CN116399824B - 一种h2s和no的混合烟气中测量气体浓度的方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度的方法及***，涉及气体浓度测量技术领域，包括以下步骤：获取H2S和NO的混合气体的光谱数据；基于混合气体的光谱数据对应的曲线中的每个极小值点，通过曲线拟合得到下包络线；其中，下包络线为通过曲线的所有极小值点的一条平滑曲线，下包络线对应H2S的光谱数据；将下包络线除以气体吸收池长度和H2S的气体吸收截面的乘积，得到H2S的浓度；其中，气体吸收池长度为预设值，H2S的气体吸收截面为预先获取已知浓度的H2S的光谱数据后计算得到的。能够在H2S和NO的混合气体中，减少NO的干扰，单独测量H2S的浓度，提高测量的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及气体浓度测量技术领域，尤其涉及一种H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度的方法及***。
背景技术
随着我国经济快速发展，为了满足人们的物质生产和生活，需要供给大量能源。目前，能源供给仍然离不开火力发电方式。然而，煤炭燃烧后产生的混合烟气中含有有害气体，当在缺氧燃烧的情况下，有害气体的浓度会急剧升高，其腐蚀性会对管道内壁造成严重的高温腐蚀作用，还会加剧环境污染，所以需要对有害气体的浓度进行测量，便于及时调整燃烧工况，优化燃烧工艺。
例如，因为煤中硫元素存在，燃煤锅炉烟气中会产生SO2和H2S气体，在缺氧燃烧工况下，H2S含量也会急剧上升，H2S气体由于其强腐蚀性会对管道内壁造成严重的高温腐蚀作用。对H2S气体进行在线测量有利于反应燃烧工况和指导脱硫工艺优化有重要意义。目前对H2S气体浓度测量方法有碘量法、电化学法和光学测量法。其中，碘量法需要进行采样分析，不仅操作复杂还存在安全隐患，电化学法易受环境其他气体干扰，光学测量法开始被广泛应用。如华南理工大学的崔兆仑等人利用紫外差分吸收光谱技术并将H2S差分吸收曲线进行傅里叶变换，得到幅值与浓度间的关系式进行H2S的浓度反演，邹芸芸运用紫外吸收光谱法原理和最小二乘法对H2S浓度进行测量。但上述研究仅处于实验室研究中，没有考虑现场环境变化的影响。
此外，烟气中成分复杂，关于上述SO2和H2S的混合气体测量已经有了许多研究。但是，目前关于NO和H2S的混合气体测量研究还较少，烟气成分中NO和H2S同时存在，NO在紫外波段的吸收主要分布于三个吸收峰，分别位于 204.5 nm，216.4 nm，226 nm 附近，与H2S的200~240 nm目标范围波段的吸收谱线相重合，两者间吸收谱线相互叠加，相互干扰，所以在测量过程中NO的存在使H2S的测量浓度偏高，因此，如何在混合气体中减少NO的干扰，单独测量H2S气体浓度，也是亟待解决的难题。
发明内容
为了解决背景技术中提到的至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度的方法及***，能够在H2S和NO的混合气体中，减少NO的干扰，单独测量H2S的浓度，提高测量的准确度。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度的方法，包括：
获取H2S和NO的混合气体的光谱数据；
基于所述混合气体的光谱数据对应的曲线中的每个极小值点，通过曲线拟合得到下包络线；其中，所述下包络线为通过所述曲线的所有极小值点的一条平滑曲线，所述下包络线对应H2S的光谱数据；
将所述下包络线除以气体吸收池长度和H2S的气体吸收截面的乘积，得到H2S的浓度；其中，所述气体吸收池长度为预设值，所述H2S的气体吸收截面为预先获取已知浓度的H2S的光谱数据后计算得到的。
进一步的，所述一种H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度的方法，还包括：
将所述混合气体的光谱数据对应的曲线减去所述下包络线，得到NO的光谱数据对应的曲线；
将所述NO的光谱数据对应的曲线除以气体吸收池长度和NO的气体吸收截面的乘积，得到NO的浓度；其中，所述NO的气体吸收截面为预先获取已知浓度的NO的光谱数据后计算得到的。
进一步的，所述获取H2S和NO的混合气体的光谱数据的步骤包括：
获取H2S和NO的混合气体的透射光谱数据和光源的发射光谱数据；
将所述透射光谱数据减去所述发射光谱数据，得到H2S和NO的混合气体的光谱数据。
进一步的，所述获取H2S和NO的混合气体的透射光谱数据和光源的发射光谱数据的步骤，包括：
获取暗光谱数据；
获取H2S和NO的混合气体的第一透射光谱数据和光源的第一发射光谱数据；
分别将所述第一透射光谱数据和所述第一发射光谱数据减去所述暗光谱数据，得到H2S和NO的混合气体的透射光谱数据和光源的发射光谱数据。
进一步的，所述基于所述混合气体的光谱数据对应的曲线中的每个极小值点，通过曲线拟合得到下包络线的步骤，包括：
将所述混合气体的光谱数据对应的曲线中的所有极小值点，通过三次样条插值法进行曲线拟合，得到样条拟合曲线，将样条拟合曲线作为下包络线，或
将所述样条拟合曲线通过相邻平均法平滑后得到的曲线作为下包络线。
进一步的，所述气体吸收截面的获取步骤包括：
获取已知浓度的H2S或NO的光谱数据；
将H2S或NO的光谱数据除以气体吸收池长度和对应的气体浓度的乘积，得到H2S或NO的气体吸收截面。
第二方面，本发明实施例提供了一种H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度的***，包括：
光源、参考通道、测量通道、探测器和上位机；
所述光源，用于向所述参考通道和测量通道发射光线；
所述参考通道，用于将接收到的光线传输给所述探测器；
所述测量通道，用于接收待测气体和所述光源发射的光线，并将携带所述待测气体信息的光线传输给所述探测器；其中，携带所述待测气体信息的光线为所述待测气体作用于所述光源发射的光线得到的；
所述探测器，用于接收所述参考通道传输的光线和所述测量通道传输的携带所述待测气体信息的光线，并上传到所述上位机；
所述上位机，用于执行任一所述H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度的方法。
第三方面，本发明实施例还提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上所述的H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度方法。
第四方面，本发明实施例还提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过求H2S和NO的混合气体的光谱数据对应的曲线的下包络线，并基于下包络线计算H2S的浓度，减少了在检测H2S和NO的混合烟气中H2S的浓度时NO对H2S的干扰，提高了测量的准确度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度方法的第一种流程图；
图2为本发明实施例提供的初始光强信号和光强偏移信号的一种示意图；
图3为本发明实施例提供的初始吸收曲线和光强偏移后单通道处理吸收曲线的一种示意图；
图4为本发明实施例提供的光强偏移后双通道处理吸收曲线的一种示意图；
图5为本发明实施例提供的300ppmNO和300ppmH2S的吸收曲线的一种示意图；
图6为本发明实施例提供的混合气体的吸收曲线及其下包络线的一种示意图；
图7为本发明实施例提供的不同窗口数对应的下包络线的一种示意图；
图8为本发明实施例提供的H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度方法的第二种流程图；
图9为本发明实施例提供的利用下包络线得到的NO吸收曲线的一种示意图；
图10为本发明实施例提供的一种H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度***的一种架构图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明实施例公开了一种H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度方法及***，以下分别进行详细说明。
实施例一：
如图1所示，图1为本发明实施例提供的H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度方法的第一种流程图。该方法可以应用于手机、上位机等电子设备。为便于描述，下面以电子设备为执行主体进行说明。该方法包括如下步骤：
步骤S101，获取H2S和NO的混合气体的光谱数据。
一个实施例中，电子设备上述获取H2S和NO的混合气体的光谱数据的步骤(步骤S101)，可以细化为如下步骤。
步骤S1011，获取H2S和NO的混合气体的透射光谱数据和光源的发射光谱数据；
上述光源可以是紫外氙灯，也可以是激光器等类似的发光器，本发明实施例对此不作限定，为便于描述，以紫外氙灯为例。
紫外氙灯发射出光线，利用光纤分光器将光线分成两路，分别注入不同的两个通道，其中一路光线不作任何处理，其光谱数据直接由电子设备获取，即光源的发射光谱数据；另一路光线与H2S和NO的混合气体处于同一通道，H2S和NO的混合气体的浓度可以影响该光线的光强信号强弱，H2S和NO的混合气体的浓度越大，光线的光强信号越强，反之，光线的光强信号越弱，所以该路光线携带了H2S和NO的混合气体的浓度信息，即H2S和NO的混合气体的透射光谱数据。
步骤S1012，将透射光谱数据减去发射光谱数据，得到H2S和NO的混合气体的光谱数据。
由于光源发出的光强信号不可避免会有一些变化，而且在长时间的测量中，环境变化和仪器发热都会导致获取到的光强信号发生偏移。如图2所示，图2为本发明实施例提供的初始光强信号和光强偏移信号的一种示意图，可以看出，光强偏移后发射光强与初始的发射光强存在一定差距，光强偏移后透射光强与初始的透射光强存在一定差距。然而，本发明实施例中两路光线是由同一光源同时发射的，所以两路光线受到相同的环境因素影响，即两路光线受到的偏移量是相同的，通过H2S和NO的混合气体的透射光谱数据减去光源的光谱数据，恰好可以抵消偏移量，得到H2S和NO的混合气体的光谱数据，降低了因环境变化和仪器发热等外在因素造成的误差，提高了测量的准确度。
如图3所示，图3为本发明实施例提供的初始吸收曲线和光强偏移后单通道处理吸收曲线的一种示意图。初始吸收曲线为光强未发生偏移时获取的混合气体的光谱数据，显然，图中两条曲线的差距较大，说明使用单通道测量没有消除光强偏移，所以测量误差较大。如图4所示，图4为本发明实施例提供的光强偏移后双通道处理吸收曲线的一种示意图。双通道处理吸收曲线与图4中的初始吸收曲线基本吻合，也就是说，采用步骤S1011至步骤S1012的方法可以基本消除光强偏移造成的测量误差，提高了测量的准确度。
一个实施例中，电子设备上述获取H2S和NO的混合气体的透射光谱数据和光源的发射光谱数据的步骤(步骤S1011)，可以细化为如下步骤。
步骤S10111，获取暗光谱数据。
先记录暗光谱数据，暗光谱数据是未打开光源时电子设备接收到的数据，这些数据属于仪器和环境噪声引起的信号，会导致测量出现误差。
步骤S10112，获取H2S和NO的混合气体的第一透射光谱数据和光源的第一发射光谱数据。
光源发射的光线被光纤分光器分成两路，其中，不受H2S和NO的混合气体影响的一路光线被电子设备获取，作为光源的第一发射光谱数据，受H2S和NO的混合气体影响的一路光线被电子设备获取，作为H2S和NO的混合气体的第一透射光谱数据。
步骤S10113，分别将第一透射光谱数据和第一发射光谱数据减去暗光谱数据，得到H2S和NO的混合气体的透射光谱数据和光源的发射光谱数据。
电子设备分别将（步骤S10112）获取的第一透射光谱数据和第一发射光谱数据减去（步骤S10111）获取的暗光谱数据，得到H2S和NO的混合气体的透射光谱数据和光源的发射光谱数据。此时，H2S和NO的混合气体的透射光谱数据和光源的发射光谱数据均已去除一定的噪声信号，进一步提高了测量的准确度。
步骤S102，基于混合气体的光谱数据对应的曲线中的每个极小值点，通过曲线拟合得到下包络线；其中，下包络线为通过曲线的所有极小值点的一条平滑曲线，下包络线对应H2S的光谱数据。
如图5所示，图5为本发明实施例提供的300ppmNO和300ppmH2S的吸收曲线的一种示意图，NO只在三个吸收峰波段范围有吸收特性，而在其他范围中没有吸收特性。如图6所示，图6为本发明实施例提供的混合气体的吸收曲线及其下包络线的一种示意图。混合气体的光谱数据对应图中混合气体的吸收曲线，该曲线有三个极小值点，下包络线为通过这三个极小值点的一条平滑曲线，对应H2S的光谱数据。因为NO和H2S在波长200~240nm处会相互干扰，且NO只在三个吸收峰波段范围有吸收特性，而在其他范围中没有吸收特性，故采用下包络的方式去除NO的干扰。
一个实施例中，将混合气体的光谱数据对应的曲线中的所有极小值点，通过三次样条插值法或分段线性函数拟合等一些常见的拟合方法进行曲线拟合，得到样条拟合曲线，将样条拟合曲线作为下包络线。
另一个实施例中，将混合气体的光谱数据对应的曲线中的所有极小值点，通过三次样条插值法或分段线性函数拟合等一些常见的拟合方法进行曲线拟合，得到样条拟合曲线，将样条拟合曲线通过相邻平均法平滑后得到的曲线作为下包络线。经过相邻平均法平滑过后，得到的下包络线更接近H2S的光谱数据。
在获取混合气体的光谱数据后，确定混合气体的光谱数据对应的吸收曲线中一阶导数等于零的所有极值点，其中极大值点对应曲线的上包络线，极小值点对应曲线的下包络线，通过这些极小值点执行三次样条插值，将每个极小值点通过三次多项式函数进行拟合得到样条拟合曲线，再利用相邻平均法对样条拟合曲线进行平滑处理，即在样条拟合曲线数据中每个点周围取一定数量的数据点的平均值，数据点的数量由窗口数决定，如图7所示，图7为本发明实施例提供的不同窗口数对应的下包络线的一种示意图，窗口数取3时，下包络线处理效果最好。
步骤S103，将下包络线除以气体吸收池长度和H2S的气体吸收截面的乘积，得到H2S的浓度；其中，气体吸收池长度为预设值，H2S的气体吸收截面为预先获取已知浓度的H2S的光谱数据后计算得到的。
计算公式如下：
其中，A(λ)为吸收曲线（即下包络线），I 0为发射光强，I为透射光强，I b为暗光强，σ(λ)为气体吸收截面，C为气体浓度，L为气体吸收池长度。
由公式推导可知，，将下包络线除以气体吸收池长度和H2S的气体吸收截面的乘积，得到H2S的浓度。
一个实施例中，上述H2S的气体吸收截面通过以下步骤获得：
步骤S1031，获取已知浓度的H2S的光谱数据；
先获取已知浓度的H2S的光谱数据，以便后续计算H2S的气体吸收截面。
步骤S1032，将H2S的光谱数据除以气体吸收池长度和H2S的气体浓度的乘积，得到H2S的气体吸收截面。
由上述公式推导可知，，因为H2S的气体浓度已知，所以将H2S的光谱数据除以气体吸收池长度和H2S的气体浓度的乘积，得到H2S的气体吸收截面。
气体吸收截面σ(λ)只与温度、压力有关，在温度和压力一定时，气体吸收截面不会随浓度变化而变化，所以只需测量一次已知浓度的吸收曲线然后计算得到气体吸收截面，保存气体吸收截面的数值，可以用于后续浓度测量。
实施例二：
在本实施例中，如图8所示，图8为本发明实施例提供的H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度方法的第二种流程图。为了进一步得到NO的气体浓度，在实施例一的基础上还包括：
步骤S104，将混合气体的光谱数据对应的曲线减去下包络线，得到NO的光谱数据对应的曲线。
混合气体的光谱数据对应的曲线代表的是H2S和NO两种气体混合的光谱数据，而下包络线对应H2S的光谱数据，故将混合气体的光谱数据对应的曲线减去下包络线，得到NO的光谱数据对应的曲线，如图9所示，图9为本发明实施例提供的利用下包络线得到的NO吸收曲线的一种示意图，与图5中NO的吸收曲线基本吻合。所以，采用下包络线的方式，不仅可以得到H2S的浓度，还能得到NO的浓度。
步骤S105，将NO的光谱数据对应的曲线除以气体吸收池长度和NO的气体吸收截面的乘积，得到NO的浓度；其中，NO的气体吸收截面为预先获取已知浓度的NO的光谱数据后计算得到的。
与步骤S1031至步骤S1032类似，先获取已知浓度的NO的光谱数据，利用公式计算出NO的气体吸收截面，再代入公式/>，即可计算得到NO的浓度，这里不再赘述。
实施例三：
与H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度方法实施例对应，本发明实施例还提供了一种H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度***。如图10所示，图10为本发明实施例提供的一种H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度***的一种架构图，包括：光源1001，参考通道1002，测量通道1003，探测器1004，上位机1005。
光源1001，用于向参考通道1002和测量通道1003发射光线。
参考通道1002，用于将接收到的光线传输给探测器1004。
测量通道1003，用于接收待测气体和光源1001发射的光线，并将携带待测气体信息的光线传输给探测器1004；其中，携带待测气体信息的光线为待测气体作用于光源1001发射的光线得到的。
探测器1004，用于接收参考通道1002传输的光线和测量通道1003传输的携带待测气体信息的光线，并上传到上位机1005。
上位机1005，用于接收探测器上传的数据后，执行如实施例一或实施例二所述的一种H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度方法。
例如，光源1001采用紫外氙灯，波长范围185~400nm，经光纤分光器分光处理后将两路光线分别发射到参考通道1002和测量通道1003，参考通道1002中只有光源发出的光线，而测量通道1003中通入待测气体，待测气体作用于光线后得到携带待测气体信息的光线，探测器1004选用CCD面阵传感器，波长测量范围200~340nm，探测器1004接收到来自参考通道1002和测量通道1003输出的光线，并将光谱数据上传到上位机1005中，上位机1005执行上述任一H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度方法。
实施例四：
与H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度方法实施例对应，本发明实施例还提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如实施例一或实施二所述的一种H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度的方法。
实施例五：
与H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度方法实施例对应，本发明实施例还提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如实施例一或实施例二所述的一种H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度的方法。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
Claims (8)
1.一种H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度方法，其特征在于，包括：
获取H2S和NO的混合气体的光谱数据；
基于所述混合气体的光谱数据对应的曲线中的每个极小值点，通过曲线拟合得到下包络线；其中，所述下包络线为通过所述曲线的所有极小值点的一条平滑曲线，所述下包络线对应H2S的光谱数据；
将所述下包络线除以气体吸收池长度和H2S的气体吸收截面的乘积，得到H2S的浓度；其中，所述气体吸收池长度为预设值，所述H2S的气体吸收截面为预先获取已知浓度的H2S的光谱数据后，再将H2S的光谱数据除以气体吸收池长度和H2S的已知浓度的乘积计算得到的。
2.根据权利要求1所述的一种H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度方法，其特征在于，还包括：
将所述混合气体的光谱数据对应的曲线减去所述下包络线，得到NO的光谱数据对应的曲线；
将所述NO的光谱数据对应的曲线除以气体吸收池长度和NO的气体吸收截面的乘积，得到NO的浓度；其中，所述NO的气体吸收截面为预先获取已知浓度的NO的光谱数据后，再将NO的光谱数据除以气体吸收池长度和NO的已知浓度的乘积计算得到的。
3.根据权利要求1所述的一种H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度方法，其特征在于，所述获取H2S和NO的混合气体的光谱数据的步骤包括：
获取H2S和NO的混合气体的透射光谱数据和光源的发射光谱数据；
将所述透射光谱数据减去所述发射光谱数据，得到H2S和NO的混合气体的光谱数据。
4.根据权利要求3所述的一种H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度方法，其特征在于，所述获取H2S和NO的混合气体的透射光谱数据和光源的发射光谱数据的步骤，包括：
获取暗光谱数据；
获取H2S和NO的混合气体的第一透射光谱数据和光源的第一发射光谱数据；
分别将所述第一透射光谱数据和所述第一发射光谱数据减去所述暗光谱数据，得到H2S和NO的混合气体的透射光谱数据和光源的发射光谱数据。
5.根据权利要求1所述的一种H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度方法，其特征在于，所述基于所述混合气体的光谱数据对应的曲线中的每个极小值点，通过曲线拟合得到下包络线的步骤，包括：
将所述混合气体的光谱数据对应的曲线中的所有极小值点，通过三次样条插值法进行曲线拟合，得到样条拟合曲线，将样条拟合曲线作为下包络线，或
将所述样条拟合曲线通过相邻平均法平滑后得到的曲线作为下包络线。
6.一种H2S和NO的混合烟气中测量气体浓度***，其特征在于，包括：光源、参考通道、测量通道、探测器和上位机；
所述光源，用于向所述参考通道和测量通道发射光线；
所述参考通道，用于将接收到的光线传输给所述探测器；
所述测量通道，用于接收待测气体和所述光源发射的光线，并将携带所述待测气体信息的光线传输给所述探测器；其中，携带所述待测气体信息的光线为所述待测气体作用于所述光源发射的光线得到的；
所述探测器，用于接收所述参考通道传输的光线和所述测量通道传输的携带所述待测气体信息的光线，并上传到所述上位机；
所述上位机，用于执行权利要求1至5任意一项所述的方法。
7.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任意一项所述的方法。
8.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5任意一项所述的方法。
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