)为图5(a)中datal的初始光谱图，及其基线修正光谱图、重构光谱图； [0031] 图5(d)为图5(a)中data2的初始光谱图，及其基线修正光谱图、重构光谱图；
[0032] 图5(e)为图5(a)中data3的初始光谱图，及其基线修正光谱图、重构光谱图。
【具体实施方式】
[0033] 本发明便携式气体监测系统由硬件和软件两部分组成，本发明以应用于矿井内煤 炭自燃发火灾害气体的便携式监测仪为例，结合附图对本发明的实施方式作进一步的描 述。
[0034] 1 ?硬件部分
[0035] 便携式矿井气体监测系统的硬件部分如图1所示，包括气体取样器、进气除尘干 燥装置、温度气压监测设备、傅立叶变换红外光谱仪、数据传输线、蓄电池、防爆微型电脑组 成，对于无线传输型检测装置，还有无线接发设备。
[0036] 气体取样器是由蓄电池供电的防爆改装气泵，其通过气路与傅立叶红外光谱仪 (也可以是光声光谱仪，还可以是紫外光谱仪）的气室相连，为气室抽取环境样气，与为避 免气泵长时间运转产生热量导致润滑油裂解而产生的气体污染被测气体，通常选用无油气 泵进行抽气取样。若是有润滑油的气泵，则气泵必须放置在气室的后端，即气体从气室往外 抽。对于气泵的抽气速率，一般不要求太高，通常每分钟抽气几升的微型气泵即可满足要 求。
[0037] 进气除尘、干燥装置是加装在傅立叶红外光谱仪气室进气口上的设备，作用是滤 除进入待扫描气室的矿井弥散气体内的煤粉尘埃、水气等干扰杂质，以防止灰尘污染气室。 例如，可使用滤尘网加装干燥剂的方式进行，其具体材料、大小、形状在保证使用安全性和 总体便携性的前提下可以根据不同情况合理选取，在此不作限制，但要保证其光程不小于 l〇cm，直径能保证气室不会阻挡光路；
[0038] 温度、气压监测设备是加装在傅立叶红外光谱仪气室上的一个附件，其作用是监 测当前状态下气室内气体的温度和压力，并将其数据通过串行通信口发送给控制电脑，使 得控制电脑可以根据当前的温度和压力情况对被分析结果进行补偿，以得到更精确的监测 数据。在实际的选型中，可以采用SHT11型温、湿度传感器和CPS120型压力传感器，及型 号为16F1823的PIC器件，并通过串行通信口或改装成USB接口与PC机进行数据交换。
[0039] 傅立叶红外光谱仪是用来获取矿井内气体红外吸收光谱的，其中还包含装载被扫 描气体的气室，在本例中由于矿井内弥散的气体均为可扫描的有效气体，因此加装完进气 除尘干燥装置的气室在傅立叶红外光谱仪可以保持常开的状态。对于光谱仪的选用，可以 是Bruker公司的Alpha型光谱仪，也可以是PE公司的SpectrumTwo型光谱仪，或者其他 分辨率到达lcnT1以上，光谱波数范围涵盖500cm4至3500cm的便携式红外光谱仪；
[0040] 数据传输线用来使傅立叶红外光谱仪和控制电脑间交换已扫描的矿井气体的光 谱吸收数据，它可以是网线或者USB线，具体根据所选用的光谱仪型号确定；
[0041] 防爆微型电脑是系统的控制核心，它用于接收来自傅立叶红外光谱仪矿井气体的 光谱吸收数据和温度、压力传感器的监测数据，并运用已安装的光谱分析软件对光谱吸收 数据进行处理，然后将处理结果即矿井内气体的成分与浓度值做记录并显示在显示屏上， 若有危险气体浓度超标还将在显示屏上进行警示。对于控制电脑的选取，要求有网口或者 串行通讯口，并且拥有一定处理能力，此外还要求便携、灵巧，对此可以选用经过防护改装 的笔记本电脑、平板电脑或者树莓派之类的微型电脑；
[0042] 蓄电池用于给傅立叶红外光谱仪、气体取样装置等提供电源，对于其选型参数，需 要其电能容量尽可能大，以满足可多次作业无需中断充电的要求，电压值要求一般在30V即可。另外要求对蓄电池进行防爆安全处理，以达到矿井内可安全作业的标准。
[0043] 无线接发装置作用是在无线传输型检测装置中代替数据传输线的，它可以选用无 线网卡或其他无线收发设备。
[0044] 2?软件部分
[0045] 软件在控制电脑中运行，其功能主要包括光谱数据接收、矿井气体的光谱分析、环 境温度压力状态补偿、数据结果显示和记录、超限示警。软件的主界面可以选用C#语言进 行开发，其界面板上至少需要包含扫描背景、扫描样本、结果显示这些基本选项。
[0046] 光谱数据接收是从傅立叶红外光谱仪中接收已扫描的样本气体光谱吸收数据的 过程。它需要操作软件和傅立叶红外光谱仪进行通信，具体的需要根据选用的傅立叶红 外光谱仪型号来确定。例如选用PE公司的SpectrumTwo型光谱仪时，操作软件需要关联 SpectrumlO软件的动态链接库来完成数据通信；若选用Bruker公司的Alpha型光谱仪，贝1J 需要关联0PUS7软件的动态链接库。
[0047] 矿井气体成分与浓度的光谱分析是本发明的重点。矿井内常见的气体是各类烷 烃、一氧化碳、二氧化碳、六氟化硫等，为便于阐述，在此以甲烷、乙烷、丙烷为例来说明矿井 气体的光谱分析方法。光谱分析是通过分析模型来实现的。分析模型的输入是某些光谱数 据经过一定的运算形成的特征变量，输出是目标气体的浓度。而在光谱仪器长时间工作过 程中，光谱容易发生畸变，因此还需要对畸变进行识别与处理，以获得可靠的、准确的分析 结果。因此，光谱分析主要包括分析模型的建立、光谱畸变识别与处理两个步骤，其中第一 个步骤是在系统开发过程完成的，后一个步骤是每次光谱分析都必须完成的步骤。
[0048] (1)分析模型建立
[0049] ?样气光谱获取
[0050] 要建立多组分气体的分析模型，首先要制作一定的标定样本。本实施实例中需要 分析甲烷、乙烷、丙烷三组分目标气，其中甲烷浓度范围为0?100%，乙烷浓度范围为0? 5%，丙烷浓度范围0?1 %。单组份气体样本用流量控制器自行配置，其中甲烷的样本点 浓度值为[0.02%，0? 1% ,0.2% ,0.5%，1% ,3%，10% ,30% ,50% ,70%，100% ]，乙 烷样本点浓度值为[0.02%，0. 1%，0.2%，0.5%，1%，2%，5% ]，丙烷样本点浓度值为 [0. 02%，0. 1%，0. 2%，0. 5%，1% ];混合气样本通过购买相应的标准气体得到，对应的 部分混合气的标准气体浓度分别为：
【主权项】
1. 一种便携式多组分混合气监测系统，其特征在于：包括气体取样器、样气处理装置、 气压与温度监测系统、便携式计算机、便携式红外光谱仪以及蓄电池；其中，待分析气体利 用气体取样器吸入到样气处理装置中，经除尘、干燥后进入到气体池中，再利用便携式红外 光谱仪对气体池中的样气进行实时分析，得到样气的光谱数据，同时利用气压与温度监测 系统实时监测气体池中气体的气压和温度，以补偿分析结果，分析结果通过便携式计算机 显示；蓄电池用于为该监测系统供电。
2. 根据权利要求1所述的一种便携式多组分混合气监测系统，其特征在于：便携式红 外光谱仪选用便携式傅里叶变化红外光谱仪、便携式红外光声光谱仪、便携式紫外光谱仪 或者是便携式傅里叶变化红外光谱仪与便携式紫外光谱仪的组合。
3.根据权利要求1所述的一种便携式多组分混合气监测系统，其特征在于：还包括用 于监测将待分析气体湿度的湿度传感器。
4.根据权利要求1所述的一种便携式多组分混合气监测系统，其特征在于：气体池中 的样气光谱数据通过网线、无线电传输方式、串口或者USB接口方式发送至便携式计算机， 便携式计算机首先通过预置的光谱定量分析程序对数据进行分析处理，再根据气压与温度 监测系统反馈的数据对分析结果进行补偿，并将各气体分析结果作记录后显示，同时在危 险气体浓度超标时实现自动报警。
5.根据权利要求1所述的一种便携式多组分混合气监测系统，其特征在于：气体取样 器选用由蓄电池供电的气泵，若是有润滑油的气泵，则气泵放在气室的后端，即气体先经过 管道进入样气处理装置中，然后进入气室，再由气泵从气室中抽出，若要放置在气室前端， 则气泵是无油气泵，以防止气泵长时间运转产生的热量导致润滑油裂解而产生的气体污染 被测气体。
6. 根据权利要求1所述的一种便携式多组分混合气监测系统，其特征在于：气体分析 结果的补偿方法按如下方法实现： 首先获取某组分气体的光谱分析分析结果P M，以及当前温度T与压力P，然后按下式 进行补偿，获取其补偿后的体积比浓度Pg: P后=P前X (T+273) /293 X P0/P (12) 式中，P〇为标准大气压，P为环境压强数据，其单位均为atm或Pa ;T为温度传感器传回 的环境温度数据，单位为摄氏度。
7.根据权利要求1所述的一种便携式多组分混合气监测系统，其特征在于：样气处理 装置是由除湿、除尘装置构成，以防止灰尘污染便携式红外光谱仪气室中的窗片，同时防止 因湿度过大而在便携式红外光谱仪内气室的窗片上产生水珠，而使得窗片上的溴化钾潮 解。
【专利摘要】本发明公开了一种便携式多组分混合气监测系统，包括气体取样器、样气处理装置、气压与温度监测系统、便携式计算机、便携式红外光谱仪以及蓄电池；该系统利用诸多极性分子气体的红外吸光特性，将待分析气体用气体取样器吸入到样气处理装置中，经除尘、干燥后进入到气体池中，运用便携式红外光谱仪对气体池中的样气进行实时分析，同时监测气体池中气体的气压和温度，以补偿分析结果，以实现监测人员携带本系统入井后能第一时间内对被监测环境中的烟气进行准确的监测，使得监测人员可直接根据分析结果中各指标气体浓度进行相应的研究判断，并进行相应的预警。
【IPC分类】G01N1-24, G01N21-3504
【公开号】CN104614337
【申请号】CN201510010207
【发明人】汤晓君, 张徐梁, 寇福林, 张海林, 李宣健楠
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月6日