CN101281125A - 一种智能红外多组分有害气体监测方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能红外多组分有害气体监测方法和装置，自带抛物面反射镜的红外光源发出的红外光经过聚焦透镜聚焦，被气体相关滤波轮旋转滤波及调制后，进入多次反射气体吸收池的入射口，被测的多组分气体流经多次反射气体吸收池，入射光在多次反射气体吸收池内经过多次反射后从出射口出射，被红外探测器接收，红外探测器将光信号转换为电信号，电信号经过放大送往信号处理与显示单元进行分析处理，同时和PC机进行通讯。本发明由于结合了气体相关滤波和光学滤波，使得多组分气体测量的交叉干扰问题得到很好的解决，在气体相关滤波轮形成的时间多光束系统，只需要一只红外探测器，这样可以节省红外探测器的数量，避免不同探测器带来的离散性。
Description
技术领域：
本发明属于环境监测、应急和预警技术领域，具体是一种智能红外多组分有害气体监测方法和装置。
背景技术：
多组分气体定量分析在环境保护领域中有着广泛的应用。工业、交通、气候的变化给环境保护带来了越来越大的压力。在环保领域中开发先进的气体监测技术符合我国建设节约型社会、节能减排的政策导向，因此有害气体的高精度检测对于经济社会发展具有十分重要的意义。
目前气体测量方法主要包括电化学法、非色散红外法、激光吸收谐波法和傅立叶变换分析法。电化学法测量精度低，重复性较差，仅适合一般应用；简单非色散红外法存在交叉敏感的缺点；激光吸收谐波法和傅立叶变换分析法虽然有很好的测量效果，但结构复杂、价格昂贵，且关键部件必须依赖进口。
发明内容：
鉴于气体监测技术的现状，研究、设计合理性价比的多组分有害气体监测方法和装置十分必要。本发明提供了一种智能红外多组分有害气体监测方法和装置，在解决多组分气体测量分析过程中存在的交叉干扰和分辨率的矛盾方面取得了技术突破。
本发明的技术方案如下：
智能红外多组分有害气体监测方法，其特征在于：设置红外光源，聚焦透镜，气体相关滤波轮，气体相关滤波轮上设有一个遮光片作为同步孔，另设有多组测量气室及与之对应的参考气室，测量气室中充有相干扰的气体组分，参考气室中充有测量气体组分，所述的相干扰的气体组分的红外光谱吸收峰与测量气体组分相近；红外光源发出的红外光经过聚焦透镜聚焦，被气体相关滤波轮旋转滤波及调制后，进入多次反射气体吸收池的入射口，多次反射气体吸收池中充有待测气体，入射光在多次反射气体吸收池内经过多次反射后从出射口出射，被红外探测器接收，红外探测器将光信号转换为电信号，电信号经过放大送往信号处理与显示单元进行分析处理，同时和PC机进行通讯。
智能红外多组分有害气体监测装置，其特征在于包括有红外光源，红外光源前方的光路中安装有聚焦透镜和能旋转的气体相关滤波轮，气体相关滤波轮上设有一个遮光片作为同步孔，另设有多组测量气室及与之对应的参考气室，所述的各测量气室、各参考气室的前方或后方安装有滤光片，经过气体相关滤波轮旋转滤波及调制后的出射光，进入多次反射吸收池的入射口，多次反射吸收池上有进、出气口，多次反射吸收池的出射口后的光路中，安装有红外探测器，红外探测器的输出信号接入到信号处理与显示单元，同时与PC机进行通讯。
所述的智能红外多组分有害气体监测方法，其特征在于每组测量气室及与之对应的参考气室中，其测量气室内充有相干扰的气体组分，参考气室中充有高浓度的测量气体组分，所述的相干扰的气体组分的红外光谱吸收峰与测量气体组分相近；测量气室的前方或后方安装的滤光片透过测量气体组分的红外光谱吸收峰，而参考气室前方或后方安装的滤光片透过其中的测量气体组分的红外光谱吸收峰，所述的滤光片均为窄带滤光片。
所述的智能红外多组分有害气体监测方法，其特征在于所述的每组测量气室及与之对应的参考气室，包括二个测量气室及其共用的一个参考气室，设二个测量气室为MA、MB，参考气室为RAB，RAB中同时充有测量气体组分A、B，为消除交叉干扰，测量气室MA中充有相干扰的气体组分B，测量气室MB中充有相干扰的气体组分A；测量气体组分A、B的红外光谱吸收峰相近；测量气室MA前方或后方安装的滤光片透过测量气体组分A的红外光谱吸收峰，测量气室MB前方或后方安装的滤光片透过测量气体组分B的红外光谱吸收峰，参考气室RAB前方或后方安装的滤光片同时透过气体A、B红外光谱吸收峰，所述的滤光片均为窄带滤光片。
所述的测量气体组分A与相干扰的气体组分A均是指A气体，测量气体组分B与相干扰的气体组分B均是指B气体。
所述的智能红外多组分有害气体监测装置，其特征在于每组测量气室及与之对应的参考气室，其测量气室内充有相干扰的气体组分，参考气室中充高浓度的测量气体组分，所述的相干扰的气体组分的红外光谱吸收峰与测量气体组分相近；测量气室的前方或后方安装的滤光片透过测量气体组分的红外光谱吸收峰，而参考气室前方或后方安装的滤光片透过其中的测量气体组分的红外光谱吸收峰，所述的滤光片均为窄带滤光片。
所述的智能红外多组分有害气体监测装置，其特征在于所述的每组测量气室及与之对应的参考气室，包括二个测量气室及其共用的一个参考气室，设二个测量气室为MA、MB，参考气室为RAB，RAB中同时充有测量气体组分A、B，为消除交叉干扰，测量气室MA中充有相干扰的气体组分B，测量气室MB中充有相干扰的气体组分A；测量气体组分A、B的红外光谱吸收峰相近；测量气室MA前方或后方安装的滤光片透过测量气体组分A的红外光谱吸收峰，测量气室MB前方或后方安装的滤光片透过测量气体组分B的红外光谱吸收峰，参考气室RAB前方或后方安装的滤光片同时透过气体A、B红外光谱吸收峰，所述的滤光片均为窄带滤光片。
所述的智能红外多组分有害气体监测装置，其特征在于所述的气体相关滤波轮由步进电机驱动。
所述的智能红外多组分有害气体监测装置，其特征在于所述的气体相关滤波轮的测量气室与参考气室均为由干涉滤光片和透红外窗口片密封的气室。
所述的智能红外多组分有害气体监测装置，其特征在于所述的多次反射气体吸收池为内壁经镀镍处理的铝合金材质吸收池。
所述的智能红外多组分有害气体监测装置，其特征在于所述的红外光源为自带抛物面反射镜，辐射波长范围为2～20μm。
本发明的特点在于以下方面：特殊结构的气体相关滤波轮；合理的调制频率和驱动电机选择；可灵活调整的多次反射气体吸收池；长寿命的红外光源；高灵敏度的红外探测器；先进的模拟与数字信号处理方法。
(1)气体相关滤波轮
本发明的气体相关滤波轮一方面跟随电机转动把连续的红外光调制成一定频率的脉冲光，另一方面通过安装滤光片对待测气体的吸收光谱进行选择，更重要的是对测量气室充有特定的相干扰的气体组分以消除交叉干扰，各气室均设有单独的充气口。
(2)步进电机及其驱动
为提高光电信号的信噪比和减小相邻测量气室之间的相互影响，红外光的调制频率不宜太高，取200Hz。对于共十六个测量、参考气室的气体相关滤波轮，步进电机转速n应为：
n＝60×200/16＝750rpm
为使气体相关滤波轮在给定转速下平稳运行，选取步进电机作为气体相关滤波轮的驱动电机。步进电机属于无刷电机，可靠性高，易于起动和停止，且停止时有自锁能力，易于定位。采用专用驱动器进行步距细分控制，通过减小步距，可以在超低转速下高转距地稳定运行。
(3)多次反射气体吸收池
根据朗伯-比尔定律(Beer-Lambert Law)，气体分子与红外光相作用时，其入射光强度IO的衰减随光程L和浓度C的增加而增加：
I＝IO exp(-μCL)
也就是说，对于特定的测量系统，光程L越长，可测量气体组分浓度C越低，测量灵敏度越高。本发明中气体吸收池具有特殊设计的三维调整架，可灵活调整反射次数以调整光程，从而改变测量量程，优化测量结果。采用镀银或镀金的球面反射镜，保证红外光在多次反射过程中不致被衰减得太多，确保很高的反射率。
(4)红外光源
采用自带抛物面反射镜的广谱红外光源，性能稳定，发散角小，辐射功率强。该红外光源辐射波长范围为2～20μm，覆盖了众多气体的吸收谱，适于测量多组分气体。为使光强稳定，采用恒流供电方式。
(5)红外探测器
采用带有浸没透镜的光导型高灵敏度红外探测器作为光电信号检测器件，该器件具有极高的响应速度，和普通热释电探测器相比具有明显的优势。本发明采用的探测器时间常数小于1微秒，光谱范围为2～8μm，完全满足应用要求。为探测器提供10mA的直流偏流，确保非常高的探测率。
(6)信号处理单元
本发明信号处理单元的前置放大级采用低噪声交流放大电路。采用高速DSP数据采集卡对光电信号进行AD转换，对吸收峰的面积进行计算后取测量通道和参比通道的比值作为原始数据，这些比值包含了相应测量气体组分的浓度信息。本发明及其装置通过读取已知浓度的气体组分，记录相应的AD采样、处理后的数据，通过多元非线性校正技术进行浓度标定和修正。标定参数存储在装置的非易失性存储器EEPROM中，作为测量过程中计算气体浓度的依据。装置通过RS-232接口与计算机通讯，传递气体浓度的测量数据。装置在检测到异常浓度后，则产生报警输出。
和普通非色散红外传感器的空间多光束系统相比，本发明由于采用了气体相关滤波轮而形成了时间多光束系统。在时间多光束系统中，只需要一只红外探测器，这样可以节省红外探测器的数量，避免不同探测器带来的离散性，而且由于数量减少，可以采用更高品质的器件。
附图说明：
附图1为气体相关滤波轮示意图。
附图2(a)、(b)分别为多次反射气体吸收池4次反射和16次反射光斑分布图。
附图3为红外光源恒流供电电路图。
附图4为信号处理框图。
附图5为系统构成示意图。
具体实施方式：
智能红外多组分有害气体监测方法和装置主要组成部分包括：步进电机1、红外光源2、聚焦透镜3、气体相关滤波轮4、多次反射气体吸收池5、采样气泵6、红外探测器7、信号处理板8、操作显示单元9，系统构成如附图5所示。
红外光源2发出的红外光，经聚焦透镜3聚焦，被气体相关滤波轮4旋转滤波及调制后送往多次反射气体吸收池5，经过多次反射后送往红外探测器7，探测器将光信号转换为微弱的电信号，电信号经过放大送往信号处理板8，经过模拟与数字处理，送往显示单元9，同时和PC机进行通讯。
气体相关滤波轮4上设置一个遮光片作为同步孔，每种气体对应一个测量气室，每两种气体测量气室共用一个参考气室，现以十组分气体A～J的测量对相关滤波轮充气方法进行说明：
A、B气体测量气室MA、MB共用参考气室RAB构成一组，参考气室RAB同时充有A、B气体组分。为消除交叉干扰，A气体测量气室MA充B气体组分，B气体测量气室MB充A气体组分。
A、B气体的红外光谱吸收峰相近；测量气室MA前方或后方安装的滤光片透过测量气体组分A的吸收峰，测量气室MB前方或后方安装的滤光片透过测量气体组分B的红外光谱吸收峰，参考气室RAB前方或后方安装的滤光片同时透过气体A、B红外光谱吸收峰，所述的滤光片均为窄带滤光片。以下各组气体均按上述原则处理。
C、D气体测量气室MC、MD共用参考气室RCD构成一组，参考气室RCD同时充有C、D气体组分。为消除交叉干扰，C气体测量气室MC充D气体组分，D气体测量气室MD充C气体组分。
E、F气体测量气室ME、MF共用参考气室REF构成一组，参考气室REF同时充有E、F气体组分。为消除交叉干扰，E气体测量气室ME充F气体组分，F气体测量气室MF充E气体组分。
G、H气体测量气室MG、MH共用参考气室RGH构成一组，参考气室RGH同时充有G、H气体组分。为消除交叉干扰，G气体测量气室MG充H气体组分，H气体测量气室MH充G气体组分。
I、J气体测量气室MI、MJ共用参考气室RIJ构成一组，参考气室RIJ同时充有I、J气体组分。为消除交叉干扰，I气体测量气室MI充J气体组分，J气体测量气室MJ充I气体组分。
相关滤波轮中共用参考气室的两种气体选取原则是：红外光谱吸收峰靠得很近，最易相互干扰的气体。测量气室安装的光学滤光片主要对应测量气体组分的红外光谱吸收峰，而参考气室安装的光学滤光片同时透过两种气体的红外吸收光谱，由于两种气体红外光谱吸收峰靠得很近，因此各滤光片都为窄带滤光片。
气体相关滤波轮的入射端安装有聚焦透镜3，以增加光信号强度，提高信噪比，保证装置的测量精度。
多次反射气体吸收池5直接影响了装置的性能。为使气体吸收池在测量有害气体时不被腐蚀，内壁进行镀镍防腐处理。而且为保证测量响应速度，气体吸收池的设计容积较小。经多次反射的红外光由探测器7检测变换为200Hz电信号后，送往信号处理板7处理。本发明采用16位500kbps的AD转换芯片配合主频为150M的高速数字信号处理器(DSP)进行数据采样、分析，装置设有操作显示单元9，主要由LCD显示器和触摸按键构成。DSP通过RS-232串行接口和计算机通讯，计算机上运行有基于虚拟仪器的标定、修正和监测软件。根据实际需要，装置可配置具有4-20mA模拟浓度信号输出和RS-485数字浓度信号输出。
Claims (10)
1、一种智能红外多组分有害气体监测方法，其特征在于：设置红外光源，聚焦透镜，气体相关滤波轮，气体相关滤波轮上设有一个遮光片作为同步孔，另设有多组测量气室及与之对应的参考气室，测量气室中充有相干扰的气体组分，参考气室中充有测量气体组分，所述的相干扰的气体组分的红外光谱吸收峰与测量气体组分相近；红外光源发出的红外光经过聚焦透镜聚焦，被气体相关滤波轮旋转滤波及调制后，进入多次反射气体吸收池的入射口，多次反射气体吸收池中充有待测气体，入射光在多次反射气体吸收池内经过多次反射后从出射口出射，被红外探测器接收，红外探测器将光信号转换为电信号，电信号经过放大送往信号处理与显示单元进行分析处理，同时和PC机进行通讯。
2、一种智能红外多组分有害气体监测装置，其特征在于包括有红外光源，红外光源前方的光路中安装有聚焦透镜和能旋转的气体相关滤波轮，气体相关滤波轮上设有一个遮光片作为同步孔，另设有多组测量气室及与之对应的参考气室，所述的各测量气室、各参考气室的前方或后方安装有滤光片，经过气体相关滤波轮旋转滤波及调制后的出射光，进入多次反射吸收池的入射口，多次反射吸收池上有进、出气口，多次反射吸收池的出射口后的光路中，安装有红外探测器，红外探测器的输出信号接入到信号处理与显示单元，同时与PC机进行通讯。
3、根据权利要求1所述的智能红外多组分有害气体监测方法，其特征在于每组测量气室及与之对应的参考气室中，其测量气室内充有相干扰的气体组分，参考气室中充有高浓度的测量气体组分，所述的相干扰的气体组分的红外光谱吸收峰与测量气体组分相近；测量气室的前方或后方安装的滤光片透过测量气体组分的红外光谱吸收峰，而参考气室前方或后方安装的滤光片透过其中的测量气体组分的红外光谱吸收峰，所述的滤光片均为窄带滤光片。
4、根据权利要求1或3所述的智能红外多组分有害气体监测方法，其特征在于所述的每组测量气室及与之对应的参考气室，包括二个测量气室及其共用的一个参考气室，设二个测量气室为MA、MB，参考气室为RAB，RAB中同时充有测量气体组分A、B，为消除交叉干扰，测量气室MA中充有相干扰的气体组分B，测量气室MB中充有相干扰的气体组分A；测量气体组分A、B的红外光谱吸收峰相近；测量气室MA前方或后方安装的滤光片透过测量气体组分A的红外光谱吸收峰，测量气室MB前方或后方安装的滤光片透过测量气体组分B的红外光谱吸收峰，参考气室RAB前方或后方安装的滤光片同时透过气体A、B红外光谱吸收峰，所述的滤光片均为窄带滤光片。
5、根据权利要求2所述的智能红外多组分有害气体监测装置，其特征在于每组测量气室及与之对应的参考气室，其测量气室内充有相干扰的气体组分，参考气室中充高浓度的测量气体组分，所述的相干扰的气体组分的红外光谱吸收峰与测量气体组分相近；测量气室的前方或后方安装的滤光片透过测量气体组分的红外光谱吸收峰，而参考气室前方或后方安装的滤光片透过其中的测量气体组分的红外光谱吸收峰，所述的滤光片均为窄带滤光片。
6、根据权利要求2或5所述的智能红外多组分有害气体监测装置，其特征在于所述的每组测量气室及与之对应的参考气室，包括二个测量气室及其共用的一个参考气室，设二个测量气室为MA、MB，参考气室为RAB，RAB中同时充有测量气体组分A、B，为消除交叉干扰，测量气室MA中充有相干扰的气体组分B，测量气室MB中充有相干扰的气体组分A；测量气体组分A、B的红外光谱吸收峰相近；测量气室MA前方或后方安装的滤光片透过测量气体组分A的红外光谱吸收峰，测量气室MB前方或后方安装的滤光片透过测量气体组分B的红外光谱吸收峰，参考气室RAB前方或后方安装的滤光片同时透过气体A、B红外光谱吸收峰，所述的滤光片均为窄带滤光片。
7、根据权利要求2或5所述的智能红外多组分有害气体监测装置，其特征在于所述的气体相关滤波轮由步进电机驱动。
8、根据权利要求2或5所述的智能红外多组分有害气体监测装置，其特征在于所述的气体相关滤波轮的测量气室与参考气室均为由干涉滤光片和透红外窗口片密封的气室。
9、根据权利要求2或5所述的智能红外多组分有害气体监测装置，其特征在于所述的多次反射气体吸收池为内壁经镀镍处理的铝合金材质吸收池。
10、根据权利要求2或5所述的智能红外多组分有害气体监测装置，其特征在于所述的红外光源为自带抛物面反射镜，辐射波长范围为2～20μm。
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