便携式消防应急救援多气体快速遥感仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种便携式消防应急救援多气体快速遥感仪，包括设置于检测区左右两侧的分析系统和反射系统，分析系统包括由左至右依次设置的反射镜、第一准直扩束透镜和第二准直扩束透镜，反射镜、第一准直扩束透镜、第二准直扩束透镜与反射系统光束入射部分处于同一条光路上，分析系统还包括由左至右设置的接收光纤头和聚焦透镜，接收光纤头、聚焦透镜与反射系统光束出射部分处于同一条光路上，接收光纤头依次连接有光谱分析仪和计算机；分析系统还包括紫外特种光源；检测区位于第二准直扩束透镜的出射光路和反射系统的入射光路之间。本实用新型实现对有毒有害气体成分及浓度的快速、非接触、大范围检测。
【专利说明】
便携式消防应急救援多气体快速遥感仪
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种遥感仪，更具体的说，是涉及一种便携式消防应急救援多气 体快速遥感仪。
【背景技术】
[0002] 在科学技术迅猛发展的今天，石油化工新产品、新材料层出不穷，品种不断增加， 应用范围日益扩大，大大改善和提高了人们的生活水平，但同时也导致危险化学品灾害事 故随之增加。危险化学品灾害事故是指人们在危险化学品生产、运输、储存、使用过程中，由 于设计缺欠、违章操作和设备故障等原因，而引起的危险化学品外泄，造成环境污染、燃烧 爆炸、人员伤亡等严重后果的事故。且由于危险化学品的易蒸发、沸点低等特性，事故现场 存在大量有毒有害气体。公安消防部队承担着火灾扑救、重大灾害事故和其他以抢救人员 生命为主的应急救援工作。由于石油化工产品种类繁多，物理、化学性质各异，因而不同化 学灾害事故的处置方法和程序也不相同。但是，危险化学品泄漏事故现场基本都存在大量 有毒有害气体。危险化学品灾害事故应急救援的危险性高，消防官兵在参与化学灾害事故 救援时，稍有失误就容易造成自身伤害。根据对近年来25起消防官兵在危险化学品灾害事 故救援中造成自身伤亡的案例进行分析、研究，平均每起危险化学品灾害事故应急救援时 消防员死亡的概率是灭火救援、社会救助等救援行动的1120000倍，受伤的概率是灭火救 援、社会救助等救援行动的3386667倍。在这些案例中，经常会发生突然的有毒有害气体爆 炸事故，而有毒有害气体爆炸事故造成消防员伤亡的案例中，情况侦查不到位的占70%以 上。侦查不到位主要表现为对事故现场的有毒有害气体成分无法识别，或对以识别的有毒 有害气体浓度无法测量，导致现场参加应急救援的消防员对有毒有害气体种类危险性认识 不足，缺乏必要的安全防范措施，有毒有害气体泄露时仓惶应对，导致现场消防员伤亡比较 大。如何尽快在不接触的情况下检测危险化学品灾害事故中多种有毒有害气体成分及浓 度，是消防部门在事故救援时急需解决的难题。
[0003] 目前，国内外消防救援设备中的便携式气体检测仪器大多采用电化学传感器，可 同时检测1-6种类型的气体，相对于其他类型气体传感器，电化学传感器体积小、耗电量小、 重复性较好、寿命较长，是目前消防救援中较为常见的检测有毒有害气体检测元件。但是存 在可检测的种类比较少，灵敏性不高等缺点，且不能实现远距离(不接触)检测。2006年5月 18日，湖北省宜昌市汉宜高速公路宜昌枝江段发生一起汽车连环相撞事故，导致一辆装有 硫酸二甲酯[(CH3)2S04]的罐车发生泄漏，造成5人死亡，12人受伤，44人中毒。现场参加救 援的消防员用消防部队配备的有毒气体、可燃气体探测仪多次检测，均不能查明现场泄漏 物质名称、浓度和危害特点，导致5名消防员在事故处置中中毒受伤。国外一些著名厂商(如 美国英思科公司）大力发展便携式气体检测仪器，应用无线联网传输等先进技术，实现实时 6种气体检测;为了适应多气体的检测，国内外一些厂家进行了便携式红外光谱法的检测仪 器，根据数据库分析可同时检测上百种气体成分，同时便携式气相色谱、气体检测管等检测 技术也广泛应用到气体检测装备中。在这些消防救援气体检测设备中，存在的共同缺点是 都要进入危险化学品泄漏区域进行检测，这无疑增加了救援人员的危险性。同时在这些检 测设备中，除了电化学检测方法简单外，其他像红外光谱法检测技术大多需要专门的技术 和经验来操作，这无疑增加了维护费用，在人员流动性极大的消防部队，这些设备的维护和 使用增加了消防部队的使用难度。泄漏的化学品，由于沸点低、挥发性大，有的在常温常压 下就是气体，泄漏后很快形成高浓度气雾团，在有风的情况下，会快速随风向扩散，针对上 述突发性强、扩散速度快的特点，应急救援指挥人员必须实时动态的掌握整个泄漏区域扩 散分布，以随时调整救援方案，但上述所有这些检测仪器只能检测携带人员周围很小的点 范围，无法实现整个区域的监控和检测。
[0004] 综上所述，危险化学品灾害事故中对有毒有害气体的定性、定量检测在消防救援 领域极其重要。目前没有人提出非接触式多气体成分及浓度的气体检测设备，且当前的气 体成分检测设备只能检测携带人员周围很小的点范围，无法满足消防救援的需求，由此可 以看出，设计一种非接触式多气体成分及浓度的便携式气体检测设备及方法是当前减少消 防部队伤亡，提高消防救援战斗力的装备急需。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种便携式消防应急救援 多气体快速遥感仪，利用差分光学吸收光谱技术，实现对事故现场的有毒有害气体成分及 浓度的快速、非接触、大范围检测。
[0006] 本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。
[0007] 本实用新型的便携式消防应急救援多气体快速遥感仪，包括设置于检测区左右两 侧的分析系统和反射系统，所述分析系统包括由左至右依次设置的反射镜、第一准直扩束 透镜和第二准直扩束透镜，所述反射镜、第一准直扩束透镜、第二准直扩束透镜与反射系统 光束入射部分处于同一条光路上，所述分析系统还包括由左至右设置的接收光纤头和聚焦 透镜，所述接收光纤头、聚焦透镜与反射系统光束出射部分处于同一条光路上，所述接收光 纤头依次连接有光谱分析仪和计算机;所述分析系统还包括紫外特种光源;所述检测区位 于第二准直扩束透镜的出射光路和反射系统的入射光路之间。
[0008] 所述反射系统由角锥棱镜构成。
[0009] 所述反射镜为抛物面反射镜。
[0010] 与现有技术相比，本实用新型的技术方案所带来的有益效果是：
[0011] (1)本实用新型中，紫外特种光源作为系统差分吸收光谱技术的光源，具有稳定性 高、寿命长、波长范围宽等特点，满足设计要求；
[0012] (2)本实用新型中，反射镜、第一准直扩束透镜、第二准直扩束透镜与反射系统光 束入射部分处于同一条光路上，反射镜可以提高系统信号强度，第一准直扩束透镜和第二 准直扩束透镜可将汇聚的紫外光整形成方向性统一的均匀紫外光束；
[0013] (3)本实用新型中分析系统和反射系统设置于检测区的两侧，采用非接触式的遥 感方法，避免了检测人员与有毒有害气体的接触，极大程度的增加了检测区域的范围。
【附图说明】
[0014] 图1是本实用新型的结构示意图。
[0015] 附图标记：1分析系统;2反射系统;3检测区；11反射镜；12第一准直扩束透镜；13第 二准直扩束透镜；14紫外特种光源；15聚焦透镜；16接收光纤头；17光谱分析仪；18计算机； 21角锥棱镜。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图对本实用新型作进一步的描述。
[0017] 如图1所示，本实用新型的便携式消防应急救援多气体快速遥感仪，包括设置于检 测区3左右两侧的分析系统1和反射系统2,所述反射系统2为无源器件，实现对紫外光束的 准确反向功能，所述反射系统2由角锥棱镜21构成。所述分析系统1包括由左至右依次设置 的反射镜11、第一准直扩束透镜12和第二准直扩束透镜13,所述反射镜11设置有抛物面，所 述反射镜11、第一准直扩束透镜12、第二准直扩束透镜13与反射系统2光束入射部分处于同 一条光路上。所述分析系统1还包括由左至右设置的接收光纤头16和聚焦透镜15,所述接收 光纤头16、聚焦透镜15与反射系统2光束出射部分处于同一条光路上。所述接收光纤头16可 通过光纤与光谱分析仪17的输入端相连接，所述光谱分析仪17输出端连接有计算机18。所 述检测区3仅位于第二准直扩束透镜13的出射光路和反射系统2的入射光路之间。所述反射 镜11附近设置有光源，所述光源可选用紫外特种光源14。
[0018] 所述分析系统1的主要功能为发射和接受紫外光束、对含有气体信息的紫外光束 进行分析并输出结果。所述紫外特种光源14作为系统差分吸收光谱技术的光源，具有稳定 性高、寿命长、波长范围宽等特点，满足设计要求。所述反射镜11用于将紫外特种光源14发 出的散射紫外光汇聚到第一准直扩束透镜12,以提高系统信号强度。所述第一准直扩束透 镜12与第二准直扩束透镜13,用于将反射镜11汇聚的紫外光整形成方向性统一的均匀紫外 光束，用于检测。所述聚焦透镜15用于汇聚由反射系统2反射回来的带有气体信息的反向紫 外光束，以便接收光纤头16进行接收。所述接收光纤头16与光纤连接，用于接收由聚焦透镜 15汇聚的反向紫外光，并将紫外光送入光纤，所述光纤与光谱分析仪17输入端连接，采用单 模光纤，用于将带有气体信息的反向紫外光送入光谱分析仪17。所述光谱分析仪17输出端 与计算机18连接，用于分析反向紫外光，提取出带有气体信息的吸收强度与吸收波长。所述 计算机18用于对提取出的吸收强度与吸收波长进行分析计算，得出气体的成分及浓度结 果，并进行显示。所述反射系统2用于将穿过检测区3的紫外光束反射回分析系统1。所述角 锥棱镜21用于反射紫外光束。
[0019] 上述便携式消防应急救援多气体快速遥感仪的检测方法，包括以下步骤：
[0020] (1)估计出检测区3范围（即出事故现场有毒有害气体的扩散范围），确定出危险地 带，将分析系统1和反射系统2分别设置于检测区3的两侧。打开电源，利用目标指示单元将 分析系统1和反射系统2之间进行对准，所述目标指示单元采用国产的红外及可见目标指示 及控制单元，用于分析系统1和反射系统2之间的对准，能够排除现场的复杂和恶劣状况，准 确地对准反射系统2,并根据得到的反射回的红外指示信号光谱将分析系统1和反射系统2 调整至最佳测量状态。
[0021] (2)关闭目标指示单元，开启紫外特种光源14,进行检测，紫外特种光源14发出紫 外光，所述紫外光通过反射镜11汇聚至第一准直扩束透镜12,经第二准直扩束透镜13输出 方向统一的均匀紫外光束，所述紫外光束穿过检测区3,根据物质对电磁辐射的吸收现象， 物质的吸收特性与辐射的能量有关，而且每一种物质对于辐射的吸收是有其特征性的。即 每一种物质都有各自的特征吸收光谱，且吸收强度与物质浓度有关。所以经过检测区3的紫 外光束会含有气体的特征吸收波长及吸收强度的信息，含有气体信息的紫外光束经反射系 统2被反射回分析系统1，通过聚焦透镜15汇聚到接收光纤头16。
[0022] (3)所述接收光纤头16接收到的紫外光束经过光纤送入光谱分析仪17,由光谱分 析仪17计算出吸收强度和吸收波长。
[0023] (4)光谱分析仪17将计算出的吸收强度和吸收波长以电信号传送给计算机18,利 用神经网络模型分析计算软件计算出气体成分及浓度，通过显示端进行显示。所述神经网 络模型分析计算软件的建立，包括以下步骤:在计算机中建立多危险气体的紫外吸收光谱 数据库和多危险气体危险程度预测数据库;利用小波分析的办法和Lambert-Beer定律，建 立具有自我学习功能的神经网络模型分析计算软件。所述气体成分及浓度分析计算步骤： 第一步，从原始的绝对吸收光谱中提取差分吸收光谱，运用最佳拟合法来拟合吸收峰，确定 第一种危险气体的初值，然后从原始光谱中去掉第一次拟合的谱线;第二步，用与第一步同 样的方法来拟合出第二种危险气体的谱线，从而确定出第二种危险气体的初值，然后从原 始光谱中去掉第二次拟合的谱线；依次循环，获取第i种危险气体的谱线。然后利用 Lambert-Beer定律计算出气体浓度。
[0024] (5)根据建立的多危险气体危险程度预测数据库对检测出的气体成分及浓度进行 危险程度识别，并给出参考救援实施方案。
[0025]根据Lambert-Beer定律，一定波长的光在经过具有选择吸收特性的气体前后的光 强关系为：
[0026]
[0027] 其中：
[0028] I (λ):波长为λ的紫外光线被气体吸收后的光强；
[0029] Ιο(λ):波长为λ的紫外光线被气体吸收前的光强；
[0030] αλ:气体对波长为λ的紫外光线吸收系数；
[0031] C:气体浓度；
[0032] L:紫外光线经过吸收气体的长度。
[0033] 因此如果已知1(人）、1〇(\)、<^和1^，就可以计算出气体浓度，通过比对已知的不同气 体的特征吸收波长，辨别出气体的成分，最后将分析计算出的气体成分及浓度进行显示。 [0034] 本实用新型可以达到的指标：检测范围：0-1 OOm;准确性：± 10 % ;响应速度：< l〇s ;可测量危险气体:氨气、苯、甲苯、二甲苯、二硫化碳、甲醛、硫化氢、一氧化氮、二氧化 氣、^氧化硫等。
[0035]尽管上面结合附图对本实用新型的功能及工作过程进行了描述，但本实用新型并 不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制 性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要 求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。
【主权项】
1. 一种便携式消防应急救援多气体快速遥感仪，其特征在于，包括设置于检测区左右 两侧的分析系统和反射系统，所述分析系统包括由左至右依次设置的反射镜、第一准直扩 束透镜和第二准直扩束透镜，所述反射镜、第一准直扩束透镜、第二准直扩束透镜与反射系 统光束入射部分处于同一条光路上，所述分析系统还包括由左至右设置的接收光纤头和聚 焦透镜，所述接收光纤头、聚焦透镜与反射系统光束出射部分处于同一条光路上，所述接收 光纤头依次连接有光谱分析仪和计算机;所述分析系统还包括紫外特种光源;所述检测区 位于第二准直扩束透镜的出射光路和反射系统的入射光路之间。2. 根据权利要求1所述的便携式消防应急救援多气体快速遥感仪，其特征在于，所述反 射系统由角锥棱镜构成。3. 根据权利要求1所述的便携式消防应急救援多气体快速遥感仪，其特征在于，所述反 射镜为抛物面反射镜。
【文档编号】G01N21/33GK205538661SQ201620312446
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月13日
【发明人】徐德刚, 冯佳琛, 石嘉, 王与烨, 严德贤, 苏耿华, 姚建铨
【申请人】天津大学