红外光谱气体在线分析应用中的关键技术ppt课件.ppt

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,许多电力设备，如变压器，主要靠气体分析来评估运行状态变压器油中气体分析是变压故障诊断的重要手段；六氟化硫分析物的在线分析是开关运行状态的重要评估依据。目前，电力设备的故障诊断准确率还不够令人满意，变压器的准确率只有70%。,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,舰艇、飞机、航天器中的空气质量监控是上天入地工程的一项重要工作。军舰、潜艇长时间航行后，士兵常常感到头晕；F22进气道的缺陷直接导致了它的停飞。,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、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,质谱法灵敏度高，分析准确，速度快，但对异构体气体难于区分，操作复杂，价格昂贵，易受污染，维护费用高。,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、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,技术现状,色谱法光谱法联用，色谱法质谱法联用，几乎可以准确分析所有的气体，但进一步增加了成本和维护成本，需要专门培训操作员.,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 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,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）,解决了：多组分复杂混合气体烷烃C1C5气体光谱分析的分离度难题（分子基团相同、分子结构相近、光谱严重交叠）；特别是其中某些组分浓度极大或未知的非目标气体干扰条件下，对另一些微量气体组分极弱信号进行高分辨力、高信噪比、高准确度地辨识难题；,保证分析平台高性能的智能化分析技术,四 关键技术,多级特征集提取数字联合滤波光谱基线畸变修正信号动态补偿多种智能化多传感器数据融合处理技术。,光谱特征变量集提取优化模块,多逆模型模块,基线漂移与畸变自校正模块,扫描背景？,扫描背景,多逆模型模块,动态补偿模块,联合滤波模块,光谱数据x1, x2, xm,多组分气体浓度值y1, y2, yn,光谱重构,授权发明专利三项：ZL02139414.8 ZL200410025978.x ZL201010268039.3申请发明专利三项： 201010218580.3 201210076501.9 201110355413.8,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,C1,C2,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,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,甲烷特征集优化结果:光谱数据由1866条降为3条ymethane =Xb+e =1.698v3016.1- 0.852v3003.3 -0.846v3024.5,确定谱线灵敏度sj0的非敏感区,baselinej=mean(vj)+SjCT,ratej= (baselinej+1- baselinej)/(numj+1-numj),vj,j+1(numj:numj+1)= vj,j+1(numj:numj+1)-(baselinej+ratej(numj:numj+1)T-numj),光谱基线漂移、畸变的分段在线自修正技术（平移、旋转及sj0非敏感区线性化处理）,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,TR目标泛函由,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（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)Ci(k+1)Down，则Ci(k+1)Ci(k+1)Down；,分析结果的上下限：,滤波方法：,多组分气体分析结果滤波原理,保证分析平台高性能的智能化分析技术,光谱10%,色谱：5.7%,提高系统整体动态特性联合实施新方案,四 关键技术,录井结果曲线截屏图,现场扫描谱图与10%甲烷标气谱图对比图,现场谱图与10%的甲烷标气谱图对比吻合良好，表明光谱分析结果甲烷浓度10%是正确的；气体浓度快速增大时，气相色谱分析结果偏小5.7%，表明色谱法动态特性差；,授权发明专利两项：Zl201010286692.2 ZL200910021875.9申请发明专利两项：201110127264.X 201110091432.4,（1）基本组成： 以光谱气体分析平台为核心配置外围环节：最短气路连接管道、自校准闭环调压系统、数据无线远传系统。,五 研究成果,一种全新气测录井仪YQJK井口气远程测定仪,在线分析9种复杂混合气体成分是一种用于石油天然气勘探现场油气储量评价的仪器,（2）录井结果：与气相色谱仪相比：二者准确性相当！,五 研究成果,一种全新气测录井仪YQJK井口气远程测定仪,其他性能对比：,五 研究成果,一种全新气测录井仪YQJK井口气远程测定仪,突破12米薄油气层探测的瓶颈！,(红外：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。,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,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,1cm-1分辨率,不同波数分辨率情况下1000ppm甲烷的红外吸收光谱,烷烃红外吸收光谱的交叠性,4cm-1分辨率,同4cm-1分辨率相比，1cm-1分辨率情况下甲烷相邻两个吸收峰区分非常明显，存在基本不与其它气体交叠的吸收谱线，甲烷基本不对其它气体的分析存在影响；乙烷具有更多的谱图细节，便于特征变量的提取，以获得高分辨力与高分析准确度；波数分辨率越高，扫描时间越长，需根据需要折衷考虑。,