的影响，在现场布置氧、温度和湿 度传感器，同时在危险源爆炸分级预警软件设计时，采用综合判据的方法进行危险源分级 预警，减少了误报。
[0047] 5)现场CAN总线设计，可将报警信号进行可靠、远距离传输，并可与油库监控系统 对接。
[〇〇48] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种基于非分光红外法的油气在线检测装置，其特征在于，该基于非分光红外法的 油气在线检测装置包括：主动式抽气单元、油气浓度检测单元、氧气和温湿度测量单元、分 析主机、CAN总线、工作站； 主动式抽气单元用于通过设置在油品储存库的8个取样点采集混合气体； 油气浓度检测单元、氧气和温湿度测量单元与主动式抽气单元连接，用于测量主动式 抽气单元采集混合气体的氧气浓度、以及温度和湿度； 分析主机与油气浓度检测单元、氧气和温湿度测量单元连接，用于对油气浓度、氧气、 温湿度测量单元测量的混合气体油气浓度、氧气浓度、以及温度和湿度进行分析，并进行显 示； 工作站通过CAN总线与分析主机连接，接收分析主机分析的混合气体油气浓度、氧气 浓度、以及温度和湿度，如果气体浓度超过爆炸上限，则发出报警，实现对油气危险源的分 级预警监测和报警。
2. 如权利要求1所述的基于非分光红外法的油气在线检测装置，其特征在于，主动式 抽气单元采用现场8点机械式不锈钢管路吸气。
3. 如权利要求2所述的基于非分光红外法的油气在线检测装置，其特征在于，现场8点 机械式不锈钢管路吸气采用高频率电磁阀和研发组合式控制阀体。
4. 如权利要求1所述的基于非分光红外法的油气在线检测装置，其特征在于，油气浓 度检测单元由红外气体吸收室、红外光源和红外探测器和放大电路组成。
5. 如权利要求4所述的基于非分光红外法的油气在线检测装置，其特征在于，红外分 析室直径为25mm。
6. 如权利要求4所述的基于非分光红外法的油气在线检测装置，其特征在于，红外分 析室采用一次成型加工工艺，在气室内壁采用1mm厚的整体镀金层，气室的两端密封材料 测采用高透明度的宝石镜片粘接。
7. 如权利要求1所述的基于非分光红外法的油气在线检测装置，其特征在于，抽气单 元的安装高度为lm以内，油品储存库的拐角及尺寸、结构变化处为安装点。
8. 如权利要求1所述的基于非分光红外法的油气在线检测装置，其特征在于，分析主 机由单片机控制、TFT彩色液晶显示器、A/D转换电路、数字接口电路组成。
【文档编号】G01N21/3504GK104089918SQ201410314911
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月3日 优先权日:2014年7月3日
【发明者】蒋新生, 王冬, 欧益宏, 杜扬, 钱海兵, 梁建军, 周建忠, 薛松, 周琳莉 申请人:中国人民解放军后勤工程学院