一种气体浓度测量方法

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、SO

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：

式中：

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

其中，R

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C

2)通入浓度为C

3)通入浓度为C

4)标定后仪表浓度测量数据C按照下面的分段公式给出：

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：

式中：

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：

式中：

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

其中，R

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C

2)通入浓度为C

3)通入浓度为C

4)标定后仪表浓度测量数据C按照下面的分段公式给出：

其中C

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：

式中：

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

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。