FTIR傅里叶气体泄漏检测设备的实现

FTIR傅里叶气体泄漏检测设备的实现

张润轩,崔世恒,吴金金,邵明硕,房雅

（山东协和学院计算机学院 山东 济南 250109）

作者简介：张润轩 (2002.02-)，女，山东德州，软件工程2020级

指导老师：房雅（1996.04-），山东烟台，女，研究方向：智能信息处理、智慧交通

摘要：近年来石化企业因气体泄漏引发的火灾、爆炸事故屡见不鲜，传统的光谱法在检测气体泄漏时有着明显弊端，因此现急需一中高精度、高效率的有毒、有害气体检测技术。傅立叶变换红外（FTIR）光谱技术可以对石化企业中的泄漏气体进行实时在线监测。但是由于石化企业中气体的成分复杂,红外吸收光谱互相干扰、重叠,往往难以辨认。本文用FTIR研究石化泄漏气体中主要物质的红外吸收光谱特性,确定光谱分析时废气各组分的特征红外频率。分析对象包括甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、乙炔，硫化氢等十二种易燃有毒气体。

关键词：FTIR 气体泄漏检测 石化

1 引言

随着工业的高度发展,环境问题日益受到人们的关注,空气污染已成为最突出的问题之一。长期以来,人们为了认识和研究各种气体的化学性质及其含量,采取了不同的分析检测方法,例如气相色谱法、质谱法以及比色法。然而,这些方法往往很难实现“在线”监测。近年来,傅立叶变换红外分析仪(FTIR)在气体分析中发挥了十分重要的作用,在很短时间内便应用于各种气体分析和气体研究领域。目前国际上很多研究机构都已经将傅立叶变换红外分析仪(FTIR)作为工业废气的实时“在线”分析工具。它的优点在于:(1)检测响应时间短,有利于对动态过程和瞬间变化的研究,能够在线连续分析燃烧产生的烟气;(2)利用计算机储存和多次累加,信噪比大大提高,可以进行物质的痕量测定;(3)分辨率高,可以同时监测废气中的多种组分。

可燃气体和有毒气体泄漏是石油化工企业发生火灾、爆炸及人员伤害等事故的重要原因之一。作为石油化工企业风险降低的独立保护层之一，中国对可燃气体和有毒气体检测报警系统的要求也越来越高。2014年11月，原国家安全监管总局发布了《国家安全监管总局关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见》（安监总管三（2014）116号）。2019年9月，中华人民共和国住房和城乡建设部颁布了GB／T50493—2019《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》。以上文件和标准的发布，对新建装置和在役装置可燃气体和有毒气体检测报警系统的设计和实施产生了重大影响。因此团队研究FTIR傅里叶变换红外技术在石化气体泄漏中的有效作用。

2 红外成像检测技术的原理及分类

红外成像检测技术的原理是基于气体的红外吸收。气体分子吸收特定波段的红外辐射而发生能级跃迁，因此气体泄漏前后，环境中的红外辐射能量会产生差异，这一特性适合被用来检测气体泄漏。常见的气体分子吸收波段主要集中在近红外波段(3～5mm)和远红外波段(8～12mm)。红外成像检测技术分为主动式检测和被动式检测。主动式检测技术以激光作为激励源，信噪比高、灵敏度高，气体与背景之间不需要温度差异，但是系统较为复杂。常见的几种技术有差分吸收激光雷达(DIAL)技术、可调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术、傅里叶变换红外光谱(FTIＲ)技术、差分吸收光谱(DOAS)技术。

被动式检测技术是基于气体分子对背景的辐射吸收，不需要光源，系统结构相对简单，但是需要气体与背景之间存在温度差异，信噪比低，图像处理过程较为复杂。被动式检测技术分为红外热成像技术和红外光谱成像技术。红外热成像技术关注的重点在于气体泄漏的探测和泄漏源的定位，而红外光谱成像技术能够定量检测气体泄漏的浓度并确定气体种类。红外成像检测技术根据探测器的种类可以分为制冷型和非制冷型。制冷型探测器为光子型探测器，工作原理是在红外辐射的作用下，材料的载流子浓度发生变化，在内部电场偏压下产生电学信号的输出。该种材料在室温下会增加噪声水平，从而降低器件的信噪比，因此器件需工作在低温环境下。非制冷型探测器是一种光热型红外探测器，工作原理是利用红外辐射特有的热效应，将红外辐射先转换为材料的温度变化，导致材料的结构或者物理量发生变化，通过探测变化的物理量转换成电学信号的输出。两种探测器的特点如表1所示。

表1 制冷型与非制冷性探测器对比

3 总体设计

3.1 系统整体设计

石化气体泄漏气体检测系统主要分为五部分：光学系统、干涉仪、样品采集器、检测器、数据中心。设备端上有单片机、GPS模块、NB模块、湿度传感器等特殊模块。其中单片机作为主要的控制单元，可以对传感器采集的信息和检测仪提供的信息进行处理和整合。不同气体对红外辐射有着不同的吸收光谱，某种气体的特征光谱吸收强度和该气体的浓度有关，利用同一原理可以测量气体浓度。

3.2 事故报警流程

当事故发生时，样品采集器得到样品被光学系统发射红外光干涉后，得到干涉光经过样品采集器得到样品的干涉光，通过检测器得到光谱图，光谱图经数据中心处理，得到数字信号在显示屏显示，如果数据有异常则会进行声光报警提示。利用红外光谱法测试，本质安全，抗干扰能力强，灵敏度高，响应速度快，寿命长等，成本较高，设备复杂，吸收弱，需要对光源进行调制。

4 功能模块介绍

根据我们研制的石化易泄漏的有害、有害气体检测系统的功能点，FTIR傅里叶气体泄漏检测设备有以下几个功能模块：

4.1 BDS/GPS双定位模块

本系统定位功能使用BDS/GPS双定位模块，其型号为ATGM336H。通过该模块，能接收到BDS/GPS信号。

4.2NB模块

本系统所用的是WH-NB71。DC 3.1～4.2V，适应多种场合应用，频段多，可以接入云端，功耗低，尺寸小。可实现将加速度、定位信息等信息通过网络进行传输连接。

4.3 光学系统

为满足测量要求，对光源的性能有如下要求：光源波长应与被测气体的吸收谱线严格的相匹配；适当的光功率；稳定性要求高、噪声小。本设计所选用的可调谐激光器（DFB  LD）光源，具有谱线窄、功率大、波长及功率稳定性好、动态单模特性和良好的线性等特点，能够满足所设计的传感系统的实际要求。

4.4 干涉仪

将光束经过分束镜分为两束后被平面镜反射、折射，反射、折射的两束光形成干涉光。

4.5样品采集器

对气体样本进行采集，数据采集与处理部分是检测仪软件部分的核心，数据采集采用的是16位高精度模数转换器AD976。

4.6 检测器

对干涉光提取主成分，作为支持向量回归机(SVR)参数建立校正模型，形成光谱图。

4.7 数据中心

对光谱图进行比较来定性分析气体，芯片集成TRTO特征提取算法，TRTO正则法通过对岭回归中TR1和TR2进行结合，同时引入谱线距离和谱线系数绝对值最小化两个约束项来保证所提取特征量的准确度，消除基线漂移所带来的影响解决光谱重叠问题。

5 结语

本文研究了十二种典型毒害气体的傅立叶变换红外( FTIR) 吸收光谱分析方法, 并以混合气体水蒸气 、二氧化碳 、一氧化碳和一氧化氮为例,进行定量分析。为了减小各组分间的互相干扰, 应选择吸收系数差别大的分析峰。由于工业废气的成分复杂, 种类繁多, 因此在做红外光谱的定性和定量分析时尽量选择不受其他物质干扰的特征峰 、较强峰作为分析峰。

参考文献：

[1］李家琨，金伟其，王霞，等．气体泄漏红外成像检测技术发展综述［J］．红外技术，2014，36(7):513-520．

[2］刘秀，王岭雪，金伟其，等．危险气体泄漏的光学遥测技术及其进展［J］．红外技术，2009，31(10):563-567+572．

[3］李家琨.气体泄漏被动式红外成像检测理论及方法研究［D］．北京:北京理工大学，2015.