CN107255623A - 一种便携式多组分气体红外光谱检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于大气环境检测技术及光谱测量技术领域，具体涉及一种便携式多组分气体红外光谱检测系统，包括便携式箱体以及安装在便携式箱体内的：红外光源、红外干涉仪、样品池、气泵、红外探测器、数据采集卡、计算机及电源模块；发明的便携式多组分气体红外光谱检测系统，能够实现多组分气体浓度在线实时检测，可用于大气环境检测中的诸多领域，如突发大气事故现场应急监测、污染源排放监测、化工园区大气环境监测和催化转化过程气体检测等领域，为大气环境监测提供了一种可靠设备。
Description
技术领域
本发明属于大气环境检测技术及光谱测量技术领域，具体涉及一种便携式多组分气体红外光谱检测系统。
背景技术
傅里叶变换红外(FTIR)光谱技术是近年来快速发展起来的一种综合性探测技术，具有测量速度快、探测波段宽、精度高、分辨率高、光通量大、杂散光低等优点，在诸多领域如环境、农业、石油、食品、生物化工、制药及医学等得到了广泛应用。大气中大多数微量、痕量气体都是红外活性气体，在中红外区(2.5～25μm)波段具有各自的特征吸收，对于光谱测量非常有利，因而FTIR在大气环境监测中应用前景非常广泛。世界上许多国家利用该种技术开展对大气环境及大气污染的观测及研究工作，尤其是对污染源排放气体进行实时监测；对区域性的温室气体和反应性痕量气体的本底、分布廓线、时空变化进行观测研究。
FTIR技术适合于同时对多种气体污染物的在线自动测量，在大气环境气态污染物检测方面，具有以下优点：可探测多原子分子，可快速分析多组分气体混合物；可进行实时远距离监测气体扩散；非接触性测量，无需样品制备和预处理；测量过程不会污染探测器。
目前，国内外FTIR技术在大气环境监测方面的主要应用方式有：抽取式测量方式；长光程开放光路测量方式；地基太阳光谱FTIR测量；热烟羽和化学蒸气云团的FTIR被动测量；机载、球载、星载FTIR被动测量。其中大多数使用方式均采用台式机方式，与台式结构FTIR系统相比较，便携式FTIR系统具有占地少、质量轻、无需样品制备、操作使用更简便等优点，适合突发大气事故现场应急监测、污染源排放监测、化工园区大气环境监测和催化转化过程气体检测等领域。
常规气体传感器使用寿命短，测量成分有限，精度较低；气相色谱方法具有选择性好、精度高等特点，但是需要对样品进行低温浓缩富集、加热解析，再配以适当检测器进行检测，测量周期较长，不适合现场在线测量。因此，开发具有测量速度快、测量精度高、操作使用简单的便携式多组分气体在线检测仪器，对于提高我国大气环境监测技术具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有大气环境监测技术的不足，提供了一种便携式多组分气体红外光谱检测系统，可以实现监测人员方便快捷的携带设备进入到具体应用现场，如突发大气事故应急监测、固定污染源烟气排放监测、化工园区大气环境监测等，对被测区域的气体进行快速准确的定性和定量监测，为大气环境监测提供可靠监测设备，为生产环境的大气安全性提供预警，为大气环境的督查和监察提供有效数据支撑。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：一种便携式多组分气体红外光谱检测系统，包括便携式箱体以及安装在便携式箱体内的：红外光源、红外干涉仪、样品池、气泵、红外探测器、数据采集卡、计算机及电源模块；所述样品池上接有进气管和排气管，所述气泵串接在排气管上，所述进气管和排气管贯通至便携式箱体外部，并在便携式箱体的外壁上设有进气接口和排气接口，所述进气接口上接有气体采样头；红外光源发出的红外信入射到红外干涉仪，红外干涉仪完成红外光调制，将红外信号调制成干涉信号，干涉信号经过样品池被目标气体选择性吸收，红外探测器探测被吸收后的红外信号，数据采集卡完成红外干涉信号采集，然后将信号送到计算机解调，完成红外光谱还原，最后进行光谱数据处理和目标气体浓度反演。
所述便携式箱体由箱槽和箱盖构成，箱槽和箱盖的的其中一侧通过铰链铰接，另一侧即铰链所在侧的对侧设有搭扣和把手；所述红外光源、红外干涉仪、样品池、气泵、红外探测器、数据采集卡和电源模块安装在箱槽内，所述计算机安装在箱盖上，且箱盖上开设有一通孔，使计算机的显示模块能够暴露在箱盖的外侧。
气体采样头可拆卸的连接在所述进气接口上，气体采样头内包含粉尘过滤器；所述气泵采用配置无刷电机的微型抽气泵。
所述红外干涉仪由红外分束片、红外补偿片、动镜和定镜组成，其中动镜和定镜采用角反射镜。
样品池采用多次反射式怀特型结构样品池，利用三块球面镜，实现红外光多次折返，样品池的气路进出口安装有卡套接头，光路进出口安装有密封硅橡胶，池体采用整体铝合金加工；三块镜片镀红外金膜和保护膜，光谱范围2～14um，反射率＞90％。
红外探测器采用MCT(碲镉汞)光电导检测器，探测器响应波段为2～16μm，响应率大于等于1500V/W，有效探测面积为1mm×1mm，窗口材料为ZnSe。
计算机采用8寸一体化工控机，通过USB通讯方式与信号采集卡连接，完成红外干涉信号采集、红外光谱复原、气体浓度定量反演以及结果显示保存。
目标气体浓度反演方法采用基于合成参考光谱的非线性最小二乘定量分析方法，充分考虑系统参数、环境参数以及多组分气体交叉吸收干扰影响，利用实测吸收光谱与合成参考光谱进行最小二乘拟合，实现多组分目标气体浓度反演。
便携式箱体采用铝合金材料加工，底部安装了减震橡胶垫。
所述箱槽侧壁上设有用于固定进气管和/或排气管的管卡，以及用于容置导线的走线槽；所述箱盖内侧设有用于收纳并固定气体采样头的卡槽，箱盖内侧还设有一绕线盘，绕线盘上缠绕有备用软管。
本发明的技术效果在于：本发明提供了一种便携式多组分气体红外光谱检测系统，能够实现多组分气体浓度在线实时检测，可用于大气环境检测中的诸多领域，如突发大气事故现场应急监测、污染源排放监测、化工园区大气环境监测和催化转化过程气体检测等领域，为大气环境监测提供了一种可靠设备。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是本发明使用状态的立体结构示意图；
图3是本发明的便携式箱体的内部结构示意图；
图中标号：1.红外光源，2.红外干涉仪，3.气体采样头，4.样品池，5.气泵，6.探测器，7.数据采集卡，8.计算机，9.反射镜，10.干涉仪动镜，11.反射镜，12.分束片，13.补偿片，14.干涉仪定镜，15.反射镜，16.球面反射镜，17.球面反射镜，18.球面反射镜，19.反射镜，20.反射镜，21.电源模块，22.进气管，23.排气管，24走线槽，221.进气接口，231.排气接口，30.便携式箱体，31.箱槽，32.箱盖，33.把手，34.铰链，312.管卡，321.卡槽，322.绕线盘，323.备用软管，81.显示模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的描述。
如图1～3所示，一种便携式多组分气体红外光谱检测系统，包括便携式箱体30以及安装在便携式箱体30内的：红外光源1、红外干涉仪2、样品池4、气泵5、红外探测器6、数据采集卡7、计算机8及电源模块21；所述样品池4上接有进气管22和排气管23，所述气泵5串接在排气管23上，所述进气管22和排气管23贯通至便携式箱体30外部，并在便携式箱体30的外壁上设有进气接口221和排气接口231，所述进气接口221上接有气体采样头3；红外光源1发出的红外信入射到红外干涉仪2，红外干涉仪2完成红外光调制，将红外信号调制成干涉信号，干涉信号经过样品池4被目标气体选择性吸收，红外探测器6探测被吸收后的红外信号，数据采集卡7完成红外干涉信号采集，然后将信号送到计算机8解调，完成红外光谱还原，最后进行光谱数据处理和目标气体浓度反演。
为了使各部件之间的空间布局更加紧凑，还可以采用多个红外反射镜9、11、20来改变光路的行进方向，为此，本发明提供了以下实施例：红外光源1发射的连续红外光波经过反射镜9反射后，一部分红外光穿过分束片12和补偿片13到达定镜14，被定镜14反射后延原光路返回，再次到达分束片12和补偿片13，经分束片12和补偿片13反射；另一部分红外光被分束片12和补偿片13反射后到达动镜10，被动镜10反射后延原光路返回，再次到达并穿过分束片12和补偿片13，上述两部分光重新汇合，在动镜10延直线运动的情况下产生干涉，干涉光经过反射镜11反射后，传播方向改变90度，然后经过反射镜15反射，传播方向改变90度，穿过气体池入射红外窗片进入气体样品池4，然后经过气体池的三块球面镜16、17、18连续多次反射后，穿过气体池出射红外窗片，记录了目标气体吸收信息的红外光经过反射镜19反射，然后经过椭球面反射镜20反射聚焦后最终被探测器6接收，数据采集卡7完成探测信号的采集，然后送入计算机8，计算机8完成红外干涉信号处理、光谱复原和气体浓度定量反演。
优选的，所述便携式箱体30由箱槽31和箱盖32构成，箱槽31和箱盖32的的其中一侧通过铰链34铰接，另一侧即铰链34所在侧的对侧设有搭扣和把手33，可进行手提移动式测量；所述红外光源1、红外干涉仪2、样品池4、气泵5、红外探测器6、数据采集卡7和电源模块21安装在箱槽31内，所述计算机8安装在箱盖32上，且箱盖32上开设有一通孔，使计算机8的显示模块81能够暴露在箱盖32的外侧。
优选的，气体采样头3可拆卸的连接在所述进气接口221上，气体采样头3内包含粉尘过滤器，完成目标气体粉尘过滤，防止样品池4光学镜片受粉尘污染；所述气泵5采用配置无刷电机的微型抽气泵5，具有不干扰周围电子元器件、不污染电源的特性，可以抽取腐蚀性气体，工作电压24V，平均流量3.5L/min。
优选的，所述红外干涉仪2由红外分束片12、红外补偿片13、动镜10和定镜14组成，动镜10和定镜14采用角反射镜，动镜10和定镜14采用角反射镜代替传统的平面反射镜，可以使干涉仪对动镜10的倾斜不敏感，从而起到倾斜补偿的作用，具有良好的抗干扰能力，能够满足系统在恶劣环境条件下使用。
优选的，样品池4采用多次反射式怀特型结构样品池4，利用三块球面镜16、17、18，实现红外光多次折返，具有光路长、体积小、重量轻等特点，多次反射后最大光程可达10m，样品池4的气路进出口安装有卡套接头，光路进出口安装有密封硅橡胶，池体采用整体铝合金加工；三块球面镜16、17、18镀红外金膜和保护膜，光谱范围2～14um，反射率＞90％，在保证反射率的同时有效保护反射镜面，易于清理和维护。
优选的，红外探测器6采用MCT碲镉汞光电导检测器，探测器6响应波段为2～16μm，响应率大于等于1500V/W，有效探测面积为1mm×1mm，窗口材料为ZnSe，红外探测器6在工作时，必须对其制冷，以降低探测噪声保证信噪比，可采用斯特林制冷或者液氮制冷方式。
计算机8采用8寸一体化工控机，具有重量轻、体积小的特点，通过USB通讯方式与信号采集卡连接，完成红外干涉信号采集、红外光谱复原、气体浓度定量反演以及结果显示保存等。
目标气体浓度反演方法基于合成参考光谱的非线性最小二乘定量分析方法，首先建立高分辨的吸收标准光谱数据库，然后定量考虑系统的视场角、分辨率、切趾等影响，在合成高分辨标准光谱基础上卷积仪器线型函数，构建包括背景基线、仪器参数、目标组分浓度等待定参量的测量光谱与合成光谱的超定方程组模型，使用Levenberg-Marquardt非线性最小二乘迭代算法，在拟合测量光谱和合成光谱的过程中，精确反演目标气体组分浓度。目标气体浓度定量分析时，气体成分反演波段选择避开水汽吸收带或选择水汽吸收相对较小波段；考虑水汽在光谱吸收中的贡献，分析算法上将水汽作为待测组分与目标气体一起拟合，去除水汽干扰。该方法可解决使用传统中红外气体定量分析方法时光谱背景基线波动、低分辨率仪器参数影响、水汽等强干扰吸收混叠等问题，提高分析精度。
便携式箱体30采用铝合金材料加工，底部安装了减震橡胶垫。箱槽31侧壁上设有用于固定进气管22和/或排气管23的管卡，以及用于容置导线的走线槽24；所述箱盖32内侧设有用于收纳并固定气体采样头3的卡槽321，箱盖32内侧还设有一绕线盘322，绕线盘322上缠绕有备用软管323。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种便携式多组分气体红外光谱检测系统，其特征在于：包括便携式箱体(30)以及安装在便携式箱体(30)内的：红外光源(1)、红外干涉仪(2)、样品池(4)、气泵(5)、红外探测器(6)、数据采集卡(7)、计算机(8)及电源模块(21)；所述样品池(4)上接有进气管(22)和排气管(23)，所述气泵(5)串接在排气管(23)上，所述进气管(22)和排气管(23)贯通至便携式箱体(30)外部，并在便携式箱体(30)的外壁上设有进气接口(221)和排气接口(231)，所述进气接口(221)上接有气体采样头(3)；红外光源(1)发出的红外信入射到红外干涉仪(2)，红外干涉仪(2)完成红外光调制，将红外信号调制成干涉信号，干涉信号经过样品池(4)被目标气体选择性吸收，红外探测器(6)探测被吸收后的红外信号，数据采集卡(7)完成红外干涉信号采集，然后将信号送到计算机(8)解调，完成红外光谱还原，最后进行光谱数据处理和目标气体浓度反演。
2.根据权利要求1所述的便携式多组分气体红外光谱检测系统，其特征在于：所述便携式箱体(30)由箱槽(31)和箱盖(32)构成，箱槽(31)和箱盖(32)的其中一侧通过铰链(34)铰接，另一侧即铰链(34)所在侧的对侧设有搭扣和把手(33)；所述红外光源(1)、红外干涉仪(2)、样品池(4)、气泵(5)、红外探测器(6)、数据采集卡(7)和电源模块(21)安装在箱槽(31)内，所述计算机(8)安装在箱盖(32)上，且箱盖(32)上开设有一通孔，使计算机(8)的显示模块(81)能够暴露在箱盖(32)的外侧。
3.根据权利要求1所述的便携式多组分气体红外光谱检测系统，其特征在于：气体采样头(3)可拆卸的连接在所述进气接口(221)上，气体采样头(3)内包含粉尘过滤器；所述气泵(5)采用配置无刷电机的微型抽气泵(5)。
4.根据权利要求1所述的便携式多组分气体红外光谱检测系统，其特征在于：所述红外干涉仪(2)由红外分束片(12)、红外补偿片(13)、动镜(10)和定镜(14)组成，其中动镜(10)和定镜(14)采用角反射镜。
5.根据权利要求1所述的便携式多组分气体红外光谱检测系统，其特征在于：样品池(4)采用多次反射式怀特型结构样品池(4)，利用三块球面镜(16、17、18)，实现红外光多次折返，样品池(4)的气路进出口安装有卡套接头，光路进出口安装有密封硅橡胶，池体采用整体铝合金加工；三块镜片镀红外金膜和保护膜，光谱范围2～14um，反射率＞90％。
6.根据权利要求1所述的便携式多组分气体红外光谱检测系统，其特征在于：红外探测器(6)采用MCT(碲镉汞)光电导检测器，探测器(6)响应波段为2～16μm，响应率大于等于1500V/W，有效探测面积为1mm×1mm，窗口材料为ZnSe。
7.根据权利要求1所述的便携式多组分气体红外光谱检测系统，其特征在于：计算机(8)采用8寸一体化工控机，通过USB通讯方式与信号采集卡连接，完成红外干涉信号采集、红外光谱复原、气体浓度定量反演以及结果显示保存。
8.根据权利要求1所述的便携式多组分气体红外光谱检测系统，其特征在于：目标气体浓度反演方法基于合成参考光谱的非线性最小二乘定量分析方法，首先建立高分辨的吸收标准光谱数据库，然后定量考虑系统的视场角、分辨率、切趾等影响，在合成高分辨标准光谱基础上卷积仪器线型函数，构建包括背景基线、仪器参数、目标组分浓度等待定参量的测量光谱与合成光谱的超定方程组模型，使用Levenberg-Marquardt非线性最小二乘迭代算法，在拟合测量光谱和合成光谱的过程中，精确反演目标气体组分浓度。
9.根据权利要求1所述的便携式多组分气体红外光谱检测系统，其特征在于：便携式箱体(30)采用铝合金材料加工，底部安装了减震橡胶垫。
10.根据权利要求2所述的便携式多组分气体红外光谱检测系统，其特征在于：所述箱槽(31)侧壁上设有用于固定进气管(22)和/或排气管(23)的管卡，以及用于容置导线的走线槽(24)；所述箱盖(32)内侧设有用于收纳并固定气体采样头(3)的卡槽(321)，箱盖(32)内侧还设有一绕线盘(322)，绕线盘(322)上缠绕有备用软管(323)。
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