CN113252609A - 煤制油化工厂危险气体泄漏的现场连续监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤制油化工厂危险气体泄漏的现场连续监测装置，包括监测仪主机、重载变速云台及远程主控计算机；监测仪主机固定在重载变速云台上，主控计算机用于信息处理、操控监测仪主机和显示监测仪主机工作状态、鉴别结果、显示光谱数据曲线及可见光视频图像；监测仪主机控制重载变速云台的监测方位角和俯仰角；监测仪主机包括红外光学窗口、前置望远系统、FT‑IR干涉仪组件、集成式探测器组件、A/D转换器、鉴别器组件、主控模块、在线辐射定标组件、网络交换机、可见光窗口及CCD彩色摄像机。本发明通过减小光学视场提高了分辨率，具备体积小、功耗低、监测灵敏度高、可靠性高、能连续监测以及远程数据传输等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤制油化工厂危险气体泄漏的现场连续监测装置，用于针对煤制油化工厂危险气体的现场泄漏情况的大范围区域的远距离连续广谱监测以及对重点区域的高灵敏度监测，监测装置还可以将监测结果远程传输至主控计算机，实现远程监控。
背景技术
近年来，在煤制油化工厂日常生产中，由于气体泄露导致的环境污染以及爆炸、火灾造成严重的人员财产损失时有发生。由于大多数的危险气体泄漏后肉眼不易察觉，并且有的还是无色无味，因此生产中迫切需要一种适用于危险气体泄漏检测的仪器。
为解决这一问题，气体泄露红外监测技术以其可以快速地定位泄漏源、检测范围大、可检测的危险气体种类多、对远距离探测能力强等优点，近年来被广泛用于监测危险气体的泄漏情况与排放情况，以保证煤制油化工厂的作业环境、财产和人身安全。
然而煤制油化工厂现有的气体红外监测装置存在寿命短、灵敏度低、分辨率低、体积大、功耗较高、可靠性较差以及不能提供连续监测以及远程数据传输等不足，使得对危险气体泄漏的现场连续监测的可靠性较低，导致其应用受到一定的限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤制油化工厂危险气体泄漏的现场连续监测装置，要解决的技术问题及采取的主要技术手段包括：
(1)针对煤制油化工厂现有监测仪普遍采用分立元件，存在的寿命短、体积大、功耗较高、可靠性较差以及不能提供连续监测以及远程数据传输的不足，提供一种可工作监测现场的低功耗高可靠性的集成式监测仪主机；
(2)通过减小光学视场以提高装置的分辨率；
(3)小型化在线辐射定标组件以降低装置的体积和功耗；
(4)采用长寿命集成式探测器以提高现有环境气体红外监测仪的可靠性和适用性；
(5)采用被动遥测和主动遥测相结合的工作模式，既能满足监测范围大、广谱远距离连续监测、设备安装方便和移动便利的需求，也能满足重点区域对监测装置高灵敏度的需求。
本发明解决上述问题的主要思路包括：
(1)研制具有智能化、高集成度、低功耗、高可靠性的监测仪主机，该主机集成了红外光学窗口、前置望远系统、FT-IR干涉仪组件、集成式探测器组件、A/D转换器、鉴别器组件、主控模块、在线辐射定标组件、内部电源、网络交换器、可见光窗口及CCD彩色摄像机；
(2)监测仪主机固定安装在重载变速云台上，监测仪主机及重载变速云台分别与主控计算机通过网络连接，可实现远程监控，并将监测仪主机中的各个功能模块与主控计算机组成一个局域网进行数据共享；
(3)利用重载变速云台、通过减小光学视场以提高装置的分辨率。
本发明解决上述问题的基本原理包括：
当煤制油化工厂泄漏的易燃易爆和工业有毒有害气体云团进入监测装置的监测范围时，目标云团的红外辐射透射过监测仪主机中的红外光学窗口被前置望远系统收集，经FT-IR傅立叶红外干涉仪组件的动镜的扫描运动形成光程差而产生干涉图，经集成式探测器组件光电转换以及A/D转换器的模数转换后，将模拟光信号变成数字干涉信号，鉴别器组件采用了差谱法和亮温法结合的鉴别方法，通过对数字干涉图进行光谱转换、预处理、特征提取和智能鉴别，实时鉴别出气体种类，并反演出气体浓度信息，最后将鉴别结果发送给主控模块，同时将干涉、光谱、亮温和差谱数据经网络交换器通过网络通讯的方式上传到主控计算机进行显示；对监测仪主机进行定标时，在线辐射定标组件的黑体辐射源切换到光路系统中，定标完成后将黑体辐射源切除光路；可见光窗口提供系统监测方向的可见光视频图像，该图像经CCD彩色摄像机采集后上传到主控计算机显示；重载变速云台承载着监测仪主机，控制监测方位角和俯仰角；电源转换器为重载变速云台和检测仪主机内部各个模块提供电源；网络交换器将监测仪各个模块与主控计算机组成一个局域网进行数据共享。
本发明的技术方案具体为：
一种煤制油化工厂危险气体泄漏的现场连续监测装置，包括安装在危险气体监测现场的监测仪主机、重载变速云台以及位于远程的主控计算机；所述监测仪主机固定安装在重载变速云台上；所述主控计算机用于信息处理、操控监测仪主机和显示监测仪主机工作状态、鉴别结果、显示光谱数据曲线及可见光视频图像；所述重载变速云台与监测仪主机通过串口连接，所述监测仪主机控制重载变速云台的监测方位角和俯仰角；所述的监测仪主机包括红外光学窗口、前置望远系统、FT-IR干涉仪组件、集成式探测器组件、A/D转换器、鉴别器组件、主控模块、在线辐射定标组件、网络交换机、可见光窗口及CCD彩色摄像机；所述主控模块通过串口分别连接FT-IR干涉仪组件、集成式探测器组件、鉴别器组件及在线辐射定标组件，所述FT-IR干涉仪组件、集成式探测器组件、A/D转换器及鉴别器组件依次实现电连接；所述FT-IR干涉仪组件包括动镜；所述网络交换器用于将监测仪与主控计算机组成一个局域网进行数据共享；所述重载变速云台与主控计算机通过网络交换器实现局域网连接。
所述前置望远系统位于红外光学窗口后方，所述的CCD彩色摄像机位于可见光窗口的后方。所述前置望远系统用于收集透射过红外光学窗口的气体目标云团的红外辐射，经FT-IR干涉仪组件的动镜的扫描运动形成光程差而产生干涉图，经集成式探测器组件进行光电转换并经A/D转换器进行模数转换后，将模拟光信号转换成数字干涉信号，所述鉴别器组件采用差谱法和亮温法相结合的鉴别方法实时鉴别出气体种类，并反演出气体浓度信息，最后将鉴别结果发送给主控模块，同时将干涉、光谱、亮温和差谱数据经网络交换器上传到主控计算机，所述主控计算机进行显示。
所述的在线辐射定标组件集成有自适应校准黑体组件，所述在线辐射定标组件在对红外监测仪主机进行定标时，将其切换到光路系统中，定标完成后将自适应校准黑体组件中的黑体辐射源切除光路。
当所述在线辐射定标组件没有切入光路时，所述FT-IR干涉仪组件负责接收经过前置望远系统收集到的红外光学窗口范围内的红外辐射；当在线辐射定标组件切入光路时，所述FT-IR干涉仪组件负责接收的在线辐射定标组件的黑体辐射；所述CCD彩色摄像机用于采集可见光窗口范围内的可见光视频图像，并经过网络交换机上传到主控计算机，所述主控计算机实时显示视频通信。
所述鉴别器组件包括DSP数字信号处理器，用于实现对数字干涉图进行光谱转换、预处理、特征提取和智能鉴别。
所述主控模块接收计算机控制经网络交换器发来的命令，通过控制变速重载云台来控制监测仪主机的扫描方位和俯仰角，协调同步鉴别器组件、FT-IR干涉仪组件的工作流程，接收鉴别器组件的鉴别结果并将结果发送到主控计算机显示。
所述的在线辐射定标组件采用两点定标法，计算得到监测仪主机的响应、偏置以及标定后的亮温谱，实现监测仪主机的自适应校准。
所述监测装置具有被动遥测和主动遥测相结合的工作模式。
所述被动遥测模式用于监测范围大、广谱远距离条件下的连续监测。
所述主动遥测模式用于对重点区域或易发生气体泄漏区域进行高灵敏度定点化学气体进行监测,采用主动遥测模式时，所述的煤制油化工厂危险气体泄漏的现场连续监测装置还包括在易发生气体泄漏区域的远端安装的角锥阵列反射镜，以及在重载变速云台上监测仪主机旁面向易发生气体泄漏区域安装的红外光源，该模式具有高灵敏度定点监测的特点。
本发明的工作原理简述如下：
当煤制油化工厂泄漏的易燃易爆和工业有毒有害气体云团进入监测装置的监测范围时，云团的红外辐射透射过监测仪红外光学窗口，被接收前置望远系统收集，进入傅立叶红外干涉仪(FT-IR)的辐射信号，由于干涉仪动镜的扫描运动形成光程差产生干涉图，经集成式单元探测器进行光电转换后，由A/D转换器将电信号变成数字信号，然后经傅立叶变换(FFT变换)得到光谱图信号。由于不同气体分子的光谱图具有不同的特征吸收和发射特性，鉴别器对光谱特征变换结果进行处理获得目标的差谱和亮温谱，根据差谱或者亮温谱的光谱特征对目标进行实时鉴别并反演出气体浓度信息。将鉴别结果上传到主控计算机，在主控计算机上显示监测目标结果并报警。可见光图像通过视频采集卡后，在主控计算机的操控显示界面实时显示监测区域的云团空间分布信息。
本发明可通过差谱法或亮温法对环境中存在的光源、正常大气组份(如水汽、二氧化碳等)光谱特征、仪器自身光谱响应等干扰因素加以扣除，最终提取出物质红外光谱特征。采用基于黑体辐射定标技术的两点定标法，计算出监测仪的响应、偏置和标定后的亮温光谱。利用目标云团亮温谱的吸收特征可以鉴别出煤制油化工厂泄漏气体的种类，并反演出气体浓度信息。
与现有技术相比较，本发明的有益效果：
上述技术方案所提供的煤制油化工厂危险气体泄漏的现场连续监测装置，采用被动遥测和主动遥测相结合的工作模式，被动遥测模式具有监测范围大、广谱远距离连续监测、设备安装方便和移动便利的优点，主动遥测模式适用于对重点区域或易发生气体泄漏区域进行高灵敏度定点化学气体监测；采用了差谱法和亮温法结合的鉴别方法，可实现煤制油化工厂气体泄漏情况的定性监测和半定量监测；减小了光学视场，提高了监测装置的分辨率；小型化在线辐射定标组件，降低了监测装置的体积和功耗；采用长寿命集成式探测器组件，大幅提高了监测装置的可靠性，降低了装置的功耗、体积和重量；采用线辐射定标组件，自适应校准监测仪主机由于工作时间、环境温度等因素的变化造成装置的光谱响应特性漂移，提高装置的监测精度和准确度。
附图说明
图1为本发明的系统整体框图。
图2为本发明的系统原理框图。
图3为本发明的被动遥测工作模式的原理示意图。
图4为本发明的主动遥测工作模式的原理示意图。
图中：1-红外监测仪主机、2-重载变速云台、3-主控计算机、4-电源转换器，5-角锥阵列反射镜，6-红外光源，C-目标云团。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明，但本发明的实施方式不仅限于此。
本系统采用被动傅里叶红外光谱原理，对煤制油化工厂的气体泄漏种类进行识别；利用宽波段甚长波红外辐射度量技术，煤制油化工厂气体泄漏的展半定量监测；采用主被动两种遥测模式远距离监测煤制油化工装置各类气体泄漏的情况，被动遥测模式实现广域连续扫描进行化学气体预警，主动遥测模式针对重点区域或易发生气体泄漏区域进行高灵敏度定点化学气体监测。
本发明解决其技术问题所采用的技术实施的一种具体方案是：
基于被动傅里叶红外光谱原理和宽波段甚长波红外辐射度量技术的煤制油化工厂危险气体泄漏的现场连续监测装置的工作原理：气体云团进入监测装置的监测范围时，云团的红外辐射透射过监测仪红外光学窗口，被接收前置望远系统收集，进入傅立叶红外干涉仪(FT-IR)的辐射信号，由于干涉仪动镜的扫描运动形成光程差产生干涉图，经集成式单元探测器进行光电转换后，由A/D转换器将电信号变成数字信号，然后经一系列光谱变换后得到光谱和亮温谱。鉴别器根据差谱法或者亮温法实时鉴别出气体种类，并反演出气体浓度信息。将鉴别结果上传到主控计算机，在主控计算机上显示监测目标结果并报警。
实施例1
如图1、图2所示，本发明的该监测装置包括安装在监测现场的监测仪主机、重载变速云台和电源转换器以及位于远程的主控计算机；所述监测仪主机固定安装在重载变速云台上；所述主控计算机用于信息处理、操控监测仪主机和显示监测仪主机工作状态、鉴别结果、显示光谱数据曲线及可见光视频图像；所述重载变速云台承载着监测仪主机，控制监测方位角和俯仰角；所述电源转换器为重载变速云台和监测仪主机提供适配电源；所述的监测仪主机包括红外光学窗口、前置望远系统、FT-IR干涉仪组件、集成式探测器组件、A/D转换器、鉴别器组件、主控模块、在线辐射定标组件、网络交换机、可见光窗口及CCD彩色摄像机。
所述FT-IR干涉仪组件包括动镜；所述网络交换器用于将监测仪与主控计算机组成一个局域网进行数据共享；所述重载变速云台与主控计算机通过网络交换器实现局域网连接。
本发明根据煤制油化工厂不同监测点的监测需求，采用被动遥测和主动遥测相结合的工作模式。
实施例2
被动遥测工作模式示意图如图3所示。
在监测大范围区域时，采用被动遥测模式，利用重载变速云台承载着监测仪主机来控制监测方位角和俯仰角，该模式具有广谱远距离连续监测、设备安装方便和移动便利的优点。
使用装置监测之前，对监测仪主机进行定标，将在线辐射定标组件的黑体辐射源切换到光路系统中，定标完成后将黑体辐射源切除光路，采用两点定标法，计算得到监测仪的响应、偏置以及标定后的亮温谱，实现监测仪的自适应校准。
实施例3
主动遥测工作模式示意图如图4所示。
在监测重点区域或易发生气体泄漏区域时，采用主动遥测模式，在易发生气体泄漏区域(图中示出的目标云团C)的远端安装角锥阵列反射镜，在重载变速云台上监测仪主机旁面向易发生气体泄漏区域安装红外光源，该模式具有高灵敏度定点监测的特点。
最后，监测结果、干涉、光谱、亮温和差谱数据和可见光视频图像通过普通网线(或光纤)远程传输至主控计算机显示，实现远程监控煤制油化工厂易燃易爆及工业有毒有害气体的泄露情况，保证煤制油化工厂的作业环境、财产和人身安全。
Claims (8)
1.一种煤制油化工厂危险气体泄漏的现场连续监测装置，其特征在于：
该监测装置包括安装在危险气体监测现场的监测仪主机、重载变速云台以及位于远程的主控计算机；所述监测仪主机固定安装在重载变速云台上；
所述主控计算机用于信息处理、操控监测仪主机和显示监测仪主机工作状态、鉴别结果、显示光谱数据曲线及可见光视频图像；
所述重载变速云台与监测仪主机通过串口连接，所述监测仪主机控制重载变速云台的监测方位角和俯仰角；
所述的监测仪主机包括红外光学窗口、前置望远系统、FT-IR干涉仪组件、集成式探测器组件、A/D转换器、鉴别器组件、主控模块、在线辐射定标组件、网络交换机、可见光窗口及CCD彩色摄像机；所述主控模块通过串口分别连接FT-IR干涉仪组件、集成式探测器组件、鉴别器组件及在线辐射定标组件，所述FT-IR干涉仪组件、集成式探测器组件、A/D转换器及鉴别器组件依次实现电连接；
所述FT-IR干涉仪组件包括动镜；
所述网络交换器用于将监测仪与主控计算机组成一个局域网进行数据共享；
所述重载变速云台与主控计算机通过网络交换器实现局域网连接；
所述前置望远系统位于红外光学窗口后方，所述的CCD彩色摄像机位于可见光窗口的后方。
2.根据权利要求1所述的煤制油化工厂危险气体泄漏的现场连续监测装置，其特征在于：
所述鉴别器组件包括DSP数字信号处理器，用于实现对数字干涉图进行光谱转换、预处理、特征提取和智能鉴别。
3.根据权利要求1所述的煤制油化工厂危险气体泄漏的现场连续监测装置，其特征在于：
所述主控模块接收计算机控制经网络交换器发来的命令，通过控制变速重载云台来控制监测仪主机的扫描方位和俯仰角，协调同步鉴别器组件、FT-IR干涉仪组件的工作流程，接收鉴别器组件的鉴别结果并将结果发送到主控计算机显示。
4.根据权利要求1所述的煤制油化工厂危险气体泄漏的现场连续监测装置，其特征在于：
所述前置望远系统用于收集透射过红外光学窗口的气体目标云团的红外辐射，经FT-IR干涉仪组件的动镜的扫描运动形成光程差而产生干涉图，经集成式探测器组件进行光电转换并经A/D转换器进行模数转换后，将模拟光信号转换成数字干涉信号，所述鉴别器组件采用差谱法和亮温法相结合的鉴别方法实时鉴别出气体种类，并反演出气体浓度信息，最后将鉴别结果发送给主控模块，同时将干涉、光谱、亮温和差谱数据经网络交换器上传到主控计算机，所述主控计算机进行显示；
所述的在线辐射定标组件集成有自适应校准黑体组件，所述在线辐射定标组件在对红外监测仪主机进行定标时，将其切换到光路系统中，定标完成后将自适应校准黑体组件中的黑体辐射源切除光路；
当所述在线辐射定标组件没有切入光路时，所述FT-IR干涉仪组件负责接收经过前置望远系统收集到的红外光学窗口范围内的红外辐射；当在线辐射定标组件切入光路时，所述FT-IR干涉仪组件负责接收的在线辐射定标组件的黑体辐射；
所述CCD彩色摄像机用于采集可见光窗口范围内的可见光视频图像，并经过网络交换机上传到主控计算机，所述主控计算机实时显示视频通信。
5.根据权利要求1至4任一项所述的煤制油化工厂危险气体泄漏的现场连续监测装置，其特征在于：
所述的在线辐射定标组件采用两点定标法，计算得到监测仪主机的响应、偏置以及标定后的亮温谱，实现监测仪主机的自适应校准。
6.根据权利要求1所述的煤制油化工厂危险气体泄漏的现场连续监测装置，其特征在于：
所述监测装置具有被动遥测和主动遥测相结合的工作模式。
7.根据权利要求6所述的煤制油化工厂危险气体泄漏的现场连续监测装置，其特征在于：
所述被动遥测模式用于监测范围大、广谱远距离条件下的连续监测。
8.根据权利要求6所述的煤制油化工厂危险气体泄漏的现场连续监测装置，其特征在于：
采用主动遥测模式时，还包括在易发生气体泄漏区域的远端安装的角锥阵列反射镜，以及在重载变速云台上监测仪主机旁面向易发生气体泄漏区域安装的红外光源，所述主动遥测模式用于对重点区域或易发生气体泄漏区域进行高灵敏度定点化学气体进行监测。
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