气体吸收光谱量测系统及其量测方法

技术领域

本发明是有关于一种量测系统及其量测方法，且特别是有关于一种气体吸收光谱量测系统及其量测方法。

背景技术

开径式红外线光谱仪进行气体监测，仅以25℃及一大气压的实验标准图谱进行定量分析，当环境的温度、压力及湿度显著改变时，将导致标准图谱与实测图谱拟合结果误差大。

此外，以高解析穿透分子吸收光谱数据库(HITRAN，high-resolutiontransmission molecular absorption database)进行红外光谱压力与温度影响的仿真可知，当温度或压力条件改变时，相同浓度的气体的红外光图谱也会随之改变，且随着光谱分辨率的提升，红外光图谱的变化更为明显。

另外，传统开径式红外线光谱仪进行气体监测时，由于缺乏环境温度、气压变化造成的红外光图谱的特征峰的变化，因此仅能够计算大气中不同时间气体的相对浓度。相对地，量子串连激光(Quantum cascade lasers,QCL)相较于传统红外线光谱仪具有高光强度及高解析等特性，可提升红外光谱气体物种的辨识能力，然而其缺点是温度与压力改变所导致的红外光图谱的变化变得显著，因此有待进一步改善。

发明内容

本发明有关于一种气体吸收光谱量测系统及其量测方法，通过仿真数据库和/或实验平台，建立不同温度及压力条件下的高分辨率气体标准图谱、矩阵数据库与算法，来进行多种气体的定性与定量解析及计算。此外，本发明能实时修正多种气体共存时，不同温度与压力条件造成的气体浓度计算偏差，以达到高稳定的开径式光路系统及高解析的光谱温度与压力效应修正的需求。

根据本发明的一方面，提出一种气体吸收光谱量测系统，包括一光源、一光源控制器、一光强度检测器、一计算模块。光源用于发出一光波。光源控制器用于调控光波的波长。光强度检测器用于检测由光源产生并通过至少一目标气体的光强度。计算模块包括一数值处理器以及一储存单元。储存单元用于储存一光谱数据库，数值处理器用于拟合至少一目标气体的吸收光谱与光谱数据库中的标准图谱，并进行相似度比对运算，以取得残差值最小的至少一目标气体的温度及压力，并根据至少一目标气体的最小残差值，决定至少一目标气体的物种浓度。

根据本发明的一方面，提出一种气体吸收光谱量测方法，包括下列步骤。在一计算模块中建立一光谱数据库。利用一光谱仪取得通过至少一目标气体的光强度。拟合该至少一目标气体的混合光谱与光谱数据库中的标准图谱，并进行相似度比对运算，以取得残差值最小的至少一目标气体的温度及压力。根据至少一目标气体的最小残差值，决定至少一目标气体的物种浓度。

为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合附图详细说明如下。

附图说明

图1绘示依照本发明一实施例的开径式气体吸收光谱量测系统的示意图。

图2绘示本发明一实施例的用于建立光谱数据库的气体吸收光谱实验平台的示意图。

图3A绘示本发明一实施例的光谱数据库的温度及压力矩阵中目标气体 N

图3B绘示本发明一实施例的光谱数据库的温度及压力矩阵中目标气体 CO的标准图谱的示意图。

图3C绘示本发明一实施例的光谱数据库的温度及压力矩阵中目标气体 H

图4A绘示本发明一实施例的目标气体N

图4B绘示本发明一实施例的目标气体N

图5绘示本发明一实施例的取得残差值最小的该至少一目标气体的温度及压力的示意图。

图6绘示根据图5取得的温度及压力值以得到各目标气体N

图7绘示依照本发明一实施例的气体吸收光谱量测方法的示意图。

具体实施方式

以下提出实施例进行详细说明，实施例仅用于作为范例说明，并非用于限制本发明要保护的范围。以下是以相同/类似的符号表示相同/类似的组件做说明。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

依照本发明的一实施例，提出一种气体吸收光谱量测系统及其量测方法，例如以HITRAN仿真数据库及QCL光学实验平台建立不同温度及压力条件下的高分辨率气体标准图谱，用于多种气体共存的吸收光谱的解析，并将目标气体的吸收光谱与不同温度及压力条件下的标准图谱数据库进行拟合，经多变量最小平方法(Multivariable least squaresmethod)线性回归分析，求得最优解，以实时修正多种气体共存时不同温度及压力条件造成的浓度计算偏差，再将所得到的浓度修正系数乘以光谱数据库中各目标气体的物种浓度值，即可获得混合光谱中各目标气体的物种浓度。上述多变量最小平方法例如是古典最小平方法或部分最小平方法。

以开径式红外线光谱仪进行气体监测时，大气中水汽含量及微尘等均会影响反射光强度，因而在建立光谱数据库时，需同时将目标气体及大气中常见的水汽加入考虑，以所有影响吸收光谱图型的因素(包括温度、压力及大气中常见的水汽及目标气体)来建立温度-压力矩阵光谱数据库。

此外，进行气体监测时，波数范围应选择目标气体的定量区间，以涵盖所有目标气体的吸收尖峰区。光的波数W定义为波长λ的倒数，W＝1/λ，单位以cm

在特定浓度范围内，气体浓度与其吸收强度遵循比尔定律(Beer’s law)呈线性关系。因此，气体的吸收强度(A)与吸收系数(α)、光径长(l)、浓度(c) 三者均呈正比：A＝αlc，其中α为吸收系数(absorptivity，或称absorption coefficient)，也可称为消光系数(extinction coefficient,k)。然而，若是在光径长 (l)使用厘米(cm)作为单位，并且浓度(c)使用莫耳M作为单位，吸收系数(α)使用M

此外，气体浓度与其吸收强度的关系式也可表示为：A＝K

请参照图1，其绘示依照本发明一实施例的气体吸收光谱量测系统100的示意图。气体吸收光谱量测系统100包括一光源101、一光源控制器102、一光强度检测器103、一模拟/数字转换器104、一计算模块105、一椭圆抛物面镜106、一光学镜窗107以及一反射镜108。光源101用于发射一光波，光源控制器102用于调控光源101的光波长。光强度检测器103用于检测由光源 101产生并通过至少一目标气体的光强度。模拟/数字转换器104用于将信号转换为模拟信号或数字信号。计算模块105包括一数值处理器以及一储存单元。储存单元用于储存一光谱数据库。数值处理器用于拟合至少一目标气体的吸收光谱与光谱数据库中的标准图谱，并进行相似度比对运算，以决定至少一目标气体的温度、压力及物种浓度。光学镜窗107为一可被光源101发出的光波L穿透的光学玻璃，用于保护系统内部组件不受微粒沾污，并可确保量测不受系统内部气体影响。在一实施例中，使用对特定波长范围具有抗反射涂层材料的光学镜窗107，可有效降低来自光学镜窗107所导致的干涉效应。光波L可穿透椭圆抛物面镜106的通孔及光学窗口107而到达反射镜 108，且反射镜108反射光波L之后，反射光波L再经由椭圆抛物面镜106全反射而到达光强度检测器103。在另一实施例中，反射镜108也可设置为面向光强度检测器103，以将由光源101发射出的光波L直接反射至光强度检测器103。在又一实施例中，光强度检测器103也可设置为面向光源101，以直接接收由光源101发射出的光波L。

光源101可包括下列其中一种发光组件：傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)、可调谐二极管激光(tunable diode laser,TDLS)、可调谐半导体激光(tunable semiconductorlaser)、量子串连激光(quantum cascade laser,QCL)、带间串连激光(intra-bandcascade laser,ICL)、垂直共振腔面射型激光(vertical cavity surface emittinglaser,VCSEL)、水平共振腔面射型激光(horizontal cavity surface emitting laser,HCSEL)、分布式回馈激光(distributed feedback laser)、发光二极管(light emittingdiode,LED)、超发光二极管(Super-luminescent diode)、放大自发射光源(amplifiedspontaneous emission source,ASE source)、气体激光(gas discharge laser)、液体激光(liquid laser)、固态激光(solid state laser)、光纤激光 (fiber laser)、色心激光(color center laser)、白炽灯(incandescent lamp)、放电灯 (discharge lamp)、热发射体(thermal emitter)或非线性光学交互作用产生光频率可调装置(device capable ofgenerating frequency tunable light through nonlinear optical interactions)。

光强度检测器103可包括下列其中一种组件：铟镓砷检测器(InGaAs detector)、砷化铟检测器(InAs detector)、磷化铟检测器(InP detector)、硅检测器(silicondetector)、硅锗检测器(SiGe detector)、锗检测器(germanium detector)、汞碲化镉检测器(MCT detector)、硫化铅检测器(PbS detector)、硒化铅检测器(PbSe detector)、热电堆检测器(thermopile detector)、多元数组检测器(multi-element array detector)、单元检测器(single element detector)或光电倍增管(photo-multiplier)。

在一实施例中，光谱数据库例如以HITRAN仿真数据库所建立，并储存于计算模块105中。HITRAN仿真数据库用于取得不同温度-压力条件下的红外光谱仿真信号，以建立多种气体的标准图谱。在另一实施例中，光谱数据库是在气体样品槽109(参见图2)中，控制至少一目标气体的温度、压力及浓度条件下，获取对应的目标气体的吸收光谱所建立，并储存于计算模块105 中。

LBL(line by line)为单色(Monochromatic)辐射传递模式，即每次使用单一种波数计算模式内大气中各气体的辐射通量，LBL模式用于将吸收光谱数据读入并设定要计算的波数范围，即可计算气体的吸收系数。其中，LBL的吸收系数计算方式如下：k

在HITRAN模拟部分，各气体分压条件分别为20000ppm的H

在实验室建立标准图谱部分，所使用的光源101为激光或其他准直光。气体样品槽109为光径长50cm的不锈钢腔体，其光学镜窗107为厚度5mm 的硅镜窗但不限制。请参照图2，其绘示用于建立光谱数据库的密闭抽气式气体吸收光谱实验平台100’的示意图。气体吸收光谱实验平台100’包括一光源101、一光源控制器102、一光强度检测器103、一模拟/数字转换器104、一计算单元105’、一椭圆抛物面镜106、一光学镜窗107、一反射镜108以及一气体样品槽109。光源101、光源控制器102、光强度检测器103、模拟/数字转换器104、椭圆抛物面镜106、光学镜窗107及反射镜108的性质及功能如图1所示，在此不再赘述。与图1不同之处在于，计算单元105’用于将量测数据转换为光谱，以进行标准图谱数据库的建立。此外，气体样品槽109用于储存气体并控制气体的浓度、温度及压力，可确保量测不受系统外部气体影响。

请参照图3A至3C，其分别绘示不同温度及压力条件下目标气体(例如 N

请参照图4A及4B，其分别绘示将图4A的混合气体图谱与图3A至3C 中标准图谱拟合，并进行相似度比对运算，其中相似度越高，残差值越小。反之，相似度越小，残差值越高。残差值的计算方式例如为与不同温度及压力条件下的标准图谱进行拟合并经最小平方法线性回归分析及运算，以取得多个残差值，再从多个残差值中找出最小残差值。首先，假设方程式 y＝ax1(P,T)+bx2(P,T)+cx3(P,T)+E，其中y、x1、x2、x3分别为混合气体N

其中，

求多个联立方程式的最优解，以找到各目标气体在特定温度T及压力P 矩阵的最小残差值(E)。后续，再根据目标气体的最小残差值(E)，得到相对应的目标气体浓度修正系数，即各目标气体在特定温度T及压力P条件下的吸收系数a、b、c。

请参照图5，其绘示残差值(E)为0时，目标气体的温度及压力分别为308K 及0.95atm。接着，请参照图6，再由目标气体的温度及压力矩阵中找出相对应的目标气体浓度修正系数，其中N

接着，将上述目标气体浓度修正系数乘以光谱数据库中相对应的目标气体浓度值，即可得到目标气体的实际物种浓度。例如：N

若不考虑不同温度及压力产生浓度偏差的话，直接以一般1atm及298K 的图谱进行浓度计算，所得到的N

请参照图1和图7，其中图7绘示依照本发明一实施例的气体吸收光谱量测方法的示意图。气体吸收光谱量测方法包括下列步骤S11～S14。步骤S11 中，在一计算模块105中建立一光谱数据库。步骤S12中，利用一光谱仪(即气体吸收光谱量测系统100)取得通过至少一目标气体的光强度。步骤S13中，拟合至少一目标气体的吸收光谱与光谱数据库中的标准图谱，并进行相似度比对运算，以取得残差值最小的至少一目标气体的温度及压力。步骤S14中，根据至少一目标气体的最小残差值，得到一浓度修正系数，以决定至少一目标气体的物种浓度。

上述计算模块105通过最小平方法进行特征峰相似度比对运算，以找出目标气体的温度及压力矩阵的最小残差值，进而得到目标气体浓度修正系数及相对应的目标气体的物种浓度，以减少浓度偏差值。

综上所述，虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用于限定本发明。本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

符号说明

100：气体吸收光谱量测系统

100’：气体吸收光谱实验平台

101：光源

102：光源控制器

103：光强度检测器

104：模拟/数字转换器

105：计算模块

105’：计算单元

106：椭圆抛物面镜

107：光学镜窗

108：反射镜

109：气体样品槽

L：光波

S11～S14：步骤