一种用于复合气体组分的快速检测方法技术

本发明专利技术涉及一种用于复合气体组分的快速检测方法，该方法包括：(a)以脉冲序列的形式，将多个波长的测量光脉冲依次射入测试气体气室；(b)在预定散射角度测量每种波长下的散射光强度，利用光散射法计算悬浮颗粒物颗粒度及相应浓度；(c)计算对于每种波长的参考散射系数，构建同质散射系数方程；(d)使用红外光谱法进行气体组分测量，得到红外光谱测量方程组；(e)将参考散射系数、同质散射系数方程、红外光谱测量方程组联立求解，确定散射项大小，将所确定的散射项代回红外光谱测量方程组，并基于该方程组确定各个气体组份浓度。本发明专利技术具有测量精度高，测量过程快速、悬浮颗粒物污染环境适应性强、测量设备依赖度低等优点。适应性强、测量设备依赖度低等优点。适应性强、测量设备依赖度低等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种用于复合气体组分的快速检测方法


[0001]本专利技术涉及光学传感器领域，特别涉及一种快速高精度复合气体组份、浓度及悬浮颗粒的颗粒度、浓度的检测方法。
技术背景
[0002]随着社会的发展、科技的进步，人们对于空气质量及安全性的关注度逐年提高。一方面，随着污染的加剧，各种有毒、有害气体，以及颗粒物都使得生活环境中的空气影响到人们的身体健康；另一方面，对于一些特殊生产场景，如矿井、化工厂、建筑场地等，往往充斥着各类有毒气体及粉尘，严重威胁着人们的身体健康，更严重者危及人身安全。因此，对于能够快速、实时、高精度的复合气体组份浓度、颗粒度的检测方法的需求也越来越高。
[0003]红外吸收谱检测是一种常用的快速、实时、高精度的检测方法，但是这种方法并不能满足目前实际需求，首先红外吸收谱检测方法无法检测气体中悬浮颗粒物的颗粒度及浓度，对于目前空气悬浮颗粒污染严重的城市，以PM2.5为例，虽然中国城市的PM2.5水平在2018年下降了12％之后，在2019年平均下降了9％。但是，98％的城市依旧超过了世界卫生组织(WHO)的准则值。可见气体中悬浮颗粒物的颗粒度、浓度检测是一项必要检测项。其次，在空气中悬浮物浓度高、或者高粉尘污染的应用场景中，红外吸收谱检测方法的精度将大幅降低。对于后者，目前常采用三种解决方案：第一种，双波长差分法，这种方法使用与测试光波长相近，但被测气体不吸收的另一波长的参考光，认为散射系数相近而认为散射项近似相等，进行差分计算，散射项将直接消去，这种方法的对散射项的近似处理，在红外吸收谱检测方法所采用的长光程测试条件下，带来的测量误差是无法忽略的；第二种，忽略悬浮颗粒物散射对测量精度的影响，即使是在中度空气悬浮物污染的生活环境中，这种解决方案都会使得气体组份浓度检测的精度大大降低，并不能真正解决具体问题；第三种，是在检测气室前设置漉网，这种解决方案虽然能够减少悬浮颗粒物散射对测量精度的影响，但需要定期更换滤网，增加了检测设备运维成本。
[0004]目前，针对这些问题的解决方案目前主要有文章“张曦雯,李立京,梁生,张春熹.新型多波长红外同步粉尘、气体浓度传感器[J].红外技术,2009,31(01):35
‑
38.”与专利“US2017/0097301A1”及中所提的，不忽略Lambert
‑
Beer定律
[0005]I
out
(λ)＝I
in
(λ)e
‑
K(λ)L
ꢀꢀ
(1)
[0006]衰减系数K(λ)的散射项，将衰减系数还原为吸收项与散射项的求和项。但是这种方法仍存在严重不足。
[0007]首先，这种方法将n种波长下n组Lambert
‑
Beer定律的入射光强I
in
(λ)与透射光强I
out
(λ)联立，解出n个衰减系数。为了使得线性方程组有解，需要满足对于任意波长λ，悬浮颗粒物或气体组份的衰减系数K(λ)仅为吸收项或散射项，另一项为零项。但对于红外光谱吸收法这种为了提高测试精度往往采用很长的测试光路的测试方法，吸收项与散射项是不可能同时为零的。这种这使得模型得到大幅简化的方法，会大大降低计算结果的准确度。同时，这种方法在确定悬浮颗粒物颗粒度与浓度时，通过光吸收法仅对入射光强I
in
(λ)与透射
光强I
out
(λ)的测量而得到悬浮颗粒物颗粒度与对应浓度，则需预先确定不同粒径D悬浮颗粒物的衰减系数K
D
(λ)，显然，在实际快速测量中是不可行的。
[0008]其次，正如上述文章与专利中提及的，使用红外光谱法针对多气体组份的测量，往往使用多种波长的红外光源进行测试。依靠传统的测试方法若想保证各个波长信号间相互无干扰，建立相互独立、无耦合的Lambert
‑
Beer定律的线性方程组，在共用测试气室的情况下，则需要设置与红光光源数量相同的数量的带有窄带滤波片的探测器。使得这种测量方法对于装置的要求较高，提高了测试成本。在非共用气室的情况下，有着与共用气室同样的复杂装置要求外，还引入了不同气室间的误差，降低了测试精度。
[0009]再者，对于不同的气体组份，其摩尔分子吸收系数往往差别较大，以二氧化碳、甲烷、甲醛为例，其摩尔分子吸收系数量级分别为10
‑
18
，10
‑
19
，10
‑
20
，在同样光路条件下进行红外光谱法测量，采用相同分辨率的光强探测方法，其摩尔分子吸收系数量级越小其浓度测量误差越大，这将大大增加小摩尔分子吸收系数的气体组份的浓度测量误差。

技术实现思路

[0010]本专利技术为了克服现有技术的不足，提供了一种快速高精度复合气体组份、浓度及悬浮颗粒的颗粒度、浓度的检测方法。
[0011]具体而言，本专利技术提供一种用于复合气体组分的快速检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0012](a)以脉冲序列的形式，将多个波长的测量光序列依次射入测试气体气室，所述测量光序列包含多种用于散射光谱法测量的散射光谱测量光和多种用于红外光谱法测量的红外光谱测量光，每种测量光对应一种物质的指纹波长，所述物质包括悬浮颗粒物和各种气体组分；
[0013](b)在预定散射角度测量每种波长下的散射光强度，根据散射光谱测量光的测量光强度和散射光强度，计算所述气室内物质对于至少一种波长的散射系数作为参考散射系数；
[0014](c)对(b)中的参考散射系数进行拟合，确定各个散射光谱测量光的波长下，任意两种波长的散射系数关系，构建同质散射系数方程；
[0015](d)测量红外光谱测量光的输出光强度，基于各波长的入射光强和出射光强构建红外光谱测量方程组；
[0016](e)求解由同质散射系数方程以及红外光谱测量方程组构成的联立方程组，确定各个气体组份浓度。
[0017]在一种优选实现方式中，所述方法还包括基于各个波长(步骤a中的测量光序列)的散射光强度和入射光强度，利用光散射法计算悬浮颗粒物颗粒度及相应浓度。
[0018]在另一种优选实现方式中，所述步骤(a)中，脉冲序列重复频率为R，脉冲宽度为τ，且对于每个波长，满足单个脉冲在气室内的耗散时间
[0019]在另一种优选实现方式中，所述步骤(b)包括选取散射系数较大的组分对应(比如大于预定值或从大到小选取)的波长作为计算参考散射系数的测试光，所述参考散射系数
通过前向散射光强测量得到，其计算公式为其中，I
s||
为前向散射光的光强，I0为入射光的光强，l为散射系数测量时的光程。
[0020]在另一种优选实现方式中，所述红外光谱测量方程组的表达式为其中，I
in
为输入光强，I
out
为输出光强，气体浓度为c1、c2、c3···
c
n
，摩尔分子吸收系数分别为，摩尔分子吸收系数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于复合气体组分的快速检测方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)以脉冲序列的形式，将多个波长的测量光序列依次射入测试气体气室，所述测量光序列包含多种用于散射光谱法测量的散射光谱测量光和多种用于红外光谱法测量的红外光谱测量光，每种测量光对应一种物质的指纹波长，所述物质包括悬浮颗粒物和各种气体组分；(b)在预定散射角度测量每种波长下的散射光强度，根据散射光谱测量光的测量光强度和散射光强度，计算所述气室内物质对于至少一种波长的散射系数作为参考散射系数；(c)对(b)中的参考散射系数进行拟合，确定各个散射光谱测量光的波长下，任意两种波长的散射系数关系，构建同质散射系数方程；(d)测量红外光谱测量光的输出光强度，基于各波长的入射光强和出射光强构建红外光谱测量方程组；(e)求解由同质散射系数方程以及红外光谱测量方程组构成的联立方程组，确定各个气体组份浓度。2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述方法还包括基于各个波长的散射光强度和入射光强度，利用光散射法计算悬浮颗粒物颗粒度及相应浓度。3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤(a)中，脉冲序列重复频率为R，脉冲宽度为τ，且对于每个波长，满足单个脉冲在气室内的耗散时间4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤(b)包括选取散射系数较大的组分对应的波长作为计算参考散射系数的测试光，所述参考散射系数通过前向散射光强测量得到，其计算公式为其中，I
s||
为前向散射光的光强，I0为入射光的光强，l为散射光程。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：王勇，陈盛，刘洁，陈翼，张慜，
申请(专利权)人：张玉芝，
类型：发明
国别省市：