CN116183541B - 一种基于ftir技术的气体测量方法及装置 - Google Patents

一种基于ftir技术的气体测量方法及装置 Download PDF

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CN116183541B CN202310443840.4A CN202310443840A CN116183541B CN 116183541 B CN116183541 B CN 116183541B CN 202310443840 A CN202310443840 A CN 202310443840A CN 116183541 B CN116183541 B CN 116183541B
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Abstract

本发明提供一种基于FTIR技术的气体测量方法及装置，包括以下步骤，基于朗伯比尔定律，建立气体浓度表达式；对所述气体浓度表达式中各个量进行分析，确定所述气体浓度表达式中的变量；针对所述变量建立高阶补偿模型进行优化；计算误差平方和；求得系数矩阵，完成对于所述变量的优化；光源发出的光线经过气室，然后再由两个不同波长的滤波片进行滤光，得到波长邻近的两个波长的光辐射，从而得到两组光路信息，对得到的信息进行差分处理，能够有效地降低光源和光电器件的零漂的干扰，在一定程度上消除光源抖动的干扰，然后建立高阶补偿模型，对温度、压强、电路噪声，精确测量出气体浓度。

Description

一种基于FTIR技术的气体测量方法及装置
技术领域
本发明涉及电气工程和光学工程技术领域，尤其涉及一种基于FTIR技术的气体测量方法及装置。
背景技术
电化学储能技术迅速发展，已经成为可再生能源、智能电网的重要支撑技术之一。其中锂离子电池由于能量密度高、使用寿命长、稳定性好等优点，已经成为电化学储能领域最具有发展潜力的储能电池。然而由于技术的原因，锂离子电池内部的有机电解液具有一定易燃特性，在实际应用中具有潜在的安全隐患，锂离子电池在极端工况下会发生热失控，出现冒烟、着火等现象，进而危及人身安全。常用的锂离子电池主要是由电池正负极、隔膜以及有机电解液组成，电池外部采用坚硬的金属外壳密封以确保电池结构的稳定性。然而使用金属外壳密封会导致锂离子电池整体散热性能较差，在极端工况运行时电池内部由于化学反应会迅速积聚大量的热量，进而引发电池热失控，发生热失控之后，锂离子电池会放出将产生H2、CO、CO2、HF以及烷烃类混合气体。
为了锂离子电池的可靠运行，提高锂离子电池连续可靠运行能力，监测锂离子电池在使用过程中的释放的气体含量，可以了解锂离子电池的工作状态，有效避免热失控的发生，具有非常重要的实际应用价值。传统的储能电池气体检测仪稳定性较差，受环境影响较大，无法满足精确测量的要求。
红外光谱可以有效表征分子结构，适用于固态、液态及气态物质的鉴定，因此红外光谱检测技术的应用范围非常广，是一种重要的分析工具。FTIR技术本身也具有较好的在线监测能力，通过FTIR对待测气体定性及定量检测问题，有助于及时的反映锂离子电池的工作状态，在锂离子电池出现故障的时候，能够及时发现，以免造成大规模的故障。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种基于FTIR技术的气体测量方法及装置，能够对待测气体进行检测。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种基于FTIR技术的气体测量方法，包括以下步骤：
S1、基于朗伯比尔定律，建立气体浓度表达式；
S2、对所述气体浓度表达式中各个量进行分析，确定所述气体浓度表达式中的变量；
S3、针对所述变量建立高阶补偿模型进行优化；
S4、计算误差平方和；
S5、求得系数矩阵，完成对于所述变量的优化。
进一步，所述S1包括：
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进一步，一种基于FTIR技术的气体测量装置，通过所述的方法实现，以及包括：激光光源，所述激光光源的一端与激光器驱动相连接，所述激光光源的另一端与气室相连通，所述气室与耦合器相连通，所述耦合器分别与第一滤光片和第二滤光片相连接，所述第一滤光片和所述第二滤光片与差分运算放大器相连通，所述差分运算放大器与所述第一滤光片相离的一端与锁相放大器相连通，所述锁相放大器与所述差分运算放大器相离的一端与电脑相连通；
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本发明的有益效果为：光源发出的光线经过气室，然后再由两个不同波长的滤波片进行滤光，得到波长邻近的两个波长的光辐射，从而得到两组光路信息，对得到的信息进行差分处理，能够有效地降低光源和光电器件的零漂的干扰，在一定程度上消除光源抖动的干扰，然后建立高阶补偿模型，对温度、压强、电路噪声，精确测量出气体浓度。
附图说明
图1 为本发明一种基于FTIR技术的气体测量的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种基于FTIR技术的气体测量方法，包括以下步骤：
S1、基于朗伯比尔定律，建立气体浓度表达式；
S2、对所述气体浓度表达式中各个量进行分析，确定所述气体浓度表达式中的变量；
S3、针对所述变量建立高阶补偿模型进行优化；
S4、计算误差平方和；
S5、求得系数矩阵，完成对于所述变量的优化。
所述S1包括：
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一种基于FTIR技术的气体测量装置，通过所述的方法实现，以及包括：激光光源202，所述激光光源202的一端与激光器驱动101相连接，所述激光光源202的另一端与气室505相连通，所述气室505与耦合器606相连通，所述耦合器606分别与第一滤光片701和第二滤光片702相连接，所述第一滤光片701和所述第二滤光片702与差分运算放大器111相连通，所述差分运算放大器111与所述第一滤光片701相离的一端与锁相放大器122相连通，所述锁相放大器122与所述差分运算放大器111相离的一端与电脑133相连通；
激光器驱动101控制激光光源202发出光强为
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请参阅图1，作为一种具体的实施方式，
激光器驱动101，用来驱动激光器，使其发出特定波段的激光；
激光光源202，发出波长为5um的激光，以该波段的激光对气体进行检测；
气室505，通入待测气体；
气室505的上方安装有吸气泵404，作用为将电池热失控过程中产生的气体吸入气室505中；
第一滤光片701和第二滤光片702并联设置，第一滤光片701与第一光电探测器901串联相连接，第二滤光片702与第二光电探测器100串联相连接，第一光电探测器901和第二光电探测器100用来探测光信号。
光源发出的光线经过气室，然后再由两个不同波长的滤波片进行滤光，得到波长邻近的和两个波长的光辐射，得到两组光路信息，然后对两组信息进行处理，从而得到想要的结果。具体操作方式如下：
对激光器进行自校准工作，使其工作在最佳状态；
打开吸气泵，将电池热失控过程气体通入气体池；
打开激光器，使其光源射出的光进入到气体池中；
激光在气体池池中经过一系列的反射射出，打到光电探测器上；
光电探测器探测到的电信号，经过差分运算放大器、锁相放大器处理，将信号传入PC端；
在PC端对得到的信号进行分析和调试，以满足要求；
关闭激光器，将气体池中气体排出，实验结束。
一种基于FTIR技术的气体测量方法的原理为：傅里叶变换红外光谱法(FTIR)具有分辨率高、信噪比高以及响应时间短等优点，在气体分析领域得到了广泛应用，被认为是气体浓度检测最理想的手段之一。待测样品受到频率连续变化的红外光照射，分子基团吸收特征频率的辐射，其振动或转动运动引起偶极矩变化，产生分子的振动能级和转动能级从基态到激发态的跃迁，形成的分子吸收光谱。分子从较低的能级E1，吸收一个能量为hv的光子，可以跃迁到较高的能级E2，整个运动过程满足能量守恒定律E2-E1=hv。能级之间相差越小，分子所吸收的光的频率越低，波长越长。红外吸收光谱是由分子振动和转动跃迁所引起的，组成化学键或官能团的原子处于不断振动(或转动)的状态，其振动频率与红外光的振动频率相当。所以，用红外光照射分子时，分子中的化学键或官能团可发生振动吸收，不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱上将处于不同位置，从而可获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。红外光谱法实质上是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。
光源发出的光线经过气室，然后再由两个不同波长的滤波片进行滤光，得到波长邻近的两个波长的光辐射，从而得到两组光路信息，对得到的信息进行差分处理，能够有效地降低光源和光电器件的零漂的干扰，在一定程度上消除光源抖动的干扰，然后使用高阶补偿模型对数据进行优化处理，对温度、压强、光学噪声进行统一补偿，精确测量出气体浓度。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求。

Claims (2)

1.一种基于FTIR技术的气体测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基于朗伯比尔定律，建立气体浓度表达式；
S2、对所述气体浓度表达式中各个量进行分析，确定所述气体浓度表达式中的变量；
S3、针对所述变量建立高阶补偿模型进行优化；
S4、计算误差平方和；
S5、求得系数矩阵，完成对于所述变量的优化；
所述S1包括：
S101、双通道光辐射侧输出电信号的表达式为：
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；
求得拟合系数矩阵后，高阶补偿模型建立成功，完成对压强、温度、电路噪声的补偿，完成对于所述变量
Figure QLYQS_61
的优化。
2.一种基于FTIR技术的气体测量装置，其特征在于：通过所述装置实现如权利要求1所述的方法，以及包括：激光光源（202），所述激光光源（202）的一端与激光器驱动（101）相连接，所述激光光源（202）的另一端与气室（505）相连通，所述气室（505）与耦合器（606）相连通，所述耦合器（606）分别与第一滤光片（701）和第二滤光片（702）相连接，所述第一滤光片（701）和所述第二滤光片（702）分别与差分运算放大器（111）的一端相连通，所述差分运算放大器（111）的另一端与锁相放大器（122）的一端相连通，所述锁相放大器（122）的另一端与电脑（133）相连通；所述激光器驱动（101）控制所述激光光源（202）发出光强为
Figure QLYQS_66
的入射光强，入射光通过充满待测气体的所述气室（505），经由所述耦合器（606）分为两束完全相同的光束，分别经过所述第一滤光片（701）和所述第二滤光片（702），分别为检测信号/>
Figure QLYQS_68
和参考信号/>
Figure QLYQS_71
；检测信号/>
Figure QLYQS_73
和参考信号/>
Figure QLYQS_75
被第一光电探测器（901）和第二光电探测器（100）转化为/>
Figure QLYQS_76
光辐射侧输出电信号/>
Figure QLYQS_78
和/>
Figure QLYQS_62
光辐射侧输出电信号/>
Figure QLYQS_64
，通过所述差分运算放大器（111），对/>
Figure QLYQS_67
光辐射侧输出电信号/>
Figure QLYQS_69
和/>
Figure QLYQS_70
光辐射侧输出电信号/>
Figure QLYQS_72
进行差分处理，再经由所述锁相放大器（122）传输到所述电脑（133）端，再经由所述电脑（133）端对/>
Figure QLYQS_74
光辐射侧输出电信号/>
Figure QLYQS_77
和/>
Figure QLYQS_63
光辐射侧输出电信号/>
Figure QLYQS_65
进行处理，以得到最终浓度。
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