CN112213283B - 一种气体浓度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体浓度测量方法，属于激光吸收光谱技术领域。传统的免标定方法是利用激光器调制波长通过被测气体的特征吸收区，将通过基准气体和待测气体后两路光信号，利用数字锁相滤波技术处理后得到二次谐波与一次谐波比值，由此确定谐波的峰值点的高度。再根据测量确定的峰值点值，比较现有数据库中已有峰值点高度值，根据峰值点的高度值的差值反演出待测气体的浓度。而本发明所采用的半标定法则是免标定法的基础上，通过定期测量已知浓度的标定气体的峰值点，按原数据库中比例对该数据库中的数据进行修正，以此提高测量的精确度。该方法相比于传统免标定法测量精确度大幅度提高，同时相比于标定方法也可大量节省时间和计算成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于半标定方式的TDLAS气体浓度测量方法。属于光学测量技术领域。
背景技术
我国是煤炭利用大国，2018年燃火力发电约占整个装机容量的73%以上，这其中燃煤电厂的贡献占据大半。煤炭等化石燃料燃烧不仅造成了大量的碳排放，还产生了许多的污染物如粉尘、SOX、NOX等有害物质。这些物质是造成大气污染、酸雨和温室效应的主要根源同时也对人类健康造成了巨大伤害。为保证国家经济和社会的可持续发展，和公民的身体健康，我国已开始广泛积极地采用不同的脱硫脱硝技术降低SOX和NOX排放，且排放限值不断降低。近年来，为了持续改善环境空气质量，我国开始全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作，对排放的限值要求更加严格，这便对气体测量的精度提出了更为严格的要求。此外在一些技术中作为催化剂的气体，需要精确地掌握好其注入的量，以达到最小的气体逃逸和最大的催化效率。因此对于各种气体浓度的精确而快速的测量，为控制温室气体的排放及微量气体的逃逸问题的解决提供了至关重要的前提条件。
本发明所基于的TDLAS技术，即可调谐二极管激光吸收光谱技术是近年来发展迅速的一种气体监测技术。在这项技术中，为了排除噪声干扰，提高测量准确性，有诸如免标定和标定的各类发明不断出现，但都在精度或计算成本上有所欠缺。本发明提出了一种基于半标定方式的TDLAS气体浓度测量方法，在提高测量精度的同时减少了计算量和时间成本。因此，本发明在气体浓度的测量中，有着更为广泛的适用前景。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种基于半标定方式的TDLAS气体浓度测量方法，从而达到提高测量精度，减少时间和计算成本的目的。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案为：
步骤一：在三个气池中通入待测气体，已知浓度的标定气体和参照气体氮气，其中标定气体种类应与待测气体种类一致；
步骤二：让同一激光发射器发射的激光分别通过含有待测气体、标定气体和参考气体三个气池后能被探测器接收，探测器信号由工控机所接受；
步骤三：通过计算得到待测气体和标定气体的峰值点；
步骤四：用浓度一定的标定气体的峰值点代替现有数据库中的值，并按照原数据库比例重新建立数据；
步骤五：将待测气体的峰值点与重建数据库中的峰值点行对比，确定待测气体的浓度。
优选的，所述步骤二包括如下步骤：
（1）搭建测量平台并调整角度，使得从激光器发射器出光能依次通过分光器，气池和探测器，确保采集到的信号的稳定；
（2）编辑函数发生器，生成扫描频率叠加调制频率的函数；
（3）探测器采集待测气体光信号I_CL^M (t)、参照气体光信号I_CZ^M (t)和标定气体光信号I_BD^M (t)。
优选的，所述步骤三包括如下步骤：
（1）将探测器接收到的三个信号进行处理，将待测气体与标定气体所测量得到的信号分别与参照气体进行数字锁相滤波从而扣除参考气体的信号，由此得到扣除环境噪声的待测气体与标定气体的信号值；
（2）将待测气体与标定气体的信号值进行归一化处理，得到两组相应的二次谐波与一次谐波信号；
（3）将得到的两组二次谐波信号与一次谐波信号进行比值处理，进而得到待测气体和标定气体的峰值点高度。
上述技术方案中，对于光信号的归一化处理是采用扫描波长调制光谱技术进行，即使用一个高频率正弦波同时对激光器的光强和波长进行调制，经过数字锁相、低通滤波处理后可以排除背景噪声对测量造成的影响。该技术所采用的锁相滤波技术是通过PC端中的程序进行数字锁相滤波，因此不用设置锁相滤波器。
待测气体光信号和标定气体光信号是关于浓度的函数，满足以下关系式：
(1)
式中：为背景光强信号，/>为透射光强信号，P(atm)为气体总压力，T(K)为气体温度，X是气体浓度（摩尔百分比），/>(cm)是关于/>（波数范围），/>（吸收谱线的中心频率），/>（谱线展宽）的线型函数。
在实际测量过程中，为了使测量信号与气体浓度满足线性变化关系，需要消除剩余幅度调制的影响，利用扣除背景的一次谐波归一化的二次谐波信号(R 2f/1f )测量气体的参数，其表达式如下：
(2)
其中，R 0 1f 是背景信号的1f，、/>分别2f信号的X、Y分量。R 2f/1f 可以消除探测器增益和光强的波动，使归一化测量值不依赖于激光的强度，对于非吸收透射损失和光强变化具有一定的抑制作用。利用R 2f/1f 测量气体的温度或者浓度，一般有两种方法：峰值点法和拟合法。本发明采用的方法是峰值点法，即利用背景光强和HITRAN光谱数据库仿真R 2f/1f 信号，建立峰值点与气体浓度的曲线关系，将测量R 2f/1f 信号的峰值点进行插值得到气体浓度。
此外，本发明中所需要的标定过程如下：
1）通入零气/高纯N2，即参照气体，记录仪表当前浓度测量数据C0;
2）通入浓度为CS1的CO2的标定气体，记录仪表当前浓度测量数据CM1;
3）通入浓度为CS2（0<CS1<CS2）的CO2标定气体，记录仪表当前浓度测量数据CM2;
4）标定后仪表浓度测量数据C按照下面的分段公式给出：
(3)
更新后的数据库的数据与原数据库中的相应数据应满足如下关系：
(4)
式中：为重建数据库中某一浓度下峰值点的高度，/>为标定气体测量得到的峰值点高度，/>为参照气体测量得到的峰值点高度，/>为原数据库中与标定气体种类一致且浓度相同时峰值点高度，/>为原数据库中与参照气体种类一致且浓度相同时峰值点高度，/>为与重建数据库相同浓度下原数据库中的峰值点高度，/>为与重建数据库相同浓度下原数据库中参照气体的峰值点高度。
附图说明
图1为本发明一种气体浓度测量方法的原理图；
图2为本发明一种气体浓度测量方法的流程图；
图3为扣除背景噪声后的一次谐波图、二次谐波图和二次谐波比一次谐波图。
具体实施方式
结合附图1、2对本发明做出进一步说明：
一种气体浓度测量方法，包括如下步骤：
1、在三个气池中通入待测气体，已知浓度的标定气体和参照气体氮气，其中标定气体种类应与待测气体种类一致；
2、让同一激光发射器发射的激光分别通过含有待测气体、标定气体和参考气体三个气池后能被探测器接收，探测器信号由工控机所接受；
3、通过计算得到待测气体和标定气体的峰值点；
4、用浓度一定的标定气体的峰值点代替现有数据库中的值，并按照原数据库比例重新建立数据；
5、将待测气体的峰值点与重建数据库中的峰值点行对比，确定待测气体的浓度。
对于光信号的归一化处理则是采用调制光谱技术进行，即使用一个高频率正弦波同时对激光器的光强和波长进行调制，经过数字锁相、低通滤波处理后可以排除背景噪声对测量造成的影响。该技术所采用的锁相滤波技术是通过PC端中的程序进行数字锁相滤波，因此不用设置锁相滤波器。
待测气体光信号和标定气体光信号是关于浓度的函数，满足以下关系式：
(1)
式中：为背景光强信号，/>为透射光强信号，P(atm)为气体总压力，T(K)为气体温度，X是气体浓度（摩尔百分比），/>(cm)是关于/>（波数范围），/>（吸收谱线的中心频率），/>（谱线展宽）的线型函数。
在实际测量过程中，为了使测量信号与气体浓度满足线性变化关系，需要消除剩余幅度调制的影响，利用扣除背景的一次谐波归一化的二次谐波信号(R 2f/1f )测量气体的参数，其表达式如下：
(2)
其中，R 0 1f 是背景信号的1f，、/>分别2f信号的X、Y分量。R 2f/1f 可以消除探测器增益和光强的波动，使归一化测量值不依赖于激光的强度，对于非吸收透射损失和光强变化具有一定的抑制作用。利用R 2f/1f 测量气体的温度或者浓度，一般有两种方法：峰值点法和拟合法。本发明采用的方法是峰值点法，即利用背景光强和HITRAN光谱数据库仿真R 2f/1f 信号，建立峰值点与气体浓度的曲线关系，将测量R 2f/1f 信号的峰值点进行插值得到气体浓度。
本发明中所需要的标定过程如下：
1）通入零气/高纯N2，即参照气体，记录仪表当前浓度测量数据C0;
2）通入浓度为CS1的CO2的标定气体，记录仪表当前浓度测量数据CM1;
3）通入浓度为CS2（0<CS1<CS2）的CO2标定气体，记录仪表当前浓度测量数据CM2;
4）标定后仪表浓度测量数据C按照下面的分段公式给出：
(3)
其中Craw-data是仪表标定前的原始测量数据。
更新后的数据库的数据与原数据库中的相应数据应满足如下关系：
(4)
式中：为重建数据库中某一浓度下峰值点的高度，/>为标定气体测量得到的峰值点高度，/>为参照气体测量得到的峰值点高度，/>为原数据库中与标定气体种类一致且浓度相同时峰值点高度，/>为原数据库中与参照气体种类一致且浓度相同时峰值点高度，/>为与重建数据库相同浓度下原数据库中的峰值点高度，/>为与重建数据库相同浓度下原数据库中参照气体的峰值点高度。
如图3所示，归一化后的二次谐波信号与一次谐波信号的比值，能确定出峰值点高度。该峰值点高度可以作为气体浓度反演的依据。
所述步骤2包括如下步骤：(1) 搭建测量平台并调整角度，使得从激光器出光能依次通过分光器，气池和探测器，确保采集到的信号的稳定；(2) 编辑函数发生器，生成扫描频率叠加调制频率的函数；(3)探测器采集待测气体光信号、参照气体光信号/>和标定气体光信号/>。
所述步骤3包括如下步骤：(1) 将探测器接收到的三个信号进行处理，将待测气体与标定气体所测量得到的信号分别与参照气体进行数字锁相滤波从而扣除参考气体的信号，由此得到扣除环境噪声的待测气体与标定气体的信号值；(2) 将待测气体与标定气体的信号值进行归一化处理，得到两组相应的二次谐波与一次谐波信号；(3) 将得到的两组二次谐波信号与一次谐波信号进行比值处理，进而得到待测气体和标定气体的峰值点高度。
Claims (1)
1.一种气体浓度测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
（1）在三个气池中通入待测气体，已知浓度的标定气体和参照气体氮气，其中标定气体种类应与待测气体种类一致；
（2）让同一激光发射器发射的激光分别通过含有待测气体、标定气体和参考气体三个气池后能被探测器接收，探测器信号由工控机所接受；
（3）根据接受到的信号计算得到待测气体和标定气体的峰值点；
（4）用浓度一定的标定气体的峰值点代替现有数据库中的值，并按照原数据库比例重新建立数据库；该数据库是利用背景光强和HITRAN光谱数据库仿真归一化谐波信号，建立归一化谐波峰值点与气体浓度的曲线关系，将测量归一化谐波信号的峰值点进行插值得到气体浓度；
（5）将待测气体的峰值点与重建数据库中的峰值点行对比，确定待测气体的浓度；
所述步骤2包括如下步骤：
(2.1)搭建测量平台并调整角度，使得从激光发射器出光能依次通过分光器，气池和探测器，确保采集到的信号的稳定；
(2.2)编辑函数发生器，生成扫描频率叠加调制频率的函数；
(2.3)探测器采集待测气体光信号、参照气体光信号/>和标定气体光信号；
所述步骤3包括如下步骤：
(3.1)将探测器接收到的三个信号进行处理，将待测气体与标定气体所测量得到的信号分别与参照气体进行数字锁相滤波从而扣除参考气体的信号，由此得到扣除环境噪声的待测气体与标定气体的信号值；
(3.2)将待测气体与标定气体的信号值进行归一化处理，得到两组相应的二次谐波与一次谐波信号；
(3.3)将得到的两组二次谐波信号与一次谐波信号进行比值处理，进而得到待测气体和标定气体的峰值点高度；
所述步骤4包括如下步骤：
(4.1)利用背景光强和HITRAN光谱数据库仿真R 2f/1f 信号，建立峰值点与气体浓度的曲线关系，将测量R 2f/1f 信号的峰值点进行插值得到气体浓度；
(4.2)标定过程为：首先通入零气/高纯N2，即参照气体，记录仪表当前浓度测量数据C0;然后通入浓度为CS1的CO2的标定气体，记录仪表当前浓度测量数据CM1;然后通入浓度为CS2（0< CS1< CS2）的CO2标定气体，记录仪表当前浓度测量数据CM2;最后标定后仪表浓度测量数据C按照下面的分段公式给出：
(4.3)更新后的数据库的数据与原数据库中的相应数据应满足如下关系：
上式中：为重建数据库中某一浓度下峰值点的高度，/>为标定气体测量得到的峰值点高度，/>为参照气体测量得到的峰值点高度，/>为原数据库中与标定气体种类一致且浓度相同时峰值点高度，/>为原数据库中与参照气体种类一致且浓度相同时峰值点高度，/>为与重建数据库相同浓度下原数据库中的峰值点高度，/>为与重建数据库相同浓度下原数据库中参照气体的峰值点高度。
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