天然气主要组分红外光谱检测方法研究

【摘要】：天然气能量计量是当前国际流行、公平有效的计量方式，传统方法利用气相色谱仪分析计算发热量，具有费时、价格昂贵、操作复杂等缺点，难以适应在线测量的需要。红外光谱技术是一种间接测量方法，具有分析速度快、操作简便、准确可靠和易于实现在线多组分测量等优点，已成为气体检测领域最为理想的检测方法之一。本课题创新性地提出了一种基于红外光谱技术的天然气热值分析系统，具有广泛的应用前景，本文主要针对傅里叶变换红外光谱定量分析天然气组分浓度进行了研究，同时对实际测量过程中影响红外吸收光谱的温度和压强因素做了初步研究。论文的主要研究内容和结论有： （1）搭建基于红外光谱的天然气组分分析实验系统并制定详细实验步骤，采集气体红外光谱图。 （2）建立了甲烷气体的定量分析模型，通过比较，最终选择的光谱预处理为只对光谱进行均值中心化变换，建模波段选择甲烷的主、次吸收峰区域，分别为3220.593-2591.902cm~(-1)和1403.947-1184.098cm~(-1)，在此情况下建立的PLS预测模型效果最佳，模型相关系数R为0.99915，校正均方根误差RMSEC和预测均方根误差RMSEP分别为6.16和11.3，相对误差不超过4.85%。 （3）不进行其他光谱预处理，仍然选择上述建模区域，同时建立天然气其中三组分的PLS定量分析模型，其中甲烷、乙烷和丙烷的R分别为0.99811、0.99552和0.99878，RMSEC分别为20.8、25.9和13.3，RMSEP分别为20.6、27.6和9.02，结果表明所建模型的精度和稳定性达到了预期要求，能够满足实时在线测量天然气组分的需要。 （4）由于测量管道中天然气的温度和压强是不断变化的，对它们和红外光谱之间的变化规律进行了实验研究，从实验数据得出光谱数据和温度压强之间的线性程度非常高，在一定范围内，一定浓度的甲烷（或乙烷）红外光谱的谱带吸收强度和宽度随温度和压强的升高而增大，吸收峰面积与温度和压强变量之间均近似成线性关系。研究结果对提高定量分析的精度和谱线分析都具有重要参考和工程应用价值。 【关键词】：红外光谱 天然气 定量分析 温度 压强
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TE642;O657.33
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-9
• 目次9-11
• 图清单11-12
• 附表清单12-13
• 1 绪论13-19
• 1.1 课题研究背景及意义13-14
• 1.2 基于红外光谱法气体组分分析的国内外研究现状14-17
• 1.2.1 气体红外光谱检测技术应用概述14-16
• 1.2.2 红外光谱仪器及其计量学软件16-17
• 1.3 本文研究目标和主要内容17-19
• 2 气体红外光谱分析理论基础19-31
• 2.1 气体红外光谱分析原理19-20
• 2.2 FTIR光谱仪的工作原理20-22
• 2.3 气体红外光谱分析的理论依据22-23
• 2.4 气体红外光谱的分析方法23-31
• 2.4.1 气体光谱预处理23-26
• 2.4.2 定性分析方法26
• 2.4.3 定量分析方法26-29
• 2.4.4 模型评价指标29-31
• 3 天然气主要组分的定量分析31-46
• 3.1 间接法测量天然气发热量31-33
• 3.2 实验部分33-36
• 3.2.1 实验系统33-34
• 3.2.2 设备及材料34-35
• 3.2.3 实验步骤35-36
• 3.3 结果与讨论36-46
• 3.3.1 光谱区域分析36-38
• 3.3.2 光谱异常样本的剔除38-39
• 3.3.3 主因子数的选择39
• 3.3.4 单组分PLS模型的建立39-40
• 3.3.5 不同建模波段对建模效果的影响40-41
• 3.3.6 不同预处理对建模效果的影响41-42
• 3.3.7 不同模型的预测效果42
• 3.3.8 多组分PLS模型的建立42-46
• 4 温度压强对红外光谱的影响46-60
• 4.1 气体吸收光谱理论46-48
• 4.2 实验方法48-49
• 4.2.1 压强实验48
• 4.2.2 温度实验48-49
• 4.3 结果与讨论49-56
• 4.3.1 压强对红外光谱的影响49-53
• 4.3.2 温度对红外光谱的影响53-56
• 4.4 结论及推广应用56-60
• 5 总结与展望60-63
• 5.1 全文总结60-61
• 5.2 本论文创新点61
• 5.3 展望61-63
• 参考文献63-67
• 作者简历67

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