CN106483088A - 一种基于紫外光调制的气体浓度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于紫外光调制的气体浓度测量装置，依次包括信号发送模块、气体测量模块、信号接收模块以及信号处理模块；信号发送模块包括由紫外石英光纤连接的紫外氘灯光源和光学斩波器；气体测量模块包括伴热管带、气池以及包裹在气池外的加热模块；信号接收模块由以CCD阵列为检测核心的光谱仪组成；待测气体通过伴热管带预热后进入气池，加热模块使气池维持在设定温度，紫外氘灯光源发出的光经光学斩波器调制后由紫外石英光纤传输至气池的入射口，经待测气体吸收后由光谱仪接收信号，传输至信号处理模块进行处理。本发明还公开了一种基于紫外光调制的气体浓度测量方法，其能够极大提高测量信号的信噪比，非常适用于低浓度气体的监测。

Description

一种基于紫外光调制的气体浓度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于光学和光谱学技术的气体浓度测量装置，尤其是涉及一种基于紫外光调制的气体浓度测量装置及方法，属于光学测量技术领域。

背景技术

近年来，随着国家对于环境保护的日趋重视，以及出于保证工业生产安全高效进行的需要，准确监测污染物气体组分的浓度对于控制空气污染气体排放有着重大的意义。

目前应用于污染物气体浓度测量的方法，按照工作原理来分，主要分为非光学和光学分析法两种。非光学分析法主要有超声波技术法、气敏法、热催化法、气相色谱、光干涉法等，但是由于其极易受如温度、压力、湿度等环境因素的影响，很难应用于现场气体分析。光学气体浓度分析法，主要是基于光谱学的基本原理，当激光频率与气体吸收组分的跃迁频率相同时，激光能量将被吸收，通过对比入射光强与透射光强可以得到沿光路径的吸收值，进而确定气体温度和浓度等物性参数，具有无需预处理、响应快速、数据准确、多参数同时检测等优势，成为目前应用于众多领域的现场在线检测技术之一。

光谱法主要包括傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)、激光光声光谱技术(PAS)、可调谐激光二极管吸收光谱技术(TDLAS)、差分吸收光谱技术(DOAS)等。FTIR技术主要基于迈克尔逊干涉仪原理，红外光源经准直透镜准直后发出平行光，经待测气体吸收后由望远镜***接收，再经过干涉仪汇聚到探测器，从而得到待测气体的干涉信号，经傅里叶变换后即可得到不同浓度下气体的吸收光谱信息，从而计算出气体的浓度。但是FTIR设备比较庞大，响应速度也相对较慢，并且价格相对昂贵，因此未来还需要一定的发展。PAS技术是一种利用光声效应的气体浓度测量方法，激光二极管发射的激光速能量被待测气体吸收后转化为热能，从而使局部气体的温度产生了变化，同时引起气压的变化，产生光声波，利用声波微音器探测产生额声波并根据声波的幅值完成气体浓度的反演。但是采用共振模式极易受环境噪声的干扰，影响测量精度。TDLAS技术是基于半导体激光器的窄线宽特性的一种光谱测量方法，可以实现混合气体的多组分、多参数同时测量，其通用性非常强，测量分辨率高，选择合式的待测气体特征吸收谱线即可以测出痕量气体的浓度，但是其***结构复杂、设备成本昂贵，并且扫描范围较窄。

DOAS技术是根据大气中气体在紫外波段的气体吸收光谱的窄带吸收特性来进行浓度反演。待测气体的吸收光谱信号在光谱上的表现为随波长快速变化的窄带光谱。通常通过滤波等技术将吸收光谱中的宽带成分扣除，得到气体吸收的差分吸收光谱，进而通过最小二乘算法计算得到气体浓度。其***结构简单，测量波段范围大，已广泛应用于空气污染物的检测，包括臭氧、氮氧化物、二氧化硫等。对于光谱仪，噪声主要来源于CCD器件，包括浮置放大器的输出噪声、转移噪声、暗电流噪声、积分期间电荷注入器件的噪声，在低浓度气体探测方面，由于气体的吸收较弱，光谱仪采集的有效信号幅值较小，噪声对测量结果的干扰十分明显，严重限制了其测量气体浓度的下限。因此，发展一种降低光度噪声，提高信噪比的气体浓度测量装置及方法尤为重要。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种基于紫外光调制的气体浓度测量装置。

本发明还要解决的技术问题是提供上述基于紫外光调制的气体浓度测量装置的气体浓度测量方法，该方法能够极大的提高测量信号的信噪比，非常适用于低浓度气体的监测。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种基于紫外光调制的气体浓度测量装置，依次包括信号发送模块、气体测量模块、信号接收模块以及信号处理模块；信号发送模块包括由紫外石英光连接的紫外氘灯光源和光学斩波器；气体测量模块包括伴热管带、气池以及包裹在气池外的加热模块；信号接收模块由以CCD阵列为检测核心的光谱仪组成；待测气体通过伴热管带预热后进入气池，加热模块使气池维持在设定温度，紫外氘灯光源发出的光经光学斩波器调制后由紫外石英光纤传输至气池的入射口，经待测气体吸收后从气池出来并由光谱仪接收信号，传输至信号处理模块进行处理。

其中，所述紫外光源能够持续发出稳定的185nm到400nm波段的紫外光谱。

一种基于紫外光调制的气体浓度测量方法，包括如下步骤：

步骤1，采用光学斩波器对紫外光源发射的光进行正弦调制，将调制后的光经紫外石英光纤传输至气池的入射光口；

步骤2，将步骤1的调制光穿过充满N₂的气池，由光谱仪采集背景光强信号；再将步骤1的调制光穿过充满参考标准气体(N₂)的气池，由光谱仪采集参考透射光强信号；最后将步骤1的调制光穿过充满待测气体的气池，由光谱仪采集待测透射光强信号；

步骤3，分别对背景光强信号、参考透射光强信号和待测透射光强信号进行参数设置相同的数字锁相、低通滤波过程，得到各自对应的一次谐波信号；

步骤4，依据Beer-Lambert定律，对背景光强、参考透射光强信号的一次谐波进行进一步处理，选择合适的多项式系数拟合光谱吸光度中的慢变化部分，获得各气体组分在测量波段的差分吸收截面；

步骤5，依据Beer-Lambert定律，对背景光强，待测透射光强信号的一次谐波进行进一步处理，选择合适的多项式系数拟合光谱吸光度中的慢变化部分，获得差分吸光度，建立差分吸光度与差分吸收截面、浓度之间的方程组；

步骤6，将步骤4中获得的差分吸收截面作为已知，带入步骤5中的方程组，反演出待测气体各组分浓度。

与现有技术相比，本发明技术方案具有的有益效果是：

相对于现有的差分吸收光谱技术，本发明采用了紫外光调制的方法进行气体浓度的测量，该方法不需要额外考虑光谱仪的背景暗电流等低频噪声，具有良好的噪声抑制特性，对弱吸收具有高的灵敏度，降低了现有差分吸收光谱技术的浓度检测下限，因此，本发明技术对于在恶劣的工业现场中实现准确检测待测气体浓度具有重要的应用价值。

附图说明

图1为本发明基于紫外光调制的气体浓度测量装置的***原理图；

图2为本发明基于紫外光调制的气体浓度测量方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于此。

实验装置如图1所示，依次包括信号发送模块1、气体测量模块2、信号接收模块3以及信号处理模块4；信号发送模块1包括由紫外石英光纤7连接的紫外氘灯光源5和光学斩波器6；气体测量模块2包括伴热管带10、气池8以及包裹在气池8外的加热模块9；信号接收模块3由以CCD阵列为检测核心的光谱仪12组成；待测气体13通过伴热管带10预热后进入气池8，加热模块9使气池8维持在设定温度，紫外氘灯光源5发出的光经光学斩波器6调制后由紫外石英光纤7传输至气池8的入射口，经待测气体吸收后从气池8出来并由光谱仪12接收信号，然后将采集到的光信号转换成电信号传输至信号处理模块4进行处理。

紫外氘灯光源5能够持续发出稳定的185nm到400nm波段的紫外光谱，在实际测量中采用的紫外光源并不限于氘灯。

如图2所示，本发明基于紫外光调制的气体浓度测量方法，包括如下步骤：

步骤1，采用光学斩波器对紫外氘灯光源发射的任意波长λ_i的光进行高频正弦调制，调制频率为f_m，紫外石英光纤将调制后的光传输至气池的入射口；

步骤2，将步骤1的调制光穿过充满N₂的气池，由光谱仪采集背景光强信号，记为⁰I_λi(t)；将步骤1的调制光穿过充满参考标准气体的气池，由光谱仪采集参考透射光强信号，记为^RI_λi(t)；将步骤1的调制光穿过充满待测气体的气池，由光谱仪采集待测透射光强信号，记为^MI_λi(t)；下标λ_i表示在185nm到400nm波段选定的某一波长处；

步骤3，使用数字锁相过程处理背景光强信号⁰I_λi(t)、参考透射光强信号^RI_λi(t)和待测透射光强信号^MI_λi(t)，得到包含一次谐波信号的x分量和y分量：

式(1)中，分别是背景光强⁰I_λi(t)对应的的x分量、y分量； 分别是参考气体透射光强信号^RI_λi(t)对应的x分量、y分量；分别是处理待测透射光强信号^MI_λi(t)得到的x分量、y分量；

然后经低通滤波器提取各信号的一次谐波X分量和Y分量：

波长λ_i处背景光强信号、参考透射光强信号和待测气体的透射光强信号的一次谐波如式(3)所示；

步骤4，依据Beer-Lambert定律，与之间存在如下关系：

式中，σ′_j(λ_i)为随波长快速变化的高频窄带吸收截面，σ_js(λ_i)为随波长缓慢变化的低频宽带吸收截面，参考标准气体中各气体组分浓度C_j为已知，ε_R(λ_i)和ε_M(λ_i)分别为颗粒所引起的Rayleigh和Mie散射截面。根据差分吸收光谱技术，将σ_js(λ_i)、ε_R(λ_i)和ε_M(λ_i)归结为低频部分，σ′_j(λ_i)归结为高频部分；选择合适的多项式系数来拟合式(4)中的低频部分，获得没有任何差分吸收情况下的透射光强对应的一次谐波

将式(5)带入式(4)，得到：

利用式(6)联立方程组计算得到各气体组分在波长λ_i处的差分吸收截面σ′_j(λ_i)；

步骤5，与之间存在如下关系：

待测气体浓度c_j未知。选择合适的多项式系数来拟合式(7)中的低频部分，获得没有任何差分吸收情况下的透射光强对应的一次谐波

得到差分吸光度D′(λ_i)：

步骤6，对于n种气体组分，在波段内选择m个波长，式(9)可以表示成如下方程组，通过解方程组即可得到待测气体各组分浓度c_j：

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种基于紫外光调制的气体浓度测量装置，其特征在于：依次包括信号发送模块、气体测量模块、信号接收模块以及信号处理模块；信号发送模块包括由紫外石英光纤连接的紫外氘灯光源和光学斩波器；气体测量模块包括伴热管带、气池以及包裹在气池外的加热模块；信号接收模块由以CCD阵列为检测核心的光谱仪组成；待测气体通过伴热管带预热后进入气池，加热模块使气池维持在设定温度，紫外氘灯光源发出的光经光学斩波器调制后由紫外石英光纤传输至气池的入射口，经待测气体吸收后由光谱仪接收信号，传输至信号处理模块进行处理。

2.根据权利要求1所述的基于紫外光调制的气体浓度测量装置，其特征在于：所述紫外光源能够持续发出稳定的185nm到400nm波段的紫外光谱。

3.一种基于紫外光调制的气体浓度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，采用光学斩波器对紫外光源发射的光进行正弦调制，将调制后的光经紫外石英光纤传输至气池的入射光口；

步骤2，将步骤1的调制光穿过充满N₂的气池，由光谱仪采集背景光强信号；再将步骤1的调制光穿过充满参考标准气体的气池，由光谱仪采集参考透射光强信号；最后将步骤1的调制光穿过充满待测气体的气池，由光谱仪采集待测透射光强信号；

步骤3，分别对背景光强信号、参考透射光强信号和待测透射光强信号进行参数设置相同的数字锁相、低通滤波过程，得到各自对应的一次谐波信号；

步骤4，依据Beer-Lambert定律，对背景光强、参考透射光强信号的一次谐波进行进一步处理，选择合适的多项式系数拟合光谱吸光度中的慢变化部分，获得各气体组分在测量波段的差分吸收截面；

步骤5，依据Beer-Lambert定律，对背景光强，待测透射光强信号的一次谐波进行进一步处理，选择合适的多项式系数拟合光谱吸光度中的慢变化部分，获得差分吸光度，建立差分吸光度与差分吸收截面、浓度之间的方程组；

步骤6，将步骤4中获得的差分吸收截面作为已知，带入步骤5中的方程组，反演出待测气体各组分浓度。