在线NIR油品质量检测系统的设计与应用.pdf

《仪器仪表与分析监测》2016年第1期
在线NIR油品质量检测系统的设计与应
Design and Application of on-line NIR Quality
Detector for Gasoline Products
?烈刚
(安微万纬工程管理有限责任公司,安徽安庆246001)
[摘要」结合在线NIR检测系统的设计和应用,介绍了它的基本原理、结构设计、光谱建
模、模型校正、检测测试。该检测系统采用傳立叶变换和光谱解析软件技术,音领线圈驱
动动镜、测量一参比光路、 In Gaas半导体传感器等硬件技术,对多样品同时在线实时检测,
并举例在成品汽油生产过程中的实际应用。应用结果表明,该检测系统将检测结果作为产
品质量闭环控制的主要参数,提高了成品汽油的产品质量。
[关键词]NIR检测系统;结构设计;建模与解析;在线检测
[中图分类号]TP274.,2
文献标识码]B
引言
1工作原理
随着我国城市交通的快速发展和消费水平的
NIR检测系统主要利用NIR光谱能够反映含
不断提高,汽车的数量迅速增长,导致汽车排放氢基团(C-H,0-H,N-H和S-H)被测样品吸收
的尾气对大气污染日趋严重。汽车尾气中的碳氢NIR光谱谐波特征信息的原理对样品进行检测。
化合物和氮氧化合物在阳光作用下会发生化学反有机物及部分无机物分子中各种含氢基团在受到
应,生成臭氧,它和大气中的其他成份结合形成NIR光线照射时,被激发产生共振,同时吸收一
光化学烟雾和雾霾,对人类健康及生态环境有极部分NIR光的能量。当被测样品组成和性质发生
大的影响和危害。因此,提高汽油产品质量,降变化,其NIR光谱的吸收特征信息随之变化,采
低汽油产品中的铅、芳烃、烯烃和萃的含量,减集和计算吸收特征信息,可以得到相应的NIR光
少汽车尾气对大气的污染势在必行。炼油企业在谱图,这种光谱图表示被测物质的特征。不同物
进行汽油产品生产时,必须对汽油产品的质量指质在NIR区域有丰富的吸收光谱,每种成分都有
标进行严格控制。基于NIR光谱吸收引、光谱特定的吸收特征。NIR光谱能反映物质的组成和
解析及光谱信号提取技术的NIR( Near Infrared,结构信息,从而可作为获取石油产品(即碳氢有
近红外)检测系统近年来开始应用于对汽油产品机物)组成与性质信息的一种有效检测手段7
中的烯烃、芳烃、苯含量等质量指标进行在线定
2系统结构设计
量检测5?,取得了一定的效果。某中石化分公司
采用在线NIR检测系统对成品汽油进行在线检测
该中石化分公司在线NIR检测系统主要由
和质量控制。
NIR光学结构、测量池、光电转换、建模/解析工
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万方数据
在线NIR油品质量检測系统的设计与应用吴烈刚
业PC机、O单元、样品采样、样品处理等设备2.1.2光路
组成,可以对8种样品同时进行在线实时检测,
NIR检测系统采用双光路方式,即测量光路
其系统结构如图1所示。
检测样品时同时配置参比光路,参比光路对光谱
产生的畸变进行调整并将其自动抵消。检测系统
样品(测量
光」光也以太网
的每一个检测流路均采用测量ー参比双光路系统,
样品一处理」一
转换
NIR
报警信
以保证所传输的干涉光谱完全相同,提高检测的
样品测量
样品2处理
光学系统
模拟信号
,监控
稳定性与可靠性。光纤分束器配置8个NIR光谱
统「RS422
--?LO
数字信系统:测量光路和8个参比光路,每一个样品测量光路
样晶8(测量
控制信号
都以测量一参比成对配置,光纤分束器为多流路
图1NR检测系统结构图
检测提供完全实时同步的干涉光。
2.2NIR传感器
2.1光学结构
NIR传感器采用铟砷化镓( NGAAS)半导体敏
N[R检测系统的光学结构由光源、干涉仪、
感检测元件作为光信号检测。 INGAAS半导体材料
光纤分束器、光路、测量室等部件组成,见图2。
与传统的硅材料相比,电子移动率约为硅材料的
定镜
5.7倍,具有很高的电子迁移率、宽禁带、直接带
隙,消耗功率低的特性。光信号经过光纤传输到
①?,半反射镜
机构
光源
干涉仪
NIR传感器后,转变成电信号,再由电子线路进行
放大。 INGAAS传感器具有灵敏度高、响应速度快
分束板G1
补偿板G2
噪声小、稳定可靠的特点。NIR传感器电路和光
透镜动镜M2音频线圈
检測器
电转换脉冲信号响应如图3、图4所示。
参比光束
检测器
?
IC2
交纤分束器
图2NIR检测系统的光学结构图
R3」D
2.1.1干涉仪
C2/R4
干涉仪是是光学结构的主要设备,由光源、
分束板G1、补偿板G2、半反射镜、定镜M1、动
图3NIR传感器电路
镜M2等部件组成。从光源射出的光线进入G1
入射
光脉冲
后,在半反射镜上被分成两条光线,反射光线①
和透射光线②,分别射向MI和M2后被反射回
来。反射后,光线①再次进入C1并穿出,光线
输出
电脉冲
②再次穿过C2并被C1上的半透膜反射,形成两
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条平行的干涉光,经透镜会聚于焦平面上的一点。
NIR检测系统未采用传统的机械动力驱动M2产
生干涉光的方式,而是采用了固定频率的音频线
圈来驱动。所有光学部件中没有任何机械摩擦部
图4光电转换脉冲信号响应
分,可以在工业现场环境下长期稳定运行。
NIR传感器主要采用光电检测和数据采集处
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