CN107831139A - 混合气体近红外激光在线监测系统 - Google Patents

Abstract

混合气体近红外激光在线监测系统涉及信息技术，尤其是激光气体探测技术和信号处理技术领域。本发明针由云端混合气体集中分析系统和激光探测器端采集系统组成；云端混合气体集中分析系统由混合气体编号器、曲线标准化算法、离散余弦变换算法、混合气体特征记录器、在线监测端混合气体特征采集器组成；激光探测器端采集系统由激光探测器、曲线标准化算法、离散余弦变换算法、混合气体特征匹配器组成；本发明具有自动判定混合气体类型，自动更新混合气体激光探测装置数据，自动给出混合气体激光探测装置模块最优组合的功能，同时通过数据的积累混合气体近红外激光在线监测系统的精度不断提高。

Description

混合气体近红外激光在线监测系统

技术领域

本发明涉及信息技术，尤其是激光气体探测技术和信号处理技术领域。

背景技术

目前，石油化工作为工作区的重大隐患，工作区域需要对可燃气体采用一种可靠、稳定的方法对其浓度进行实时检测，监测其不超过临界值，以保证日常安全生产。储油罐是一种大型容器，是炼油厂、油田、油库以及石油管道行业中的重要设备，专门用于接收、储存和发放易燃、易爆的油品介质。正是由于它储存的油品具有易燃、易爆、易产生静电的特殊性质，使其成为石油储运行业中安全管理工作的重要对象。在油罐日常的使用和管理中，任何一个人的不安全行为和物的不安全状态，都可能造成事故的发生，导致巨大的经济损失和人身伤害事故。储油罐的安全管理是油库管理的其他各项工作的前提，是安全生产的生命线，也是改善经营环境、提高企业经济效益的基础。因此，加强储油罐的安全管理，及时发现和消除储油罐的不安全因素，杜绝各类事故的发生，对石油储运企业具有重要意义。

公知石油化工使用的常用二次密封舱管道抽气、管道传输、安全区域化验，抽气方式感知，感知滞后性，抽气形成负压，空气进入密封舱，给石油安全生产带来极大危害。倘若因此发生燃烧或爆炸，那将是极其重大的安全事故，对社会安定以及人类进步也会造成巨大的影响。如何避免在可燃气体检测时无源（即不带电）、实时状态，能够安全、高效直接判断大型应用场所中可燃气体的泄漏范围，已经成为亟需解决的问题。

目前中国石油在储油罐的二次密封舱使用定时抽风装置，将混合油气抽出到安全区域用带电的传感器进行检测，如果出现浓度过大，再启动注入氮气的装置来降低储油罐风险。此方法面临几个现实问题，第一抽取的时间频率过频繁耗能大，抽取的时间频率过稀疏无法及时发现险情，即使不断抽取储油罐气体用来检测由于安全区域距离油罐事发地距离很远也不能保证及时发现问题；第二抽取气体的方位固定，无法对储油罐全区域进行检测尤其是储油罐的中心区域。

同样在汽油储存领域也有汽油油气在内浮顶储油罐存储时易泄漏到浮盘与罐顶之间的空间中，遇有雷电或静电感应，可以燃爆储油罐，造成安全事故的隐患。内浮顶储油罐是立式圆筒形金属油罐的一种，由于其在降低油品损耗、减少火灾危险性以及满足环保要求等方面较其它形式油罐更具优势。内浮顶把介质即罐内储料和空气有效隔绝，从一定程度上也降低了发生火灾爆炸的危险等级，因此目前在炼化企业大量使用内浮顶罐储装汽油及其它易挥发性油品。但是，内浮顶储油罐使用一段时间后，由于浮盘、运动部件、密封件磨损，储存原料的气相（具备可燃气气体性质气体）部分，泄漏到浮盘与罐顶之间的空间中，遇有雷电或静电感应，可以燃爆储油罐，造成安全事故。目前解决问题的办法是，定期对轻质油监控指标包括蒸汽压（C4含量）、硫含量等进行采样分析；采样分析频次应每罐每周不少于1次；建立可燃气体浓度检测制度，没有设置氮封设施的轻质油储罐每月检测不少于1次，设置氮封措施的储罐可适当延长，但至少每季度检查1次。因此，们需要一种能够在储油罐上在线监测油气的装置，要求这种装置，是绝对安全的，当装置感知油气超标时，能够立即通知值班人员，采取“注氮”或“停车检查”等具体技术措施。

即使按照上述规定操作，现场操作人员的工作强度较大，难以持久合规操作，监管人员工作也难以量化落实。并且，人工巡检周期较长，难免在巡检周期外，漏检油气超标时机，埋下安全隐患。为安全运行起见，需要对内浮顶油罐内的油气进行在线监测。

针对原油储油罐的混合油气，有专利号为201510052757X，专利名称为“多种条件下油气类混合气体无源激光探测实现的方法”的专利，该发明克服的技术难点在于以下两点：第一，油气类气体是混合气体组成成分复杂，不同品质的原油的油气其组成成分有所差别；第二，同品质原油的油气气体在不同温度下其混合成分不同。通过该发明所描述的实验装置以原油品质，外界温度两个维度为依据测量原油蒸发量，气相组成情况两个基本值，再使用气相色谱检测装置记录临爆点的气相组成，根据原油品质和外界温度，将临爆点的气相组成描绘成曲线图，再将曲线图做模数转换，达成输入原油品质和外界温度数值可以输出临爆点气相组成数值的方法，该方法称作多种条件下油气类混合气体无源激光探测实现的方法，用作多种条件下油气类混合气体无源激光探测报警装置的核心技术。

针对汽油储油罐的混合油气，有申请号为201710032745X，发明名称为“油气类混合气体激光在线采样探测实现的方法”的专利申请，该发明专利申请的技术难点在于：1、使用色谱仪检测不用考虑混合油气气相组成，而使用红外带通滤波器检测必须考虑不同气相组成与色谱仪检测结果的差异性，原因是红外带通滤波器检测只能针对气相组成的主要气体进行检测，不同的气体所用的红外光频率不同，该发明主要针对汽油油气气相组分中的正丁烷和异戊烷进行红外带通滤波器检测并比较检测结果与色谱仪在相同环境下检测结果的差异，从而做出差异补偿。2、同品质汽油的油气类气体是混合气体，组成成分复杂。通过该发明所描述的实验装置以汽油品质、外界空气注入量两个维度为依据测量汽油蒸发量，使用气相色谱仪检测装置记录气相组成情况，根据气相组成描绘成曲线图，达成将红外带通滤波器的探测器测量的实际汽油气相组成值曲线图模数转换补偿修正的方法，该方法称作油气类混合气体激光在线采样探测实现的方法，用作油气类混合气体在线采样探测报警装置的核心技术。

上述的两种现有技术对混合油气的类型和使用环境都具有一定的限制，原油油气的测定方法和汽油油气的测定方法完全不同，对原油油气的测定使用特殊装置对油气气相组成和临爆点温度梯度做了记录，使用激光气体探测技术跟踪原油主要成分的浓度，达到临爆点气相组成时报警；汽油油气使用色谱仪和激光气体探测技术同时跟踪正丁烷和异戊烷的浓度，描绘出两种手段的实验室数据差别，然后修正到激光气体探测的装置中，达到激光气体探测更加准确的效果，同样是达到临爆点气相组成时报警。

背景技术，有《中国职业医学》 , 2011 (S1) :8-10，描述的《工作场所空气中甲烷、丙烷、丁烷或异丁烷直接进样气相色谱测定》，其内容说明使用激光气体探测技术不容易区分的丙烷、丁烷、异丁烷可以直接气相色谱测定的现有技术。

背景技术，有《环境监测管理与技术》 , 2007 , 19 (6) :33-35，描述了《气相色谱法测定空气和废气中8种烃类化合物》，其内容说明建立针筒采样、大口径毛细管柱分离、气相色谱-氢火焰离子化检测器测定空气和废气中甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、异丁烷、正丁烷和正戊烷等8种烃类化合物的方法。

背景技术，有俄罗斯New Laser Technology公司生产的可调谐波长单频激光器可以提供650-1650nm波长。其产品采用了特殊的双制冷设计，调谐波长的时候可以基本保持输出功率的稳定无变化。产品可调谐范围在2-3nm之间。

背景技术，物理学报第59卷第10期2010年10月，《基于多波长激光吸收光谱技术的气体浓度与温度二维分布遗传模拟退火重建研究》，利用可调谐半导体激光吸收光谱技术实现气体浓度温度二维分布重建。采用四路波分复用技术，将遗传算法与模拟退火算法相结合，对于图像重建过程中建立的非线性投影方程组进行求解。

背景技术，西南科技大学学报第26卷第1期，《光声气体检测系统中半导体激光器的波长调制》，在光声光谱法气体检测中，因为激光器发光波长需与待测气体吸收峰严格匹配，所以需对激光器波长精确调谐。由于半导体激光器发光的波长与温度、驱动电流间有确定的关系，采用波长调制的方法，在一定精度的温度控制下， 对波长进行扫描，可确保激光器驱动信号在一个周期内能够产生稳定的光声信号。

现有技术包括，浙江大学研究生毕业论文《采用可调谐激光吸收光谱技术遥测甲烷气体浓度的研究》，论文作者姚华，指导老师王飞。论文编号Y1852820。该论文详细描述了采用可调谐激光吸收光谱技术进行气体浓度检测的详细步骤和算法，通过该论文的详细说明，对单一气体使用可调谐激光进行浓度检测是一种准确度极高的方法，只要可调谐激光器和对应的探测器与该单一气体的吸收谱线吻合。单一气体使用可调谐激光吸收光谱技术即TDLAS，可以探测的气体包括常见的NH3、CO、CH4、CO2、O2、H2O、H2S、N2O。

现有技术包括，YT01867便携式气相色谱仪能及时检测分析出常见的气体，包括氧、氮、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丁烷。北京京普科技有限公司还提供甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、异丁烷、正丁烷、正丁烯、异丁烯、反丁烯、顺丁烯、异戊烷、正戊烷气相色谱仪。

现有技术包括，武汉四方光电科技有限公司的《Gasboard-3100的产品说明书》第8章，煤气分析仪在煤气成份测量上的应用，其中包括甲烷，乙烷，丙烷，丁烷的吸收光谱，乙烷、丙烷、丁烷等碳氢化合物在甲烷的特征波长3.3um左右有明显的吸收干扰。

背景技术包括，《光谱学与光谱分析》 , 2008 , 28 (10) :2282-2284，作者孙毅，杜振辉，尹新，徐可欣写的《近红外光谱气体在线分析中基线校正方法的研究》。

背景技术包括，近红外光谱，近红外光谱仪（Near Infrared SpectrumInstrument，NIRS）是介于可见光（Vis）和中红外（MIR）之间的电磁辐射波，美国材料检测协会（ASTM）将近红外光谱区定义为780-2526nm的区域，是人们在吸收光谱中发现的第一个非可见光区。近红外光谱区与有机分子中含氢基团（O-H、N-H、C-H）振动的合频和各级倍频的吸收区一致，通过扫描样品的近红外光谱，可以得到样品中有机分子含氢基团的特征信息，而且利用近红外光谱技术分析样品具有方便、快速、高效、准确和成本较低，不破坏样品，不消耗化学试剂，不污染环境等优点，因此该技术受到越来越多人的青睐。近红外光谱区是Herschel 在 1800 年进行太阳光谱可见区红外部分能量测量中发现的，为了纪念Herschel 的历史性发现人们将近红外谱区中介于 780～1100nm 的波段称为Herschel 谱区。红外光谱分析技术作为一种有效的分析手段在二十世纪三十年代就得到了认可，当时红外仪器主要用于分子结构理论的研究。近红外区的光谱吸收带是有机物质中能量较高的化学键（主要是 CH、OH、NH）在中红外光谱区基频吸收的倍频、合频和差频吸收带叠加而成的。由于近红外谱区光谱的严重重叠性和不连续性，物质近红外光谱中的与成份含量相关的信息很难直接提取出来并给予合理的光谱解析。而有机物在中红外谱区的吸收带较多、谱带窄、吸收强度大及有显著的特征吸收性，传统的光谱学家和化学分析家习惯于在中红外基频吸收波段进行光谱解析，所以近红外谱区在很长一段时间内是被人忽视和遗忘的谱区。

背景技术包括背景技术包括，《650nm阵列波导光栅波分复用器的设计与制备》，中图分类号：中图分类号：TN405.98+2，DOI：10.3788/aos201333.0323002，通过对650 nm的聚合物光纤系统研究，制备了与之匹配的16×16信道聚合物阵列波导光栅波分复用器。

背景技术包括，980/1550nm波分复用器，专门用于掺铒光纤放大器，能将信号光和980nm泵浦光合并到掺铒光纤中将信号光进行放大，980/1550nm WDM应用于C波段EDFA，980/1590nm WDM应用于L波段EDFA。

背景技术包括，近红外波段内常见探测器材料及其对应的响应波长：

探测器材料：Ge，

工作波段/nm：700-1800；

探测器材料：InGaAs，

工作波段/nm：800-1700；

探测器材料：InGaAsSb / InGaAsSbP，

工作波段/nm：1000-2100 / 1000-2500；

探测器材料：InAs，

工作波段/nm：1000-3800；

探测器材料：PbS，

工作波段/nm：1000-3300；

探测器材料：PbSe，

工作波段/nm：1000-4500；

探测器材料：InSb，

工作波段/nm：1000-5500。

现有技术中有可燃气体探测器，可燃气体探测器是基于可调谐激光光谱吸收（TDLAS）原理而研发的一款新型气体传感器，通过气体的分子吸收波长和温度压力无关以及不同气体分子之间具有互不干扰的波长吸收特性，实现不受环境温湿度影响，不受干扰气体影响的气体传感器。TDLAS技术至今仍是工业过程气体精确分析的首选技术，TDLAS 是可调谐半导体激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）的简称。该技术主要是利用可调谐半导体激光器的窄线宽和波长随注入电流改变的特性实现对分子的单个或几个距离很近很难分辨的吸收线进行测量。基本原理：Lambert-Beer 定律。当一束的光穿过充满气体的吸收池后，其强度会因分子吸收而衰减。入射光在穿过厚度为 dl的分子层时其强度的衰减量 dI 与传输到这里的光强成正比。

现有技术中的不足体现在，针对混合气体的临爆点进行激光气体探测时必须要预先知道混合气体的类型，针对不同类型的混合气体采取特定的检测方法和装置，本发明提供一种不用预知混合气体类型即能对混合气体临爆点进行监控的技术手段，并进一步提供一种可以自我学习，自动化更新的混合气体探测装置，最终通过物联网联接所有混合气体探测装置，形成所有设备优化到最新型混合气体数据的系统。

本发明需要用到的知识有傅里叶变换，小周波变换，离散余弦变换的概念。

一维离散余弦变换即DCT变换

一维的DCT变换，是二维的基础。一维的DCT变换共有8种，其中最实用的是第二种形式，公式见图2，dct1 其中c(u)是加上去一个系数，为了能使DCT变换矩阵成为正交矩阵，在后面二维变换将看到他的作用。N是f(x)的总数。相比其他几种形式，他的运算还是比较简单的，因此也用的比较广，当u，v = 0 时，离散余弦正变换（DCT）后的系数若为F(0，0)=1，则离散余弦反变换（IDCT）后的重现函数 f(x，y)=1/8，是个常 数值，所以将 F(0，0) 称为直流(DC)系数；当 u，v≠0 时，正变换后的系数为 F(u，v)=0，则反变换后的重现函数 f(x，y)不是常数，此时 正变换后的系数 F(u，v) 为交流（AC）系数。

二维离散余弦变换即二维DCT变换

二维DCT变换是在一维的基础上再进行一次DCT变换，这个比较好理解，直接看图3公式：只考虑实际应用中数据是方阵的形式，在实际应用中对不是方阵的数据都是先补齐再进行变换的。写成矩阵形式：见图4公式。

发明内容

本发明针对现有技术的提供与环境参数无关的混合气体激光探测方法，并基于混合气体激光探测方法提供混合气体激光探测装置，进一步基于单独提供服务的混合气体激光探测装置的联网引入后台数据整合数据优化的系统提供混合气体激光探测系统。本发明具有适用性广泛，精度随部署量增加而不断优化的特点，是城市管理，危险气体探测，污水处理，大气污染等领域的有效探测和管理工具。

实现本发明的混合气体激光探测方法由以下步骤完成：

（1）编号混合气体；

为被测混合气体编号，得到编号的混合气体；

（2）采集编号的混合气体用气相色谱仪分析气相组成计算临爆极限的吸光率阈值；

采集编号的混合气体，在实验室应用气相色谱仪分析得到编号的混合气体的气相组成，当编号的混合气体中含有易燃组份时根据理查特理公式计算混合气体的临爆极限的吸光率阈值；将编号的混合气体中重点监测的气相组成成份的气体编号得到被编号的气体，实验室通过确定被编号气体的告警阈值和告警条件，告警条件分为大于等于和小于等于，告警条件根据编号的混合气体用途决定；例如：针对医用氧气，被编号的气体是氧气，告警阈值单位是吸光率，告警条件是小于等于；针对石油原油油气，被编号的气体是甲烷CH4，告警阈值单位是吸光率，告警条件是大于等于；针对汽油油气，被编号的气体是正丁烷和异戊烷，告警阈值单位是吸光率且公认吸光率达到1.1vol%是临爆下限吸光率阈值，告警条件是大于等于；

（3）实验室条件下对编号的混合气体临爆极限状态测试得出波长吸光率曲线，由吸光率曲线经离散余弦变换生成在线监测的阈值；

当编号的混合气体包含易燃气体组分时，实验室调整编号的混合气体浓度达到混合气体的临爆极限并记录吸光率阈值，使用可调谐激光吸收光谱技术在激光波长650nm到激光波长1700nm之间每增加4-20nm波长的光谱进行一次被测混合气体吸光率记录，形成横坐标是激光波长从650nm到1700nm，纵坐标是编号的混合气体吸光率的编号的混合气体阈值吸光率光谱；对编号的混合气体阈值吸光率光谱进行离散余弦变换，记录离散余弦变换后直流系数即DC系数的值为编号的混合气体的在线监测的阈值，阈值的确定采取多次测量取均值的方法减小误差；当编号的混合气体不包含易燃气体时，实验室调整编号的混合气体浓度达到编号的混合气体中重点检测的气相组成成份的编号气体的吸光率阈值，使用可调谐激光吸收光谱技术在激光波长650nm到激光波长1700nm之间每增加4-20nm波长的光谱进行一次被测混合气体吸光率记录，形成横坐标是激光波长从650nm到1700nm，纵坐标是编号的混合气体吸光率的编号的混合气体阈值吸光率光谱；对编号的混合气体阈值吸光率光谱进行离散余弦变换，记录离散余弦变换后DC系数的值为编号的混合气体的在线监测的阈值；

（4）使用可调谐激光吸收光谱技术实时监测编号的混合气体的在线监测值；

使用可调谐激光吸收光谱技术实时监测编号的混合气体，在激光波长650nm到激光波长1700nm之间每隔4-20nm波长的光谱进行一次编号的混合气体吸光率记录，形成横坐标是激光波长从650nm到1700nm，纵坐标是编号的混合气体吸光率的编号的混合气体吸光率光谱，对编号的混合气体吸光率光谱进行离散余弦变换，记录离散余弦变换后DC系数的值为编号的混合气体的在线监测值；

（5）根据告警条件比较混合气体的在线监测值和混合气体的在线监测的阈值；

读取编号的混合气体的告警条件，实时比较编号的混合气体的在线监测值与编号的混合气体的在线监测的阈值，符合告警条件时触发警报。

根据混合气体激光探测方法研究检测目标为烷烃类混合气体的，烷烃类混合气体激光探测装置。烷烃，即饱和烃，是碳氢化合物下的一种饱和烃，其整体构造大多仅由碳、氢、碳碳单键与碳氢单键所构成，同时也是最简单的一种有机化合物。常温下甲烷，乙烷，丙烷，丁烷是气态，即碳元素含量C1~C4的烷烃为气态（gas）；碳元素含量C5~C16的烷烃为液态；碳元素含量C在17个以上的，为固态。常见石油油气和汽油油气主要检测气体为烷烃类混合气体。烷烃类气体吸收光谱主要由C-H键的伸展和摆动原因形成，其中C-H键的伸展组合频在3378nm，CH键的摆动组合频在6849nm，C-H键的伸展吸收倍频是在：第一倍频1689nm；第二倍频1126nm；第三倍频845nm；导致烷烃类气体在组频区域和倍频区域1689nm附近，1126nm附近，845nm附近；烷烃类气体吸收红外光的强度组频是第一倍频和第二倍频的多倍，是第三倍频的百多倍，因此对烷烃类混合气体的近红外激光探测选择第一倍频和第二倍频的范围可以将设备造价控制到最合理，同时第一倍频1689nm附近和第二倍频1126nm附近是可调谐半导体激光器的工作范围。

当被测目标气体为烷烃类气体时，实现本发明的烷烃类混合气体激光探测装置，由可调谐波长单频激光器、InGaAs材质激光探测器、可调谐激光器波长控制器、混合气体吸光率记录器、离散余弦变换器、混合气体特征记录器组成；

可调谐波长单频激光器工作波长在800nm到1700nm；

InGaAs材质激光探测器工作波长在 800nm到1700nm；

可调谐激光器波长控制器通过调节提供给可调谐波长单频激光器的电流大小控制可调谐波长单频激光器的输出近红外激光的波长，调节步进设为5nm；

混合气体吸光率记录器用来记录从800nm到1700nm每步进5nm，由InGaAs材质激光探测器反馈的红外激光强度；混合气体吸光率记录器将InGaAs材质激光探测器反馈的红外激光强度结合可调谐波长单频激光器输出的红外激光强度和可调谐波长单频激光器与InGaAs材质激光探测器之间的距离，换算成混合气体吸光率并记录混合气体编号和混合气体波长吸光率图谱，混合气体波长吸光率图谱横坐标是波长，纵坐标是吸光率；

离散余弦变换器对混合气体波长吸光率图谱进行波长方向的离散余弦变换，生成直流系数F(0,0)和交流系数F(u,v)，其中F(0,0)作为与阈值比较的实时监控目标，所有直流系数和交流系数的集合作为混合气体特征值记录在混合气体特征记录器；

混合气体特征记录器记录混合气体编号和实验室环境取得的混合气体的在线监测的阈值；实验室环境取得混合气体的在线监测的阈值的方法如下：当编号的混合气体包含易燃气体组分时，实验室调整编号的混合气体浓度达到混合气体的临爆极限并记录吸光率阈值，使用可调谐激光吸收光谱技术在激光波长800nm到激光波长1700nm之间每增加5nm波长的光谱进行一次被测混合气体吸光率记录，形成横坐标是激光波长从800nm到1700nm，纵坐标是编号的混合气体吸光率的编号的混合气体阈值吸光率光谱；对编号的混合气体阈值吸光率光谱进行离散余弦变换，记录离散余弦变换后直流系数即DC系数的值为编号的混合气体的在线监测的阈值，阈值的确定采取多次测量取均值的方法减小误差；

混合气体特征记录器根据混合气体编号读取对应的混合气体的在线监测的阈值，混合气体特征记录器比较离散余弦变换器实时输出的F(0,0)和混合气体的在线监测的阈值，当F(0,0)达到混合气体的在线监测的阈值的特定百分比时产生告警信号，特定百分比根据实际需要取值。

根据混合气体激光探测方法研究混合气体近红外激光在线监测系统，混合气体近红外激光在线监测系统具有自动判定混合气体类型，自动更新混合气体激光探测装置数据，自动给出混合气体激光探测装置模块最优组合的功能，同时通过数据的积累混合气体近红外激光在线监测系统的精度不断提高。

混合气体的自动判定需要解决混合气体在横坐标为波长纵坐标为吸光率的混合气体波长吸光率曲线上实现标准化和降噪，对经过标准化和降噪的混合气体波长吸光率曲线进行横向即波长方向的离散余弦变换得到直流系数和交流系数，进一步降噪剔除交流系数中的最高频交流系数，将直流系数和除去最高频交流系数的交流系数集合作为混合气体类型识别参数。

混合气体近红外激光在线监测系统由云端混合气体集中分析系统和激光探测器端采集系统组成；云端混合气体集中分析系统由混合气体编号器、曲线标准化算法、离散余弦变换算法、混合气体特征记录器、在线监测端混合气体特征采集器组成；激光探测器端采集系统由激光探测器、曲线标准化算法、离散余弦变换算法、混合气体特征匹配器组成；

混合气体编号器负责记录采样的被测混合气体在实验室条件下的气相参数和波长吸光率曲线；气相参数包括气压、混合气体监控阈值、气相色谱仪得出的气相组成及组分气体浓度；波长吸光率曲线为在确定气压的情况下，实验室条件下对采样的被测混合气体使用混合气体激光探测装置得出的波长吸光率曲线，其中混合气体激光探测装置由可调谐波长单频激光器、InGaAs材质激光探测器、可调谐激光器波长控制器、混合气体吸光率记录器组成；混合气体编号器对记录的被测混合气体进行编号，并生成混合气体吸光率树形列表，混合气体吸光率树形列表的表根是混合气体编号，混合气体吸光率树形列表的紧邻表根的枝干分两组，分别是特征组和阈值组，在特征组中记录混合气体的气压和由气压对应的混合气体波长吸光率曲线；波长吸光率曲线的步进波长为5nm，由可调谐激光器波长控制器控制可调谐波长单频激光器以5nm步进方式用近红外激光照射采样的混合气体，经可调谐激光器与InGaAs材质激光探测器固定距离后，读取InGaAs材质激光探测器的近红外激光强度通过比尔定律得出；对易爆类混合气体，混合气体监控阈值是实验室条件下被测混合气体临爆时的气压和波长吸光率曲线的合集；混合气体编号器将混合气体监控阈值编入混合气体吸光率树形列表，混合气体吸光率树形列表的阈值组内记录混合气体临爆时的气压和波长吸光率曲线；

混合气体编号器调用曲线标准化算法将混合气体吸光率树形列表中的混合气体波长吸光率曲线全部标准化，标准化的方法包括：由5nm步进描点换算成10nm步进描点达到降噪效果，曲线统一从800nm到1650nm描点以减少数据量；经过曲线标准化算法处理的混合气体吸光率树形列表生成标准的混合气体吸光率树形列表；

混合气体编号器调用离散余弦变换算法将标准的混合气体吸光率树形列表中的所有混合气体波长吸光率曲线进行离散余弦变换，生成混合气体特征树形列表，混合气体特征树形列表的表根是混合气体编号，混合气体特征树形列表中紧邻表根的枝干分成两组，分别是特征组和阈值组，在特征组内存储混合气体的气压和气压对应的由波长吸光率曲线经过离散余弦变换生成的直流系数F（0，0）和交流系数F（u，v），在阈值组内存储混合气体临爆时的气压和气压对应的由波长吸光率曲线经过离散余弦变换生成的直流系数F（0，0），阈值组内存储的气压和气压对应的F（0,0）作为混合气体临爆阈值；

混合气体特征树形列表由混合气体特征记录器存储，混合气体编号器将混合气体编号与混合气体的气相参数对应存储于混合气体特征记录器，混合气体特征记录器根据混合气体编号存储混合气体特征树形列表和混合气体的气相参数；

激光探测器由可调谐波长单频激光器、InGaAs材质激光探测器、可调谐激光器波长控制器、混合气体吸光率记录器、气压探测器组成；波长吸光率曲线的步进波长为5nm，由可调谐激光器波长控制器控制可调谐波长单频激光器以5nm步进方式用近红外激光照射采样的混合气体，经可调谐激光器与InGaAs材质激光探测器固定距离后，读取InGaAs材质激光探测器的近红外激光强度通过比尔定律得出；激光探测器读取被监测混合气体的气压和波长吸光率曲线；

激光探测器调用曲线标准化算法将被检测混合气体的波长吸光率曲线标准化生成标准吸光率曲线，标准化的方法包括：由5nm步进描点换算成10nm步进描点达到降噪效果，曲线统一从800nm到1650nm描点以减少数据量；激光探测器调用离散余弦变换算法对标准吸光率曲线进行离散余弦变换生成被监测混合气体特征，被监测混合气体特征包括混合气体的气压和由标准吸光率曲线经离散余弦变换生成的直流系数F’（0,0）和交流系数F’（u，v）；

激光探测器将被监测混合气体特征发送到云端混合气体集中分析系统的在线监测端混合气体特征采集器；

在线监测端混合气体特征采集器，将被监测混合气体特征发送给混合气体特征记录器；混合气体特征记录器将被监测混合气体特征与已经存储的混合气体特征树形列表进行比较计算，比较计算的方法是找到与被测混合气体特征的气压相同且直流系数相同的混合气体特征树形列表，再从中比较被测混合气体特征的交流系数和混合气体特征树形列表中的交流系数，从低频向高频方向比较交流系数，找到交流系数与被测混合气体特征的交流系数数值相同最多的混合气体特征树形列表作为目标混合气体特征树形列表；

混合气体特征记录器将目标混合气体特征树形列表和与目标混合气体特征树形列表对应的气相参数发送给激光探测器端采集系统的混合气体特征匹配器；

激光探测器读取混合气体特征匹配器中的目标混合气体特征树形列表中的混合气体编号确认被检测混合气体类型；激光探测器读取混合气体特征匹配器中的目标混合气体特征树形列表中的阈值组的混合气体临爆阈值作为实时监测的告警阈值；当激光探测器端采集系统有读取被监测混合气体的气相参数的要求时，激光探测器从混合气体特征匹配器读取被检测混合气体的气相参数。

有益效果

混合气体激光探测方法针对混合气体线宽无法确定，激光测试无法得出准确浓度的缺陷采用波长吸光率曲线的离散余弦变换的直流系数作为确定临爆阈值与在线监控值的方式克服了混合气体浓度无法确定的问题，通过离散余弦变换直流系数体现强度的特点简化了近红外激光监控混合气体的步骤，提高了准确性。

烷烃类混合气体激光探测装置根据烷烃类碳氢共价键红外光吸收的本质给出了烷烃类混合气体实现激光探测的基本组成模块，对波长吸光率曲线的步进波长进行了确定，使用可调谐激光器波长控制器对可调谐激光器进行波长步进式控制，同时对可调谐激光器的工作波长的范围进行了确定，烷烃类混合气体激光探测装置组成简单，易于推广，针对烷烃类混合气体的临爆预警具有根据被测混合气体环境进行差别设置的特点。

混合气体近红外激光在线监测系统具有自动判定混合气体类型，自动更新混合气体激光探测装置数据，自动给出混合气体激光探测装置模块最优组合的功能，同时通过数据的积累混合气体近红外激光在线监测系统的精度不断提高。

附图说明

图1是混合气体激光探测方法的流程图；

图2是一维离散余弦变换公式示意图；

图3是二维离散余弦变换公式示意图；

图4是二维离散余弦变换矩阵示意图；

图5是烷烃类混合气体激光探测装置结构示意图；

图6是混合气体近红外激光在线监测系统结构示意图。

具体实施方式

实施例一

参看图1，实现本发明的混合气体激光探测方法由以下步骤完成：

步骤S01，编号混合气体；

为被测混合气体编号，得到编号的混合气体；

步骤S02，采集编号的混合气体用气相色谱仪分析气相组成计算临爆极限的吸光率阈值；

采集编号的混合气体，在实验室应用气相色谱仪分析得到编号的混合气体的气相组成，当编号的混合气体中含有易燃组份时根据理查特理公式计算混合气体的临爆极限的吸光率阈值；将编号的混合气体中重点监测的气相组成成份的气体编号得到被编号的气体，实验室通过确定被编号气体的告警阈值和告警条件，告警条件分为大于等于和小于等于，告警条件根据编号的混合气体用途决定；例如：针对医用氧气，被编号的气体是氧气，告警阈值单位是吸光率，告警条件是小于等于；针对石油原油油气，被编号的气体是甲烷CH4，告警阈值单位是吸光率，告警条件是大于等于；针对汽油油气，被编号的气体是正丁烷和异戊烷，告警阈值单位是吸光率且公认吸光率达到1.1vol%是临爆下限吸光率阈值，告警条件是大于等于；

步骤S03，实验室条件下对编号的混合气体临爆极限状态测试得出波长吸光率曲线，由吸光率曲线经离散余弦变换生成在线监测的阈值；

当编号的混合气体包含易燃气体组分时，实验室调整编号的混合气体浓度达到混合气体的临爆极限并记录吸光率阈值，使用可调谐激光吸收光谱技术在激光波长650nm到激光波长1700nm之间每增加4-20nm波长的光谱进行一次被测混合气体吸光率记录，形成横坐标是激光波长从650nm到1700nm，纵坐标是编号的混合气体吸光率的编号的混合气体阈值吸光率光谱；对编号的混合气体阈值吸光率光谱进行离散余弦变换，记录离散余弦变换后直流系数即DC系数的值为编号的混合气体的在线监测的阈值，阈值的确定采取多次测量取均值的方法减小误差；当编号的混合气体不包含易燃气体时，实验室调整编号的混合气体浓度达到编号的混合气体中重点检测的气相组成成份的编号气体的吸光率阈值，使用可调谐激光吸收光谱技术在激光波长650nm到激光波长1700nm之间每增加4-20nm波长的光谱进行一次被测混合气体吸光率记录，形成横坐标是激光波长从650nm到1700nm，纵坐标是编号的混合气体吸光率的编号的混合气体阈值吸光率光谱；对编号的混合气体阈值吸光率光谱进行离散余弦变换，记录离散余弦变换后DC系数的值为编号的混合气体的在线监测的阈值；

步骤S04，使用可调谐激光吸收光谱技术实时监测编号的混合气体的在线监测值；

使用可调谐激光吸收光谱技术实时监测编号的混合气体，在激光波长650nm到激光波长1700nm之间每隔4-20nm波长的光谱进行一次编号的混合气体吸光率记录，形成横坐标是激光波长从650nm到1700nm，纵坐标是编号的混合气体吸光率的编号的混合气体吸光率光谱，对编号的混合气体吸光率光谱进行离散余弦变换，记录离散余弦变换后DC系数的值为编号的混合气体的在线监测值；

步骤S05，根据告警条件比较混合气体的在线监测值和混合气体的在线监测的阈值；

读取编号的混合气体的告警条件，实时比较编号的混合气体的在线监测值与编号的混合气体的在线监测的阈值，符合告警条件时触发警报。

实施例二

实现本发明的烷烃类混合气体激光探测装置b，由可调谐波长单频激光器b1、InGaAs材质激光探测器b2、可调谐激光器波长控制器b3、混合气体吸光率记录器b4、离散余弦变换器b6、混合气体特征记录器b5组成；

可调谐波长单频激光器b1工作波长在800nm到1700nm；

InGaAs材质激光探测器b2工作波长在 800nm到1700nm；

可调谐激光器波长控制器b3通过调节提供给可调谐波长单频激光器b1的电流大小控制可调谐波长单频激光器b1输出的近红外激光的波长，调节步进设为5nm；

混合气体吸光率记录器b4用来记录从800nm到1700nm每步进5nm，由InGaAs材质激光探测器b2反馈的红外激光强度；混合气体吸光率记录器b4将InGaAs材质激光探测器b2反馈的红外激光强度结合可调谐波长单频激光器b1输出的红外激光强度和可调谐波长单频激光器b1与InGaAs材质激光探测器b2之间的距离，换算成混合气体吸光率并记录混合气体编号和混合气体波长吸光率图谱，混合气体波长吸光率图谱横坐标是波长，纵坐标是吸光率；

离散余弦变换器b6对混合气体波长吸光率图谱进行波长方向的离散余弦变换，生成直流系数F(0,0)和交流系数F(u,v)，其中F(0,0)作为与阈值比较的实时监控目标，所有直流系数和交流系数的集合作为混合气体特征值记录在混合气体特征记录器b5；

混合气体特征记录器b5记录混合气体编号和实验室环境取得的混合气体的在线监测的阈值；实验室环境取得混合气体的在线监测的阈值的方法如下：当编号的混合气体包含易燃气体组分时，实验室调整编号的混合气体浓度达到混合气体的临爆极限并记录吸光率阈值，使用可调谐激光吸收光谱技术在激光波长800nm到激光波长1700nm之间每增加5nm波长的光谱进行一次被测混合气体吸光率记录，形成横坐标是激光波长从800nm到1700nm，纵坐标是编号的混合气体吸光率的编号的混合气体阈值吸光率光谱；对编号的混合气体阈值吸光率光谱进行离散余弦变换，记录离散余弦变换后直流系数即DC系数的值为编号的混合气体的在线监测的阈值，阈值的确定采取多次测量取均值的方法减小误差；

混合气体特征记录器b5根据混合气体编号读取对应的混合气体的在线监测的阈值，混合气体特征记录器比较离散余弦变换器b6实时输出的F(0,0)和混合气体的在线监测的阈值，当F(0,0)达到混合气体的在线监测的阈值的特定百分比时产生告警信号，特定百分比根据实际需要取值。

实施例三

混合气体近红外激光在线监测系统由云端混合气体集中分析系统A和激光探测器端采集系统B组成；云端混合气体集中分析系统A由混合气体编号器1、曲线标准化算法2、离散余弦变换算法3、混合气体特征记录器4、在线监测端混合气体特征采集器5组成；激光探测器端采集系统B由激光探测器6、曲线标准化算法7、离散余弦变换算法8、混合气体特征匹配器9组成；

混合气体编号器1负责记录采样的被测混合气体在实验室条件下的气相参数11和波长吸光率曲线10；气相参数11包括气压、混合气体监控阈值、气相色谱仪得出的气相组成及组分气体浓度；波长吸光率曲线10为在确定气压的情况下，实验室条件下对采样的被测混合气体使用混合气体激光探测装置得出的波长吸光率曲线，其中混合气体激光探测装置由可调谐波长单频激光器、InGaAs材质激光探测器、可调谐激光器波长控制器、混合气体吸光率记录器组成；混合气体编号器1对记录的被测混合气体进行编号，并生成混合气体吸光率树形列表13，混合气体吸光率树形列表13的表根是混合气体编号，混合气体吸光率树形列表13的紧邻表根的枝干分两组，分别是特征组和阈值组，在特征组中记录混合气体的气压和由气压对应的混合气体波长吸光率曲线10；波长吸光率曲线10的步进波长为5nm，由可调谐激光器波长控制器控制可调谐波长单频激光器以5nm步进方式用近红外激光照射采样的混合气体，经可调谐激光器与InGaAs材质激光探测器固定距离后，读取InGaAs材质激光探测器的近红外激光强度通过比尔定律得出；对易爆类混合气体，混合气体监控阈值是实验室条件下被测混合气体临爆时的气压和波长吸光率曲线的合集；混合气体编号器1将混合气体监控阈值编入混合气体吸光率树形列表13，混合气体吸光率树形列表13的阈值组内记录混合气体临爆时的气压和波长吸光率曲线10；

混合气体编号器1调用曲线标准化算法2将混合气体吸光率树形列表13中的混合气体波长吸光率曲线全部标准化，标准化的方法包括：由5nm步进描点换算成10nm步进描点达到降噪效果，曲线统一从800nm到1650nm描点以减少数据量；经过曲线标准化算法2处理的混合气体吸光率树形列表13生成标准的混合气体吸光率树形列表20；

混合气体编号器1调用离散余弦变换算法3将标准的混合气体吸光率树形列表13中的所有混合气体波长吸光率曲线进行离散余弦变换，生成混合气体特征树形列表30，混合气体特征树形列表30的表根是混合气体编号，混合气体特征树形列表30中紧邻表根的枝干分成两组，分别是特征组和阈值组，在特征组内存储混合气体的气压和气压对应的由波长吸光率曲线经过离散余弦变换生成的直流系数F（0，0）和交流系数F（u，v），在阈值组内存储混合气体临爆时的气压和气压对应的由波长吸光率曲线经过离散余弦变换生成的直流系数F（0，0），阈值组内存储的气压和气压对应的F（0,0）作为混合气体临爆阈值；

混合气体特征树形列表30由混合气体特征记录器存储4，混合气体编号器1将混合气体编号与混合气体的气相参数11对应存储于混合气体特征记录器4，混合气体特征记录器4根据混合气体编号存储混合气体特征树形列表30和混合气体的气相参数11；

激光探测器6由可调谐波长单频激光器、InGaAs材质激光探测器、可调谐激光器波长控制器、混合气体吸光率记录器、气压探测器组成；波长吸光率曲线的步进波长为5nm，由可调谐激光器波长控制器控制可调谐波长单频激光器以5nm步进方式用近红外激光照射采样的混合气体，经可调谐激光器与InGaAs材质激光探测器固定距离后，读取InGaAs材质激光探测器的近红外激光强度通过比尔定律得出；激光探测器6读取被监测混合气体的气压61和波长吸光率曲线60；

激光探测器6调用曲线标准化算法7将被检测混合气体的波长吸光率曲线标准化生成标准吸光率曲线70，标准化的方法包括：由5nm步进描点换算成10nm步进描点达到降噪效果，曲线统一从800nm到1650nm描点以减少数据量；激光探测器6调用离散余弦变换算法8对标准吸光率曲线70进行离散余弦变换生成被监测混合气体特征80，被监测混合气体特征80包括混合气体的气压61和由标准吸光率曲线70经离散余弦变换生成的直流系数F’（0,0）和交流系数F’（u，v）；

激光探测器6将被监测混合气体特征80发送到云端混合气体集中分析系统A的在线监测端混合气体特征采集器5；

在线监测端混合气体特征采集器5，将被监测混合气体特征80发送给混合气体特征记录器4；混合气体特征记录器4将被监测混合气体特征80与已经存储的混合气体特征树形列表30进行比较计算，比较计算的方法是找到与被测混合气体特征的气压相同且直流系数相同的混合气体特征树形列表30，再从中比较被测混合气体特征的交流系数和混合气体特征树形列表30中的交流系数，从低频向高频方向比较交流系数，找到交流系数与被测混合气体特征的交流系数数值相同最多的混合气体特征树形列表30作为目标混合气体特征树形列表40；

混合气体特征记录器4将目标混合气体特征树形列表40和与目标混合气体特征树形列表40对应的气相参数11发送给激光探测器端采集系统B的混合气体特征匹配器9；

激光探测器6读取混合气体特征匹配器9中的目标混合气体特征树形列表40中的混合气体编号确认被检测混合气体类型；激光探测器6读取混合气体特征匹配器9中的目标混合气体特征树形列表40中的阈值组的混合气体临爆阈值作为实时监测的告警阈值；当激光探测器端采集系统B有读取被监测混合气体的气相参数11的要求时，激光探测器6从混合气体特征匹配器9读取被检测混合气体的气相参数11。

Claims (1)

1.混合气体近红外激光在线监测系统，其特征在于由云端混合气体集中分析系统和激光探测器端采集系统组成；云端混合气体集中分析系统由混合气体编号器、曲线标准化算法、离散余弦变换算法、混合气体特征记录器、在线监测端混合气体特征采集器组成；激光探测器端采集系统由激光探测器、曲线标准化算法、离散余弦变换算法、混合气体特征匹配器组成；

混合气体编号器负责记录采样的被测混合气体在实验室条件下的气相参数和波长吸光率曲线；气相参数包括气压、混合气体监控阈值、气相色谱仪得出的气相组成及组分气体浓度；波长吸光率曲线为在确定气压的情况下，实验室条件下对采样的被测混合气体使用混合气体激光探测装置得出的波长吸光率曲线，其中混合气体激光探测装置由可调谐波长单频激光器、InGaAs材质激光探测器、可调谐激光器波长控制器、混合气体吸光率记录器组成；混合气体编号器对记录的被测混合气体进行编号，并生成混合气体吸光率树形列表，混合气体吸光率树形列表的表根是混合气体编号，混合气体吸光率树形列表的紧邻表根的枝干分两组，分别是特征组和阈值组，在特征组中记录混合气体的气压和由气压对应的混合气体波长吸光率曲线；波长吸光率曲线的步进波长为5nm，由可调谐激光器波长控制器控制可调谐波长单频激光器以5nm步进方式用近红外激光照射采样的混合气体，经可调谐激光器与InGaAs材质激光探测器固定距离后，读取InGaAs材质激光探测器的近红外激光强度通过比尔定律得出；对易爆类混合气体，混合气体监控阈值是实验室条件下被测混合气体临爆时的气压和波长吸光率曲线的合集；混合气体编号器将混合气体监控阈值编入混合气体吸光率树形列表，混合气体吸光率树形列表的阈值组内记录混合气体临爆时的气压和波长吸光率曲线；

混合气体编号器调用曲线标准化算法将混合气体吸光率树形列表中的混合气体波长吸光率曲线全部标准化，标准化的方法包括：由5nm步进描点换算成10nm步进描点达到降噪效果，曲线统一从800nm到1650nm描点以减少数据量；经过曲线标准化算法处理的混合气体吸光率树形列表生成标准的混合气体吸光率树形列表；

混合气体编号器调用离散余弦变换算法将标准的混合气体吸光率树形列表中的所有混合气体波长吸光率曲线进行离散余弦变换，生成混合气体特征树形列表，混合气体特征树形列表的表根是混合气体编号，混合气体特征树形列表中紧邻表根的枝干分成两组，分别是特征组和阈值组，在特征组内存储混合气体的气压和气压对应的由波长吸光率曲线经过离散余弦变换生成的直流系数F（0，0）和交流系数F（u，v），在阈值组内存储混合气体临爆时的气压和气压对应的由波长吸光率曲线经过离散余弦变换生成的直流系数F（0，0），阈值组内存储的气压和气压对应的F（0,0）作为混合气体临爆阈值；

混合气体特征树形列表由混合气体特征记录器存储，混合气体编号器将混合气体编号与混合气体的气相参数对应存储于混合气体特征记录器，混合气体特征记录器根据混合气体编号存储混合气体特征树形列表和混合气体的气相参数；

激光探测器由可调谐波长单频激光器、InGaAs材质激光探测器、可调谐激光器波长控制器、混合气体吸光率记录器、气压探测器组成；波长吸光率曲线的步进波长为5nm，由可调谐激光器波长控制器控制可调谐波长单频激光器以5nm步进方式用近红外激光照射采样的混合气体，经可调谐激光器与InGaAs材质激光探测器固定距离后，读取InGaAs材质激光探测器的近红外激光强度通过比尔定律得出；激光探测器读取被监测混合气体的气压和波长吸光率曲线；

激光探测器调用曲线标准化算法将被检测混合气体的波长吸光率曲线标准化生成标准吸光率曲线，标准化的方法包括：由5nm步进描点换算成10nm步进描点达到降噪效果，曲线统一从800nm到1650nm描点以减少数据量；激光探测器调用离散余弦变换算法对标准吸光率曲线进行离散余弦变换生成被监测混合气体特征，被监测混合气体特征包括混合气体的气压和由标准吸光率曲线经离散余弦变换生成的直流系数F’（0,0）和交流系数F’（u，v）；

激光探测器将被监测混合气体特征发送到云端混合气体集中分析系统的在线监测端混合气体特征采集器；

在线监测端混合气体特征采集器，将被监测混合气体特征发送给混合气体特征记录器；混合气体特征记录器将被监测混合气体特征与已经存储的混合气体特征树形列表进行比较计算，比较计算的方法是找到与被测混合气体特征的气压相同且直流系数相同的混合气体特征树形列表，再从中比较被测混合气体特征的交流系数和混合气体特征树形列表中的交流系数，从低频向高频方向比较交流系数，找到交流系数与被测混合气体特征的交流系数数值相同最多的混合气体特征树形列表作为目标混合气体特征树形列表；

混合气体特征记录器将目标混合气体特征树形列表和与目标混合气体特征树形列表对应的气相参数发送给激光探测器端采集系统的混合气体特征匹配器；

激光探测器读取混合气体特征匹配器中的目标混合气体特征树形列表中的混合气体编号确认被检测混合气体类型；激光探测器读取混合气体特征匹配器中的目标混合气体特征树形列表中的阈值组的混合气体临爆阈值作为实时监测的告警阈值；当激光探测器端采集系统有读取被监测混合气体的气相参数的要求时，激光探测器从混合气体特征匹配器读取被检测混合气体的气相参数。