專利名稱：多組分氣體分析的干擾修正與濃度反演方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉多組分氣體濃度光學(xué)測量領(lǐng)域，具體為一種多組分氣體分析的干擾修正與濃度反演方法。
背景技術(shù)：
工業(yè)生產(chǎn)中的一些環(huán)節(jié)，如原料生產(chǎn)、加工過程、燃燒過程、加熱和冷卻過程、產(chǎn)品整理過程等使用的生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)場所都可能成為工業(yè)污染源。S02、NO2, NO、CO以及CO2 等作為煙氣排放的重要組成部分，不僅會(huì)破壞大氣環(huán)境、危害人類健康，也是城市霧霾的重要成因之一，降低城市能見度，破壞地球輻射平衡，影響全球氣候。有效地測量煙氣中多種組分氣體的濃度是控制污染源廢氣排放的前提條件。非分散紅外(NDIR)光譜法具有多組分污染物同時(shí)監(jiān)測的能力，這類儀器通常結(jié)構(gòu)簡單、成本低、測量精度高、穩(wěn)定性好，能非常方便地進(jìn)行人機(jī)交互，是電站和焚化爐上連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)(CEMQ的理想監(jiān)測設(shè)備。然而非分散紅外光譜法所選的中紅外氣體吸收波段，很多氣體之間都存在一定的吸收干擾，包括儀器使用環(huán)境中其它氣體的干擾(如H2O) 和待測目標(biāo)氣體之間的交叉干擾。此外，非分散紅外多組分分析儀還面臨光源老化、供電電壓波動(dòng)、粒子散射等問題，所有這些都可統(tǒng)稱為干擾，如果不加以修正，將會(huì)大大影響儀器的檢測準(zhǔn)確度和靈敏度。因此，有必要研究出一種適用于非分散紅外多組分氣體分析的干擾修正與濃度反演方法，以確保工業(yè)污染源多組分污染氣體的準(zhǔn)確測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種多組分氣體分析的干擾修正與濃度反演方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)易受到干擾導(dǎo)致檢測準(zhǔn)確度和靈敏度降低的問題。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為多組分氣體分析的干擾修正與濃度反演方法，所述多組分氣體容置于樣品池中， 建立參考濾波通道、包括水汽濾波通道的多個(gè)目標(biāo)濾波通道，采用光源通過參考濾波通道向樣品池發(fā)出參考光、通過多個(gè)目標(biāo)濾波通道向樣品池發(fā)出多個(gè)探測光，采用光探測器作為接收端，所述目標(biāo)濾波通道與多組分氣體中各目標(biāo)氣體組分一一對(duì)應(yīng)，其特征在于包括以下步驟(1)向樣品池中通入不同濃度的多組分氣體其中一種目標(biāo)氣體組分，通過光探測器接收到的探測光信號(hào)得到多組分氣體其中一種目標(biāo)氣體組分在各個(gè)目標(biāo)濾波通道中的響應(yīng)函數(shù)，按照上述步驟進(jìn)而得到多組分氣體各個(gè)目標(biāo)氣體組分各自在各個(gè)目標(biāo)濾波通道中的響應(yīng)函數(shù)；(2)向樣品池中通入待測多組分氣體，根據(jù)光探測器接收到的參考光信號(hào)得到系統(tǒng)漂移修正測量值，根據(jù)光探測器接收到的多個(gè)目標(biāo)濾波通道的探測光信號(hào)分別得到多組分氣體中各目標(biāo)氣體組分的總吸光度；(3)根據(jù)多組分氣體中各目標(biāo)氣體組分各自在各個(gè)目標(biāo)濾波通道中的響應(yīng)函數(shù)，通過求解得到各目標(biāo)氣體組分在其各自對(duì)應(yīng)的目標(biāo)濾波通道的響應(yīng)函數(shù)和各目標(biāo)氣體組分在其他目標(biāo)濾波通道的響應(yīng)函數(shù)之間的互相關(guān)函數(shù)，所述互相關(guān)函數(shù)作為表示各目標(biāo)氣體組分對(duì)其他目標(biāo)濾波通道干擾大小的干擾函數(shù)；(4)通過步驟( 得到的系統(tǒng)漂移修正測量值分別對(duì)步驟( 得到的多組分氣體中各目標(biāo)氣體組分的總吸光度進(jìn)行修正以消除系統(tǒng)漂移誤差，通過步驟(3)得到的多組分氣體各目標(biāo)氣體組分其中水汽的干擾函數(shù)分別對(duì)步驟( 得到的多組分氣體中除水汽外各目標(biāo)氣體組分的總吸光度進(jìn)行修正，以消除水汽干擾，通過步驟C3)得到的多組分氣體除水汽外各目標(biāo)氣體組分的干擾函數(shù)對(duì)消除水汽干擾后的多組分氣體中除水汽外各目標(biāo)氣體組分的總吸光度進(jìn)行修正，以消除各目標(biāo)氣體組分之間的交叉干擾，最后得到多組分氣體中各目標(biāo)組分氣體的純吸光度；(5)根據(jù)步驟(4)得到的多組分氣體中各目標(biāo)氣體組分的純吸光度，以及多組分氣體各個(gè)目標(biāo)氣體組分各自在各個(gè)目標(biāo)濾波通道中的響應(yīng)函數(shù)反演得到多組分氣體中各目標(biāo)氣體組分的濃度。所述的多組分氣體分析的干擾修正與濃度反演方法，其特征在于所述參考濾波通道、多個(gè)目標(biāo)濾波通道分別由濾光片構(gòu)成。所述的多組分氣體分析的干擾修正與濃度反演方法，其特征在于所述多組分氣體中各目標(biāo)氣體組分各自的總吸光度通過光探測器接收到的多個(gè)目標(biāo)濾波通道的探測光信號(hào)分別轉(zhuǎn)換成電壓值后計(jì)算得到。所述的多組分氣體分析的干擾修正與濃度反演方法，其特征在于所述步驟(3) 中，消除各目標(biāo)氣體組分之間的交叉干擾時(shí)，建立須消除交叉干擾的目標(biāo)氣體組分的純吸光度、須消除交叉干擾的目標(biāo)氣體組分消除水汽干擾后的總吸光度、除水汽外其他目標(biāo)氣體組分的干擾函數(shù)之間的方程須消除交叉干擾的目標(biāo)氣體組分消除水汽干擾后的總吸光度=須消除交叉干擾的目標(biāo)氣體組分的純吸光度+除水汽外其他目標(biāo)氣體組分的干擾函數(shù)，將不同的須消除交叉干擾的目標(biāo)氣體組分的方程聯(lián)立構(gòu)成多元干擾方程組，通過求解多元干擾方程組得到多組分氣體中各目標(biāo)氣體組分的純吸光度。本發(fā)明是一種基于非分散紅外光譜吸收法的多組分氣體分析的干擾修正與濃度反演方法。使用參考濾波通道消除外界因素造成的系統(tǒng)漂移；利用水汽對(duì)其它濾波通道的干擾函數(shù)修正檢測環(huán)境中水汽的干擾；利用多組分氣體除水汽外各目標(biāo)氣體組分的干擾函數(shù)，通過建立和求解多元干擾方程組，可以獲得多組分氣體中各種目標(biāo)氣體組分的純吸光度，修正目標(biāo)氣體組分間的交叉干擾。干擾修正后，利用多組分氣體各個(gè)目標(biāo)氣體組分各自在各個(gè)目標(biāo)濾波通道中的響應(yīng)函數(shù)，將純吸光度反演為目標(biāo)氣體的濃度。本發(fā)明目標(biāo)氣體組分間互相關(guān)函數(shù)的獲取方法如下目標(biāo)氣體組分A對(duì)目標(biāo)氣體組分B的干擾大小可以用互相關(guān)函數(shù)(或稱干擾函數(shù))定量描述
Qthk
C Α(τ) :Α濾波通道內(nèi)，目標(biāo)氣體組分A的吸光度與其濃度τ的函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系式， Β(τ) :Β濾波通道內(nèi)，目標(biāo)氣體組分A的吸光度與其濃度τ的函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系式，Cmin為分析儀中目標(biāo)氣體組分A的最小檢測限，Cfflax為目標(biāo)氣體組分A的滿量程濃度值。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明涉及的多組分氣體分析的干擾修正與濃度反演方法，解決了多組分測量中的氣體相互干擾問題，提高了測量精度。使用多個(gè)濾波通道分別用于多種氣體的分析；引入一個(gè)參考濾波通道，可以很好地消除外界因素造成的系統(tǒng)漂移；在水汽濾波通道內(nèi)，不存在任何其它氣體的吸收或吸收可忽略，可以很好地修正分析儀的使用環(huán)境中水汽的干擾，使分析儀可以正常地工作在潮濕或水汽濃度變化的環(huán)境中；計(jì)算獲取的互相關(guān)函數(shù)，可以定量分析目標(biāo)氣體間交叉干擾的大小，利用互相關(guān)函數(shù)，通過建立和求解多元干擾方程組的方法，可以獲得混合氣體中各種目標(biāo)氣體的純吸光度，修正目標(biāo)氣體間的交叉干擾。一臺(tái)簡單的非分散紅外分析儀，使用本專利所涉及的干擾修正與濃度反演方法后，使用一個(gè)探測器就可以同時(shí)準(zhǔn)確檢測多種污染氣體的濃度，例如，CO2, CO, NO, NO2, SO2, CH4, N2O, HC, H2O, NH3等等。


圖1為本發(fā)明流出框圖。圖2為應(yīng)用本發(fā)明的實(shí)例水汽干擾消除前后變化規(guī)律圖，其中圖2 (a)為分別往樣品池中通入0. 5 %，1. 5 %，2. 5 %，3. 5 %，4. 5 %濃度的H2O時(shí)， 干擾水汽修正前各個(gè)濾波通道的吸光度變化規(guī)律圖；圖2(b)為干擾水汽修正后各個(gè)濾波通道的吸光度變化規(guī)律圖。圖3為應(yīng)用本發(fā)明的實(shí)例交叉干擾消除前后變化規(guī)律圖，其中圖3(a)為分別往樣品池中通入 2. 50%, 7. 50%, 12. 50%,17. 50%, 22. 50%濃度的(X)2時(shí)，交叉干擾修正前各個(gè)濾波通道的吸光度變化規(guī)律圖；圖3(b)為交叉干擾修正后各個(gè)濾波通道的吸光度變化規(guī)律圖。
具體實(shí)施例方式如圖1 圖3所示。本發(fā)明中，參考濾波通道的濾光片帶寬內(nèi)不存在任何氣體吸收或吸收可以忽略，任意時(shí)刻外界干擾造成的信號(hào)波動(dòng)(如光源老化，電壓波動(dòng)，塵埃散射等等)幅度與目標(biāo)氣體濾波通道相同，利用參考濾波通道的信號(hào)修正外界波動(dòng)帶來的干擾。本發(fā)明利用不同頻帶的吸光度反演不同氣體的濃度，例如以中心透過波長為 3.26ym的濾波通道反演CH4的濃度；以中心透過波長為4. 63 μ m的濾波通道反演CO的濃度；以中心透過波長為5. 21 μ m的濾波通道反演NO的濃度；以中心透過波長為6. 25 μ m的濾波通道反演NO2的濃度；以中心透過波長為4. 84 μ m的濾波通道反演(X)2的濃度，等等。本發(fā)明利用水汽濾波通道修正水汽對(duì)目標(biāo)氣體的干擾，該濾波通道的光信號(hào)只反映檢測環(huán)境中H2O的變化，利用水汽吸光度及水汽對(duì)其它目標(biāo)氣體組分的干擾函數(shù)，修正水汽對(duì)待測多組分氣體的干擾，提高系統(tǒng)的檢測靈敏度和準(zhǔn)確度。本發(fā)明通過往樣品池中通入不同濃度的某一目標(biāo)氣體組分X，可以擬合出目標(biāo)氣體組分X在各個(gè)目標(biāo)濾波通道的響應(yīng)函數(shù)。本發(fā)明通過往樣品池中通入不同濃度的H2O,可以擬合出H2O在各個(gè)濾波通道的響應(yīng)函數(shù)。例如出20在H2O濾波通道的響應(yīng)函數(shù)Ftl (X) ;H20在SO2濾波通道的響應(yīng)函數(shù)F1 (X)； H2O在(X)2濾波通道的響應(yīng)函數(shù)F2⑴；H20在而2濾波通道的響應(yīng)函數(shù)F3⑴；H20在NO濾波通道的響應(yīng)函數(shù)&( 等等。通過求解Fi (X) (i = 1、2、3、4……)與F0 (X)的相關(guān)函數(shù)Fitl (X) 可以定量分析H2O對(duì)各個(gè)目標(biāo)濾波通道的干擾大小，例如=Fltl(X)可以定量分析H2O對(duì)SO2濾波通道的干擾大??；F2tl (X)可以定量分析H2O對(duì)CO2濾波通道的干擾大小；F3tl (X)可以定量分析H2O對(duì)NO2濾波通道的干擾大小；F4tl (X)可以定量分析H2O對(duì)NO濾波通道的干擾大小等等。本發(fā)明通過往樣品池中通入不同濃度的某一目標(biāo)氣體組分X，可以擬合出目標(biāo)氣體組分X在各個(gè)目標(biāo)濾波通道的響應(yīng)函數(shù)。例如通入不同濃度的SO2，可以得出302在5仏濾波通道的響應(yīng)函數(shù)Atl (X) ；SO2在(X)2濾波通道的響應(yīng)函數(shù)A1 (X) ；SO2在NO2濾波通道的響應(yīng)函數(shù)A2 (X) ；SO2在NO濾波通道的響應(yīng)函數(shù)A3 (X) ；SO2在CO濾波通道的響應(yīng)函數(shù)A4 (X)等等。通過求解Ai (X) (i = 1、2、3、4……)與A0(X)的相關(guān)函數(shù)Aitl(X)可以定量分析302對(duì)各個(gè)目標(biāo)濾波通道的干擾大小，例如=Altl(X)可以定量分析對(duì)(X)2濾波通道的交叉干擾大??；A2tl (X)可以定量分析SOjiNO2濾波通道的交叉干擾大小；A3tl (X)可以定量分析302對(duì)NO 濾波通道的交叉干擾大小；A4tl(X)可以定量分析SO2對(duì)CO濾波通道的交叉干擾大小等等。 同理可以定量求出其它目標(biāo)氣體如C02、NO2, NO、CO、CH4, N2O, HC對(duì)各個(gè)目標(biāo)濾波通道的干擾大小。本發(fā)明當(dāng)樣品池中存在多種不同濃度的目標(biāo)氣體組分時(shí)，通過光探測器探測轉(zhuǎn)換后的電壓值可以首先計(jì)算出各個(gè)目標(biāo)氣體組分的總吸光度，例如=H2O總吸光度； SO2總吸光度劣t ； CO2總吸光度； NO2總吸光度劣=；NO總吸光度^^等等。根據(jù)H2O總吸光度 ^C2=和干擾函數(shù)Fitl(X)可以求出各個(gè)目標(biāo)氣體組分修正干擾水汽后的總吸光度，例如修正干擾水汽后的總吸光度Mgf ； CO2修正干擾水汽后的總吸光度M^J ； NO2修正干擾水汽后的總吸光度； NO修正干擾水汽后的總吸光度"iC等等。本發(fā)明中，由于目標(biāo)氣體組分之間的交叉干擾比較復(fù)雜，可能兩兩之間都存在干擾，可以通過建立多元干擾方程組的方法加以修正，利用各個(gè)目標(biāo)氣體組分修正干擾水汽后的總吸光度和一系列干擾函數(shù)可以達(dá)到以上目的。以三組分目標(biāo)氣體交叉干擾修正為例，如果Sh修正干擾水汽后的總吸光度為"^gf ； CO2修正干擾水汽后的總吸光度為M^t ； NO2修正干擾水汽后的總吸光度為，A10 (X)表示Sh對(duì)(X)2濾波通道的干擾函數(shù)；A2tl (X) 表示SO2對(duì)NO2濾波通道的干擾函數(shù)^tll⑴表示(X)2對(duì)SO2濾波通道的干擾函數(shù)；B21⑴表示(X)2對(duì)NO2濾波通道的干擾函數(shù)；Ctl2⑴表示NO2對(duì)SO2濾波通道的干擾函數(shù)；C12⑴表示 NO2對(duì)CO2濾波通道的干擾函數(shù)，SO2的純吸光度用表示，CO2的純吸光度用iX=表示， NO2的純吸光度用“劣^表示，那么S02、C02、N02三個(gè)目標(biāo)濾波通道可以建立以下三元干擾方
程組
權(quán)利要求
1.多組分氣體分析的干擾修正與濃度反演方法，所述多組分氣體容置于樣品池中，建立參考濾波通道、包括水汽濾波通道的多個(gè)目標(biāo)濾波通道，采用光源通過參考濾波通道向樣品池發(fā)出參考光、通過多個(gè)目標(biāo)濾波通道向樣品池發(fā)出多個(gè)探測光，采用光探測器作為接收端，所述目標(biāo)濾波通道與多組分氣體中各目標(biāo)氣體組分一一對(duì)應(yīng)，其特征在于包括以下步驟(1)向樣品池中通入不同濃度的多組分氣體其中一種目標(biāo)氣體組分，通過光探測器接收到的探測光信號(hào)得到多組分氣體其中一種目標(biāo)氣體組分在各個(gè)目標(biāo)濾波通道中的響應(yīng)函數(shù)，按照上述步驟進(jìn)而得到多組分氣體各個(gè)目標(biāo)氣體組分各自在各個(gè)目標(biāo)濾波通道中的響應(yīng)函數(shù)；(2)向樣品池中通入待測多組分氣體，根據(jù)光探測器接收到的參考光信號(hào)得到系統(tǒng)漂移修正測量值，根據(jù)光探測器接收到的多個(gè)目標(biāo)濾波通道的探測光信號(hào)分別得到多組分氣體中各目標(biāo)氣體組分的總吸光度；(3)根據(jù)多組分氣體中各目標(biāo)氣體組分各自在各個(gè)目標(biāo)濾波通道中的響應(yīng)函數(shù)，通過求解得到各目標(biāo)氣體組分在其各自對(duì)應(yīng)的目標(biāo)濾波通道的響應(yīng)函數(shù)和各目標(biāo)氣體組分在其他目標(biāo)濾波通道的響應(yīng)函數(shù)之間的互相關(guān)函數(shù)，所述互相關(guān)函數(shù)作為表示各目標(biāo)氣體組分對(duì)其他目標(biāo)濾波通道干擾大小的干擾函數(shù)；(4)通過步驟(2)得到的系統(tǒng)漂移修正測量值分別對(duì)步驟(2)得到的多組分氣體中各目標(biāo)氣體組分的總吸光度進(jìn)行修正以消除系統(tǒng)漂移誤差，通過步驟(3)得到的多組分氣體各目標(biāo)氣體組分其中水汽的干擾函數(shù)分別對(duì)步驟(2)得到的多組分氣體中除水汽外各目標(biāo)氣體組分的總吸光度進(jìn)行修正，以消除水汽干擾，通過步驟(3)得到的多組分氣體除水汽外各目標(biāo)氣體組分的干擾函數(shù)對(duì)消除水汽干擾后的多組分氣體中除水汽外各目標(biāo)氣體組分的總吸光度進(jìn)行修正，以消除各目標(biāo)氣體組分之間的交叉干擾，最后得到多組分氣體中各目標(biāo)組分氣體的純吸光度；(5)根據(jù)步驟(4)得到的多組分氣體中各目標(biāo)氣體組分的純吸光度，以及多組分氣體各個(gè)目標(biāo)氣體組分各自在各個(gè)目標(biāo)濾波通道中的響應(yīng)函數(shù)反演得到多組分氣體中各目標(biāo)氣體組分的濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多組分氣體分析的干擾修正與濃度反演方法，其特征在于 所述參考濾波通道、多個(gè)目標(biāo)濾波通道分別由濾光片構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多組分氣體分析的干擾修正與濃度反演方法，其特征在于 所述多組分氣體中各目標(biāo)氣體組分各自的總吸光度通過光探測器接收到的多個(gè)目標(biāo)濾波通道的探測光信號(hào)分別轉(zhuǎn)換成電壓值后計(jì)算得到。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多組分氣體分析的干擾修正與濃度反演方法，其特征在于 所述步驟(3)中，消除各目標(biāo)氣體組分之間的交叉干擾時(shí)，建立須消除交叉干擾的目標(biāo)氣體組分的純吸光度、須消除交叉干擾的目標(biāo)氣體組分消除水汽干擾后的總吸光度、除水汽外其他目標(biāo)氣體組分的干擾函數(shù)之間的方程須消除交叉干擾的目標(biāo)氣體組分消除水汽干擾后的總吸光度=須消除交叉干擾的目標(biāo)氣體組分的純吸光度+除水汽外其他目標(biāo)氣體組分的干擾函數(shù)，將不同的須消除交叉干擾的目標(biāo)氣體組分的方程聯(lián)立構(gòu)成多元干擾方程組， 通過求解多元干擾方程組得到多組分氣體中各目標(biāo)氣體組分的純吸光度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多組分氣體分析的干擾修正與濃度反演方法。使用參考濾波通道消除外界因素造成的系統(tǒng)漂移；利用水汽對(duì)其它濾波通道的干擾函數(shù)修正分析儀的使用環(huán)境中水汽的干擾；利用互相關(guān)函數(shù)，通過建立和求解多元干擾方程組，可以獲得混合氣體中各種目標(biāo)氣體的純吸光度，修正目標(biāo)氣體間的交叉干擾。干擾修正后，利用各濾波通道的響應(yīng)函數(shù)，反演目標(biāo)氣體的濃度。一臺(tái)簡單的非分散紅外分析儀，使用本專利所涉及的干擾修正與濃度反演方法后，使用一個(gè)探測器可以同時(shí)準(zhǔn)確檢測多種污染氣體的濃度，例如，CO2,CO,NO,NO2,SO2,CH4,N2O,HC，H2O,NH3、H2S等等。
文檔編號(hào)G01N21/25GK102183468SQ20111004448
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月23日
發(fā)明者于曉曼, 劉文清, 孫友文, 汪世美, 王亞萍, 謝品華, 陸亦懷, 陳軍, 黃書華 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所