CN102621074A - 一种基于非色散型甲烷气体分析仪的气体浓度定量计算方法 - Google Patents

一种基于非色散型甲烷气体分析仪的气体浓度定量计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于气体浓度测量领域，为了解决目前非色散型CH4气体分析仪在气体浓度定量计算方法中CH4气体的浓度计算中出现的误差较大的技术问题，本发明提出了一种基于非色散型气体分析仪的CH4气体浓度定量计算方法，该方法将整个测试动态范围分成多个浓度段，每个浓度段具有相近的气体吸收率k值，得到不同浓度段内的计算浓度c值的经验方程，然后再以查表法代替按线性插值法，来计算待测气体浓度，避免了分段吸收率线性插值计算法所固有的计算浓度在分段处会产生波动的问题，同时使计算浓度在整个浓度范围内高度重合，有效提高了CH4气体浓度计算精度。

Description

一种基于非色散型甲烷气体分析仪的气体浓度定量计算方法
技术领域
本发明涉及一种基于非色散型CH4气体分析仪的气体浓度定量计算方法，属于气体浓度测量领域。
背景技术
在气体分析仪中，光源的后面放置二元光谱探测器负责将能量信号转换为电压信号输出，其电压信号与入射能量为正比的线性关系。在二元光谱探测器的每一个单元前加一片窄带带通滤光片：通道1为测量通道，窄带带通滤光片中心波长为待测气体的特征吸收峰；通道2为参比通道，窄带带通滤光片中心波长不是待测气体的特征吸收峰。由广谱光源发出的光子在照射到通道1的窄带滤波片上前，必将有部份能量即波长为待测气体吸收峰的那些能量中的一部分被待测气体吸收，照射到通道1的窄带滤波片上的能量将由两部分组成：第一部分是波长与待测气体的吸收峰不相等的那么些能量；第二部分是波长与待测气体的吸收峰相等的，被待测气体吸收后所剩余的那部分能量。辐射到通道1所对应的探测器单元的能量即为第二部分能量。通道2负责消除由于光源的能量变化所引入的检测误差。
甲烷CH4气体对其特征谱段(3.35um)光谱能量的吸收在低浓度范围内遵循比尔-朗伯定律：
P＝P0EXP(-kcl)
其中P0为光源所产生的能量，P为光源所产生的能量通过存在CH4气体的环境后所剩余的能量，k为CH4气体的光谱吸收系数，l为光源距光谱探测器的距离，c为CH4气体的浓度。
根据比耳朗伯定律，推算出CH4气体浓度的计算公式为：
U1/U2＝U01/U02EXP(-kcl)
其中，U1为气体浓度为c时测试通道的电压输出值(mV)；U2为气体浓度为c时参比通道的电压输出值(mV)；U01为气体浓度为0时测试通道的电压输出值(mV)；U02为气体浓度为0时参比通道的电压输出值(mV)；k为气体在测试通道的吸收系数，单位cm-1；l为光程，单位取cm；c为气体浓度，无量纲。
由于U01及U02为已知，可事先测出；l为常数，所以从理论上来讲，只要采用已知浓度的标准CH4气体作为待测气体，采集到U1/U2值，就可计算出k值，如此就可得到c与U1/U2的经验方程式为：
c＝k-1l-1ln[(U01/U02)/(U1/U2)]
在实际设计中，根据上面的经验方程式，只要采集到U1/U2值就能计算出CH4气体的浓度c值。
然而，这种理想的计算方法即线性插值法在实际操作中对某些气体是不能使用的，其根本原因在于：不同浓度下该气体的k值是不同的。虽然吸收率随气体浓度的增加而增加，但这种增加并不是简单的线性关系，气体浓度愈高其吸收率增加的幅度愈弱。所以，直接用简单的线性插值法计算CH4待测气体的浓度必将引入相当大的误差，特别是在偏离用以计算k值的标准气体浓度值的那一段浓度内，误差尤其大。
对线性插值法的进一步改进这里称为分段吸收率线性插值法。分段吸收率线性插值法就是将动态范围分为多段，如将0％-10％分为0％-2％、2％-4％、4％-10％三个浓度段，在每一段内选一种标准气体如1％、3％、5％共三种标准气体，按线性插值法来计算待测气体浓度。但这在软件实现上就存在一个问题。那就是在相邻的分段点，即气体浓度刚好处在分段处附件时其浓度显示值就会在两段间重复跳动，直观的结果就是在分段点处，计算浓度产生波动。分段分细一点，虽有可能得到较理想的计算准确度(两段间重复跳动控制在可允许范围内)，但同样存在需要标准气体种类太多及整机调试工作量太大的问题。
与线性插值法相对应的另一种定量计算方法称为查表法。查表法就是根据标准气体计算出不同浓度下的k值，制成无穷多个浓度与k值及两个通道的电压比值U1/U2一一对应的表格，存在单片机中。在实际使用中只要单片机采集到两个通道的电压比值，就可找到相对应的浓度值。查表法与线性插值法的区别在于：线性插值法是根据采集到的U1/U2值直接计算出CH4气体的浓度c值，而查表法则是相对计算，它需要将采集到的U1/U2值与系统单片机中已存储的U1/U2值比较，找到与之最接近的U1/U2值，再根据这个U1/U2值找到对应的CH4气体的浓度c值。然而，这种简单的查表法在实际中是很难实现的，特别是在大批量生产工艺中显然是不现实的，因为这需要无穷多的标准气体。
针对如上定量计算方法中出现的问题，国内外很多专家学者进行了大量的研究工作。目前，国内外的研究人员采用的方法是：先用已知其浓度的多种标准气体(每种标准气体浓度不同)通入非色散型CH4气体分析仪气路中，计算出不同气体浓度下的k值，再根据这些k值与浓度c的对应关系，采用各种各样的拟合方法在U1/U2＝U01/U02EXP(-kcl)的基础上拟合出新的经验方程，以达到定量计算浓度c的目标。
这种方法在低浓度段是适用的，因为比耳朗伯定律的适用是有边界条件的，那就是低浓度。这种方法在高浓度段是不适用的，因为在高浓度段，气体浓度愈高其吸收率增加的幅度愈弱，k值与c值之间的线性关系变差，采用各种各样的拟合方法在U1/U2＝U01/U02EXP(-kcl)的基础上拟合出的新经验方程所计算出的气体浓度值的偏差很大。
以上是目前在非色散型CH4气体分析仪的研制及生产过程中急待解决的问题。
发明内容
为了解决目前非色散型CH4气体分析仪在气体浓度定量计算方法中CH4气体的浓度计算中出现的误差较大的技术问题，本发明提出了一种基于非色散型气体分析仪的CH4气体浓度定量计算方法，该方法使计算浓度在整个浓度范围内高度重合，有效提高了CH4气体浓度计算精度。
一种基于非色散型CH4气体分析仪的气体浓度定量计算方法，该方法实现的具体步骤如下：
步骤一：根据比耳朗伯定律，推算出CH4气体浓度的计算公式为：
U1/U2＝U01/U02EXP(-kcl)
其中U1为气体浓度为c时测试通道的电压输出值，单位mV；U2为气体浓度为c时参比通道的电压输出值，单位mV；U01为气体浓度为0时测试通道的电压输出值，单位mV；U02为气体浓度为0时参比通道的电压输出值，单位mV；k为气体在测试通道的吸收系数，单位cm-1；l为光程，单位取cm；c为气体浓度，无量纲；
步骤二：将不同已知其浓度的标准CH4气体通入系统气路中，记录测试通道的电压输出值U1随浓度c的变化情况，并根据U1与c之间的线性相关性，将CH4气体浓度所需测量的动态范围分为多段；
步骤三：测出非色散型CH4气体分析仪的光程l，再测出没有CH4气体时的两个通道的电压信号值U01及U02，根据CH4气体浓度的计算公式U1/U2＝U01/U02EXP(-kcl)推导出不同浓度段内的c与U1/U2的经验方程式为：
c＝k-1l-1ln[(U01/U02)/(U1/U2)]
步骤四：在待测气体的最低浓度段内，选择一种已知浓度的标准气体作为待测气体，将其通入非色散型CH4气体分析仪的气路中，测出U1/U2的值，并根据经验方程式c＝k-1l-1ln[(U01/U02)/(U1/U2)]求出k值；
步骤五：将步骤四计算出的k值记为k1，并代入同一经验方程得到c与U1/U2一一对应的的经验方程式：c＝k1 -1l-1ln[(U01/U02)/(U1/U2)]；
步骤六：除最低浓度段外，在其它不同的浓度段内均选择一种已知其浓度的标准气体作为待测气体，将其通入非色散型CH4气体分析仪的气路中，测出U1/U2的值，并根据经验方程式c＝k-1l-1ln[(U01/U02)/(U1/U2)]求出对应的k值；由此得到不同浓度段的c与U1/U2一一对应的的经验方程式：c＝kn -1l-1ln[(U01/U02)/(U1/U2)]，n为正整数；
步骤七：设U2＝U02，U1＝U01-x，x＝0、1、2、3、4、5、6......U01，其中U2、U02、U1、U01及x量纲均取mV，在不同浓度段内以c对ln(U1/U2)作图，将不同浓度段的c对ln(U1/U2)的曲线图连接成完整的、能涵盖整个测量动态范围的c对ln(U1/U2)的曲线图，并将此c与ln(U1/U2)一一对应的数据存储到系统的单片机中；
步骤八：在实际使用中，系统按对光源的调制频率采集到U1与U2的值，能计算出ln(U1/U2)的值；将此ln(U1/U2)的值与系统单片机中已存储的ln(U1/U2)的值比较，找到与之最接近的ln(U1/U2)的值，再根据这个ln(U1/U2)的值找到对应的CH4气体的浓度c值，由此完成了CH4气体浓度的定量计算。
有益效果
本发明所涉及的一种基于非色散型CH4气体分析仪的气体浓度定量计算方法的有益效果就是使计算浓度在整个浓度范围内高精度重合，有效提高了计算精度而且避免了分段吸收率计算法所固有的计算浓度在分段处会产生波动的问题。本发明所体现的发明点具体阐述如下：
1、本发明所涉及的一种基于非色散型CH4气体分析仪的气体浓度定量计算方法的特点之一是将整个测试动态范围分成多个浓度段，每个浓度段具有相近的气体吸收率k值，得到不同浓度段内的计算浓度c值的经验方程，即c与ln(U1/U2)的经验方程，解决了目前所采用的方法所必将导致的由于经验方程难于拟合精度差所带来的CH4气体分析仪的气体浓度定量计算精度差的问题。
2、本发明所涉及的一种基于非色散型CH4气体分析仪的气体浓度定量计算方法的特点之二是在将整个测试动态范围分成多个浓度段的基础上，在以查表法代替按线性插值法，来计算待测气体浓度，避免了分段吸收率线性插值计算法所固有的计算浓度在分段处会产生波动的问题。因为分段吸收率线性插值计算法软件实现上就存在一个问题，那就是在相邻的分段点，即气体浓度刚好处在分段处附件时其浓度显示值就会在两段间重复跳动，直观的结果就是在分段点处，计算浓度产生波动。
附图说明
图1为待测气体浓度定量计算流程图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
假设某型非色散型CH4气体分析仪采用双光路设计，通道1为测试通道，其窄带带通滤光片的中心波长为3.35μm，半峰宽为170nm；通道2为参比通道，其窄带带通滤光片的中心波长为3.95μm，半峰宽为90nm。
本发明所涉及的一种基于非色散型气体分析仪的CH4待测气体浓度定量计算方法，如图1所示，该方法实现的步骤如下：
步骤一：根据比耳朗伯定律，推算出CH4气体浓度的计算公式为：
U1/U2＝U01/U02EXP(-kcl)
其中U1为气体浓度为c时测试通道的电压输出值，单位mV；U2为气体浓度为c时参比通道的电压输出值，单位mV；U01为气体浓度为0时测试通道的电压输出值，单位mV；U02为气体浓度为0时参比通道的电压输出值，单位mV；k为气体在测试通道的吸收系数，单位cm-1；l为光程，单位取cm；c为气体浓度，无量纲。
步骤二：将不同已知其浓度的标准CH4气体通入系统气路中，记录测试通道的电压输出值U1随浓度c的变化情况，并根据U1与c之间的线性相关性将CH4气体浓度的量程(及动态范围)分为多段，如将动态范围0％-10％分为0％-2％、2％-4％、4％-10％三个浓度段。在每一浓度段内其不同浓度c下的吸收率k不同，即虽然不同的c对应不同的k，但c与k之间的线性相关性较好。
步骤三：根据系统的机械设计得知非色散型CH4气体分析仪的光程l为7cm；测出没有CH4气体时的两个通道的电压信号值U01＝1860mV、U02＝910mV，根据CH4气体浓度的计算公式为：U1/U2＝U01/U02EXP(-kcl)推导出不同浓度段内的c与U1/U2的经验方程式为：c＝k-1l-1ln[(U01/U02)/(U1/U2)]；将l、U01及U02的值代入得到的经验方程式为：c＝0.1429k-1ln[2.0440/(U1/U2)]。
步骤四：在待测气体最低浓度段内，选择一种已知其浓度为2.00％的CH4标准气体作为待测气体，将其通入非色散型CH4气体分析仪的气路中，测出U1＝1720mV、U2＝910mV，并根据经验方程式2.00％＝0.1429k-1ln[2.0440/(U1/U2)]，求出k＝0.5593cm-1。
步骤五：将步骤四计算出的k值记为k1，并代入同一经验方程得到了c与U1/U2一一对应的的经验方程式：c＝0.2555ln[2.0440/(U1/U2)]。
步骤六：在其它不同的浓度段内均选择已知其浓度为4.00％及6.00％的标准气体作为待测气体，将其通入非色散型CH4气体分析仪的气路中，测出U1/U2的值，并根据经验方程式c＝k-1l-1ln[(U01/U02)/(U1/U2)]求出k值；由此得到了不同浓度段的c与U1/U2一一对应的的经验方程式：c＝0.3668ln[2.0440/(U1/U2)]及c＝0.5567ln[2.0440/(U1/U2)]。
步骤七：设U2＝U02，U1＝U01-x，x＝0、1、2、3、4、5、6......U01，其中U2、U02、U1、U01及x量纲均取mV，在不同浓度段内以c对ln(U1/U2)作图，将不同浓度段的c对ln(U1/U2)的曲线图连接成完整的、能涵盖整个测量动态范围的c对ln(U1/U2)的曲线图，并将此c与ln(U1/U2)一一对应的数据存储到系统的单片机中，如1.00％--0.6765-----------2.00％--0.6931等。
步骤八：在实际使用中，系统按对光源的调制频率2Hz采集到U1与U2的值分别为1790mV及910mV，就可计算出ln(U1/U2)的值。将此ln(U1/U2)的值与系统单片机中已存储的ln(U1/U2)的值比较，找到与之最接近的ln(U1/U2)的值为0.6765，再根据这个ln(U1/U2)＝0.6765的值就能找到对应的CH4气体的浓度c值为1.00％，由此则完成了CH4气体浓度的定量计算。

Claims (3)

1.一种基于非色散型CH4气体分析仪的气体浓度定量计算方法，其特征在于：该方法实现的具体步骤如下：
步骤一：根据比耳朗伯定律，推算出CH4气体浓度的计算公式为：
U1/U2＝U01/U02EXP(-kcl)
其中U1为气体浓度为c时测试通道的电压输出值，单位mV；U2为气体浓度为c时参比通道的电压输出值，单位mV；U01为气体浓度为0时测试通道的电压输出值，单位mV；U02为气体浓度为0时参比通道的电压输出值，单位mV；k为气体在测试通道的吸收系数，单位cm-1；l为光程，单位取cm；c为气体浓度，无量纲；
步骤二：将不同已知其浓度的标准CH4气体通入系统气路中，记录测试通道的电压输出值U1随浓度c的变化情况，并根据U1与c之间的线性相关性，将CH4气体浓度所需测量的动态范围分为多段；
步骤三：测出非色散型CH4气体分析仪的光程l，再测出没有CH4气体时的两个通道的电压信号值U01及U02，根据CH4气体浓度的计算公式U1/U2＝U01/U02EXP(-kcl)推导出不同浓度段内的c与U1/U2的经验方程式为：
c＝k-1l-1ln[(U01/U02)/(U1/U2)]
步骤四：在待测气体的最低浓度段内，选择一种已知浓度的标准气体作为待测气体，将其通入非色散型CH4气体分析仪的气路中，测出U1/U2的值，并根据经验方程式c＝k-1l-1ln[(U01/U02)/(U1/U2)]求出k值；
步骤五：将步骤四计算出的k值记为k1，并代入同一经验方程得到c与U1/U2一一对应的的经验方程式：c＝k1 -1l-1ln[(U01/U02)/(U1/U2)]；
步骤六：除最低浓度段外，在其它不同的浓度段内均选择一种已知其浓度的标准气体作为待测气体，将其通入非色散型CH4气体分析仪的气路中，测出U1/U2的值，并根据经验方程式c＝k-1l-1ln[(U01/U02)/(U1/U2)]求出对应的k值；由此得到不同浓度段的c与U1/U2一一对应的的经验方程式：c＝kn -1l-1ln[(U01/U02)/(U1/U2)]，n为正整数；
步骤七：设U2＝U02，U1＝U01-x，x＝0、1、2、3、4、5、6......U01，其中U2、U02、U1、U01及x量纲均取mV，在不同浓度段内以c对ln(U1/U2)作图，将不同浓度段的c对ln(U1/U2)的曲线图连接成完整的、能涵盖整个测量动态范围的c对ln(U1/U2)的曲线图，并将此c与ln(U1/U2)一一对应的数据存储到系统的单片机中；
步骤八：在实际使用中，系统按对光源的调制频率采集到U1与U2的值，能计算出ln(U1/U2)的值；将此ln(U1/U2)的值与系统单片机中已存储的ln(U1/U2)的值比较，找到与之最接近的ln(U1/U2)的值，再根据这个ln(U1/U2)的值找到对应的CH4气体的浓度c值，由此完成了CH4气体浓度的定量计算。
2.如权利要求1所述的一种基于非色散型CH4气体分析仪的气体浓度定量计算方法，其特征在于：步骤二中所述的分为多段为等间隔的划分。
3.如权利要求1所述的一种基于非色散型CH4气体分析仪的气体浓度定量计算方法，其特征在于：非色散型CH4气体分析仪采用双光路设计，通道1为测试通道，其窄带带通滤光片的中心波长为3.35μm，半峰宽为170nm；通道2为参比通道，其窄带带通滤光片的中心波长为3.95μm，半峰宽为90nm。
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