CN117405619A - 一种基于波长调制技术的多组分红外气体分析方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于波长调制技术的多组分红外气体分析方法与装置，多组分红外气体分析方法，包括如下步骤：根据待测目标气体的样本参数匹配可调谐激光器输出的红外光频率及波长；可调谐激光器发射对应波长的红外光，分别射入待测气室和参考室；由红外探测器分别监测通过待测气室和参考室后的红外光辐射强度；根据比尔定律，获得波长对应的待测气体组分及其浓度；本发明通过可调谐激光器进行红外光的波长调制，通过光学镜分光后，分别射入待测气室和参考室，经红外探测器检测固定波长的红外光被吸收前后的辐射强度，进而通过朗伯比尔定律获得对应吸收波长的待测气体组分的浓度，能够进行多组分的待测气体快速检测分析。
Description
技术领域
本发明涉及气体分析技术领域，具体为一种基于波长调制技术的多组分红外气体分析方法与装置。
背景技术
多组分气体定量分析是指对被测气体的组分及其浓度进行检测，并获取精确的检测结果，随着社会和各产业的快速发展，工业生产和生活中，废气的排放以及气候的变化均需要进行气体的定量分析，避免对环境造成危害，因此，快速、准确的检测对于废气处理、排放和环境保护至关重要。
传统的气体成分检测方法主要有化学方法和光学方法，化学方法通常需要对待分析物进行预处理，过程复杂、耗时，易破坏样品的原状态及产生二次污染物；光学方法有直接吸收光谱法和波长调制光谱法，直接吸收光谱法是一种基于朗伯-比尔定律的直接检测方法，通过分析光强的微弱变化量，反演出被检测样品的浓度、速度、温度等信息，但存在易受各种电子学和光学噪声干扰、灵敏度有限等缺点，而波长调制光谱是结合锁相检测原理，实现抑制噪声的高灵敏度间接检测方法，但需要通过已知浓度样品校正后(标气校正)，才能获取其他未知样品的浓度信息，较为复杂，难以直接、快速的获得被测气体的分析结果，使用较为不便。因此，为解决上述问题，现提出一种基于波长调制技术的多组分红外气体分析方法与装置。
发明内容
本发明目的是提供一种基于波长调制技术的多组分红外气体分析方法与装置，以解决现有技术中气体成分定量分析过程复杂、灵敏度低，难以直接、快速的获得被测气体的分析结果的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于波长调制技术的多组分红外气体分析方法，包括如下步骤：
步骤一，配置数据库，将气体组分的样本参数存储在数据库中，根据待测目标气体的样本参数匹配可调谐激光器输出的红外光频率及波长；
步骤二，向待测气室内通入待测气体，可调谐激光器发射对应波长的红外光，经光学镜分为两束，分别射入待测气室和参考室；
步骤三，两束红外光经一定长度的待测气室和参考室后，由红外探测器分别监测通过待测气室和参考室后的红外光辐射强度；
步骤四，根据比尔定律，通过测量辐射能量的衰减，获得波长对应的待测气体组分及其浓度。
优选的，步骤一还包括根据样本参数设定待测气体组分的检测顺序，步骤四中获取单一组分的气体浓度后，根据样本的顺序，进行其他样本对应的待测气体组分的顺序检测。
优选的，步骤一还包括根据样本参数选择待检测气体组分，步骤四中获取单一组分的气体浓度后，按选择的检测气体组分，进行其他组分的检测。
一种基于波长调制技术的多组分红外气体分析装置，包括可调谐激光器和待测气室以及与待测气室对应的参考室，所述可调谐激光器射出的红外光经光学镜分为两束分别射入待测气室和参考室的平行光，所述待测气室和参考室背离可调谐激光器的一端设有红外探测器，所述红外探测器用于监测经待测气室和参考室射出的红外光。
优选的，还包括与可调谐激光器电性连接的处理单元以及与处理单元数据连接的数据库，所述处理单元根据样本参数调整可调谐激光器输出的红外光频率及波长，所述数据库存储气体组分的样本参数及其检测数据。
优选的，还包括信号放大模块，所述信号放大模块电性连接红外探测器和处理单元。
本发明至少具备以下有益效果：
本发明通过可调谐激光器进行红外光的波长调制，通过光学镜分光后，分别射入待测气室和参考室，经红外探测器检测固定波长的红外光被吸收前后的辐射强度，进而通过朗伯比尔定律获得对应吸收波长的待测气体组分的浓度，能够进行多组分的待测气体快速检测分析。
附图说明
图1为本发明的基于波长调制技术的多组分红外气体分析装置的结构示意图。
附图标记中：1、可调谐激光器；2、数据库；3、处理单元；4、待测气室；5、参考室；6、光学镜；7、红外探测器；8、信号放大模块；9、显示单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：
一种基于波长调制技术的多组分红外气体分析装置，包括可调谐激光器1和待测气室4以及与待测气室4对应的参考室5，所述可调谐激光器1射出的红外光经光学镜6分为两束分别射入待测气室4和参考室5的平行光，具体的，所述光学镜6包括反射棱镜和分光棱镜，通过反射棱镜和分光棱镜将可调谐激光器1射出的单束红外光分为两束平行的红外光，并分别射入待测气室4和参考室5，所述待测气室4和参考室5背离可调谐激光器1的一端设有红外探测器7，所述红外探测器7用于监测经待测气室4和参考室5射出的红外光，即可通过可调谐激光器1调整红外光的波长，并通过光学镜6分光后，分别射入待测气室4和参考室5，经红外探测器7检测固定波长的红外光被吸收前后的辐射强度，进而通过朗伯比尔定律获得对应吸收波长的待测气体组分的浓度，多组分的待测气体检测分析更加便捷、快速。
进一步的，还包括与可调谐激光器1电性连接的处理单元3以及与处理单元3数据连接的数据库2，所述处理单元3根据样本参数调整可调谐激光器1输出的红外光频率及波长，所述数据库2存储气体组分的样本参数及其检测数据，即可通过处理单元3调用单一组分的样本参数，对可调谐激光器1进行波长调制，将其输出的红外光波长调制为该组分对应的吸收波长，而处理单元3获取红外探测器7的数据，获取该组分包括组分种类、吸收波长和浓度在内的检测数据，并将检测数据存储在数据库2中，便于实时调阅和记录。
进一步的，还包括信号放大模块8，所述信号放大模块8电性连接红外探测器7和处理单元3，红外探测器7将待测气室4和参考室5射出的辐射强度转变为电信号，并经信号放大模块8进行放大处理，输出值处理单元进行数据处理，获得待测气体的组分及其浓度。
进一步的，还包括与处理单元3电性连接的显示单元9，所述显示单元9用于显示样本数据和检测数据。
一种基于波长调制技术的多组分红外气体分析方法，包括如下步骤：
步骤一，配置数据库2，将气体组分的样本参数存储在数据库2中，具体的，所述样本参数包括气体种类及其对应的吸收波长和吸收系数，根据待测目标气体的样本参数匹配可调谐激光器1输出的红外光频率及波长；
步骤二，向待测气室4内通入待测气体，可调谐激光器1发射对应波长的红外光，经光学镜分为两束，分别射入待测气室4和参考室5；
步骤三，两束红外光经一定长度的待测气室4和参考室5后，由红外探测器7分别监测通过待测气室4和参考室5后的红外光辐射强度；
步骤四，根据比尔定律，通过测量辐射能量的衰减，获得波长对应的待测气体组分及其浓度；
假设已知待测气体中的组分，并设定对应组分的吸收波长，通过一定长度的待测气室4吸收后，经待测气室4射出的红外探测器7监测出被介质吸收后的辐射强度I’，经参考室5射出的红外探测器7监测出红外线通过介质前的辐射强度I0，则根据朗伯比尔定律，被测气体单一组分吸收的辐射强度：
I＝I0-I’＝KCL
则待测气体的组分浓度：
C＝(I0-I’)/KL
上式中：I-被待测气体内的单一组分吸收后的辐射强度；
I0-红外线通过待测气体前的辐射强度，即参考室的辐射强度；
K-待测气体中单一组分对应辐射波段的吸收系数；
C-待测气体单一组分的气体浓度；
L-待测气室4的长度；
步骤五，将获取的待测气体浓度与待测气体的组分、浓度和吸收波长匹配经显示单元9显示，并存储至数据库2中。
进一步的，步骤一还包括根据样本参数设定待测气体组分的检测顺序，步骤四中获取单一组分的气体浓度后，根据样本的顺序，进行其他样本对应的待测气体组分的顺序检测，具体的，在未知待测气体包含的组分时，按照样本的顺序，待测气体依据样本参数进行逐一检测。
进一步的，步骤一还包括根据样本参数选择待检测气体组分，步骤四中获取单一组分的气体浓度后，按选择的检测气体组分，进行其他组分的检测，具体的，已知待测气体组分或已知需要检测的组分时，在样本中，选择对应的气体组分，对选出的气体组分进行逐一测试。
工作原理：
在数据库2中存储样本参数，例如，CO2吸收红外线光谱范围为2.7um和4.26um，吸收系数为10-4L/g·cm-1；
通过处理单元3调用组分的样本参数，对可调谐激光器1进行波长调制，可调谐激光器1进行波长调制后，射出的红外光经光学镜6分束并分别射入被测气室4和参考室5，射入被测气室4的红外光，经一长度的组分气体吸收后，由红外探测器7进行辐射强度监测，通过红外探测器7获取的辐射强度数据，根据朗伯比尔定律计算出该组分的浓度，随后自动进行其他组分的浓度检测，多组分的待测气体检测分析更加便捷、快速。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，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。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种基于波长调制技术的多组分红外气体分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，配置数据库，将气体组分的样本参数存储在数据库中，根据待测目标气体的样本参数匹配可调谐激光器输出的红外光频率及波长；
步骤二，向待测气室内通入待测气体，可调谐激光器发射对应波长的红外光，经光学镜分为两束，分别射入待测气室和参考室；
步骤三，两束红外光经一定长度的待测气室和参考室后，由红外探测器分别监测通过待测气室和参考室后的红外光辐射强度；
步骤四，根据比尔定律，通过测量辐射能量的衰减，获得波长对应的待测气体组分及其浓度。
2.根据权利要求1所述的一种基于波长调制技术的多组分红外气体分析方法与装置，其特征在于：步骤一还包括根据样本参数设定待测气体组分的检测顺序，步骤四中获取单一组分的气体浓度后，根据样本的顺序，进行其他样本对应的待测气体组分的顺序检测。
3.根据权利要求1所述的一种基于波长调制技术的多组分红外气体分析方法与装置，其特征在于：步骤一还包括根据样本参数选择待检测气体组分，步骤四中获取单一组分的气体浓度后，按选择的检测气体组分，进行其他组分的检测。
4.一种基于波长调制技术的多组分红外气体分析装置，其特征在于：包括可调谐激光器和待测气室以及与待测气室对应的参考室，所述可调谐激光器射出的红外光经光学镜分为两束分别射入待测气室和参考室的平行光，所述待测气室和参考室背离可调谐激光器的一端设有红外探测器，所述红外探测器用于监测经待测气室和参考室射出的红外光。
5.根据权利要求4所述的一种基于波长调制技术的多组分红外气体分析方法与装置，其特征在于：还包括与可调谐激光器电性连接的处理单元以及与处理单元数据连接的数据库，所述处理单元根据样本参数调整可调谐激光器输出的红外光频率及波长，所述数据库存储气体组分的样本参数及其检测数据。
6.根据权利要求5所述的一种基于波长调制技术的多组分红外气体分析方法与装置，其特征在于：还包括信号放大模块，所述信号放大模块电性连接红外探测器和处理单元。
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