一种便携式多组分混合气监测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于多组分混合气检测领域，涉及矿井气体、废气排放的巡视检验领域，具 体涉及一种便携式多组分混合气监测系统。
【背景技术】
[0002] 包括我国在内的许多发展中国家的许多小型企业非法排放污染废水和废气严重， 有些企业生产环境严重不达标，导致爆炸等诸多生产安全问题，环保单位、安全生产监督单 位、以及希望能安全生产的单位需要有仪器进行巡视检查。
[0003] 例如，我国是一个能源消耗大国，其中很大一部分的能源需求是由我国境内的煤 炭资源的开采来满足的。然而在煤炭开采过程中事故却频发，据统计，每年因矿井事故而 死亡的人数高达6000人以上，这其中瓦斯爆炸、一氧化碳中毒导致的死亡数占到了 54%以 上，由煤炭自然发火灾害气体直接或间接引起的矿难数量所占比例高达70%以上。由此可 见，矿井内气体环境的及时监测对煤矿企业的安全生产至关重要，研发一种高效、便捷的气 体检测装置来对矿井内气体进行更实时的监测对于保护煤矿企业的财产和员工的生命安 全有着重要作用。
[0004] 目前，对于矿井内气体的检测，以及众多厂矿企业所排放废气的精确分析，通常采 用的是气相色谱法。气相色谱法是利用要分离的诸组分在流动相（载气）和固定相两相间 的分配有不同的分配系数的原理，当两相作相对运动时，这些组分在两相间的分配反复进 行，只要次数足够多，即使组分的分配系数只有微小的差异，随着流动相的移动可以有明显 的差距，最终可使这些组分得到分离并被检测出来。气相色谱法尽管灵敏度高、检测分辨范 围广，但是由于需要高压载气，有的还需要氢火焰离子探测器，不能再矿井内进行工作，而 且对操作人员的要求也较高，每年都需要进行标定，甚至更换色谱柱，维护麻烦。除此之 夕卜，气相色谱仪体积和重量也都过大，这限制了它的使用范围，使得每次用气相色谱法分析 矿井气体都必须由专人下矿井取气并拿至工作台后方可进行，或者通过束管将气体从井下 抽到井口，然后再进行分析，无法在下井时就完成检测工作，缺乏时效性。而且，由于束管内 外的巨大压力差，使得外部空气进入束管，造成误警，矿井巷道由于受地质影响，产生变形， 甚至拉断，维护麻烦。另外，市面上还有一些矿用气体传感器，这些设备虽然轻巧灵便，但是 通常只针对一种气体，无法实现广谱定量检测，而且还有维护周期短、稳定性差等弊端，不 利于广泛地推广使用。
[0005] 为了克服气相色谱法和常规气体传感器在多组分气体监测应用中的缺陷，发明人 提出采用光谱法来实现，并针对光谱法在多组分气体在线分析应用中存在的问题，如基线 漂移、难于区分分子结构相近气体等，做了详细深入的研究，提出了许多相关方法。例如， 专利201010270822. 3解决了多组分气体标定所需样本量大的问题；专利201010268039. 3 解决了光谱基线漂移与畸变问题；专利201010218580. 3解决了干扰气体问题；专利 201210076501. 9解决了所分析气体分子结构接近，难于区分的问题；专利201110355413. 8 解决了气体分析现场干扰大，分析结果曲线中噪声大的问题；专利201210076502. 3解决了 小检测限、大检测范围之间的矛盾问题，同时提高了分析结果准确性；在这些技术的基础 上，开发了一种井口气远程测定仪（授权号=201210076503. 8)，可在线定量分析甲烷、乙 烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷、正戊烷、一氧化碳和二氧化碳等气体，并在国内油田推广 应用，但该仪器体积大、也比较笨重，只能定点进行气体分析，不便于携带。
[0006] 由于某些小型化工厂，废气非法排放导致环境污染严重，致使周边数百米，甚至数 公里范围内都会弥散着难闻的气味。某些工厂，如炼油厂，由于油气泄露弥散在空中，从而 导致爆炸等严重事故。若能开发出便携式多组分混合气分析仪器，该仪器分析速度快、操作 简单、安全性好、维护费用低，则将非常有助于提高我国安全生产监督、环境保护的能力。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种便携式多组分混合气监测系 统，可以实现监测人员携带设备进入到现场，如煤矿的采空区，厂矿企业的非法废气排放 口，以及非法配气排放的附近区域，对被监测现场的气体进行快速、定量准确的监测，为生 产环境的安全性提供预警，为大气环境监察与巡查提供数据。
[0008] 为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
[0009] 一种便携式多组分混合气监测系统，包括气体取样器、样气处理装置、气压与温度 监测系统、便携式计算机、便携式红外光谱仪以及蓄电池；其中，待分析气体利用气体取样 器吸入到样气处理装置中，经除尘、干燥后进入到气体池中，再利用便携式红外光谱仪对气 体池中的样气进行实时分析，得到样气的光谱数据，同时利用气压与温度监测系统实时监 测气体池中气体的气压和温度，以补偿分析结果，分析结果通过便携式计算机显示；蓄电池 用于为该监测系统供电。
[0010] 本发明进一步的改进在于：便携式红外光谱仪选用便携式傅里叶变化红外光谱 仪、便携式红外光声光谱仪、便携式紫外光谱仪或者是便携式傅里叶变化红外光谱仪与便 携式紫外光谱仪的组合。
[0011] 本发明进一步的改进在于：还包括用于监测将待分析气体湿度的湿度传感器。
[0012] 本发明进一步的改进在于：气体池中的样气光谱数据通过网线、无线电传输方式、 串口或者USB接口方式发送至便携式计算机，便携式计算机首先通过预置的光谱定量分析 程序对数据进行分析处理，再根据气压与温度监测系统反馈的数据对分析结果进行补偿， 并将各气体分析结果作记录后显示，同时在危险气体浓度超标时实现自动报警。
[0013] 本发明进一步的改进在于：气体取样器选用由蓄电池供电的气泵，若是有润滑油 的气泵，则气泵放在气室的后端，即气体先经过管道进入样气处理装置中，然后进入气室， 再由气泵从气室中抽出，若要放置在气室前端，则气泵是无油气泵，以防止气泵长时间运转 产生的热量导致润滑油裂解而产生的气体污染被测气体。
[0014] 本发明进一步的改进在于：气体分析结果的补偿方法按如下方法实现：
[0015] 首先获取某组分气体的光谱分析分析结果pU，以及当前温度T与压力P，然后按 下式进行补偿，获取其补偿后的体积比浓度PM:
[0016] p后=p前X(T+273)/293XP0/P (12)
[0017] 式中，匕为标准大气压，P为环境压强数据，其单位均为atm或Pa;T为温度传感器 传回的环境温度数据，单位为摄氏度。
[0018] 本发明进一步的改进在于：样气处理装置是由除湿、除尘装置构成，以防止灰尘污 染便携式红外光谱仪气室中的窗片，同时防止因湿度过大而在便携式红外光谱仪内气室的 窗片上产生水珠，而使得窗片上的溴化钾潮解。
[0019] 与现有技术相比，本发明具有如下的技术效果：
[0020] 本发明利用绝大多数厂矿企业排放的废气、或者安全生产指标气体是极性分子气 体，如弥散在煤矿采空区中的煤炭自燃发火气体包括甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳和二 氧化碳等气体。这些气体中，不同组分对光具有不同的吸收波长，在傅立叶变换红外光谱 仪、或紫外光谱仪平台上采用光谱气体在线分析技术对矿井气体进行实时分析，并利用温 度与气压对气体体积比浓度的影响，对分析结果进行补偿，以实现监测人员在入井后，或者 进入废气排放区域附近，便捷、实时地对该区域各类气体进行分析；通过湿度的监测，判断 是否需要更换干燥器，以确保系统内部气室上的窗片不会潮解。
[0021] 当监测人员携带本检测系统进入测量环境时，本发明中的气体取样器首先会抽取 环境内的气体，再将抽取的样气经过样气处理装置处理后，由傅立叶红外光谱仪对气室中 已干燥除尘的样气进行扫描，然后将光谱数据通过网线或其他无线传输方式发送至系统内 的计算机中，计算机将首先通过预置的光谱定量分析程序对数据进行分析处理，再依据气 压与温度监测结果对分析结果进行补偿，并将各补偿后的气体浓度结果作记录后显示在交 互屏上，同时可在危险气体浓度超标时实现自动报警等功能。
[0022] 本发明便携式多组分混合气体监测系统是采用吸收光谱定量分析来实现的，以满 足本系统气体定量分析快速性、高精度、安全性要求，被监测气体的光谱分析是通过特征变 量提取、分析模型建立、光谱分析及光谱畸变识别与处理来实现的，其中分析模型是在系统 研发过程中建立的，光谱分析及光谱畸变识别与处理方法与特征变量提取的参数是在系统 开发过程中确定的，而在光谱检测装置正常工作时，只需对执行特征变量提取、光谱畸变识 别与处理、分析模型的计算即可。
[0023] 光谱定量分析技术是基于以下过程完成的，首先获得被测环境内各类可能存在的 气体的标样及其光谱图，然后采用特征提取的方法，为每种气体提取特征变量，并以这些特 征变量作为输入，以气体的种类，浓度为输出，采用偏最小二乘法、神经网络法建立其分析 模型。在依此原理编译的分析软件中，首先需要对光谱基线进行校正，然后根据特征变量的 计算式计算特征变量值，并根据所建立的模型参数，计算出各组分气体的浓度。
【附图说明】
[0024] 图1便携式气体监测系统结构及功能图；
[0025] 图2监测系统操作流程图；
[0026] 图3建立光谱分析模型所需样气光谱制作示意图，其中，图3(a)为获得的浓度均 为1%的单组份气体甲烷、乙烷和丙烷的光谱图，图3(b)为获得的单组份气体10%甲烷、 1 %乙烷、1 %丙烷以及10%甲烷和2%乙烷的混合气光谱图；
[0027] 图4神经网络结构示意图；
[0028] 图5伴生气吸收光谱基线校正与结果图，其中，5(a)是甲烷、乙烷和丙烷气体长期 在线监测过程中获得的发生基线畸变的三个谱图；
[0029] 图5(b)为图5(a)中三个光谱图基线校正后的光谱图；
[0030] 图5(c