用于快速且准确的痕量气体测量的系统和方法技术方案

描述一种用于测量痕量气体浓度的系统的实施例，所述系统包括：激光吸收光谱仪，配置成检测来自痕量气体的吸光度测量值，以及对应于气室中的环境的温度值和压力值；和计算机，具有存储于其上的可执行代码，所述可执行代码配置成进行包括以下操作的方法：接收所述吸光度值、所述温度值和所述压力值；限定与所述痕量气体相关联的拟合范围；使用所述温度值和所述压力值作为模型参数将所述拟合范围中的曲线拟合模型应用于所述吸光度值；和产生所述痕量气体的浓度测量值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于快速且准确的痕量气体测量的系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求2018年11月21日提交的美国专利申请第62/770,411号的优先权权益，所述美国专利申请出于所有目的特此以全文引用的方式并入本文中。
本专利技术大体上涉及使用高分辨率激光光谱仪进行的痕量气体的快速且准确的测量。
技术介绍
通常了解，高分辨率激光吸收光谱仪(包含基于中IRQC激光的仪器)已用于测量十亿分之一(例如ppb)和亚ppb水平的痕量气体。如本文中所使用的术语“痕量气体”包含以大气中气体体积的1％或更少存在的气体。痕量气体的实例包含但不限于氩气、臭氧、二氧化硫、二氧化氮、二氧化碳、甲烷和一氧化碳。为了使用激光吸收光谱仪来检测特定气体分子，采用产生用于一种或多种类型的气体的强吸收谱线的激光。激光与吸收谱线的强度的关系可使用各种方法来识别，例如，使用存储在由哈佛-史密松森天体物理中心(Harvard-SmithsonianCenterforAstrophysics)的原子分子物理处(AtomicandMolecularPhysicsDivision)支持的所谓的高分辨率透射分子吸收数据库(例如HITRAN)中的信息的数据库模拟。如本文中所使用，术语“谱线的强度”或“谱线强度”是根据本领域普通技术人员的理解来使用的，且通常是指给出与谱线相关联的总吸收的测量值的强度。举例来说，在一些应用中，使用良好控制的电流扫描和温度设定通过目标频率调谐激光。接着，将激光束引导到含有一种或多种类型的气体的浓度的所谓的多通气室中，且由目标气体吸收引起的激光强度的变化由检测系统测量且用于产生代表目标气体的光谱。激光吸收光谱仪的实例描述于美国专利第7,704,301号和第8,976,358号中，所述专利中的每一个出于所有目的特此以全文引用的方式并入本文中。本领域的普通技术人员了解，存在已知用于处理所测量光谱以确定一种或多种类型的气体的浓度的数种不同方法，所述方法可至少部分地取决于用于测量的激光调制技术。举例来说，在一种方法中，使用所谓的快速“波长扫描”技术来调制激光，且对吸收峰值面积进行整合或模型拟合以报告所测量气体分子的混合比。通常，所谓的“福格特(Voigt)线形分布”可与一种类型的气体的已知谱线强度(例如可从HITRAN数据库获得)整合以建立曲线拟合模型。如本文中所使用，术语“福格特分布”通常是指作为高斯分布和洛伦兹分布的卷积的概率分布(distribution)。当应用于运行系统时，需要时域曲线拟合模型以便迅速处理以极高速获取的光谱信号。已存在从福格特分布导出的众多曲线拟合方法以解决测量精度和计算时间。其中，将福格特线形分布的数值解视为最准确的。然而，其需要相当长的计算时间，这对于快速气体感测系统来说是不理想的。此外，当前方法通常无法解决显著降低系统性能的硬件相关问题，其实例包含如激光不稳定性和电流噪声的因素。潜在地，任何限制都可能导致曲线拟合模型的失败，例如激光吸收光谱仪系统的实施例，其依赖于样品流中的目标气体的至少一些痕量的存在来定位峰值，且用于曲线拟合算法正确地运行。在本实例中，在这些系统中不可能运行系统的真实“零”测试，因为曲线拟合模型将崩溃。因此，需要增加使用高分辨率激光吸收光谱仪进行的痕量气体测量的速度和可靠度的改进的设计。
技术实现思路
本文中相对于说明性、非限制性、实施方案描述用以解决这些和其它需要的系统、方法和产品。各种替代方案、修改和等效物是可能的。描述一种用于测量痕量气体浓度的系统的实施例，所述系统包括：激光吸收光谱仪，配置成检测来自痕量气体的吸光度测量值，以及对应于气室中的环境的温度值和压力值；和计算机，具有存储于其上的可执行代码，所述可执行代码配置成进行包括以下操作的方法：接收所述吸光度值、所述温度值和所述压力值；限定与所述痕量气体相关联的拟合范围；使用所述温度值和所述压力值作为模型参数将所述拟合范围中的曲线拟合模型应用于所述吸光度值；和产生所述痕量气体的浓度测量值。另外，描述一种用于测量痕量气体浓度的方法的实施例，所述方法包括：从痕量气体接收吸光度值，以及对应于气室中的环境的温度值和压力值；限定与所述痕量气体相关联的拟合范围；使用所述温度值和所述压力值作为模型参数将所述拟合范围中的曲线拟合模型应用于所述吸光度值；和产生所述痕量气体的浓度测量值。上述实施例和实施方案彼此不一定为包含性的或排它性的，且无论其是否与相同或不同实施例或实施方案结合呈现，所述实施例和实施方案都可以不冲突的和其它可能的任何方式进行组合。一个实施例或实施方案的描述不意图相对于其它实施例和/或实施方案为限制性的。此外，在替代实施方案中，在本说明书中其它地方描述的任何一或多个功能、步骤、操作或技术可与本
技术实现思路
中描述的任何一或多个功能、步骤、操作或技术组合。因此，上述实施例和实施方案为说明性的而非限制性的。附图说明从结合附图进行的以下详细描述中将更清楚地了解以上和另外的特征。在图式中，相同的参考标号指示相同的结构、元件或方法步骤，且参考标号的最左边数字指示参考元件第一次出现的图的编号(例如元件110第一次出现在图1中)。然而，所有这些惯例意图是典型的或说明性的，而非限制性的。图1是激光吸收光谱仪和相关联计算机系统的一个实施例的简化图形表示；图2是由根据权利要求1所述的具有用于实施用于应用曲线拟合模型的方法的可执行代码的计算机系统进行的方法的一个实施例的简化图形表示；图3是使用图2的方法来拟合的数据的一个实施例的简化图形表示；图4是图2的方法的峰值跟踪功能的一个实施例的简化图形表示；图5是使用图2的方法在11天内测量一氧化碳的一个实施例的简化图形表示；且图6是在商业仪器与使用图2的方法的系统之间比较一氧化碳测量值的一个实施例的简化图形表示。在图式的若干视图中，相同参考标号指代对应部分。具体实施方式如下文将更详细地描述，所描述的本专利技术的实施例包含增加使用常规高分辨率激光吸收光谱仪进行的痕量气体测量的速度和可靠度的快速数据处理系统和方法。图1提供能够与计算机110交互的用户101的简化说明性实例，以及计算机110与激光吸收光谱仪120之间的网络连接，所述激光吸收光谱仪120可包含配置成使得激光吸收光谱仪120能够分析一种或多种类型的气体的一或多个基本上气密的腔室或其它合适的容器。现有技术中已知的气室的许多配置大体上包含一个或多个光学透射窗口，所述一个或多个光学透射窗口允许激光束穿过而无光束的显著衰减或更改(例如功率、波长滤波等)。激光吸收光谱仪和气室配置的额外实例描述于以引用的方式并入上文的美国专利第7,704,301号和第8,976,358号中。还应了解，图1的实例说明元件之间的直接网络连接(例如包含由闪电表示的有线或无线数据传输)，然而，示范性网络连接还包含经由其它装置(例如开关、路由器、控制器、计算机等)的间接通信，且因此不应视为限制性的。计算机110可包含任何类型的计算平台，如工作站、个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于测量痕量气体浓度的系统，包括：/n激光吸收光谱仪，配置成检测来自痕量气体的吸光度测量值，以及对应于气室中的环境的温度值和压力值；和/n计算机，具有存储于其上的可执行代码，其中所述可执行代码配置成进行包括以下操作的方法：/n接收所述吸光度值、所述温度值和所述压力值；/n限定与所述痕量气体相关联的拟合范围；/n使用所述温度值和所述压力值作为模型参数将所述拟合范围中的曲线拟合模型应用于所述吸光度值；和/n产生所述痕量气体的浓度测量值。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181121 US 62/770,4111.一种用于测量痕量气体浓度的系统，包括：
激光吸收光谱仪，配置成检测来自痕量气体的吸光度测量值，以及对应于气室中的环境的温度值和压力值；和
计算机，具有存储于其上的可执行代码，其中所述可执行代码配置成进行包括以下操作的方法：
接收所述吸光度值、所述温度值和所述压力值；
限定与所述痕量气体相关联的拟合范围；
使用所述温度值和所述压力值作为模型参数将所述拟合范围中的曲线拟合模型应用于所述吸光度值；和
产生所述痕量气体的浓度测量值。


2.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述计算机在短于所述激光吸收光谱仪的数据获取速率的计算时间上进行所述方法。


3.根据权利要求2所述的系统，其中：
所述计算机以时域格式操作，所述时域格式在随时间推移获取多个所述吸光度值时分析所述吸光度值，且实时报告所述痕量气体的所述浓度测量值。


4.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述曲线拟合模型包括补偿激光源不稳定性的峰值跟踪特征。


5.根据权利要求4所述的系统，其中：
所述激光源不稳定性由激光硬件控制系统的问题产生。


6.根据权利要求4所述的系统，其中：
所述峰值跟踪特征使用最小二乘拟合来找到所述峰值的位置。


7.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述曲线拟合模型包括解决电流噪声增宽的一个或多个参数。


8.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述曲线拟合模型处理从噪声底限以下直到所述激光吸收光谱仪的测量范围的上限的所述吸光度值的范围。


9.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述痕量气体选自以下组成的组：氩气、臭氧、二氧化硫、二氧化氮、二氧化碳、甲烷和一氧化碳。


10.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述曲线拟合模型包括温度相关的高斯分布分量与压力相关的洛仑兹分布分量的组合。


11.根据权利要求1所述的系...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永泉，C·洛佩斯，
申请(专利权)人：赛默飞世尔科技公司，
类型：发明
国别省市：美国;US