CN101587068B - 一种多传感器气体分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多传感器气体分析仪，尤其涉及一种便携或在线气体多传感器分析系统。包括取样、检测、数据处理器、输出、供电五部分。其中，取样部分包括：采样头和样气预处理，除采集样气外，还要对样气进行调压、降温，除尘、除液、隔离处理。需要稳定相态和(或)滤掉干扰组分时，也同样处理；检测部分完成多传感器的测量；分析处理器部分依数据处理软件融合多传感器信息，并按照能够同时分析的成分多少，输出单指标和(或)多指标数据；输出部分完成键盘操作、显示、打印、报警及通讯；用电池供电。组合式分析系统，采用多元微流红外气体传感器技术进行定性和(或)定量分析，利用各自的吸收系数特性，经数据分析可以同时完成多组分气体测量。

Description

一种多传感器气体分析仪

技术领域

本发明涉及一种多传感器气体分析仪，尤其涉及一种便携或在线式天然气多传感器分析系统。

背景技术

从地下抽取到的天然气充满了液态水分和大分子量碳氢化合物，许多油田还存在着“酸性”天然气；而在天然气输送前的工业过程中，常常使用低温离析器来去除大分子量化合物，以确保管道在通常季节温度变化的情况下不会出现液体碳氢冷凝。特别是为了使经过管道输送和分销给最终用户燃烧的天然气是洁净的、干燥的和全气态化的燃料，天然气必须经过多道工业过程处理，包括降温、调压、除尘、除液、隔离处理，稳定相态和或滤掉干扰组分，有时也需要分离大分子混合物等。人们为了了解各环节气体的成分、湿度及热力学特性，要求针对每一个单独的应用场合，设计出最佳的解决方案。因此有必要研制一种高效、准确、价格合理的分析仪器用于气体成分的多组分快速或在线监测。以确保天然气生产、开发、储运、计量、使用的顺利、高效率和可靠地运作。

发明内容

上述的仪器仪表解决，可以通过一种多传感器气体分析仪，尤其涉及一种便携或在线式天然气多传感器分析系统来完成。

这里可以将一种便携或在线式天然气多传感器分析系统简称为分析仪，也可以推广理解为非天然气但具有分析检测功能的一种通用仪表。天然气，可以理解沼气，瓦斯，也可以理解为其他类型的混合气体。在专利叙述中，具体陈述的目标和优点，从介绍来看，部分是显而易见的，或者通过实践本发明可以学会或发现，可以通过在所附的权利要求书中所特别指出的一些手段，措施和组合，来实现和获得本发明的目的和优点的都属本专利涉及和保护的内容。

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足之处而提供一种新型气体多传感器系统，尤其涉及一种便携或在线式天然气多传感器分析系统。见图1，它包括有：取样(100)，检测(200)，数据处理器(300)，输出(400)，供电(500)等五部分。其中，取样部分(100)包括：采样头(120)和样气预处理(180)，它除了通过采样采集样气(130)外，还要对样气进行降温(121)、调压(122)、除尘(123)、除液(124)、隔离(125)处理，需要稳定相态(140)和(或)滤掉干扰组分(150)时，也需要分离(170)；检测部分(200)完成多传感器的测量；数据处理器部分(300)依数据处理软件融合多传感器信息并按照能够同时分析的成分多少，输出单指标和(或)多指标数据；输出部分(400)完成键盘(410)、显示(420)、打印(430)、报(450)警及通讯(480)，供电(500)用电池。对组合式分析系统而言，采用多元微流红外气体传感器技术进行定性和(或)定量分析，利用各自的吸收系数特性，经数据分析可以同时完成多组分气体测量。

为实现安全可靠地检测目的，分析仪的取样部分(100)，见图2，包括：采样头(120)和样气预处理(180)，采样头除了采集样气(130)外，还要完成对样气进行降温(121)、稳压(122)、除尘(123)、除液(124)、隔离(125)处理，处理后获得的洁净、安全和全气态化的气体送入样气预处理(180)。

为实现样气的成分，湿度及特性分析，可以将样气预处理(180)，分成三组，见图3，分别构建出：稳定相态样气(140)，送湿度检测腔(186)，由湿度检测传感器完成湿度检测；和(或)构建滤除干扰项组分样气(150)，送给单(多)组分检测腔(182)完成需要的气体单(多)组分检测；和(或)分流出相同工况条件的样气(170)，送给工况检测腔体(188)，完成样气压力、温度、流量的检测。样气预处理(180)出于检测目的需要，各传感器必须和当前被测组介质接触，且介质组间互相不影响，因而分出三组可相互隔离的检测腔体，各传感器敏感部位分别被设计于相互隔离的腔体，如单(多)组分检测腔(182)、湿度检测腔(186)和工况检测腔体(188)，零点/终点气控制为(189)。样气预处理完成左侧样气流入，检测通道，右侧(189)样气排出，传感器组(210)、(220)和(230)和样气介质接触，而PCB板和传感器信号调理部分则被置腔体内，被测介质在其管道腔内独立流通。其结构主体(两端取掉堵头)见图4。气室(1)、信号接口(2)、左侧样气流入口(3)、外保护管(4)、右侧样气排出口(5)、湿度检测腔(6)、气体组分检测腔(7)、工况检测腔(8)内藏其中、其特征在于：气室(1)，为该样气器预处理部分的骨架，被加工成中空的管件，被测样气从内孔流通，左右两侧被加工成带双密封面的内螺扣，由封堵头密封，封堵头上开设有连接1/8″female，1/8″NPT。推荐使用不锈钢1/8″NPT x 1/8″管接头连接入口和排空口，排空口接有气泵，进入口接采样头；中部与外护管形成的空间将PCB和传感器信号预处理电路紧固其中，传感器的敏感部位被分组设计成检测腔，各腔体与内孔气室或连通或封闭，在进行全功能检测时，可完全让被测样气介质流入其腔内，完成检测。通常，为了提高其密封的可靠性，设计内腔能承受30MPa的压力差。

为实现样气的功能检测，由检测部分(200)完成多传感器的同步测量；其中，包括气体多组分检测传感器(210)、可测量的成分：SO2、NO、CO、CO2、O2等；湿度检测传感器(220)，可检测微量水分，单位为湿度、温度，或者露点温度，也可以切换显示出水分含量的大小，如：lb/MMscf、ppmv、mg/m3等；气体状态检测传感器(230包括：气压、温度、流量)以及其它检测传感器等，在完成检测后将信息传送给预计处理器(280)后，在送给分析处理器(300)进行信息融合，形成单一或多组分检测数据。

为实现样气多组分检测，选用红外气体多组分检测传感器(210)。当红外光通过待测气体时，这些气体分子对特定波长的红外光有吸收，其吸收关系服从朗伯--比尔(Lambert-Beer)吸收定律。设入射光是平行光，其强度为I0，出射光的强度为I，气体介质的厚度为L。当由气体介质中的分子数dN的吸收所造成的光强减弱为dI时，根据朗伯--比尔吸收定律： $\frac{\mathrm{dI}}{I}=-\mathrm{kdN}..\left(1\right),$ (1)式中K为比例常数，经取积分得：lnI＝-kN+α..(2)，(2)式中N为吸收气体介质的分子总数；α为积分常数。显然有，c为气体浓度。则式(1)可写成(3)：

I＝exp(α)exp(-kN)＝exp(α)exp(-μcL)＝IOexp(-μcL)..(3)

式(3)表明，光强在气体介质中随浓度c及厚度L按指数规律衰减。吸收系数取决于气体特性，各种气体的吸收系数μ互不相同。对同一气体μ则随入射波长而变。若吸收介质中含i种吸收气体，则式(2)应改为(4)式： $I=\mathrm{IOexp}(-\mathrm{l\Σ\μici})..\left(4\right)$

因此对于多种混合气体，为了分析特定组分，应该在传感器或红外光源前安装一个适合分析气体吸收波长的窄带滤光片，使传感器的信号变化只反映被测气体浓度变化。以气体CO2分析为例，红外光源发射出1-20um的红外光，通过一定长度的气室吸收后，经过一个4.26μm波长的窄带滤光片后，由红外传感器监测透过4.26um波长红外光的强度，以此表示CO2气体的浓度，如果在探测器端放置一种具备多元的探测器，并配备多种不同波长的滤光片，则在一台仪器内就可以完成对气体成分中CO2、CO、SO2、NO的同时测量。

为实现气体的湿度(露点)检测，采用陶瓷湿度检测传感器(220)。陶瓷元件不仅具有湿敏特性，而且还可以作为感温元件和气敏元件被广泛应用。其测量原理是：传感器设计有两层导电板，其中在多孔渗水的上层传导板和真晶格的基层传导板之间覆盖着活性吸湿层，在对腔体中样气的水分子进行吸附或解吸附时，接触到样气的潮气水分子自由地穿过上层电板，与活性吸湿层中的水分子融合，最终水分含量达到自然均衡，同时，导电板之间的电容，随着被吸入吸湿层水分的多少而变化，采集电容的变化信息，就能进行连续的在线湿度测量。

为实现气体热力学方程相关参数检测，气体状态检测传感器选用气压、温度、流量等电测传感器，作为应用之一的压力(10)、流量(20)、温度(30)。。。等传感器，见图3，需要和当前被测介质接触，该子处理器和传感器部分分别设计于相互经耐高压隔离的中空腔内外，介质在其内管道流通，各检测传感器向预处理器传送信息。由于检测环境和空间的限制所选传感器必须超小且节电。

为实现多传感器的数据处理，检测部分(200)完成多传感器的测量处理。它包括：获得多传感器原始数据采集信号的气体组分传感器检测(210)，湿度检测传感器检测(220)，工况检测传感器(230)等。信号预处理电路包括：气体组分预处理器(281)，湿度检测预处理器(283)，工况检测预处理器(285)等，它们将获得的传感器信号经刻度校准后送入时空校准器(288)完成同步比较修正，最后送入数据处理器部分(300)的多传感器分采集通道(310)。

分析处理器部分(300)则依数据处理软件融合多传感器信息并按照能够同时分析的成分多少，输出单指标和或多指标数据；中央处理器(80)采用了ADuC844芯片，集成了24位数据采集系统的微转换器(MicroConverter)，是现有产品ADuC824和ADuC834的升级产品，有更高速度8052核，单片上有精密的A/D转换和D/A转换以及闪存为控制器，有两通道差分输入可编增益自校准的24位主ADC，3通道单端输入自校准16位辅助ADC，12位轨道轨电压输出的DAC，两个灵活的PWM输出，62KB在线重新可编的闪存程序存储器和2KB闪存数据存储器和SRAM，精密温度传感器，完全满足在智能湿度传感器，多成分传感器，手提仪表，4-20mA发送器，数据存入，精密系统监视和以电池为能源的系统存储式仪器仪表的要求。软件所采用贝叶斯方法建模，对系统多传感器状态进行适时检测，分析所观测到的信息，完成对某一实际的待检状态的明确诊断，提高系统的可靠性，实现优化分析测量。

为实现分析仪的功能，其电气机构应该包括：输出部分(400)完成键盘(410)、显示(420)、打印(430)、报警(450)及通讯(480)。

附图说明

图1为本发明的整体原理结构示意图框图；

图2为本发明采样头部分原理结构示意图框图；

图3为本发明样气预处理结构示意图框图；

图4为本发明预处理结构主体(两端取掉堵头)机械结构示意图；

图5本发本发明样气预处理电器框图；

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

以下所述仅为本发明的较佳实施案例，并不因此而限定本发明的权利保护范围。

1)采用多腔体分置独立检测同一样气的不同成分特性和浓度。由检测部分(200)完成多传感器的同步测量；其中，包括气体多组分检测传感器(210)、可测量的成分：SO2、NO、CO、CO2、O2等；湿度检测传感器(220)，可检测微量水分，单位为湿度、温度，或者露点温度，也可以切换显示出水分含量的大小，如：lb/MMscf、ppmv、mg/m3等；气体状态检测传感器(230包括：气压、温度、流量)以及其它检测传感器等，在完成检测后将信息传送给预计处理器(280)后，在送给分析处理器(300)进行信息融合，形成单一或多组分检测数据。

2)采用红外线多组分气体分析，同步测出CO2、CO、NO、SO的浓度。当红外光通过待测气体时，这些气体分子对特定波长的红外光有吸收，其吸收关系服从朗伯--比尔(Lambert-Beer)吸收定律。对于多种混合气体，为了分析特定组分，在传感器或红外光源前安装一个适合分析气体吸收波长的窄带滤光片，使传感器的信号变化只反映被测气体浓度变化。以CO2分析为例，红外光源发射出1-20um的红外光，通过一定长度的气室吸收后，经过一个4.26μm波长的窄带滤光片后，由红外传感器监测透过4.26um波长红外光的强度，以此表示CO2气体的浓度，如果在探测器端放置一种具备多元的探测器，并配备多种不同波长的滤光片，则在一台仪器内就可以完成对气体成分中CO2、CO、SO2、NO的同时测量。

3)采用电化学O2参数，由于O2也是过剩空气系数的一个重要参数。仪器采用了一种长寿命(6年)的电化学O2传感器，该传感器实际上是一种微型电流发生器，配合高精度的前置放大电路，直接输出与浓度对应的电压进入仪器测控系统。

4)仪器建立职能型测控系统。为了实现对气体浓度的测量、控制以及自动标定以及对不同组分的干扰校正等功能，采用ADI公司最新推出的ADuC844芯片。该芯片集强大的模拟与数字功能与一体，作为多组分气体分析仪测控系统具有体积小、功耗低、性价比高等优势。ADuc844通过采集参考和测量四路红外信号，一路TCD热导H2传感器信号，以及2路电化学传感器信号，通过测量标准气体曲线，采用非线性校正算法可以直接得到测量气体的浓度，并通过ADuc844系统的串口周期性向外部设备发送测量浓度数据。在ADuc844多余的数据线和地址线基础上，设计了液晶显示驱动模块、打印驱动模块、键盘输入模块、气泵控制、报警等接口，以便操作分析仪器。

通过采用以上技术，在一台分析仪器内实现了以往需要多台分析仪才可完成的工作。

5)采用电调制红外光源。传统的红外气体分析仪采用一个同步电机带动切光片旋转，其缺点在于存在机械转动。抗振性差，攻耗大，不适合于便携设备；其次为保证调制的频率，还需要严格同步的电机以及驱动电路，使得系统复杂化，成本也大大增加。本研究采用了国际上最新研制的一种类似金刚石镀膜红外光源。该光源采用导电不定型碳(CAC)多层镀膜技术，热容量很低，因此升降温速度很快，其调制频率最高可以达到200Hz，新型电调制光源的使用，使得红外气体分析技术在仪器体积、成本、性能等方面都有实质性的提高。

6)气体干扰校正。从原理上讲，CO，CO2之间由于采用了特征波长，彼此测量间没有相互干扰，但是由于受当前滤光片生产工艺的限制，滤光片具有一定的带宽，CO与CO2，以及CO2与参考通道之间具有一定的干扰(Crosstalking，Overlap)，因此成分之间具有一定的干扰，如果不加以校准，测量的误差将达到10％以上，很难达到工业应用的要求，如按照单一标准气体CO2标定后，如果通入不含CO2的70％的CO进入仪器，CO2读数将达到7％左右。为了消除红外分析气体之间的相互干扰，本仪器设置了8组校正标定曲线，采用计算机算法得到了气体干扰校正方法，通过该方法的使用，可以使得CO、CO2的精度可以达到1％以上。通过本研究也说明，采用以往单一组分红外气体分析仪组成的气体分析系统，如果直接采用测量读数，将可能得到很不准确的测量结果。通过以上技术的采用，多组分气体分析仪可以实现以下组分和精度的测量。(1)通过采用新型电调制红外光源，省却了以往红外气体分析仪器复杂和昂贵的电机调制系统，大大降低了系统成本和功耗。实现了CO、CO2、NO、SO2的同时测量。(2)通过采用长寿命的O2S电化学气体传感器与红外气体测量的组分，实现了气体多组分的同时在线测量。(3)红外测量组分间由于受滤光片带宽的限制，存在一定的相互干扰，通过计算机校正算法可以将组分的测量精度提高到2％以上，这也说明，以往单一组分的红外气体分析仪直接用于气体分析，很可能造成测量数据不准确。

Claims (8)

1.一种多传感器气体分析仪，它包括有取样(100)，检测(200)，数据处理器(300)，输入输出(400)，供电(500)五部分；

其中，取样部分(100)包括：采样头(120)和样气预处理(180)，它除了采集样气(130)外，还要由采样头(120)完成对样气降温(121)、稳压(122)、除尘(123)、除液(124)和隔离(125)处理，处理后获得的洁净、安全和全气态化的气体送入样气预处理(180)；

样气预处理(180)分成三组，分别构建出：稳定相态样气(140)，送湿度检测腔(186)，由湿度检测传感器完成湿度检测；构建滤除干扰项组分样气(150)，送给单/多组分检测腔(182)完成需要的气体单/多组分检测；和分流出相同气体状态条件的样气(170)，送给气体状态检测腔(188)，完成样气压力、温度和流量检测；

检测部分(200)完成多传感器的测量，包括湿度检测传感器、气体多组分检测传感器和气体状态检测传感器；

数据处理器部分(300)依数据处理软件融合多传感器信息并按照能够同时分析的成分多少分析，输出单指标和/或多指标数据；

输入输出部分(400)完成键盘(410)输入、显示(420)、打印(430)、报警(450)及通讯(480)功能；

供电(500)用电池；

采用多元微流红外气体传感器技术进行定性和/或定量分析，利用各自对光谱不同波长的吸收系数不同的特性，经过滤、数据分析可以同时完成多组分气体测量。

2.根据权利要求1所述的多传感器气体分析仪，其特征在于：样气预处理(180)，出于检测目的需要，各传感器必须和当前被测组介质接触，且介质组间互相不影响，因而分出三组可相互隔离的检测腔体即单/多组分检测腔(182)、湿度检测腔(186)和气体状态检测腔(188)；还包括零点/终点样气控制器(189)；

样气预处理完成一侧样气流入检测通道，另一侧零点/终点气控制器(189)进行样气排出，湿度传感器组、组分传感器组和气体状态传感器组分别和样气介质接触，而PCB板和传感器信号调理部分则被置于腔体内，被测介质在其管道腔内独立流通；

样气预处理结构主体(180)包括气室(1)、信号接口(2)、一侧样气流入口(3)、外保护管(4)、另一侧样气排出口；气室将湿度检测腔、气体组分检测腔、气体状态检测腔内藏其中；气室，为该样气预处理部分的骨架，被加工成中空的管件，被测样气从内孔流通，左右两侧被加工成带双密封面的内螺扣，由封堵头密封，左右封堵头上开设有连接孔，用作样气流入口和样气排出口；样气排出口接气泵，样气流入口接采样头；中部与外护管形成的空间将PCB和传感器信号预处理电路紧固其中，传感器的敏感部位被分组设计成检测腔，各腔体与内孔气室连通，在进行全功能检测时，完全让被测样气介质流入其腔内，完成检测，为了提高其密封的可靠性，设计内腔能承受30MPa的压力差。

3.根据权利要求1所述的多传感器气体分析仪，其特征在于：检测部分(200)完成多传感器的同步测量；其中，包括气体多组分检测传感器(210)、可测量的组分：SO2、NO、CO、CO2和O2；湿度检测传感器(220)，可检测微量水份含量的大小，量值单位显示为lb/MMscf、ppmv或mg/m3；气体状态检测传感器(230)包括压力、温度和流量检测传感器；在完成检测后将信息传送给预处理器(280)处理后，再送给数据处理器部分(300)进行信息融合，形成单一或多组分检测数据。

4.根据权利要求1所述的多传感器气体分析仪，其特征在于：气体多组分检测传感器(210)，为了分析特定组分，在传感器或红外光源前安装一个适合分析气体吸收波长的窄带滤光片，使传感器的信号变化只反映被测气体浓度变化；在探测器端放置一种具备多元的探测器，并配备多种不同波长的滤光片，在一台仪器内就可以完成对气体成分中CO2、CO、SO2、NO和O2的同时测量。

5.根据权利要求1所述的多传感器气体分析仪，其特征在于：湿度检测传感器(220)，传感器设计有两层导电板，其中在多孔渗水的上层传导板和真晶格的基层传导板之间覆盖着活性吸湿层，在对腔体中样气的水分子进行吸附或解吸附时，接触到样气的潮气水分子自由地穿过上层电板，与活性吸湿层中的水分子融合，最终水分含量达到自然均衡，同时，导电板之间的电容，随着被吸入吸湿层水分的多少而变化，采集电容的变化信息，就能进行连续的在线湿度测量。

6.根据权利要求1所述的多传感器气体分析仪，其特征在于：气体状态检测传感器(230)，其压力、流量和温度传感器，需要和当前样气接触，预处理器和传感器部分分别设计于经耐高压密封隔离的中空腔内外，介质在其内管道流通，各检测传感器向预处理器传送信息，气体状态检测传感器集温度、压力和电压3种传感器和专用集成电路(ASIC)控制器于一体，开发后直接将微控制器(μC)程序通过编程器装载于EPROM中，可同时测量压力(P)、温度(T)和电压(U)；

流量传感器包括有检测探头(A1)和转子(A2)，主要完成经过的气体流量检测，其关键部位是检测探头(A1)采用了钐钴(SM-Co)磁钢代替常规的铝镍钴磁钢。

7.根据权利要求1所述的多传感器气体分析仪，其特征在于检测部分(200)完成多传感器的测量，包括：获得多传感器原始数据采集信号的气体多组分检测传感器(210)，湿度检测传感器(220)和气体状态检测传感器(230)，信号预处理电路包括：气体组分预处理器(281)、湿度检测预处理器(283)、气体状态检测预处理器(285)，经刻度校准后送入时空校准器(288)完成同步比较修正，最后送入数据处理器部分(300)的多传感器部分采集通道(310)。

8.根据权利要求1所述的多传感器气体分析仪，其特征在于：

数据处理器部分(300)则依数据处理软件融合多传感器信息并按照能够同时分析的成分多少分析，输出单指标和/或多指标数据；

预处理器(280)软件采用贝叶斯方法建模，对系统多传感器状态进行实时检测，分析所观测到的信息，完成对某现场气体状态的明确诊断。

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