一种基于红外光谱的油库大空间油气浓度检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于红外光谱的油库大空间油气浓度检测方法，采用红外光谱法，通过傅立叶红外线光谱仪依照特征吸收峰的强度来测定常见油气多组分混合物(汽油、柴油和煤油等)中各组分的含量，依据得到的油气碳氢类的吸收光谱，按照吸收关系服从朗伯--比尔吸收定律，通过红外光源、气体分析室、电路系统等将信号放大得到所测油气的浓度。本发明采用主动式抽气方式将其送入测试分析单元，在取样上采用现场管路吸气，可将防爆分析仪安装在油罐外安全区域，从而大大降低了油气分析的风险性，保证在危险源内没有任何的电路系统，避免了因为测量而引起的点燃。
【专利说明】一种基于红外光谱的油库大空间油气浓度检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于油气浓度检测【技术领域】，尤其涉及一种基于红外光谱的油库大空间油 气浓度检测方法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 目前应用较多的可燃气体检测方法采用的是催化燃烧型，这种可燃气体浓度检测 法检测准确度较好，价格相对便宜，但有易被硫化物等毒化，传感器寿命较短，不能检测超 过100LEL以上浓度等缺点，应用受到较大的限制。
[0004] 其它各类的各种油气气体测量方法：
[0005] 检定管检测法：
[0006] 检测管的基本测定原理为线性比色法，即被测气体通过检定管与指示胶发生有色 反应，形成变色层（变色柱），变色层的长度与被测气体的浓度成正比。
[0007] 缺点为：需手动进行现场球胆采样分析，不能实现自动检测和自动控制。
[0008] 气相色谱测量法：
[0009] 气相色谱工作原理：是利用试样中各组份在气相和固定液液相间的分配系数不 同，当汽化后的试样被载气带入色谱柱中运行时，组份就在其中的两相间进行反复多次分 配，由于固定相对各组份的吸附或溶解能力不同，因此各组份在色谱柱中的运行速度就不 同，经过一定的柱长后，便彼此分离，按顺序离开色谱柱进入检测器，产生的离子流讯号经 放大后，在记录器上描绘出各组份的色谱峰。由于样品在气相中传递速度快，因此样品组分 在流动相和固定相之间可以瞬间地达到平衡。另外加上可选作固定相的物质很多，因此气 相色谱法是一个分析速度快和分离效率高的分离分析方法。
[0010] 缺点为：需手动进行采样分析，不能实现自动检测和自动控制。需要的相关附件比 较繁琐。样品分析时间过长。
[0011] 相比较而言，红外技术在气体检测方面具有众多优势和良好的性能。红外气体检 测仪从物理特征上分为分光型和非分光型两种。分光型是借助分光系统分出单色光，使通 过截止层的红外线波长与被测组分的特征吸收光谱相吻合而进行测定的，其分析能力强。 非分光型是指光源的连续辐射全部通过被测气体组分，被测气体对红外辐射具有选择性吸 收和积分性质，同时采用与样品具有相同吸收光谱的检测器来测定被测组分对红外辐射的 吸收量。分光型红外气体检测应用范围广，但是应用成本高，光路的变化易于导致信号的变 化，因此影响了稳定性，所以多用于实验研究。非分光型红外气体检测功能相对单一，但简 单可靠，成本较低，多用于工业现场，其发展趋势是多组份、智能化和低成本。。
【发明内容】
[0012] 本发明实施例的目的在于提供一种基于红外光谱的油库大空间油气浓度检测方 法，旨在解决现有的油气浓度检测方法存在的精度不高、分析步骤复杂，不能实现自动检测 和自动控制等问题。
[0013] 本发明实施例是这样实现的，一种基于红外光谱的油库大空间油气浓度检测方 法，该基于红外光谱的油库大空间油气浓度检测方法包括以下步骤：
[0014] 步骤一，采用红外光谱法，通过傅立叶红外线光谱仪依照特征吸收峰的强度来测 定常见油气多组分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，对油气气体识别；
[0015] 具体实现的方法是：首先使用标准气做出色谱图，其次将标准气体色谱图和不同 状态下的汽油、航空煤油、柴油的挥发物测量色谱图进行比较，得出组分和含量多少，由此 得到碳氢气体在3. 39 μ m附近有强烈、单一的吸收峰；
[0016] 步骤二，依据得到的油气碳氢类的吸收光谱，按照吸收关系服从朗伯--比尔吸收 定律这一原理，电路系统中的单片机发送调制信号通过光源调制、驱动电路去控制、调制红 外光；红外光源发射红外光，经过充满待测气体的气体分析室，红外光经过气体分析室的吸 收，再经过滤光片的选择性透过，最后到达红外探测器；红外探测器得到吸收后的光强，转 换为电信号输出；再经过前置放大过滤电路和二级放大电路、A/D转换、单片机数据处理后 显示，得到所测测油气的浓度。
[0017] 进一步，在步骤二中，现场油气采样方法的取样采用现场管路吸气，将防爆油气浓 度分析仪安装在油罐外安全区域。
[0018] 进一步，在现场油气设置A、B、C、D、E、F、G、H8个采样点。
[0019] 进一步，油气采样上进行多路气体抽样时，为在多路气体选择阀的基础上加装多 路气体预抽选择阀和大流量吸气泵的方式，通过程序指令控制在测量点采样点的同时，启 动预抽泵和预抽相对点的电磁阀对另一测量点的气体进行预抽，使另一测量点的气体在测 量点的同时就已经到达测量室的附近，这样在测量点测量完毕就直接测量另一测量点所抽 过来的气体。
[0020] 进一步，在步骤二中，得到检测油气浓度的结构还包括：马达、位置传感器、样气入 口、样气出口、第一透镜、第一滤波器、第二透镜、第二滤波器、滤光轮、电路系统；
[0021] 气体分析室的左侧设置第一透镜和第一滤波器，气体分析室的右侧设置第二透镜 和第二滤波器，样气入口和样气出口分别设置在气体分析室的左下方和右下方，红外光源 设置在第一透镜的左侧，滤光轮设置在红外光源和第一透镜之间，马达设置在滤光轮的中 间位置，位置传感器设置在滤光轮的内部；红外光源、第一透镜、第一滤波器、第二透镜、第 二滤波器位于同一中心线上。
[0022] 本发明提供的基于红外光谱的油库大空间油气浓度检测方法，采用红外光谱法， 通过傅立叶红外线光谱仪依照特征吸收峰的强度来测定常见油气多组分混合物（汽油、柴 油和煤油等）中各组分的含量，依据得到的油气碳氢类的吸收光谱，按照吸收关系服从朗 伯一比尔吸收定律，通过红外光源、气体分析室和电路系统等将信号放大得到所测油气的 浓度。本发明采用主动式抽气方式将其送入测试分析单元，在取样上采用现场管路吸气，可 将防爆分析仪安装在油罐外安全区域，从而大大降低了油气分析的风险性，保证在危险源 内没有任何的电路系统，避免了因为测量而引起的点燃。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1是本发明实施例提供的基于红外光谱的油库大空间油气浓度检测方法流程 图；
[0024] 图2是本发明实施例提供的检测油气浓度的装置结构示意图；
[0025] 图中：1、红外光源；2、气体分析室；3、马达；4、位置传感器；5、样气入口；6、样气 出口；7、第一透镜；8、第一滤波器；9、第二透镜；10、第二滤波器；11、滤光轮；12、电路系 统。
【具体实施方式】
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 如图1所示，本发明实施例的基于红外光谱的油库大空间油气浓度检测方法包括 以下步骤：
[0029] S101 :采用红外光谱法，通过傅立叶红外线光谱仪依照特征吸收峰的强度来测定 常见油气多组分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， 对油气气体识别；
[0030] S102 :依据得到的油气碳氢类的吸收光谱，按照吸收关系服从朗伯--比尔吸收定 律这一原理，通过红外光源、气体分析室等得到所测油气的浓度。其过程为：电路系统12中 的单片机发送一定频率的调制信号通过光源调制、驱动电路、马达3、位置传感器4和滤光 轮11去控制调节红外光源1。红外光源1发射红外光，经过第一透镜7和第一滤波器8后 进入充满待测气体的气室；待测气体通过样气入口 5、样气出口 6进入气室2、红外光经过气 室气体的吸收，再经过第二透镜9、第二滤波器10的选择性透过，最后到达红外探测器。红 外探测器得到吸收后的光强，转换为电信号输出。由于红外探测器输出的信号微弱，需经过 前置放大滤波电路和二级放大电路，再经A/D转换、单片机数据处理后显示。
[0031] 如图2所示，检测油气浓度的装置主要由：红外光源1、气体分析室2、马达3、位置 传感器4、样气入口 5、样气出口 6、第一透镜7、第一滤波器8、第二透镜9、第二滤波器10、滤 光轮11、电路系统12组成；
[0032] 气体分析室2的左侧设置第一透镜7和第一滤波器8,气体分析室2的右侧设置 第二透镜9和第二滤波器10,样气入口 5和样气出口 6分别设置在气体分析室2的左下方 和右下方，红外光源1设置在第一透镜7的左侧，滤光轮11设置在红外光源1和第一透镜 7之间，马达3设置在滤光轮11的中间位置，位置传感器4设置在滤光轮11的内部；红外 光源1、第一透镜7、第一滤波器8、第二透镜9、第二滤波器10位于同一中心线上；
[0033] 在步骤S102中，在现场油气采样方法上，对于油库大空间中的油气危险源采用的 是主动式抽气方式将其送入测试分析单元，在取样的设计上，采用现场管路吸气，将防爆油 气浓度分析仪安装在油罐外安全区域；
[0034] 在油气采样流程上，进行多路气体抽样时，如果只对各路气体进行间断性单一的 取样分析，在现场油气设置A、B、C、D、E、F、G、H8个采样点；根据取样的管路的长度，势必增 加每个点的取样时间，而取样时间的长短也将影响分析系统的真正反应时间，从而会滞后 真正的油气碳氢浓度。
[0035] 本发明的工作原理为：
[0036] 在现场油气采样方法上，对于油库大空间中的油气危险源采用的是主动式抽气方 式将其送入测试分析单元，在现场油气设置A、B、C、D、E、F、G、H8个采样点；在取样的设计 上，采用现场管路吸气，这样可将防爆分析仪安装在油罐外安全区域，从而大大降低了油气 分析的风险性，保证在危险源内没有任何的电路系统，避免因为测量而引起的点燃。
[0037] 结合本发明的实施例对本发明的原理做进一步的说明：
[0038] 实施例1 :
[0039] 步骤一，采用红外光谱法，通过傅立叶红外线光谱仪依照特征吸收峰的强度来测 定常见油气多组分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，对油气气体识别；具体实现的方法是：首先使用标准气做出色谱图，其次将标准气体色 谱图和不同状态下的各种油料（汽油、航空煤油、柴油）的挥发物测量色谱图进行比较，得 出组分和含量多少，由此得到碳氢气体在3. 39 μ m附近有强烈、单一的吸收峰；
[0040] 步骤二，依据得到的油气碳氢类的吸收光谱，按照吸收关系服从朗伯--比尔吸收 定律这一原理，通过红外光源、干涉滤光片、气体分析室和放大电路将信号放大得到所测油 气的浓度（图2);
[0041] 具体原理为：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（胆酸锂热释电检测器）吸收。当气室通入高纯氮气时，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；当气室通入待测气体时，检测器所 接收的参比信号不变，而分析信号由于气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。
[0042] 在步骤二中，现场油气采样方法的取样采用现场管路吸气，将防爆油气浓度分析 仪安装在油罐外安全区域。
[0043] 油气采样上进行多路气体抽样时，设计为在多路气体选择阀的基础上加装多路气 体预抽选择阀和大流量吸气泵的方式，通过程序指令控制在测量A点采样点的同时，启动 预抽泵和预抽相对点的电磁阀对B点的气体进行预抽，使B点的气体在测量A点的同时就 已经到达测量室的附近，这样在A点测量完毕就可以直接测量B点所抽过来的气体。
[0044] 本发明在气路预抽方面，设计为在多路气体选择阀的基础上加装多路气体预抽选 择阀和大流量吸气泵的方式，通过程序指令控制在测量A点采样点的同时，启动预抽泵和 预抽相对点的电磁阀对B点的气体进行预抽，使B点的气体在测量A点的同时就已经到达 测量室的附近，这样在A点测量完毕就可以直接测量B点所抽过来的气体。
[0045] 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. 一种基于红外光谱的油库大空间油气浓度检测方法，其特征在于，该基于红外光谱 的油库大空间油气浓度检测方法包括以下步骤： 步骤一，采用红外光谱法，通过傅立叶红外线光谱仪依照特征吸收峰的强度来测定常 见油气多组分混合物中各组分的含量，得到油气S在3. 39 μ m附近有强烈、单一的吸收峰， 对油气气体识别； 具体实现的方法是：首先使用标准气做出色谱图，其次将标准气体色谱图和不同状态 下的汽油、航空煤油、柴油的挥发物测量色谱图进行比较，得出组分和含量多少，由此得到 碳氢气体在3. 39 μ m附近有强烈、单一的吸收峰； 步骤二，依据得到的油气碳氢类的吸收光谱，按照吸收关系服从朗伯一比尔吸收定 律这一原理，电路系统中的单片机发送调制信号通过光源调制、驱动电路去控制、调制红外 光；红外光源发射红外光，经过充满待测气体的气体分析室，红外光经过气体分析室的吸 收，再经过滤光片的选择性透过，最后到达红外探测器；红外探测器得到吸收后的光强，转 换为电信号输出；再经过前置放大过滤电路和二级放大电路、A/D转换、单片机数据处理后 显示，得到所测测油气的浓度。
2. 如权利要求1所述的基于红外光谱的油库大空间油气浓度检测方法，其特征在于， 在步骤二中，现场油气采样方法的取样采用现场管路吸气，将防爆油气浓度分析仪安装在 油罐外安全区域。
3. 如权利要求2所述的基于红外光谱的油库大空间油气浓度检测方法，其特征在于， 在现场油气设置A、B、C、D、E、F、G、H8个采样点。
4. 如权利要求2所述的基于红外光谱的油库大空间油气浓度检测方法，其特征在于， 油气采样上进行多路气体抽样时，为在多路气体选择阀的基础上加装多路气体预抽选择阀 和大流量吸气泵的方式，通过程序指令控制在测量点采样点的同时，启动预抽泵和预抽相 对点的电磁阀对另一测量点的气体进行预抽，使另一测量点的气体在测量点的同时就已经 到达测量室的附近，这样在测量点测量完毕就直接测量另一测量点所抽过来的气体。
5. 如权利要求1所述的基于红外光谱的油库大空间油气浓度检测方法，其特征在于， 在步骤二中，得到检测油气浓度的结构还包括：马达、位置传感器、样气入口、样气出口、第 一透镜、第一滤波器、第二透镜、第二滤波器、滤光轮、电路系统； 气体分析室的左侧设置第一透镜和第一滤波器，气体分析室的右侧设置第二透镜和第 二滤波器，样气入口和样气出口分别设置在气体分析室的左下方和右下方，红外光源设置 在第一透镜的左侧，滤光轮设置在红外光源和第一透镜之间，马达设置在滤光轮的中间位 置，位置传感器设置在滤光轮的内部；红外光源、第一透镜、第一滤波器、第二透镜、第二滤 波器位于同一中心线上。
【文档编号】G01N21/3504GK104089919SQ201410315211
【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, 周建忠, 薛松, 周琳莉, 梁建军, 钱海兵 申请人:中国人民解放军后勤工程学院