红外光谱气体在线分析应用中的关键技术ppt课件.ppt
《红外光谱气体在线分析应用中的关键技术ppt课件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《红外光谱气体在线分析应用中的关键技术ppt课件.ppt(39页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、复杂多组分混合气的光谱分析关复杂多组分混合气的光谱分析关键技术及其应用键技术及其应用汤晓君汤晓君 2013-09-16 西安西安提提 纲纲一一 科学仪器概论科学仪器概论二二 气体分析应用背景气体分析应用背景三三 总体思路与技术路线总体思路与技术路线四四 关键技术关键技术五五 研究成果研究成果一一 科学仪器概论科学仪器概论1)1)分析仪器分析仪器 9)9)医学诊断仪器医学诊断仪器 2)2)物理性能测试仪器物理性能测试仪器 10)10)核仪器核仪器 3)3)计量仪器计量仪器 11)11)特种检测仪器特种检测仪器 4)4)天文仪器天文仪器 5)5)海洋仪器海洋仪器 6)6)地球探测仪器地球探测仪器
2、7)7)大气探测仪器大气探测仪器 8)8)电子测量仪器电子测量仪器 应用领域实例应用领域实例u气体监测应用广泛,关系到国计民生,但待测气体大多是多气体监测应用广泛,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气体分析也是井喷灾害的预防手段二二 气体分析应用背景气体分析应用背景 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。析结果来评判。瓦斯一直困扰着我国的煤炭安全
3、生产。二二 气体分析应用背景气体分析应用背景应用领域实例应用领域实例 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;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。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%70%。二二 气体分析应用背景气体分析应用背景应用领域实例应用领域实例二二 气体分析应用背景气体分析应用背景应用领域实例应用领域实例 温室气体
4、排放的监测是我国“十二五”的重要议题 蓝天被蓝天被浓烟所浓烟所遮盖遮盖 温室气体排温室气体排放监测已列放监测已列入入 “十二五十二五”科技计划科技计划二二 气体分析应用背景气体分析应用背景应用领域实例应用领域实例u气体监测是特种刑侦的重要手段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。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。气体酒驾测试还不过关,需要血液化验最终核定。二二 气体分析应用背景气体分析应用背景应用领域实例应用领域实例u舰艇、飞机、航天器中的空气质量监控是上天入地工程的一舰艇、飞机
5、、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。项重要工作。 军舰、潜艇长时间航行后,士兵常常感到头晕;军舰、潜艇长时间航行后,士兵常常感到头晕; F22F22进气道的缺陷直接导致了它的停飞。进气道的缺陷直接导致了它的停飞。二二 气体分析应用背景气体分析应用背景应用领域实例应用领域实例汽车尾气分析优汽车尾气分析优化发动机化发动机汽车尾气分析研汽车尾气分析研究燃烧学究燃烧学u气体在线监测也是许多科学研究与工程开发的重要手段。气体在线监测也是许多科学研究与工程开发的重要手段。二二 气体分析应用背景气体分析应用背景技术现状技术现状u目前的混合气分析技术各有千秋,尚无完美的方法目前的混合气分析技
6、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;与分辨力等方面性能较低;l电化学气体传感器电化学气体传感器寿命短寿命短l新型微纳米气体传感器新型微纳米气体传感器整体尚处于实验室阶段整体尚处于实验室阶段l半导体气体传感器半导体气体传感器只在工业现场做定性报警用只在工业现场做定性报警用l红外光栅光纤、分光型光电式红外光栅光纤、分光型光电式难以区分同种类分子气体难以区分同种类分子气体
7、u气相色谱法分辨力高,准确高,但色谱柱易受污染,维护成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。一般只能本高,成本高,安全性也较低,速度慢。一般只能离场离场( (ex situ) )在线分析;在线分析;二二 气体分析应用气体分析应用技术现状技术现状u质谱法灵敏度高,分析准确,速度快,但对异构体气体难质谱法灵敏度高,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。于区分,操作复杂,价格昂贵,易受污染,维护费用高。二二 气体分析应用气体分析应用技术现状技术现状二二 气体分析应用气体分析应用技术现状技术现状 光谱法灵敏
8、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。2800285029002950300030503100315000.511.5Wavenumber(cm-1)Absorbancemethaneethanepropaneiso-butanen-butaneiso-pentanen-pentane烷烃红外吸收光谱的交叠性烷烃红外吸收光谱的交叠性二二 气体分析应用气体分析应用技术现状技术现状分析时间则需分析时间则需要要400400900900秒秒u 文献查新及对比文献查新及对比 查新关键词:录井、红外光谱查新关键词:录井、红外光谱 密切相关文献密切相关文献A类期刊Applied S
9、pectroscopy分析组分:水分析组分:水,甲烷甲烷,乙烷乙烷, 乙烯乙烯(water, methane, ethane, ethene)定性分析组分定性分析组分:C1, C2C5, C6+, and CO2会议论文会议论文二二 气体分析应用气体分析应用技术现状技术现状u 色谱法色谱法光谱法联用,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. .二二 气体分析应用背景气体分析应用背景u关键问题一:关键问题一:何种气体传感器能何种气体传感
10、器能长期稳定长期稳定应用于工业应用于工业现场?现场?u关键问题二:关键问题二:对于具有对于具有交叉敏感交叉敏感的多传感器系统在小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?样本条件下,如何建立准确正模型,获得准确结果?u关键问题三:关键问题三:如何解决具有如何解决具有相同分子基团、分子结构相同分子基团、分子结构相近相近气体组分,如烷烃气体组分,如烷烃C C1 1C C5 5的准确辨识难题?的准确辨识难题?u关键问题四关键问题四:如何避免:如何避免干扰气干扰气带来的影响?带来的影响? (关键技术问题)(关键技术问题)三三 总体思路与技术路线总体思路与技术路线 气体红外分析原理
11、气体红外分析原理迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪三三 总体思路与技术路线总体思路与技术路线被测气体被测气体多组分复杂混合气体分析平台多组分复杂混合气体分析平台应用研究应用研究 +组成基本的分析平台组成基本的分析平台探寻探寻可实用化的气体可实用化的气体体传感器体传感器接口电路接口电路CPUCPU基本软件算法基本软件算法多传感器多传感器信息融合算法信息融合算法智能化软件智能化软件外围环节外围环节l可测气体可测气体1313种(种(9/119/11)l可测量复杂混合气体:可测量复杂混合气体: 含相同分子基团、含相同分子基团、 分子结构相同的分子结构相同的 多组分混合气体多组分混合气体实现基本功能:实现基本
12、功能:l数据采集数据采集l刻度转换刻度转换(由传感器输出(由传感器输出求被测气体浓度)求被测气体浓度)实现智能化功能:实现智能化功能:足够高的足够高的l准确性准确性l分辨力分辨力l信噪比信噪比l快速响应性快速响应性l连接气路连接气路l自校准闭自校准闭环调压系统环调压系统l数据无线数据无线远传系统远传系统+四四 关键技术关键技术 ( (概述概述) )1.1.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
13、题;了需要海量实验标定样本的难题;2.2.分子结构相近气体的分离问题。提出特征变量提取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畸变修正光谱图重构光谱图重构动态补偿动态补偿联合滤波的智能化分析新技术,解联合滤波的智能化分析新技术,解决了分子结构相近气体,如烷烃决了分子结构相近气体,如烷烃C C1 1C C5 5的光谱分析分离度难题;的光谱分析分离度难题;3.3.干扰气问题。多分析模型信息融合干扰气问题。多分析模型信息融合- -光谱图重构法克服了干扰气光谱图重构法克服了干扰气带来的影响带来的影响。采用采用“多维曲面拆分附加样本法多维曲面拆分附加样本法”和和“多级分类多逆模型多级分类多逆
14、模型”正、逆模型建模法正、逆模型建模法,解决解决: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。四四 关键技术关键技术正、逆模型的标定方法正、逆模型的标定方法信息融信息融合算法合算法传感器传感器1传感器传感器2传感器传感器n 1 2 mx1=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, x2, xn)正模型正模型逆模型逆模型高维曲面高维曲面xi=fi( 1, 2, , l)l=9、11二维曲面二维曲面
15、曲线插值曲线插值拆分降维拆分降维生成附生成附加样本加样本利用被测量之利用被测量之间的正交性间的正交性多级分类多级分类信息融合信息融合逆模型逆模型yi=gi(x1, x2, xn)举例说明:常规实验标定法举例说明:常规实验标定法总标定点数总标定点数/ /样本数据组数样本数据组数i=nl=77=82万万被测量维数被测量维数=7=7每维数标定点数每维数标定点数n=7总标定时间总标定时间T=t i=7.9年年标定一个点需时标定一个点需时t=5分钟分钟无法实现无法实现!正、逆模型的标定方法正、逆模型的标定方法四四 关键技术关键技术发明专利两项发明专利两项:ZL03134434.3 ZL201010270
16、822.3 新方法实施后的效果新方法实施后的效果u使使7 7维标定实验,所需标定次数由维标定实验,所需标定次数由8282万万次次 166166次,使标定时间由次,使标定时间由7.97.9年年 3 3天;天;u在在166166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。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)(相同分子基团、分子结构相近、光谱严重交叠)解决了:解决了:u多组分复杂混合气体烷烃多组分复杂混合气体烷烃C C1 1C C5 5气体光气体光谱分析的分离度难题(分子基团相同、谱分析的分离度难题(分子基团相同、分子结构
17、相近、光谱严重交叠);分子结构相近、光谱严重交叠);u特别是其中某些组分浓度极大或未知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;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保证分析平台高性能的智能化分析技术四四 关键技术关键技术多级特征集提取多级特征集提取数字联合滤波数字联合滤波光谱基线畸变修正光谱基线畸变修正信号动态补偿多信号动态补偿多种智能化多传感器数据融合处理技术。种智能化多传感器数据融合处理技术。光谱特征变量集提光谱
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 红外 光谱 气体 在线 分析 应用 中的 关键技术 ppt 课件
限制150内