气体成分论文（精选4篇）
气体成分论文 篇1
0 引言
目前, 石油气体检测系统大部分采用国外进口设备, 价格昂贵, 体积笨重, 需要专门的运输设备移动。鉴此, 笔者开发出一套石油钻井井口气体成分检测系统, 该系统能实时检测、记录井口气体中甲烷、丙烃等主要气体成分的浓度, 并与气测录井[1]钻时、全烃、非烃等后期分析参数形成12条实时监测曲线, 同时将原始数据存储到数据库中供后期查询及标准石油钻井记录报表的生成。该系统完全可以替代进口设备, 且成本低, 携带方便, 反应灵敏。
1 系统组成
石油钻井井口气体成分检测系统由取气、采样、信号处理、信号传输和软件监控5个部分组成。如图1所示 (虚线框内为该系统硬件部分) , 从井口泥浆槽上端抽取石油气, 经过开关阀和过滤器进入小型真空泵, 真空泵排出的气体进入采样管道扩散排出;采样管道上安装甲烷、丙烷、丁烷、戊烷、氢气、一氧化碳等气敏探头, 当石油气经过时气敏探头可采集到相关气体成分的浓度, 并以电压形式输入给放大电路, 进行信号调节和标准信号转换;标准信号传输给信号传输模块, 通过RS485接口传送给远端监控室 (上位机) 进行数据处理和检测。
2 系统硬件设计
2.1 气体检测与信号处理
石油钻井井口气体成分检测系统采用催化燃烧式气敏探头, 以惠斯通电桥作为检测单元, 不同电桥电路的气敏探头的铂金丝上涂有不同的催化剂, 用于催化燃烧不同的气体。当气敏探头遇到所检测的气体时, 只要气体能够被电极引燃, 铂金丝电桥的电阻就会由于温度变化而发生改变, 这种阻值变化与可燃气体浓度成一定比例, 通过信号传输电路的微处理器即可计算出可燃气体浓度[2]。惠斯通电桥检测电路如图2所示, 其中T2为可调电阻, 用于零点调整, R1、R2满足电桥平衡条件T1R2=R1T2。
惠斯通电桥的输出电压Uo输入放大电路中并转换为标准电压信号, 准备进行信号传输。系统需要传输甲烷、丙烷、丁烷、戊烷、氢气、一氧化碳、全烃、全烃备用共8路模拟信号, 故选用研华公司生产的ADAM-4117工业远端I/O作为信号传输模块。ADAM-4117带有自动滤波功能, 可根据噪音的最大频率来自动调整滤波参数, 有效过滤干扰, 保证信号采集的准确性和稳定性, 大大增强了数据采集的抗干扰能力, 适用于石油钻井现场的恶劣环境。采集到的模拟信号通过RS485协议传输到上位机。
2.2 防爆处理
可燃气体发生爆炸必须具备以下2个条件: (1) 一定浓度的可燃气体; (2) 一定量的氧气; (3) 有足够热量点燃它们的火源。催化燃烧检测方法是典型的LEL (最低爆炸限度) 测试方法, 当可燃气体和氧气混合浓度高于VLEL, 低于VUEL (UEL为最高爆炸限度) 时, 会发生爆炸, 所以有必要进行防爆处理。
石油钻井井口气体成分检测系统将用在易燃易爆场所, 防爆措施主要是割断电火花的产生。系统实时记录可燃气体浓度值, 当浓度值超过10%VLEL时, 做警告警报, 当浓度值超过20%VLEL时, 做危险警报并切断电源。
3 系统软件设计
石油钻井井口气体成分检测系统上位机软件采用LabVIEW8.5编写。LabVIEW是NI公司推出的一种基于G语言的虚拟仪器软件开发工具, 可以方便地编写虚拟仪器系统, 完成由信号采集、仪器控制、测量分析和数据处理等任务构成的一个完整测试项目。此外, NI公司还提供大量针对不同用户的工具包, 如图像处理、CAN通信来完成特定工作。该系统采用LabSQL工具包完成与Microsoft Access的通信, 通过SQL语言进行数据的存储和查询;利用LabVIEW报告生成工具箱, 调用报表模板, 生成标准报表。
3.1 主、副流程
Windows为一个弱实时操作系统, 消息循环的时间片为几十毫秒, 且在多任务执行时该时间往往被不确定延长[3]。为能及时更新数据、保证数据的完整性, 该系统采用合理增加线程和提高关键线程优先级的方法来提高程序的实时性[4], 分为主、辅2条线程, 且前者优先级设定为最高。
主线程完成数据采集、标定、存储和实时监控画面的刷新任务。程序启动后, 间隔500 ms通过串口采集深度、现场工作状态和气体浓度信号。现场工作状态为真, 则判定深度的增量是否达到采样间隔值, 默认值为0.05 m, 达到则存储当前气体浓度值和时间值, 作为历史数据库数据供每米标准数据生成调用。存储完成后判断深度增量是否达1 m, 为真则进行历史数据查询, 从数据库中调取对应数据进行均值滤波, 生成每米对应的标准数据并存储、生成报表, 同时更新前面板实时显示曲线, 触发岩层性质输入及捞沙时间计数;否则返回程序循环开始。具体流程如图3所示。
副线程用于监控前面板参数输入并响应触发的动作, 主要包括用户登录和管理系统、捞沙时间和岩层性质录入、历史数据查询及报表生成。
3.2 数据库通信
数据库由Microsoft Access创建, 含有“Realtime”和“Deepgas”两张表, 前者存储原始数据, 后者存储标定后的每米数据。创建完数据库还需要加载到系统数据源中, 首先点击开始→控制面板→性能和维护→管理工具→数据源, 建立以“Microsoft Access Driver (*.mdb) ”为驱动程序的数据源并命名, 用于后面数据通信的识别。该系统数据源名为“dsnwork”, 数据源路径为安装文件下“datebase”里的“work.mdb”。数据库通信示例如图4所示。
数据库通信示例是该系统的子虚拟仪器, 类似于C语言里的子函数, 主程序调用它进行数据的存储和读写。数据源名称、R/W、SQL语言构成的通信命令 (Comd) 的3个输入参数, 返回布尔量Status标志通信成功与否, 读取数据通过DOUT返回。通信过程:首先打开数据源, 通过数据源名查找到要通信的数据源, 通信结束后, 关闭数据源。
3.3 报表生成
LabVIEW报告生成工具箱通过ActiveX技术将Microsoft Word与LabVIEW集成开发环境结合起来, 用于快速生成专业报表, 报表可以包含文字、表格、图表等, 从而可以高效地表示出各种测试数据和结果[5]。
通过LabVIEW报告生成工具箱可直接生成报表或调用定制的Word模板生成报表。该系统生成的报表是石油钻井记录标准格式, 故采用调用Word模板生成报表, 减少复杂文档定制、输出的工作量, 避免反复进行相同格式的修改, 从而大大加快报表的生成速度。
在定制模板中插入Graph图表, 按照石油钻井记录标准制定其属性, 其中Y轴区间最大值和最小值分别用书签“min”和“max”标注, 数据输入端口为“date”、“page”标注, 表示页码编号, 以便后面调用向模板中写入数据定位。然后运行LabVIEW应用程序将测量结果插入到模板中的占位符处。图5为利用Word模板输出标准报表的流程。
图5中, 路径即调用模板路径, 通过New Report.vi基于模板创建新的Word报表且不改变原模板格式;Append Report Text.vi用于向模板中添加文本, 标签名称为“page”, 设定报表页码;Word Update Graph.vi和Word Set Graph Scale.vi用于更新Graph数据和设置Y轴标签;最后退出Graph编辑, 保存报表, 释放内存, 完成报表的生成。
4 系统测试结果
在实际应用中, 将石油钻井井口气体成分检测系统与国外同类产品进行了比较, 结果表明, 该系统在稳定示值误差、响应时间指标上基本与国外设备相同。表1和表2分别为一氧化碳 (CO) 气体的标准示值与达到90%浓度时的响应时间检测结果。
5 结语
实际应用表明, 石油钻井井口气体成分检测系统对石油气浓度的变化反应灵敏, 测试数据与进口设备同步, 完全可以满足油田监测需求, 且该系统成本低, 操作、移动方便, 在国内石油钻井行业有较大的推广前景。
参考文献
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气体成分论文 篇2
a.测量范围:0-2000ppm;响应时间:≤10S
b.测量精度:±7%;分辨度:≤1ppm
c.监测通道数:4路;采集间隔:30min;字符型LCD实时显示监测点数据
d.工作环境温度:-10℃-+50℃;AC220V和电池两种供电方式
2 禽舍有害气体成分自动分析系统总体设计
2.1 系统组成 (图1)
2.2 单片机选型。
控制模块是Atmel公司的AVR单片机AT-mega128组成的, 该单片机突出的优点是超低功耗、强大的处理能力和丰富的片上外围模块。控制模块通过键盘中断将气体信号检测电路输出的电压信号引入单片机内部, 进行模数转换和相应的数据处理, 然后通过LCD液晶模块显示出来, 最后通过RS232串行通信模块对数据传输存储。
2.3 数据采集。
传感器电路是数据采集模块的核心部分, 准确地采集气体信号是气体自动分析系统的关键。系统根据四种主要有害气体的特性选择专一的气体浓度传感器, 对传感器的几种特性分析设计传感器电路, 针对禽舍内的几种有害气体采集对应气体的浓度信号, 并转换成对应的电压信号。 (氨气NH3采用ZYMQ137气体传感器, 硫化氢H2S采用MQ136气体传感器, 二氧化碳CO2采用TGS4160传感器, 一氧化碳CO采用MQ217气体传感器 (图2) ) 。
2.4 键盘。
键盘模块是操作者控制系统的主要手段, 操作者通过按键对系统进行复位和气体信号检测通道的选择。键盘模块通过单片机的中断请求和系统达到很好的连接, 当按下按键时系统执行相应的中断服务程序。在中断控制程序中再对A/D转换程序和LCD显示程序进行调用执行, 属于系统软件部分的转折点。
2.5 其它。
电源模块对整个系统提供标准稳定的5V电源, 包括单片机VCC、传感器、LCD液晶1602芯片等。时钟模块采用外部时钟, 震荡频率为8MHz, 规定系统执行指令周期。RS232串行通信模块为ATmega128与微机间的通信接口, ATmega128将气体测量数据传送到微机, 同时可接收微机对测量过程的控制信息。
3 硬件电路设计
系统硬件电路包括电源电路, 数据采集电路, 数据通信模块, 显示电路, 键盘电路和时钟模块电路。 (图3)
4 系统软件设计
系统采用C语言进行程序编写, 可提高程序的可读性和结构化。软件设计包括气体信号检测及处理模块程序;键盘中断处理模块;数据发送通信模块及LCD显示模块。而系统软件的总体流程图如图4所示。
结束语
本文根据国家禽舍级别标准来设定气体成分自动分析系统的检测范围, 选择专一的气体传感器进行数据采集, 利用单片机对信号进行分析处理, 根据不同的情况做出相应的动作, 是一套较为完整的禽舍有害气体分析系统, 并具有一定的可行性。
参考文献
[1]何立民.单片机高级教程[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2000.
气体成分论文 篇3
关键词：混叠峰识别,红外光谱,约束独立成分分析,峭度,定量分析
随着我国经济的持续增长,城市人口的密集、车辆的增多,能源消耗量增长导致环境日益恶化,近几年我国大部分城市出现严重雾霾,空气质量已成为评价一个城市生存环境优劣的重要指标,研究多种成分混合的污染气体监测技术具有实际意义［1，2］。红外光谱技术［3］因其反应快、操作方便、可多组分混合气体定量分析等优点广泛应用于各个行业。
独立成分分析( independent component analysis,ICA) 是一种基于信号高阶统计特性盲源信号分离的分析方法,最早由Hérault和Jutten等人在1985 年提出［4］,目前广泛应用在通信、语音处理、图像处理、光谱信号处理等领域的特征提取和背景噪声抑制［5］。
现有的ICA算法大多以估计全部的源信号为目的,但在许多实际应用中,所需成分的数目往往少于信号源的个数,红外遥感测量中目标光谱特征上存在各种噪声信号、未知干扰成分和基线漂移,频谱上有较多重叠,感兴趣的光谱信号仅是一小部分。实际上,往往拥有一些关于源信号的先验信息,而充分利用先验信息能有效地提高算法的处理能力。约束独立成分分析算法( constrained independent com-ponent analysis,CICA) 正是基于这种想法［6，7］,它将先验信息或某些假设嵌入传统ICA算法的目标函数中,使得病态的ICA问题变成良态的,从而更利于实际中的应用,添加某些约束后,可以降低独立成分的输出维数,嵌入源信号的先验信息( 如统计性质或者源信号的参考信号) 后,则能避开问题的局部极小,提高算法性能。Lu等［8］首先给出了CICA模型的整体框架,指出了如何将约束引入传统ICA模型中,首先解决了传统ICA的不确定性问题,同时还给出了一种带参考的ICA( ICA with reference,ICA-R) 应用,其中负熵被用作目标函数,相比与以往仅仅基于二阶统计特性的方法,其抽取的源信号是独立的。只要适当地加入约束,那么CICA既能提高ICA算法的处理能力、降低问题的维数、增加收敛的稳定性,又能减少源信号与噪声特征检测后的处理过程,而且与分离输出所有源信号的传统ICA算法相比,其运算量也有降低,方便支持向量机建立定量分析模型［9］。
1 CICA算法
1. 1 基于ICA的红外模型
经线性混合而成的多元非高斯随机观测信号,利用ICA算法转换成在统计意义上相互独立的信号分量,简单的ICA数学模型［10］可以假设为n个未知、独立的信号S = ( s1,s2,…,sn) 经混合矩阵Am × n线性混合后得到观测混合信号X = ( x1,x2,…,xm) ,其形式为
式( 1) 中N为观测噪声矢量。
独立分量分析的目标是获取一个解混矩阵W ,通过它对观测信号X去混合,使得X通过该系统后得到近似于S的最优逼迫Y ,即Y = WX ≈ S 。根据朗伯比尔定律,ICA算法从测得的混合信号矩阵中分离出混合矩阵和纯组份的光谱信息,其基本模型定义为同式( 1) ,Xm × n为m个样品在n个波长处的光谱矩阵,Am × k( k ≤ m ) 为混合矩阵,其每一列代表某一独立成分( IC) 光谱在混合光谱中的权重大小,Sk × n为独立成分矩阵,理想状态下可认为是纯物质的光谱矩阵,其每一行相当于一种纯物质的光谱。
对于经典ICA问题,其中有多种准则( 即优化判据) 来衡量一组信号是否接近互相独立,因而没有唯一解,只能在某种优化判据下寻求它的近似解,使解混的各分量尽可能相互独立。研究者们基于信息论、系统理论、神经网络等不同角度提出了各种判据,由中心极限定理证明,多个随机变量的和分布趋近于高斯分布,因此可以用非高斯性来度量独立性。常用的非高斯性度量( 目标函数)［7］有负熵和峰度。然而,独立分量分析的不确定性在某些特定场合的应用中会产生不利影响。例如,在盲信号提取中,需要在大量观测信号中提取某些感兴趣的特定信号,提取顺序极大地影响其处理速度。为了减少这种不确定性,在目标函数中嵌入附加的约束条件,这种约束条件一般需要一定的先验信息。基于这种思想,产生了多种约束独立分量分析( CICA) 的方法［8，9］,针对不同的应用,提出不同的约束条件。
1. 2 基于峭度的CICA算法
CICA算法的基本原理与ICA算法是相同的,每次提取一个独立成分。CICA引入一维约束参考向量r = ( r1,r2,…,rn)T( 其中n为采样长度) ,向量中包含待提取目标信号源的特征信息,此信息按实际应用不同而有所改变,不需要与源信号完全相等。在运算时约束向量可使所对应的目标信源具有非高斯性极大的效用,从而使CICA算法首先将目标源信号提取出来,并按统计度量的大小进行独立分量的排序,解决ICA算法分离信号无序性的问题,算法原理图如图1。
独立成分的排序可在确定的统计意义下进行,假设信号的统计度量为J( u) ,则可以用统计度量的大小来进行独立成分的排序,常用的统计度量有峭度和方差等。在独立成分排序和分离矩阵规范化的约束条件下优化似然函数,可得如下CICA问题
式中Gi( W) = J( ui +1) - J( ui) , i = 1,2,…,N;Hj( W) = wjTwj- 1, j = 1,2,…,N ,规定W的行范数为1,wjT表示W第j个行向量。对上述问题结合拉格朗日乘子法和投影方法进行求解,对于式( 4) 的约束条件,仅仅是行范数的规范化,因此可采用在约束集上的投影策略,故而先用拉格朗日乘子法求解式( 2) 和不等式( 3) 的约束优化问题。在每一步迭代之后将解集投影到约束集上来满足式( 2) 和不等式( 3)中的等式约束,增广拉格朗日函数定义如下
式( 5) 中 λ = ( λ1,…,λN －1)T是拉格朗日乘子; γ 是罚参数; Gi( W) = λi+ γGi( W) ,使用梯度下降法得到迭代规则如下
式( 6) 中
式( 7) 中,J'(·) 是J(·) 的一阶导数。拉格朗日乘子 λi的迭代公式如下
算法中含有的矩阵求逆过程给算法带来了数值计算问题,结合自然梯度法将算法改进为
结合投影方法,得到优化问题的梯度算法的解为
归一化
式( 11) 中 α 是学习率,统计度量峭度为
基于峭度的CICA算法过程描述如下。
(1)初始化权向量w。
( 2) 计算拉格朗日乘子 λi( k) 。
(3)调整w重复(2),(3)直到w收敛。
(4)得到独立成分yi=wTX。
2 实验分析
2. 1 特征光谱提取
实验使用北京瑞利分析仪器公司的WQF-520型FTIR光谱仪作为分析平台,最优分辨率为1 cm－ 1,可由配套的软件Main FTOS来进行控制。采用流量控制器精确控制气体浓度,实现低浓度气体实验室研究,密闭气室采用瑞利提供的100 mm常规气室,气室与光谱仪之间的匹配联接用光路接口联接,通过其中的平面镜或抛物镜实现红外光束在气室和干涉仪之间的切换。实验系统如图2 所示。
不同浓度的一氧化碳( CO) 、一氧化二氮( N2O)和氮气( N2) 通过流量控制器通入密闭气室中,下图3 为采集的400 条光谱样品,波数范围为2 000 ~2 300 cm－ 1,分辨率为1 cm－ 1,采集到的混合气体的透过率光谱数据采用CICA算法处理,得到感兴趣的光谱信号,即下图4 所示的CO和N2O的光谱图,经过计算此波段内CO和N2O峭度分别为1. 722 5,8. 818 4 ,故加入峭度约束向量r = ( 1. 722 5 ,8. 818 4 ) ,最终按峭度升序排列顺序得到独立成分的特征光谱,并且计算出浓度为1 200 mol/L和80mol / L下的CO和N2O透过率光谱如图5 所示。
2. 2 定量分析
将分离出来的400 个样品光谱中的380 个样品作为训练集,20 个样品作为测试集,用台湾林智仁版支持向量机( Lib SVM) 建立浓度预测模型进行定量分析验证上述算法的分离效果,由下面图6 和图7 可以看出,CO和N2O的均方根误差分别为MSE = 29. 396 5 和MSE = 0. 882 5 ,相关系数分别为R = 0. 999 1 和R = 0. 998 9 。
3 结论
加入统计度量峭度作为约束向量,能够对独立成分进行排序,高效的提取高阶统计信息,并结合投影方法将独立成分的幅度规范化为1,可减少ICA的不确定性,用于混合气体红外光谱的特征光谱提取,能够在多种气体的混合光谱信号中按顺序得到感兴趣的几种光谱信号,提高了工作效率。
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气体成分论文 篇4
随着焊接生产的不断发展,不锈钢气保焊也发生了日新月异的变化。在混合气体保护焊中,保护气体成分不同时,焊缝成形会有明显的差异,并且直接地影响着焊接接头的机械性能,以及混合保护气体的使用成本。在我们综合国力还尚不发达的中国,考虑到即能降低成本,又保证质量前提下,选用合适保护气就显得较为重要。
1 不锈钢的焊接性分析
目前应用最广泛的是奥氏体类不锈钢,如:0Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti等,因为焊接性良好,能获得优良的焊接接头,奥氏体类不锈钢常用来与同类钢、异种钢进行焊接。奥氏体类不锈钢之间焊接时,由于母材和焊缝金属的物理性能和金相组织极为接近,不易出现气孔、裂纹等焊接缺陷,焊缝的抗晶间腐蚀能力强和焊缝的成形较好;与异种钢焊接时,由于焊缝区熔合比的不同易产生成份、组织、性能和应力场分布的不均匀性,较难焊接,施焊时尤需注意。
2 不锈钢的气体保护焊
不锈钢的气体保护焊的设备简单、生产率高,得到了广泛使用。我国上世纪90年代机械制造方面熔焊有三分之一是气体保护焊焊接的,至今大约已超过了二分之一,将来还会更多一些。
当焊接不锈钢与不锈钢时,常用的焊丝牌号为308L,直径准1.2,焊缝形式为T型角焊缝,采用较细的焊丝易实现焊接时的喷射过渡,此时的焊缝成形良好,综合力学性能较高,生产率也相对较高。
散热慢、高温停留时间长的不锈钢材料,只有连续喷射过渡很难得到高质量的焊缝,还要求有更强的保护作用。要加强气体的保护作用,通过采用不同成分比例的气体试验,对焊接不锈钢实芯焊丝的保护气体进行了分析研究。
(1)纯氩气。气流量调为20L/min,焊接设备为唐山松下KRⅡ500型焊机,电流及电压根据不同的板厚作了相应的调整。试验结果表明:焊缝的颜色为较好的红色,焊缝表面光滑,波纹比较均匀;但焊缝边缘不齐,焊缝宽度不一致,焊道突起,焊缝的咬边及未熔合现象严重。在焊接时飞溅一般,故纯氩气用于焊接不锈钢熔化极气体保护不甚理想。
(2)90%氩气、10%二氧化碳的二元混合气。焊接时气体流量,电压、电流均未做大的改动。焊缝颜色为不太好的灰色,成形良好,飞溅一般,灰色在酸洗之后仍会是同母材一样的银白色。
(3)95%氩气、5%氧气。加入了氧气的保护气体是想增加焊接时熔池内钢水的流动性。焊缝表面成形及外观质量发生了较为明显的变化。焊缝边缘整齐,焊道平缓,焊缝的咬边现象基本消除。焊接过程中液态金属表面生成一定的氧化膜,达到稳定阴极斑点和焊接电弧的目的。但焊缝颜色依然为灰色,且焊接时的飞溅也有些增大。
(4)80%氩气、20%二氧化碳。焊缝成形尚可,颜色仍为灰色,飞溅一般,还是不理想。
(5)95%氩气、5%二氧化碳。焊接时的基本参数不变,但焊缝的质量出现了明显的改观,颜色为红色,焊道美观,飞溅较小,且在快速焊接时还能出现良好的蓝色。较适用于焊接奥氏体不锈钢与不锈钢。
(6)97%氩气、3%二氧化碳。想提高焊缝的质量看能否出现最理想的颜色金黄色。试验结果是焊缝颜色为红灰色,飞溅不大,但易出现未熔合现象,不能采用。
经过试验,95%氩气、5%二氧化碳的二元混合气的保护效果已相当不错,若能在保护气(氩气)、平衡气(二氧化碳)的二元气中加入少量的稳定气体(如氦气),效果可能会更佳,这样的三元气成本太高,故没有采用。保护效果可通过焊接区正反面的表面颜色大致评定,表1是不锈钢焊接区颜色和保护效果的关系。
3 结束语
综合上述试验研究及分析表明:不锈钢熔化极气体保护焊焊接时保护气体成分不同,对焊缝表面成形的影响十分显著。经过仔细调整后的气体成分,可以获得优良的焊缝表面成形。恰当的气体成分,既可以保证获得良好的焊缝成形,又可以节省大量的保护气体,具有一定的经济价值及工业应用价值。
摘要：本文研究不锈钢熔化极气保焊保护气体成分与比例不同对焊缝成形的影响,分析了不同气体的优缺点,为合理选用保护气体成分、获得优良的焊缝成形提供了有力的依据。
关键词：不锈钢,气保焊,保护气体,焊缝成形
参考文献
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