CN110927093A - 一种基于迈克尔逊型红外光谱技术的气体探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于迈克尔逊型红外光谱技术的气体探测系统，该系统包括：气体处理模块，对待测气体进行实时提取和处理，获得气体样本；红外光谱仪，输入端与气体抽取模块的输出端连接，对气体样本进行探测处理，获得气体光谱模型；气体存储模块，用于存储已知气体的红外光谱信息，并作为光谱数据库；气体判定模块，第一输入端与红外光谱仪的输出端连接，第二输入端与气体存储模块的输出端连接，将气体光谱模型与气体存储模块中的光谱数据库进行实时的光谱反演算法处理，判定出气体样本的判定结果。此发明解决了对气体检测的准确性和安全差的问题，通过在线实时监测，无需标定校准，操作简便，有效提高了检测效率。
Description
技术领域
本发明涉及气体探测技术领域，具体涉及一种基于迈克尔逊型红外光谱技术的气体探测系统。
背景技术
随着检测技术的发展，社会对气体检测的要求也不断提高。其中，对气体检测的应用领域尤为广泛，石油领域、矿工领域、生物医疗领域、生物化学制药领域、地铁安防领域等等。
石油化工领域中，石化园区在各个环节都大量存在各类易燃、易爆、有毒气体和液体，一旦发生泄漏，事故后果危险性大，为园区带来了巨大的安全隐患。
矿工领域中煤矿灾害类型也较多且复杂。煤炭瓦斯是在煤炭采掘过程中从煤层、岩层、采空区中放出和生产过程中的多种可燃、可爆气体的总称。矿井瓦斯气体的来源主要有在煤层与周围岩涌入到矿井的气体、矿井生产过程中生产的气体。矿井瓦斯气体不仅对煤矿安全生产造成威胁，也给我们的生产生活环境带来了破坏，在一定程度上制约了煤矿安全生产技术的进步与发展。
地铁安防领域中，地铁具有客流量大、人口密集、空间局限、设备设施复杂等特性，如若发生事故或意外，大量的人员伤亡以及经济方面的损失就会不可避免。对于惨剧的发生，地铁安检措施的缺失对此具有不可推卸的责任。然而，目前地铁安检设备多是X光安检仪、安检门、手握式金属检测仪等设备，极少配备针对有毒气体的检测仪，更少能对整个地铁站多区域空间的危险气体探测系统。
生物医疗领域中，由于不良生活方式、电离辐射、遗传、人口老龄化程度加剧、肺部和肝部慢性感染性疾病增多的因素，肺癌、肝癌的发病率越来越高，是全球范围内癌症死亡的首位原因。然而，对肺癌、肝癌的早期探测存在困难。
生物化学制药领域中，生物和化学制药行业挥发性有机物与恶臭气体涉及有组织和无组织排放。
在不同的应用领域中，对气体检测的需求越来越强。
麦克尔逊型红外光谱分析技术作为定性定量分析气体的一种有效手段，越来越受到研究人员的关注，目前在食品、医药、材料等领域已经得到较为广泛的应用。红外光谱主要是研究分子中以化学键连接的原子之间的振动光谱和分子的转动光谱，对有机和无机化合物的定性分析具有显著的特性，常用于鉴别分析化学成分。麦克尔逊型红外光谱是属于红外光谱分析中重要的一个分支，具有高光谱分辨率、多通道、高光通量、光谱宽范围及扫描速率快等优点。作为高精密光谱仪器分析，越来越多地被应用于生产生活中的在线实时检测。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于迈克尔逊型红外光谱技术的气体探测系统。此系统旨在解决气体检测准确性和安全差的问题，通过在线实时监测，无需标定校准，操作简便，有效提高检测效率。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于迈克尔逊型红外光谱技术的气体探测系统，该系统包括：
气体处理模块，用于对待测气体进行实时提取和处理，获得气体样本；
红外光谱仪，输入端与气体抽取模块的输出端连接，对气体样本进行探测处理，获得气体光谱模型；
气体存储模块，用于存储已知气体的红外光谱信息，并作为光谱数据库；
气体判定模块，第一输入端与红外光谱仪的输出端连接，第二输入端与气体存储模块的输出端连接，将气体光谱模型与气体存储模块中的光谱数据库进行实时的光谱反演算法处理，判定出气体样本的判定结果。
最优选的，该系统还包括显示模块；显示模块与气体判定模块的输出端连接，用于将判定结果显示出来。
最优选的，该系统还包括预警模块；预警模块与显示模块连接，用于根据判定结果做出预警报告。
最优选的，气体处理模块还包括：
抽取模块，用于从待测气体中随机抽取部分气体；
预处理模块，输入端与抽取模块的输出端连接，用于对随机抽取的部分气体进行预处理，获得预处理后的气体；
吹扫模块，用于通过吹扫模块中存储的惰性气体对预处理后的气体进行吹扫，防止残留杂质气体，获得气体样本；
气体样本池，第一输入端与预处理模块的输出端连接，第二输入端与吹扫模块的输出端连接，输出端与红外光谱仪的输入端连接，用于存储气体样本，用于红外光谱仪的探测。
最优选的，气体处理模块中还包括：
第一气体阀，设置在抽取模块与预处理模块之间，用于控制抽取模块中随机抽取的部分气体进入预处理模块的速率；
第二气体阀，设置在预处理模块与气体样本池之间，用于控制预处理模块中的预处理后的气体进入气体样本池的速率；
第三气体阀，设置在吹扫模块与气体样本池之间，用于控制吹扫模块中存储的惰性气体对预处理后的气体进行吹扫的速率。
最优选的，吹扫模块中存储的惰性气体为氮气。
最优选的，气体判定模块还包括：
比对模块，第一输入端与红外光谱仪的输出端连接，第二输入端与气体存储模块的输出端连接，将气体光谱模型与光谱数据库进行实时的光谱反演算法处理，获得比对信息；
种类判定模块，输入端与比对模块的输出端连接，根据比对信息对气体样本的组分种类进行判定；
定量判定模块，输入端与种类判定模块的输出端连接，对组分种类判定后的气体样本进行组分定量的判定，获得气体样本的判定结果。
最优选的，判定结果包括气体样本的组分种类以及组分定量。
最优选的，待测气体可以为对人体存在危害的外界有害气体；待测气体可以为人体呼出的气体。
最优选的，光谱数据库包括不同的领域中的各种已知气体的红外光谱信息、已知气体组分的红外光谱信息以及已知气体定量的红外光谱信息。
运用此发明，解决了对气体检测的准确性和安全差的问题，通过在线实时监测，无需标定校准，操作简便，有效提高了检测效率。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用该气体探测系统实现了实时在线监测，减小了环境因素的影响，保证检测的准确性和维护的安全性。
2、本发明提供的该气体探测系统操作简便，无需标定校准，提高了检测效率。
附图说明
图1为本发明提供的该气体探测系统的结构示意图；
图2为本发明提供的气体处理模块的结构示意图；
图3为常用的迈克尔逊型红外光谱仪的光路结构示意图；
图4为本发明提供的气体判定模块的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
本发明是一种基于迈克尔逊型红外光谱技术的气体探测系统，如图1所示，该系统包括气体处理模块1、红外光谱仪2、气体存储模块3、气体判定模块4、显示模块5和预警模块6。
气体处理模块1用于对待测气体进行实时提取和处理，获得气体样本；红外光谱仪2的输入端与气体抽取模块1的输出端连接，对气体样本进行探测处理，获得气体光谱模型；气体存储模块3用于存储已知气体的红外光谱信息，并作为光谱数据库；气体判定模块4的第一输入端与红外光谱仪2的输出端连接，第二输入端与气体存储模块3的输出端连接，将气体光谱模型与气体存储模块3中的光谱数据库进行实时的光谱反演算法处理，判定出气体样本的判定结果。
显示模块5与气体判定模块4的输出端连接，用于将判定结果显示出来；预警模块6与显示模块5连接，用于根据判定结果做出预警报告。
如图2所示，气体处理模块1还包括抽取模块7、第一气体阀8、预处理模块9、第二气体阀10、吹扫模块11、第三气体阀12和气体样本池13。
抽取模块7用于从待测气体中随机抽取部分气体。
预处理模块9的输入端与抽取模块7的输出端连接，用于对随机抽取的部分气体进行预处理，获得预处理后的气体；其中，气体的预处理是对随机抽取的部分气体进行干燥处理，然后进行测量，以保证后续红外光谱仪2取的气体样本的红外光谱模型准确可靠。
吹扫模块11通过吹扫模块11中存储的惰性气体对预处理后的气体进行吹扫，防止残留杂质气体获得气体样本，增加了后续气体判定模块4的准确性。
气体样本池13，第一输入端与预处理模块9的输出端连接，第二输入端与吹扫模块11的输出端连接，输出端与红外光谱仪2的输入端连接，用于存储气体样本，用于红外光谱仪2的探测。
第一气体阀8设置在抽取模块7与预处理模块9之间，用于控制抽取模块7中随机抽取的部分气体进入预处理模块9的速率；第二气体阀10设置在预处理模块9与气体样本池13之间，用于控制预处理模块9中的预处理后的气体进入气体样本池13的速率；第三气体12阀设置在吹扫模块11与气体样本池13之间，用于控制吹扫模块11中存储的惰性气体对预处理后的气体进行吹扫的速率。吹扫模块11中存储的惰性气体为氮气。
如图3所示，红外光谱仪为GFTI-LD19型号的红外光谱仪。红外光谱仪主要包括通过光路连接的光源、反射镜、迈克尔逊干涉仪、准直镜、光阑等核心部件，本实施例中，红外光谱仪采集测量范围为4200-600cm-1，光谱分辨率为1cm-1。
如图4所示，气体判定模块4还包括比对模块14、种类判定模块15和定量判定模块16。
比对模块14，第一输入端与红外光谱仪2的输出端连接，第二输入端与气体存储模块3的输出端连接，将气体光谱模型与光谱数据库进行实时的光谱反演算法处理，获得比对信息。
种类判定模块15，输入端与比对模块14的输出端连接，根据比对信息对气体样本的组分种类进行判定。
定量判定模块16，输入端与种类判定模块15的输出端连接，对组分种类判定后的气体样本进行组分定量的判定，获得气体样本的判定结果。判定结果包括气体样本的组分种类以及组分定量。
该气体探测系统可以应用在不同的领域中，包括石油领域、矿工领域、生物医疗领域、生物化学制药领域、地铁安防领域等，则应用在不同的领域中，待测气体可以为应用在石油领域、矿工领域和/地铁安防领域中对人体存在危害的外界有害气体，待测气体可以也可以为应用在生物医疗领域和/或化学制药领域中人体呼出的气体，根据判定人体呼出的气体的判定结果用来诊断肺癌、胃癌等疾病。
光谱数据库包括不同的领域中的各种已知气体的红外光谱信息、已知气体组分的红外光谱信息以及已知气体定量的红外光谱信息。
实施例1中，该气体探测系统应用在石油、矿工领域中。
石油化工领域中，石化园区在各个环节都大量存在各类易燃、易爆、有毒气体和液体，一旦发生泄漏，事故后果危险性大，为园区带来了巨大的安全隐患。
矿工领域中煤矿灾害类型也较多且复杂。煤炭瓦斯是在煤炭采掘过程中从煤层、岩层、采空区中放出和生产过程中的多种可燃、可爆气体的总称。矿井瓦斯气体的来源主要有在煤层与周围岩涌入到矿井的气体、矿井生产过程中生产的气体。矿井瓦斯气体不仅对煤矿安全生产造成威胁，也给我们的生产生活环境带来了破坏，在一定程度上制约了煤矿安全生产技术的进步与发展。
其中，石油化工园区中的有毒气体和矿井瓦斯气体的主要组分种类有12 种，分别为：甲烷(CH4)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、正丁烷(n-C4H10)、异丁烷(i-C4H10)、丙烯(C3H6)、二氧化硫(SO2)、硫化氢(H2S)。
因此，采用本申请文件中的气体探测系统，及时、准确、实时地掌握石油化工园区中的有毒气体和煤矿井下灾害气体的变化规律，并据此制定防范与治理措施就显得尤为重要。
则，该气体探测系统中的气体存储模块3存储的光谱数据库中将概率最高的12种气体作为判定标准，从而便捷、快速的探测待测气体的组分种类以及组分定量。
实施例2中，该气体探测系统应用在地铁安防领域中，地铁具有客流量大、人口密集、空间局限、设备设施复杂等特性，如若发生事故或意外，大量的人员伤亡以及经济方面的损失就会不可避免。对于惨剧的发生，地铁安检措施的缺失对此具有不可推卸的责任。然而，目前地铁安检设备多是X光安检仪、安检门、手握式金属检测仪等设备，极少配备针对有毒气体的检测仪，更少能对整个地铁站多区域空间的危险气体探测系统。
则，该气体探测系统基于主特征吸收法，判定气体成分内是否含有危险气体。其中，气体存储模块存储的光谱数据库中选取不同气体成分的7个主要吸收峰位作为判定标准，通过比对模块对气体样本和光谱数据库进行实时、快速的光谱反演算法处理，从而便捷、快速的探测地铁气体成分中的危险气体种类。
实施例3中，该气体探测系统应用在生物医疗领域中，用于诊断肺癌、肝癌等疾病。由于不良生活方式、电离辐射、遗传、人口老龄化程度加剧、肺部和肝部慢性感染性疾病增多的因素，肺癌、肝癌的发病率越来越高，是全球范围内癌症死亡的首位原因。
但肺癌、肝癌由于早期临床表现并不典型，因此有超过70％的肺癌、肝癌患者在得到诊断时已经处于疾病的晚期，具有局部、区域或远处转移，无法再进行手术，进而也提高了肺癌、肝癌的致死率。因此，采用该气体探测系统来提高肺癌、肝癌的早期诊断率尤为重要。
在人体的呼出气中，氮、氧、二氧化碳、氩4种气体共占无水呼气容积 99.9％以上，而其他的气体成分不足0.1％，这不足0.1％的气体定义为痕迹气体(trace gas)。痕迹气体可分为无机物和有机物两大类，有机物包括烃、醇、酮、酸、胺、酯等。
由于身体机能发生变化，口腔呼出的痕迹挥发性有机物的成分会发生不同的变化，挥发性有机物的成分变化一定程度上能够反映机体的病理、生理状态。利用这些痕迹气体的变化，可以检测一些相关疾病，呼出气体检测与其他检测方法相比，具有无创，便捷，灵敏度高等特点。
研究表明，伴随着肺癌、肝癌的，人体呼出气体中会出现6种等强相关性的痕迹气体，分别为：2-乙酰基吡咯、2-环己酮、癸烷、葛缕醇、醋酸-2- 乙基己酯和二苯乙烯苷，因此可以利用该气体探测系统探测人体口腔气体的组分，实现无创、快速、准确的肺癌、肝癌的前期诊断。
则，该气体探测系统中的气体存储模块3存储的光谱数据库中选取该6 种等强相关性的痕迹气体的5个最强吸收峰位作为主特征吸收峰位，作为判定标准。继而，通过比对模块14对气体样本和光谱数据库采用偏最小二乘法算法，进行实时、快速的光谱反演算法处理，从而便捷、快速的探测口腔气体中痕迹气体的种类，判定待检查患者的患病信息，包括是否患有肺癌、肝癌以及患病严重程度等。
实施例4中，该气体探测系统应用在生物化学制药领域中，生物和化学制药行业挥发性有机物与恶臭气体涉及有组织和无组织排放。有组织废气包括发酵废气、工艺有机废气、废水处理站废气、罐区废气、工艺含尘废气、工艺酸碱废气、危废暂存废气、沼气等。无组织排放节点主要包括原辅材料储存、生产过程动静密封点(阀门、法兰、泵、罐口、接口等)、敞口容器、固废储存、废水处理及含挥发性有机化合物(VOCs)物料的输送、储存、投加、转移、卸放、反应、搅拌混合、分离精制、真空、包装等。
原料药制造投入的原辅料的种类数量多，其中一些属于危险化学品，投入的物料产成品转化率低，造成污染物种类多、生物毒性大的特点。排放的主要气态污染物主要有18种，分别为：挥发性有机化合物(VOCs)、苯、甲苯、二甲苯、酚类、甲醛、乙醛、丙烯醛、甲醇、苯胺类、氯苯类、硝基苯类、氯乙烯、二氧化硫(SO2)、氧氮化物(NOX)、氯化氢(HCl)、硫化氢(H2S)、氨气(NH3)等。
发酵类药物生产过程产生的废气主要包括发酵废气、含溶剂废气、含尘废气、酸碱废气及废水处理装置产生的恶臭气体。发酵废气气量大，一般每个300m2发酵罐的排气量在3000～5000m3/h，通常每个企业的发酵罐数量在 10个以上，主要成分为空气和二氧化碳，同时含有少量培养基物质以及发酵后期细菌开始产生抗生素时菌丝的气味，如直接排放，对厂区周边大气环境质量影响较大。有机废气主要产生于发酵、分离、提取等生产工序。废水处理装置产生恶臭气体。
化学合成类制药企业主要废气排放源包括四部分：蒸馏、蒸发浓缩工段产生的含挥发性有机物(VOCs)不凝气，合成反应、分离提取过程产生的有机溶剂废气；使用盐酸、氨水调节pH值产生的酸碱废气；粉碎、干燥排放的粉尘；废水处理设施产生的恶臭气体。排放的大气污染物主要有氯化氢、溶剂(丁酯、丁醇、二氯甲烷、异丙醇、丙酮、乙腈、乙醇等)、氨气(NH3) 等。
生物药生产过程采用的原材料、工艺、污染排污特征不同。生物制药产生的挥发性有机物(VOCs)主要来自溶剂的使用，如瓶子洗涤、溶剂提取、多肽合成仪等的排风以及研发、检验等排气。
则，该气体探测系统基于主成分分析法，探测生物和化学制药生产过程中，气体存储模块3存储的光谱数据库中选取气体的18种组分，作为判定标准。继而，通过比对模块14对气体样本和光谱数据库进行实时、快速的光谱反演算法处理，从而便捷、快速的探测气体组分种类及组分定量，定性和定量的判定生物与化学制药过程中挥发性有机物(VOCs)与恶臭气体的组分。
本发明的工作原理：
气体处理模块对待测气体进行实时提取和处理，获得气体样本；红外光谱仪，输入端与气体抽取模块的输出端连接，对气体样本进行探测处理，获得气体光谱模型；气体存储模块，存储已知的气体类型、气体组分以及气体定量的光谱数据库；气体判定模块，第一输入端与红外光谱仪的输出端连接，第二输入端与气体存储模块的输出端连接，将气体光谱模型与气体存储模块中的光谱数据库进行实时的光谱反演算法处理，判定出气体样本的判定结果。
综上所述，本发明一种基于迈克尔逊型红外光谱技术的气体探测系统，解决了对气体检测的准确性和安全差的问题，通过在线实时监测，无需标定校准，操作简便，有效提高了检测效率。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种基于迈克尔逊型红外光谱技术的气体探测系统，其特征在于，该系统包括：
气体处理模块，用于对待测气体进行实时提取和处理，获得气体样本；
红外光谱仪，输入端与所述气体抽取模块的输出端连接，对所述气体样本进行探测处理，获得气体光谱模型；
气体存储模块，用于存储已知气体的红外光谱信息，并作为光谱数据库；
气体判定模块，第一输入端与所述红外光谱仪的输出端连接，第二输入端与所述气体存储模块的输出端连接，将所述气体光谱模型与所述气体存储模块中的所述光谱数据库进行实时的光谱反演算法处理，判定出所述气体样本的判定结果。
2.如权利要求1所述的基于迈克尔逊型红外光谱技术的气体探测系统，其特征在于，该系统还包括显示模块；所述显示模块与所述气体判定模块的输出端连接，用于将所述判定结果显示出来。
3.如权利要求1所述的基于迈克尔逊型红外光谱技术的气体探测系统，其特征在于，该系统还包括预警模块；所述预警模块与所述显示模块连接，用于根据所述判定结果做出预警报告。
4.如权利要求1所述的基于迈克尔逊型红外光谱技术的气体探测系统，其特征在于，所述气体处理模块还包括：
抽取模块，用于从待测气体中随机抽取部分气体；
预处理模块，输入端与所述抽取模块的输出端连接，用于对随机抽取的部分气体进行预处理，获得预处理后的气体；
吹扫模块，用于通过所述吹扫模块中存储的惰性气体对处理后的气体进行吹扫，防止残留杂质气体，获得气体样本；
气体样本池，第一输入端与所述预处理模块的输出端连接，第二输入端与所述吹扫模块的输出端连接，输出端与所述红外光谱仪的输入端连接，用于存储气体样本，用于所述红外光谱仪的探测。
5.如权利要求4所述的基于迈克尔逊型红外光谱技术的气体探测系统，其特征在于，所述气体处理模块中还包括：
第一气体阀，设置在所述抽取模块与所述预处理模块之间，用于控制所述抽取模块中随机抽取的部分气体进入所述预处理模块的速率；
第二气体阀，设置在所述预处理模块与所述气体样本池之间，用于控制所述预处理模块中的预处理后的气体进入所述气体样本池的速率；
第三气体阀，设置在所述吹扫模块与所述气体样本池之间，用于控制所述吹扫模块中存储的惰性气体对所述预处理后的气体进行吹扫的速率。
6.如权利要求4所述的基于迈克尔逊型红外光谱技术的气体探测系统，其特征在于，所述吹扫模块中存储的惰性气体为氮气。
7.如权利要求1所述的基于迈克尔逊型红外光谱技术的气体探测系统，其特征在于，气体判定模块还包括：
比对模块，第一输入端与所述红外光谱仪的输出端连接，第二输入端与所述气体存储模块的输出端连接，将所述气体光谱模型与所述光谱数据库进行实时的光谱反演算法处理，获得比对信息；
种类判定模块，输入端与所述比对模块的输出端连接，根据所述比对信息对所述气体样本的组分种类进行判定；
定量判定模块，输入端与所述种类判定模块的输出端连接，对组分种类判定后的气体样本进行组分定量的判定，获得气体样本的判定结果。
8.如权利要求7所述的基于迈克尔逊型红外光谱技术的气体探测系统，其特征在于，所述判定结果包括所述气体样本的组分种类以及组分定量。
9.如权利要求1所述的基于迈克尔逊型红外光谱技术的气体探测系统，其特征在于，待测气体可以为对人体存在危害的外界有害气体；待测气体可以为人体呼出的气体。
10.如权利要求1所述的基于迈克尔逊型红外光谱技术的气体探测系统，其特征在于，所述光谱数据库包括不同的领域中的各种已知气体的红外光谱信息、已知气体组分的红外光谱信息以及已知气体定量的红外光谱信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200327 |
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