一种多组分危险气体在线监测系统及监测方法

1.本发明属于仪器测量技术领域，具体是指对火力发电、冶金、石化、化工等工业领域生产过程中产生的易燃易爆、有毒有害的多组分危险性气体浓度检测，并统计分析的综合检测分析系统及方法。


背景技术：

2.在火力发电、冶金、石化、化工等工业领域生产过程中，会产生大量易燃易爆、有毒有害的多组分危险性气体（co、co2、no、no2、so2、nh3等），近年来因气体泄漏导致的火灾爆炸事故频发，如“8
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12天津港爆炸”、“辽宁盘锦“1
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15”重大爆炸着火事故”等，事故调查表明，缺乏工况下危险气体多参数高集成在线测量、多组分爆炸性危险气体叠加判据的在线预警分析技术和仪器是事故发生的主要原因之一。目前大多气体检测方法都只能检测单一的气体成分，已经不能满足工业领域生产中的应用场景。因此，攻克多组分爆炸性危险气体在线分析关键技术，增强防控可燃气体爆炸的能力，最大限度地保障安全生产，降低人员伤亡减少财产损失是我国当前亟待解决的重要问题。
3.目前主流的气体检测方法包括化学检测法和光谱检测法。化学检测法包含了化学发光法、气敏传感器以及色谱质谱法等，主要依赖气体物质与敏感材料间的化学和物理反应进行定性分析或定量检测，各元素间交叉干扰小，检测精度高，检测范围广，但其缺点是寿命短，不适用于工况环境下长期连续监测。光谱检测法主要包括了傅里叶变换红外光谱检测法(ftr)、非分散红外测量法（ndir）、差分吸收激光雷达检测法(dial)、可调谐半导体激光吸收光谱检测法(tdlas)以及差分吸收光谱检测法(doas)等。差分吸收激光雷达技术的特点是采用开放式的光程，主要应用在大气环境中污染气体的测量，体积大、系统复杂，并不适用于复杂工况环境下。傅里叶变换红外光谱检测法对开放长光程环境中的有害气体，其浓度测量达到ppb级，但是ftir系统需要冷却以及设备体积庞大并且价格较贵，不适合作为常规的分析仪器广泛推广使用。tdlas具有响应速度快、波长可调谐、探测极限低以及可以对气体进行实时监测等优点，但是也存在很多不足，比如中红外的激光器价格十分昂贵，工作时需要制冷，可调谐范围窄，单个激光器可探测的气体种类受到限制。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种多组分危险气体在线监测系统，解决现有设备的检测气体种类单一，检测精度较低，寿命较短，扩展性差，设备复杂对工作环境要求高等问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种多组分危险气体在线监测系统，包括光学气路集成模块、单片机控制及数据采集处理模块、光源驱动模块、传感器集成模块和电源模块；所述光学气路集成模块包括红外光源、气室和红外探测器；所述气室包括多个依次相连的红外气室，每个气室对应连接一红外探测器；每个红外探测器包括多个滤光片；所
述滤光片其中一个连接参考通道，其余滤光片连接测量通道，当多组分气体通过连接测量通道的滤光片时，每个滤光片仅选择性通过一种气体，以便于实现多组分气体浓度的测量；所述光源驱动模块负责驱动光学气路集成模块中的红外光源；所述光学气路集成模块与单片机控制及数据采集处理模块连接；所述传感器集成模块与单片机控制及数据采集处理模块通讯连接；所述电源模块分别为传感器集成模块、单片机控制及数据采集处理模块供电；还包括上位机，所述上位机与单片机控制及数据采集处理模块远程通讯连接。
6.进一步，所述红外气室为两个，每个红外探测器包括四个滤光片。
7.进一步，所述光源驱动模块产生5hz的恒电流调制信号，从而控制所述光学气路集成模块中的红外光源发出5hz的脉冲光。
8.进一步，所述传感器集成模块包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器和gps定位模块；各传感器和单片机之间通过串口、iic或spi通信协议传输数据和指令。
9.进一步，所述单片机控制及数据采集处理模块包括信号调理电路、模数转换电路、单片机和wifi模块，所述光学气路集成模块的输出模拟信号接入信号调理电路，完成信号的放大滤波后再接入模数转换电路，将模拟信号转换为数字信号以便单片机处理。
10.进一步，所述上位机与单片机通过wifi无线通讯方式传输数据。
11.进一步，还包括一电气外壳，所述光学气路集成模块、单片机控制及数据采集处理模块、光源驱动模块、传感器集成模块和电源模块安装在该电气外壳中，在电气外壳上设有进气孔、出气孔、散热孔和安装孔。
12.本发明还提供一种多组分危险气体在线监测方法，包括以下步骤，1）采用上述监测系统；2）将该监测系统中的电气外壳安装在待检测环境中；3）初始化系统，单片机产生5hz的调制信号送入光源驱动模块，并将光源预热10min；并检查上位机与单片机的通讯连接状态；4）如果上位机与单片机的通讯状态正常，则检查传感器集成模块中各传感器的工作状态；5）各传感器的工作状态正常，则单片机控制各传感器对环境参数进行检测，将检测数据发送至单片机，用于环境补偿；6）单片机驱动模数转换模块，采集并存储经过调理的红外探测器信号；7）单片机对红外探测器信号进行运算和处理，并结合传感器数据进行环境补偿，完成各组分气体浓度的反演；8）将处理后的检测数据通过wifi无线通讯方式发送至上位机；9）上位机接收到该检测数据后，判断各组分气体浓度是否超标，并根据gps定位判断各监测点的情况。
13.相比现有技术，本发明具有如下有益效果：1、本发明多组分气体在线监测系统，可以实现多组分工业危险气体自动检测，实时监测工况环境下多组分工业危险气体（包括co、co2、no、no2、so2、nh3等浓度）的浓度，预防危险情况的发生。且研制成本较低，体积小、重量轻，便携性较强，检测精度较高，使用寿命长，可扩展性好，环境适应性强，可用于火力发电、冶金、石化、化工等多个工业领域生产过
程，为多组分工业危险气体环境下的事故预防提供技术保障。
14.2、本发明利用较低研制成本实现多组分工业危险气体自动检测，可以开展大面积（分布式）布点（如在工业现场的多个排烟口等），实现工业现场的全方位危险气体检测；通过wifi无线传输的方式远程查看测量数据，并在上位机对所采集到的数据进行汇总、分析。无线功能的加入为系统提供了更多使用的可行性，复杂的工业环境中，监测人员不需要亲自前往危险气体环境下，可将系统置于其中，远程监控环境内参数的变化，为监控人员提供相当的便利性。
15.3、电源模块内置电源转换模块，可直接使用220v市电进行供电。无需外接其他供电装置，用电方便且操作简单，环境适应性强。下位机系统的电路板被安置在电气外壳内，能够更好的防护恶劣工业环境对各电气元件的损害，提高电气元件的使用寿命和稳定性。同时在良好的防护工作环境下，其检测数据能够综合各个环境参数的电化学影响，功能多样，可拓展性好，便于后续更好的模拟真实环境，提供更加精准可靠的气体浓度数据。此外，下位机系统数据可通过lcd显示屏显示，便于工作人员现场直观地观察各组分气体的浓度以及环境温湿度等数据。
16.4、与现有的紫外差分光学吸收光谱技术、差分吸收激光雷达技术等方案相比，本方案在体积和成本上都大幅度减小，并且环境适应性和可移植性更强。与现有的傅里叶红外光谱技术、非分散红外技术等方案相比，本方案的浓度反演算法和抗交叉干扰算法更先进，故可以同时监测的气体种类更多、精度更高，适用场景更多。
附图说明
17.图1为本发明的多组分危险气体在线监测系统框图；图2为本发明的光学气路集成模块结构图；图3为本发明中的多通道热释电红外探测器内部关键结构示意图；图4为本发明中的电气外壳结构示意图；图5为本发明的下位机的数据采集及控制过程框图；图6为本发明的上位机的数据接收及显示框图；图中，1光学气路集成模块，2单片机控制及数据采集处理模块，3上位机，4光源驱动模块，5传感器集成模块，6电源模块，7电气外壳，701 lcd显示屏，702散热孔，703进气孔，704出气孔，705安装孔。
具体实施方式
18.下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
19.一、本发明提供了一种多组分气体在线监测系统参见图1，所述多组分气体在线监测系统包括光学气路集成模块1、单片机控制及数据采集处理模块2、光源驱动模块4、传感器集成模块5和电源模块6。
20.所述光源驱动模块4与光学气路集成模块1相连接，负责驱动光学气路集成模块1中的红外光源；具体的，所述光源驱动模块产生5hz的恒电流调制信号，从而控制所述光学气路集成模块1中的红外光源发出5hz的脉冲光。
21.所述光学气路集成模块1与单片机控制及数据采集处理模块2连接；所述传感器集
成模块与单片机控制及数据采集处理模块通讯连接；所述电源模块6分别为传感器集成模块5、单片机控制及数据采集处理模块2供电；还包括上位机3，所述上位机3与单片机控制及数据采集处理模块2远程通讯连接。
22.参见图2至图3，所述光学气路集成模块1包括红外光源（mems红外光源）、气室、红外探测器（多通道热释电红外探测器）；所述气室包括多个依次相连的红外气室，每个红外气室对应连接一红外探测器；每个红外探测器包括多个滤光片，所述滤光片其中一个连接参考通道，其余滤光片连接测量通道，当多组分气体通过连接测量通道的滤光片时，每个滤光片仅选择性通过一种气体，以便于实现多组分气体浓度的测量。具体的，在同时监测括co、co2、no、no2、so2、nh3六种气体的浓度时，所述红外气室为两个，每个红外探测器含有4个滤光片，每个滤光片对应一个通道，其中三个为测量通道，另一个为参考通道。由此即可实现同时监测六种气体的浓度。所述多通道热释电红外探测器，使用基于mems技术的敏感元件，其工作原理为吸收入射红外辐射并在探测器膜上形成温度梯度，这种温度变化转化为电荷变化，从而测量出气体对红外辐射的吸收量。
23.所述单片机控制及数据采集处理模块2包括信号调理电路、模数转换电路、单片机和wifi模块，所述光学气路集成模块1的输出模拟信号接入信号调理电路，完成信号的放大滤波后再接入模数转换电路，将模拟信号转换为数字信号以便单片机进行数据处理。在单片机中的数据处理包含气体浓度反演算法和抗交叉敏感补偿算法，首先对输入气体的标准浓度数据、红外探测器的输出信号、环境因素数据进行灰色关联分析，筛选出与气体浓度数据影响较大的因素，然后构建ga-bp网络的预测算法，在消除不同气体间交叉干扰的前提下，准确地反演出各组分气体的浓度。所述单片机与电源模块6连接并通过wifi模块实现与上位机3通信，所述单片机上还连接有一lcd显示屏。本发明通过单片机的程序控制各传感器进行数据采集，程序由计算机语言c语言开发，选择c语言是因为其面向底层硬件，使用arm提供的keil5集成开发环境进行程序开发。
24.所述光学气路集成模块1，单片机控制及数据采集处理模块2，光源驱动模块4，传感器集成模块5、电源模块6、lcd显示屏构成下位机系统，下位机系统的电路板被安置在电气外壳内，并安装在被测环境中，下位机系统数据可通过lcd显示屏显示，以便于工作人员现场直观地观察各组分气体的浓度以及环境温湿度等数据。
25.所述上位机3与单片机控制及数据采集处理模块2中的单片机通过wifi模块连接，通过wifi无线通讯方式传输数据。所述上位机3包括依次串联的分析模块和存储模块，其中，所述分析模块与wifi模块连接。
26.所述传感器集成模块5包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器和gps定位模块。各传感器和单片机之间通过串口、iic或spi通信协议传输数据和指令。
27.所述电源模块6内置电源转换模块，可直接使用220v市电进行供电。无需外接其他供电装置，用电方便且操作简单，环境适应性强。
28.本发明中的各传感器、信号调理电路、模数转化电路、单片机、上位机3等均为较成熟的现有技术，在此不再冗述。
29.参见图4，还包括一电气外壳7，所述光学气路集成模块1、单片机控制及数据采集处理模块2、光源驱动模块4、传感器集成模块5和电源模块6均安装在该电气外壳7中，lcd显示屏701安装在电气外壳的开槽中。在电气外壳7上设有若干散热孔702，以便于外壳内的单
片机控制及数据采集处理模块2的散热。对应的，在电气外壳7的左右测设有用于固定仪器的安装孔705。在电气外壳7上设有进气孔703，以便于连接外界与气室。在电气外壳7上设有出气孔704，以便于废气的排出。多组分气体从进气孔703通入监测系统，经过多级气室后从出气孔704送入尾气收集装置。所述电气外壳7上设有气路结构和散热结构，使其内外的环境参数保持一致。通过设置电气外壳7，能够使各电气元件在恶劣的工厂环境下，给各模块提供防护，之所以不将监测系统独立于电气外壳7暴露于恶劣工厂环境下直接检测，目的是这样的恶劣工厂环境一般具有高温、强腐蚀性等特点，环境状况较为恶劣，很容易损坏传感器的检测端，环境因素的变化也会降低检测精度。另外，为了进一步提高在恶劣环境下提高检测精度，在电气外壳7上设置气路结构和散热结构，以避免在电气外壳7内部形成暖房效应或温室效应，使电气外壳7内外的环境参数不一致。电气外壳7上的散热孔702包括多个，并设置在电气外壳7的上侧板，使得热空气上升从散热孔702通向外界，从而减轻箱内的温室效应，进一步提高电气外壳7内外环境参数的一致性。另外，为了进一步的提高空气流动效果，还可以在散热孔702附近设置主动通风装置，如风扇等，并结合风速风力检测装置来控制主动通风装置的转速，以保证电气外壳7内外的环境条件相近或一致，进一步的提高检测精度和参数的真实性。
30.本发明设计电气外壳，能够更好的防护恶劣工业环境对各电气元件的损害，提高电气元件的使用寿命和稳定性。本发明在良好的防护工作环境下，其检测数据能够综合各个环境参数的电化学影响，功能多样，可拓展性好，便于后续更好的模拟真实环境，提供更加精准可靠的气体浓度数据。
31.本发明提供的多组分气体在线监测系统，可以实现多组分工业危险气体自动检测，实时监测工况环境下多组分工业危险气体（包括括co、co2、no、no2、so2、nh3等浓度）的浓度，预防危险情况的发生。还可以开展大面积（分布式）布点（如在工业现场的多个排烟口等），通过wifi无线传输的方式远程查看测量数据，并在上位机对所采集到的数据进行汇总、分析。无线功能的加入为系统提供了更多使用的可行性，复杂的工业环境中，监测人员不需要亲自前往危险气体环境下，可将系统置于其中，远程监控环境内参数的变化，为监控人员提供相当的便利性。
32.本发明中的多组分危险气体在线检测系统，其研制成本较低，且用途广泛，可以应用于多种场景，例如仪器设备恶劣工作环境的多组分气体监测、危险爆炸性气体的浓度检测、危险气体爆炸极限预警，同时能够监测环境参数并进行环境补偿，提高仪器可靠性及精度。
33.此外，本发明提供的多组分危险气体在线检测系统体积小、重量轻，便携性强，方便使用，不仅测量量多，集成度高，且通过wifi无线技术实现远程数据传输，理想无障碍遮挡情况下，通信距离可达200m，系统具备可扩展性，在传感器集成模块预留了标准通信接口，可根据实际情况再接入需要的传感器，结合相应的软件更新，即可满足不同工况环境下的监测需求；本发明提供的多组分气体在线监测系统在使用过程测量稳定性好，测量数据较为精准；环境适应性强，可用于火力发电、冶金、石化、化工等工业领域生产过程。
34.参见图5至图6，基于上述的监测系统，本发明还提供了一种多组分气体在线监测方法，包括以下步骤：1）采用上述监测系统；
2）将该监测系统中的电气外壳安装在待检测环境中；3）初始化系统（包括定时器初始化、窗口初始化、io初始化、上位机初始化），单片机产生5hz的调制信号送入光源驱动模块，并将光源预热10min；并检查上位机与单片机的通讯连接状态；4）如果上位机与单片机的通讯状态正常，则检查传感器集成模块中各传感器的工作状态；5）各传感器的工作状态正常，则单片机控制各传感器对环境参数进行检测，将检测数据发送至单片机，用于环境补偿；6）单片机驱动模数转换模块，采集并存储经过调理的红外探测器信号；7）单片机对红外探测器信号进行运算和处理，并结合传感器数据进行环境补偿，完成各组分气体浓度的反演；8）将处理后的检测数据通过wifi无线通讯方式发送至上位机；9）上位机接收到该检测数据后，分析、统计并储存数据，显示各组分气体的浓度，然后判断各组分气体浓度是否超标，如果超标则进行预警，并通过wifi将数据发送至上位机，以便用户远程监管；如果没超标则继续接收数据；并根据gps定位判断各监测点的情况。
35.具体的，在接收经过调理的红外探测器信号的同时对多环境因素进行监测，首先单片机控制各个环境传感器对环境参数进行检测并发送数据至单片机，在单片机接收到经过调理的红外探测器信号后，对信号作运算和处理并结合环境补偿模型实现各个组分气体浓度的反演。可以在实验室环境下，对这种多环境参数进行实验，构建出环境补偿模型，同时结合设备仪器的具体可靠性、老化程度，对仪器设备进行分析，进一步的改进与研发。
36.最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种多组分危险气体在线监测系统，其特征在于，包括光学气路集成模块、单片机控制及数据采集处理模块、光源驱动模块、传感器集成模块和电源模块；所述光学气路集成模块包括红外光源、气室和红外探测器；所述气室包括多个依次相连的红外气室，每个气室对应连接一红外探测器；每个红外探测器包括多个滤光片；所述滤光片其中一个连接参考通道，其余滤光片连接测量通道，当多组分气体通过连接测量通道的滤光片时，每个滤光片仅选择性通过一种气体，以便于实现多组分气体浓度的测量；所述光源驱动模块负责驱动光学气路集成模块中的红外光源；所述光学气路集成模块与单片机控制及数据采集处理模块连接；所述传感器集成模块与单片机控制及数据采集处理模块通讯连接；所述电源模块分别为传感器集成模块、单片机控制及数据采集处理模块供电；还包括上位机，所述上位机与单片机控制及数据采集处理模块远程通讯连接。2.根据权利要求1所述的一种多组分危险气体在线监测系统，其特征在于，所述红外气室为两个，每个红外探测器包括四个滤光片。3.根据权利要求1所述的一种多组分危险气体在线监测系统，其特征在于，所述光源驱动模块产生5hz的恒电流调制信号，从而控制所述光学气路集成模块中的红外光源发出5hz的脉冲光。4.根据权利要求1所述的一种多组分危险气体在线监测系统，其特征在于，所述传感器集成模块包括压力传感器、温度传感器、湿度传感器和gps定位模块；各传感器和单片机之间通过串口、iic或spi通信协议传输数据和指令。5.根据权利要求1所述的一种多组分危险气体在线监测系统，其特征在于，所述单片机控制及数据采集处理模块包括信号调理电路、模数转换电路、单片机和wifi模块，所述光学气路集成模块的输出模拟信号接入信号调理电路，完成信号的放大滤波后再接入模数转换电路，将模拟信号转换为数字信号以便单片机处理。6.根据权利要求1所述的一种多组分危险气体在线监测系统，其特征在于，所述上位机与单片机通过wifi无线通讯方式传输数据。7.根据权利要求1所述的一种多组分危险气体在线监测系统，其特征在于，还包括一电气外壳，所述光学气路集成模块、单片机控制及数据采集处理模块、光源驱动模块、传感器集成模块和电源模块安装在该电气外壳中，在电气外壳上设有进气孔、出气孔、散热孔和安装孔。8.一种多组分危险气体在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤，1）采用如权利要求1-7所述的监测系统；2）将该监测系统中的电气外壳安装在待检测环境中；3）初始化系统，单片机产生5hz的调制信号送入光源驱动模块，并将光源预热10min；并检查上位机与单片机的通讯连接状态；4）如果上位机与单片机的通讯状态正常，则检查传感器集成模块中各传感器的工作状态；5）各传感器的工作状态正常，则单片机控制各传感器对环境参数进行检测，将检测数据发送至单片机，用于环境补偿；6）单片机驱动模数转换模块，采集并存储经过调理的红外探测器信号；
7）单片机对红外探测器信号进行运算和处理，并结合传感器数据进行环境补偿，完成各组分气体浓度的反演；8）将处理后的检测数据通过wifi无线通讯方式发送至上位机；9）上位机接收到该检测数据后，判断各组分气体浓度是否超标，并根据gps定位判断各监测点的情况。

技术总结
本发明公开一种多组分危险气体在线监测系统及监测方法，所述系统包括光学气路集成模块、单片机控制及数据采集处理模块、光源驱动模块、传感器集成模块和电源模块；所述光源驱动模块负责驱动光学气路集成模块中的红外光源，所述光学气路集成模块与单片机控制及数据采集处理模块连接，所述电源模块分别为传感器集成模块、单片机控制及数据采集处理模块供电；还包括上位机，所述上位机与单片机控制及数据采集处理模块远程通讯连接；还包括一电气外壳，以上模块均安装在该电气外壳中，且在电气外壳上设有进气孔、出气孔、散热孔和安装孔等。本发明可以实现实时、快速地检测多组分危险气体的浓度，为多组分工业危险气体环境下的事故预防提供技术保障。事故预防提供技术保障。事故预防提供技术保障。


技术研发人员：高潮 郭永彩 闫泽宇 孙祚 费宁
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/13