本发明属于气体检测领域，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。
背景技术
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。
技术实现要素：
本发明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。本发明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。本发明可以满足工业环境co、甲烷、丙烷等可燃气体爆炸危险性安全检测应用需要。
本发明采用的技术方案是：
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，本发明有益效果体现在：
(1)本发明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)本发明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所示为本发明的近红外光谱多组分气体在线检测系统结构示意图
图2所示为本发明的多波长光学调制盘结构示意图
具体实施方式：
参见图1、图2。
图1中标号：1、主机箱，2、收发光学探头罩，3、脉冲氙灯，4、准直镜头，5、光学滤波盘，6、校准吸收池，7、分束镜一，8、分束镜二，9、菲涅尔透镜，10、石英窗片，11、角反射器，12、红外光电探测器一，13、红外光电探测器二，14、电缆接口一，15、多芯电缆，16、电缆接口二，17、光源脉冲电源，18、光学滤波盘控制电源，19、低通滤波放大电路一，20、低通滤波放大电路二，21、信号采集和处理模块，22、液晶显示屏，23、直流稳压电源，24、交流电源插座。上述部件15-24构成仪器主机，光源脉冲电源17、光学滤波盘控制电源18、低通滤波放大电路一19、低通滤波放大电路二20、信号采集和处理模块21、液晶显示屏22均由直流稳压电源23供电。上述部件2-10、12-14构成收发光学探头，收发光学探头与角反射器11构成仪器外部检测光路系统。主机与收发光学探头通过多芯电缆15连接。
针对本系统n种目标检测气体，光学滤波盘5边缘均匀开有2×n个通光孔，上面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5-i和一个参考波长滤光片5-ii，检测波长滤光片5-i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5-ii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。光学滤波盘5边缘加有定位标志5-0，用于光学调制盘5转动位置检测。分束镜一7，分束镜二8，菲涅尔透镜9，石英窗片10，角反射器11，红外光电探测器一12一起构成检测光路；分束镜一7，校准吸收池6，红外光电探测器二13构成校准光路，校准吸收池6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。
本发明的工作原理是：
本发明提出的近红外光谱多组分气体在线检测系统采用一支脉冲氙灯3作为近红外光谱检测宽带光源，脉冲氙灯3在光源脉冲电源17驱动下输出脉冲光，氙灯脉冲光经准直镜头后变成准直光输出，宽带准直光经过光学调制盘5上通光孔滤波片后变成与滤光片通光波长对应的窄带准直光，光学调制盘5在光学滤波盘控制电源18带动下匀速转动，使得宽带准直光顺序通过光学调制盘5上的2×n个滤光片，顺序获得2×n种不同波长的窄带准直光。光源脉冲电源17和光学滤波盘控制电源18均是由信号采集和处理模块控制，使得光学调制盘5上的2×n个滤光片顺序转动到氙灯脉冲光传输光路上，并且保证每个滤光片到达氙灯脉冲光传输光路时都有一个完整的脉冲光光通过，使得检测光路和校准光路分别顺序得到2×n种不同波长的窄带准直光。利用光学滤波盘5边缘加有定位标志5-0，可以得到光学滤波盘5转动一周的信号。经过光学调制盘5后的窄带脉冲光经过分束镜一7后被分成两束，一束作为校准光经过校准吸收池6后到达红外光电探测器二13，红外光电探测器二13对脉冲光进行光电转换得到校准信号；另一束作为检测光经分束镜二8透射，并通过菲涅尔透镜9中心和石英窗片10出射，出射的检测光经过检测区域后到达角反射器11，角反射器11将检测光红原光路反射，并再次经过检测区，经过检测区的检测光透过石英窗片10并由菲涅尔透镜9收集，并经分束镜二8反射聚焦到光电探测器一12，光电探测器一12对反射回来并聚焦的检测光进行光电转换得到检测信号。检测信号经电缆接口一14，多芯电缆15，电缆接口二16到达主机箱内的低通滤波放大电路一19，参考信号经电缆接口一14，多芯电缆15，电缆接口二16到达低通滤波放大电路二20，低通滤波放大电路一19分别对检测信号和低通滤波放大电路二20分别对检测信号和参考信号进行低通滤波和放大，然后送信号采集和处理模块21，信号采集和处理模块21对检测信号和参考信号进行数据采集和数据处理，得到检测光路上n种检测气体的浓度，n种检测气体的浓度数据送液晶显示屏进行显示。
针对系统检测的n种气体，任意第i种气体浓度检测xi的数据处理方法如下：
本发明的检测信号和校准信号均为脉冲信号，光学调制盘5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。
信号采集和处理模块21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6中充有的第i种系统检测气体浓度为ci。
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，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，可以系统出场前通过实验测定，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。