红外光谱气体在线分析应用中的关键技术课件

1、复杂多组分混合气的光谱分析关键技术及其应用汤晓君 2013-09-16 西安提 纲一 科学仪器概论二 气体分析应用背景三 总体思路与技术路线四 关键技术五 研究成果一 科学仪器概论1)分析仪器 9)医学诊断仪器 2)物理性能测试仪器 10)核仪器 3)计量仪器 11)特种检测仪器 4)天文仪器 5)海洋仪器 6)地球探测仪器 7)大气探测仪器 8)电子测量仪器 应用领域实例气体监测应用广泛，关系到国计民生，但待测气体大多是多组分混合气体石油、天然气勘探依赖气体的在线分析来评判气体分析也是井喷灾害的预防手段二 气体分析应用背景绝大部分矿难是由于瓦斯引起的，矿井安全依赖于气体在线分析结果来评判。瓦

2、斯一直困扰着我国的煤炭安全生产。二 气体分析应用背景应用领域实例二 气体分析应用背景应用领域实例温室气体排放的监测是我国“十二五”的重要议题 蓝天被浓烟所遮盖 温室气体排放监测已列入 “十二五”科技计划二 气体分析应用背景应用领域实例气体监测是特种刑侦的重要手段警犬在许多方面缉毒受限：不可暗中查访，受刺激性气味影响。气体酒驾测试还不过关，需要血液化验最终核定。二 气体分析应用背景应用领域实例汽车尾气分析优化发动机汽车尾气分析研究燃烧学气体在线监测也是许多科学研究与工程开发的重要手段。二 气体分析应用背景技术现状目前的混合气分析技术各有千秋，尚无完美的方法常规气敏传感器，如分光型光电式、半导体、

3、电化学气敏传感器价格低廉，体积小，重量轻，但在准确性、稳定性、选择性与分辨力等方面性能较低；电化学气体传感器寿命短新型微纳米气体传感器整体尚处于实验室阶段半导体气体传感器只在工业现场做定性报警用红外光栅光纤、分光型光电式难以区分同种类分子气体气相色谱法分辨力高，准确高，但色谱柱易受污染，维护成本高，成本高，安全性也较低，速度慢。一般只能离场(ex situ)在线分析；二 气体分析应用技术现状二 气体分析应用技术现状光谱法灵敏度高，稳定，速度快，安全，可免维护，但分子结构相近气体难于区分。烷烃红外吸收光谱的交叠性二 气体分析应用技术现状分析时间则需要400900秒文献查新及对比 查新关键词：录井

4、、红外光谱 密切相关文献A类期刊Applied Spectroscopy分析组分：水,甲烷,乙烷, 乙烯（water, methane, ethane, ethene）定性分析组分：C1, C2C5, C6+, and CO2会议论文二 气体分析应用背景关键问题一：何种气体传感器能长期稳定应用于工业现场？关键问题二：对于具有交叉敏感的多传感器系统在小样本条件下，如何建立准确正模型，获得准确结果？关键问题三：如何解决具有相同分子基团、分子结构相近气体组分，如烷烃C1C5的准确辨识难题？关键问题四：如何避免干扰气带来的影响？ （关键技术问题）三 总体思路与技术路线 气体红外分析原理迈克尔逊干涉仪三

5、 总体思路与技术路线被测气体多组分复杂混合气体分析平台应用研究 +组成基本的分析平台探寻可实用化的气体体传感器接口电路CPU基本软件算法多传感器信息融合算法智能化软件外围环节可测气体13种（9/11）可测量复杂混合气体： 含相同分子基团、 分子结构相同的 多组分混合气体实现基本功能：数据采集刻度转换（由传感器输出求被测气体浓度）实现智能化功能：足够高的准确性分辨力信噪比快速响应性连接气路自校准闭环调压系统数据无线远传系统+四 关键技术 (概述)1.海量实验标定样本的问题。在小样本条件下，对具有交叉敏感的多传感器系统，提出了建立正、逆模型的标定新方法，解决了需要海量实验标定样本的难题；2.分子结

6、构相近气体的分离问题。提出特征变量提取畸变修正光谱图重构动态补偿联合滤波的智能化分析新技术，解决了分子结构相近气体，如烷烃C1C5的光谱分析分离度难题；3.干扰气问题。多分析模型信息融合-光谱图重构法克服了干扰气带来的影响。采用“多维曲面拆分附加样本法”和“多级分类多逆模型”正、逆模型建模法，解决：具有交叉敏感的多传感器系统传统多维标定需要海量标定样本难题。四 关键技术正、逆模型的标定方法信息融合算法传感器1传感器2传感器n12mx1=f1(1, 2, n)x2=f2(1, 2, n)xn=fn(1, 2, n)y1=g1(x1, x2, xn)y2=g2(x1, x, xn)ym=gm(x1

7、, x2, xn)正模型逆模型高维曲面xi=fi(1, 2, , l)l=9、11二维曲面曲线插值拆分降维生成附加样本利用被测量之间的正交性多级分类信息融合逆模型yi=gi(x1, x2, xn)举例说明：常规实验标定法总标定点数/样本数据组数i=nl=77=82万被测量维数=7每维数标定点数n=7总标定时间T=ti=7.9年标定一个点需时t=5分钟无法实现！正、逆模型的标定方法四 关键技术发明专利两项：ZL03134434.3 ZL201010270822.3 新方法实施后的效果使7维标定实验，所需标定次数由82万次 166次，使标定时间由7.9年 3天；在166组小样本条件下，仍能满足对多

8、组分复杂混合气体的辨识要求。 （相同分子基团、分子结构相近、光谱严重交叠）瞬变噪声滤波前后对比(噪声水平由800ppm降低到100ppm) 光谱10%色谱：5.7%光谱0.02%C1大浓度条件下（10%）对C2小浓度具有高分辨率C1C2保证分析平台高性能的智能化分析技术四 关键技术实施效果：基线畸变修正前后对比修正前修正后关键技术传统方法基于改进TR正则目标泛函最优解的光谱特征变量多维特征集提取优化法传统主元分析法、前向选择法、小波系数法、 Tikhonov正则化法、遗传优化算法、粒子群优化算法等特征提取未考虑系数和不为0，及谱线位置的影响，特征变量受低频干扰影响；基于混沌噪声与边界约束的数字

9、联合滤波法；（非平稳滤波）一般滤波器、相关法不适用于消除瞬变信号叠加的尖峰噪声；光谱仪光谱基线漂移、畸变的分段在线自修正技术；传统基线校正方法计算量大，影响系统的快速响应性。在交叉敏感情况下基于盲解卷积动态补偿器的多传感器系统动态补偿方法传统一个被测量的单传感器系统动态补偿法不适用于具有交叉敏感的多传感器系统；基于勾型损失函数的光谱图重构法常规方法通过谱图对比来避免未知气体的干扰，非常耗时。四 关键技术保证分析平台高性能的智能化分析技术四 关键技术红虚线处实际光谱有吸收峰， 重构光谱无吸收峰，表明重构法最大限度消除了未知气体对目标气体分析结果的干扰。光谱重构降低未知干扰气影响及效果透射率波数（

10、CM-1）重构光谱实际光谱保证分析平台高性能的智能化分析技术四 关键技术若Ci(k+1)UP Ci(k+1) Ci(k+1)Down，则Ci(k+1)维持不变；若Ci(k+1)Ci(k+1)UP，则Ci(k+1)Ci(k+1)UP；若Ci(k+1)120s，最高水平30s但未普及使用动态性能很好，不受气路管道影响，响应时间主要由单次分析周期决定差，严重受长气路管道制约，响应时间在3分钟以上可探测油层厚度12米薄油层15米数据无线远传功能有无日常维护简便，可无人值守复杂，必须有人值守，需载气，管道易受污染需清洗标定周期产品出厂后不需再标定需每年至少标定一次 突破12米薄油气层探测的瓶颈！(红外：

11、100000,色谱：70000)(红外：9200,色谱：4200)一种全新气测录井仪YQJK井口气远程测定仪同类技术与产品性能对比有常数项，有系统偏差五 研究成果多组分复杂混合气体光谱分析技术具有很强的创新性，处于国际领先水平“YQJK井口气远程测定仪”在石油、天然气勘探与开发领域中属于国际先进水平鉴定证书与鉴定意见：是一种全新的录井仪五 研究成果一种全新气测录井仪YQJK井口气远程测定仪获中国仪器仪表学会(国家第一批授权社会科技评奖机构)科技创新奖1项；获2013的陕西科学技术一等奖 (还未授奖，科研院已开具获奖证明)。2011年和2012年受中国仪器仪表学会邀请，分别在北京和西安做了学术报

12、告，2013年受西安科技大学邀请做了矿井安全方面的学术报告。项目编号2012YQ240127项目名称基于光谱技术的煤矿气体检测仪器装备研制与应用经费(万元)6185.12(国拨2665.0，个人名下258.96)起止年月2012.10-2016.9角色技术总负责人项目来源国家重大科学仪器设备开发专项六 科研项目谢 谢！附录1 正、逆模型法波数为3002.3处谱线甲烷的折算吸光度随甲烷浓度变化的曲线 添加附加”样本后光谱谱线值曲面吸光度具有单调性，谱线值也具有单调性中红外光谱高波数段光谱 BZFZBZCFXOCZAOYXZA曲面拆分图被测气体组分浓度之间线性无关附录2 光谱波数分辨率对气体分析的影响1c