一種基於非分光紅外法的油氣在線檢測裝置製造方法
2024-01-27 02:14:15 2
一種基於非分光紅外法的油氣在線檢測裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於非分光紅外法的油氣在線檢測裝置，包括：主動式抽氣單元、油氣濃度檢測單元、氧氣和溫溼度測量單元、分析主機、工作站。本發明基於紅外光譜法，提高了油氣濃度檢測的精度；紅外分析室，直徑為25mm，高效的增加了裝置使用壽命和靈敏度，採用從油氣危險源現場8點機械式不鏽鋼管路吸氣，將防爆分析儀表安裝在油庫外，降低了油氣爆炸風險，同時採用8路氣體採樣預抽氣路，能實時在線檢測各點油氣濃度；採用高頻率電磁閥和研發的組合式控制閥體，保證了對每路氣體精確的供應分析氣源，位置信號判定，無錯啟動、無堵塞；設置氧、溫度和溼度傳感器，提高了報警的可靠性；採用CAN總線，實現了報警信號的遠距離傳輸，提高了可靠性。
【專利說明】一種基於非分光紅外法的油氣在線檢測裝置
【技術領域】
[0001] 本發明屬於油氣檢測【技術領域】，尤其涉及一種基於非分光紅外法的油氣在線檢測 裝直。
【背景技術】
[0002] 目前易燃易爆氣體在線監測、傳感器標定技術已成為安全監控、環境預警的關鍵 環節和技術基礎，同時為安全評估提供數據支持和理論判據。中華人民共和國石油天然氣 行業標準Sy6503-2008規定：存在可燃氣體釋放源的場所應設可燃氣體檢測報警系統。
[0003] 油氣混合物爆炸是典型的氣體爆炸，氣體爆炸是工業生產和生活領域爆炸災害的 主要形式之一。油庫中儲存的石油產品大都具有易揮發性，當油氣與空氣混合物的濃度處 於爆炸範圍內時，如果遇到引爆能量即刻會發生爆炸，油氣與空氣混合物的濃度高於或低 於爆炸範圍的上下限時都不會發生爆炸。
[0004] 目前易燃易爆氣體在線監測已成為安全監控、環境預警的關鍵環節和技術基礎， 同時為安全評估提供數據支持和理論判據。傳統的氣體在線監測技術主要有氣相色譜法、 氣敏傳感器法、傅立葉紅外光譜法、光聲光譜法等，但在實際使用中，這些方法存在取樣復 雜、交叉敏感、長期穩定性差、檢測氣體組分不夠齊全、成本高等缺點。
[0005] 現階段使用較多的催化燃燒式檢測方法存在如下弊端：
[0006] 感應器監測範圍：催化燃燒感應器有一個固定的暴露能力範圍，在這個範圍內， 監測性能可靠。超過監測範圍的使用和感應器負荷超載，影響它的準確性，傳感器也相應地 時常處於飽和狀態；氣體濃度低於常規範圍，會削弱反映的信號，加上環境噪聲幹擾，使儀 器讀數不準確，從而降低了儀器的準確性和解析度。
[0007] 待測氣體交叉影響：催化燃燒傳感器是藉助催化劑在低溫下（200?400°C )下， 實現對有機物的完全氧化的過程來確定氣體的濃度。這一反應過程對很多氣體是很普通 的。待測氣體的交叉影響使檢測結果不能反映檢測氣體的實際含量，檢測結果失去科學價 值和合理性。
[0008] 傳感器的壽命問題：催化燃燒的催化劑失效及催化劑的中毒，是該傳感器的致命 弊病。催化燃燒傳感器均存在壽命因素，最長壽命為空氣中2年，基本在6個月後靈敏度就 會不斷的下降，需要通過反覆的調試才能夠維持使用。
[0009] NDIR(非分光）紅外氣體分析儀作為一種快速、準確的氣體分析技術，特別連續汙 染物監測系統以及機動車尾氣檢測應用中十分普遍。主要工作原理是利用氣體對紅外輻射 有選擇性吸收和其吸收強度是氣體濃度的函數關係，實現油氣氣體濃度的檢測。該系統將 紅外輻射強度轉化為電壓信號，通過數字處理器分析電壓信號來實現對油氣濃度的精確 測量。
[0010] 但目前非分光紅外氣體分析儀在測量油庫油氣時存在如下缺陷：一是沒有考慮油 氣多組分組成和易吸附的特點，設計的油氣濃度傳感器結構上存在缺陷，造成油氣濃度測 量存在一定誤差；二是沒有考慮溫度、溼度和氧濃度對油氣爆炸極限的影響，在報警判據上 不夠準確；三是沒有考慮在受限空間油氣多點同時測量時的油氣採樣流程。
【發明內容】
[0011] 本發明實施例的目的在於提供一種基於非分光紅外法的油氣在線檢測裝置，旨在 解決目前非分光紅外氣體分析儀在測量油庫油氣時存在的油氣濃度測量存在誤差；沒有考 慮溫度、溼度和氧濃度對油氣爆炸極限的影響，在報警判據上不夠準確；沒有考慮在受限空 間油氣多點同時測量時油氣採樣流程的問題。
[0012] 本發明實施例是這樣實現的，一種基於非分光紅外法的油氣在線檢測裝置，該基 於非分光紅外法的油氣在線檢測裝置包括：主動式抽氣單元、油氣濃度檢測單元、氧氣和溫 溼度測量單元、分析主機、CAN總線、工作站；
[0013] 主動式抽氣單元用於通過設置在油品儲存庫的8個取樣點採集混合氣體；
[0014] 油氣濃度檢測單元、氧氣和溫溼度測量單元與主動式抽氣單元連接，用於測量主 動式抽氣單元採集混合氣體的氧氣濃度、以及溫度和溼度；
[0015] 分析主機與油氣濃度檢測單元、氧氣和溫溼度測量單元連接，用於對油氣濃度、氧 氣、溫溼度測量單元測量的混合氣體油氣濃度、氧氣濃度、以及溫度和溼度進行分析，並進 行顯示；
[0016] 工作站通過CAN總線與分析主機連接，接收分析主機分析的混合氣體油氣濃度、 氧氣濃度、以及溫度和溼度，如果氣體濃度超過爆炸上限，則發出報警，實現對油氣危險源 的分級預警監測和報警。
[0017] 進一步，主動式抽氣單元採用現場8點機械式不鏽鋼管路吸氣。
[0018] 進一步，現場8點機械式不鏽鋼管路吸氣採用高頻率電磁閥和研發組合式控制閥 體。
[0019] 進一步，油氣濃度檢測單元由紅外氣體吸收室、紅外光源和紅外探測器和放大電 路組成；具體工作原理為：光源部件將連續的紅外輻射調製成6. 25Hz的斷續輻射，再交替 地通過氣室的分析邊和參比邊（單管隔半氣室，參比邊密封著不吸收紅外線的高純氮氣）， 最後被檢測器（該儀器採用的檢測器是膽酸鋰熱釋電檢測器）吸收。當分析室通入高純氮 氣時，則檢測器交替接收的參比邊和分析邊紅外輻射能量相等，儀器的輸出信號為零；當分 析室通入待測氣體時，檢測器所接收的參比信號不變，而分析信號由於分析室中待測氣體 的吸收而發生變化，於是便產生一個與待測氣體濃度成比例的輸出信號。該微小的電信號 通過前置放大、主放大、選頻、相敏檢波和濾波等多個環節變成與待測氣體濃度成比例的直 流電信號。
[0020] 進一步，紅外分析室直徑為25mm。
[0021] 進一步，紅外分析室採用一次成型加工工藝，在氣室內壁採用1mm厚的整體鍍金 層，氣室的兩端密封材料測採用高透明度的寶石鏡片粘接。
[0022] 進一步，抽氣單元的安裝高度為lm以內，油品儲存庫的拐角及尺寸、結構變化處 為重點安裝點。
[0023] 進一步，分析主機由單片機控制、TFT彩色液晶顯示器、A/D轉換電路、數字接口電 路組成。
[0024] 本發明提供的基於非分光紅外法的油氣在線檢測裝置，首先基於紅外光譜法，通 過得到特徵吸收峰的強度來測定常見油氣混合物中各組分的含量；得到油氣在3. 39 μ m附 近有強烈、單一的吸收峰，並依此進行油氣濃度檢測單元的設計，提高了檢測的精度；設計 的紅外分析室，直徑為25_，是常規紅外分析室的3-6倍，抗汙染能力增加3-6倍，高效的增 加了在測量過程中的長壽命和靈敏度，而在對於紅外光路的損耗問題上，整套紅外分析室 採用一次成型加工工藝，在氣室內壁採用1mm厚的整體鍍金層，氣室的兩端密封材料測採 用高透明度的寶石鏡片粘接，使紅外光源發出的紅外光接近零損耗的形式穿過光學氣室， 精準的保證了分析儀的分析能力；採用從油氣危險源現場8點機械式不鏽鋼管路吸氣，將 防爆分析儀表安裝在油庫外，降低了油氣爆炸風險，同時採用8路氣體採樣預抽氣路，能實 時在線檢測各點油氣濃度；採用高頻率電磁閥和研發組合式控制閥體，保證了對每路氣體 精確的供應分析氣源，位置信號判定，無錯啟動、無堵塞；設置氧、溫度和溼度傳感器；採用 CAN總線，實現了報警信號的遠距離傳輸，提高了可靠性。本發明的結構簡單，較好的解決了 目前非分光紅外氣體分析儀在測量油庫油氣時存在的油氣濃度測量存在誤差；沒有考慮溫 度、溼度和氧濃度對油氣爆炸極限的影響，在報警判據上不夠準確；沒有考慮在受限空間油 氣多點同時測量時油氣採樣流程的問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發明實施例提供的基於非分光紅外法的油氣在線檢測裝置結構示意圖；
[0026] 圖2是本發明實施例提供的油品儲存庫的8個取樣點的示意圖；
[0027] 圖3是本發明實施例提供的分析主機和工作站的結構示意圖；
[0028] 圖中：1、氧氣和溫溼度測量單元；2、主動式抽氣單元；3、分析主機；4、工作站；5、 油氣濃度檢測單元。
【具體實施方式】
[0029] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明 進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於 限定本發明。
[0030] 下面結合附圖及具體實施例對本發明的應用原理作進一步描述。
[0031] 如圖1所示，本發明實施例的基於非分光紅外法的油氣在線檢測裝置主要由氧氣 和溫溼度測量單元1、主動式抽氣單元2、分析主機3、工作站4、油氣濃度檢測單元5組成；
[0032] 主動式抽氣單元2用於通過設置在油品儲存庫的8個取樣點採集混合氣體；
[0033] 油氣濃度檢測單元5、氧氣和溫溼度測量單元1與主動式抽氣單元2連接，用於測 量主動式抽氣單元2採集混合氣體的油氣濃度檢測單元、氧氣濃度、以及溫度和溼度；
[0034] 分析主機3與油氣濃度檢測單元5、氧氣和溫溼度測量單元1連接，用於對油氣濃 度、氧氣、溫溼度測量單元1測量的混合氣體油氣濃度、氧氣濃度、以及溫度和溼度進行分 析，並進行顯示；
[0035] 工作站4通過CAN總線與分析主機3連接，接收分析主機3分析的混合氣體油氣 濃度、氧氣濃度、以及溫度和溼度，如果氣體濃度超過爆炸上限，則發出報警，實現對油氣危 險源的分級預警監測和報警；
[0036] 在本發明的實施例中，主動式抽氣單元採用現場8點機械式不鏽鋼管路吸氣；現 場8點機械式不鏽鋼管路吸氣採用高頻率電磁閥和研發組合式控制閥體，油氣濃度檢測單 元由紅外氣體吸收室、紅外光源和紅外探測器和放大電路組成。具體工作原理為：光源部件 將連續的紅外輻射調製成6. 25Hz的斷續輻射，再交替地通過氣室的分析邊和參比邊（單管 隔半氣室，參比邊密封著不吸收紅外線的高純氮氣），最後被檢測器（該儀器採用的檢測器 是膽酸鋰熱釋電檢測器）吸收。當分析室通入高純氮氣時，則檢測器交替接收的參比邊和 分析邊紅外輻射能量相等，儀器的輸出信號為零；當分析室通入待測氣體時，檢測器所接 收的參比信號不變，而分析信號由於分析室中待測氣體的吸收而發生變化，於是便產生一 個與待測氣體濃度成比例的輸出信號。該微小的電信號通過前置放大、主放大、選頻、相敏 檢波和濾波等多個環節變成與待測氣體濃度成比例的直流電信號；
[0037] 紅外分析室直徑為25mm ;紅外分析室採用一次成型加工工藝，在氣室內壁採用 1_厚的整體鍍金層，氣室的兩端密封材料測採用高透明度的寶石鏡片粘接；抽氣單元的 安裝高度為lm以內，油品儲存庫的拐角及尺寸、結構變化處為重點安裝點；分析主機由單 片機控制、TFT彩色液晶顯示器、A/D轉換電路、數字接口電路組成。分析主機3由單片機控 制、TFT彩色液晶顯示器（150 X 100VGA)、A/D轉換電路、數字接口電路組成。
[0038] 結合圖1-圖3對本發明的工作原理做進一步的說明：
[0039] 本發明在油庫受限空間，被監測混合氣體由主動式抽氣單元將其送入油氣濃度檢 測單元、氧氣和溫溼度測量單元，由在線監測非分光紅外的分析主機完成濃度測試分析，而 後通過CAN總線傳輸至控制室的工作站，如果氣體濃度超過爆炸上限，則發出報警，與一般 的可燃氣體檢測儀器不同；本發明裝置考慮到油氣爆炸濃度與溫度、溼度及氧濃度有關，因 此系統同時耦合氧氣、溫溼度測量單元；
[0040] 可根據時間段依次打開各個測量點的控制閥門，分別對不同測量點的油氣、氧氣、 溫溼度等各項參數逐一進行測量，將罐室內現場傳感器數據傳入分析主機進行顯示；再由 CAN總線直接將分析主機上的數據傳送至控制室後臺工作站進行分級預警軟體分析處理， 實現對油氣危險源的分級預警監測和報警，特別在取樣的設計上，採用現場8點機械式不 鏽鋼管路吸氣，將防爆分析儀表安裝在油庫外，從而大大的降低了油氣分析的風險性，保證 在罐室內沒有任何的電路系統，避免因為測量而引起的點燃；
[0041] 分析主機系統由單片機控制、TFT彩色液晶顯示器（150X 100VGA)、A/D轉換電路、 數字接口電路、自行開發的具有中文菜單的控制軟體組成；電源控制系統根據實際情況可 採用 AC :20-27V ;70-250V(50Hz)，DC :20-36V ;70V-250,輸出兩塊 AC/DC 電源模塊分別為微 機系統和電磁三通閥供電，變壓器與+5V輸出穩壓電源及+5V輸入、± 12V輸出DC/DC升壓 模塊為測量系統其他部分供電；
[0042] 本發明的優勢在於：
[0043] 1)基於紅外光譜法，通得到特徵吸收峰的強度來測定常見油氣混合物（汽油、柴 油和煤油等）中各組分的含量；得到油氣在3. 39 μ um附近有強烈、單一的吸收峰，依據這一 重要特徵進行油氣濃度檢測單元的設計，提高了檢測的精度；
[0044] 2)對於長時間測量狀態，油氣的吸附、氣體的溼度及氣體中的微小的灰塵顆粒都 將是影響測量的關鍵指標，而普通的紅外分析氣室，最大的直徑只有8_，最小的直徑只有 4mm，長時間的測量後以上的幾種因素會直接的附著在分析室的內壁上，這樣在小的氣室 空間內，直接對紅外光有著極高損耗，從而導致靈敏度很快的下降，導致分析儀器不能精準 的測量，針對油氣的強附著能力，設計的大空間紅外分析室，直徑為25mm，是常規紅外分析 室的3-6倍，抗汙染能力增加3-6倍，高效的增加了在測量過程中的長時間靈敏度，而在對 於紅外光路的損耗問題上，整套紅外分析室採用一次成型加工工藝，在氣室內壁採用1_ 厚的整體鍍金層，氣室的兩端密封材料測採用高透明度的寶石鏡片粘接，使紅外光源發出 的紅外光接近零損耗的形式穿過光學氣室，從而精準的保證了分析儀的分析能力；
[0045] 3)在取樣的設計上，採用從油氣危險源現場8點機械式不鏽鋼管路吸氣，將防爆 分析儀表安裝在油庫外，降低了油氣爆炸風險，同時採用8路氣體採樣預抽氣路，能實時在 線檢測各點油氣濃度；採用高頻率電磁閥和研發組合式控制閥體，獨特的設計組合式切換 氣路，在相對的小體積內完成快速的氣路切換，同時配合分析儀的分析指令，對指令需要控 制的氣路及時響應，從而保證對每路氣體精確的供應分析氣源，位置信號判定，無錯啟動、 無堵塞，在抽氣單元安裝高度布置上，根據油氣容易在拐角等處聚集，因此初步確定安裝高 度為lm以內，拐角及尺寸、結構變化處為重點安裝點；
[0046] 4)充分考慮溫度、溼度及氧濃度對油氣爆炸極限的影響，在現場布置氧、溫度和溼 度傳感器，同時在危險源爆炸分級預警軟體設計時，採用綜合判據的方法進行危險源分級 預警，減少了誤報。
[0047] 5)現場CAN總線設計，可將報警信號進行可靠、遠距離傳輸，並可與油庫監控系統 對接。
[〇〇48] 以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精 神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1. 一種基於非分光紅外法的油氣在線檢測裝置，其特徵在於，該基於非分光紅外法的 油氣在線檢測裝置包括：主動式抽氣單元、油氣濃度檢測單元、氧氣和溫溼度測量單元、分 析主機、CAN總線、工作站； 主動式抽氣單元用於通過設置在油品儲存庫的8個取樣點採集混合氣體； 油氣濃度檢測單元、氧氣和溫溼度測量單元與主動式抽氣單元連接，用於測量主動式 抽氣單元採集混合氣體的氧氣濃度、以及溫度和溼度； 分析主機與油氣濃度檢測單元、氧氣和溫溼度測量單元連接，用於對油氣濃度、氧氣、 溫溼度測量單元測量的混合氣體油氣濃度、氧氣濃度、以及溫度和溼度進行分析，並進行顯 示； 工作站通過CAN總線與分析主機連接，接收分析主機分析的混合氣體油氣濃度、氧氣 濃度、以及溫度和溼度，如果氣體濃度超過爆炸上限，則發出報警，實現對油氣危險源的分 級預警監測和報警。
2. 如權利要求1所述的基於非分光紅外法的油氣在線檢測裝置，其特徵在於，主動式 抽氣單元採用現場8點機械式不鏽鋼管路吸氣。
3. 如權利要求2所述的基於非分光紅外法的油氣在線檢測裝置，其特徵在於，現場8點 機械式不鏽鋼管路吸氣採用高頻率電磁閥和研發組合式控制閥體。
4. 如權利要求1所述的基於非分光紅外法的油氣在線檢測裝置，其特徵在於，油氣濃 度檢測單元由紅外氣體吸收室、紅外光源和紅外探測器和放大電路組成。
5. 如權利要求4所述的基於非分光紅外法的油氣在線檢測裝置，其特徵在於，紅外分 析室直徑為25mm。
6. 如權利要求4所述的基於非分光紅外法的油氣在線檢測裝置，其特徵在於，紅外分 析室採用一次成型加工工藝，在氣室內壁採用1mm厚的整體鍍金層，氣室的兩端密封材料 測採用高透明度的寶石鏡片粘接。
7. 如權利要求1所述的基於非分光紅外法的油氣在線檢測裝置，其特徵在於，抽氣單 元的安裝高度為lm以內，油品儲存庫的拐角及尺寸、結構變化處為安裝點。
8. 如權利要求1所述的基於非分光紅外法的油氣在線檢測裝置，其特徵在於，分析主 機由單片機控制、TFT彩色液晶顯示器、A/D轉換電路、數字接口電路組成。
【文檔編號】G01N21/3504GK104089918SQ201410314911
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月3日 優先權日:2014年7月3日
【發明者】蔣新生, 王冬, 歐益宏, 杜揚, 錢海兵, 梁建軍, 周建忠, 薛松, 周琳莉 申請人:中國人民解放軍後勤工程學院