CN103900961B - 一种光谱仪的三气室切换装置及气体在线光谱测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光谱仪的三气室切换装置及气体在线光谱测试方法，解决了光谱扫描过程中气体浓度的变化引起光谱不稳定，以至于分析结果不准确的问题，以及基线漂移问题，该装置安装了三个完全相同的分别称为气室、气室和气室的气室。在光谱扫描过程中，若气室置于光路中，则关闭该气室的通气阀门，使得该气室中的气体不处于流动状态，待分析的流动气体通过气室，以更新该气室中的气体。当气室中的光谱扫描结束，则把气室切换到光路中，同时关闭其通气阀门，打开气室的气室阀门，实现气体更新。若发现基线发生畸变，则将充满背景气的气室切换至光路中，重新扫描背景光谱，以消除因环境变化带来的背景光谱的变化。

Description

一种光谱仪的三气室切换装置及气体在线光谱测试方法

技术领域

本发明属于气体成分及浓度的光谱在线分析领域，具体涉及一种光谱仪的三气室切换装置及气体在线光谱测试方法。

背景技术

傅里叶变换红外光谱法可以实现几乎所有极性气体的定量分析，且红外光谱仪工作过程中不消耗任何材料，不带来任何污染，称之为“绿色”仪器。随着计算机技术，数据分析处理技术的发展，近年来，红外光谱仪已开始应用于气体成分及浓度的在线分析领域。但由于在光谱分辨率较高、扫描次数较多时，光谱扫描时间较长。例如，光谱分辨率为1cm^-1，扫描次数为8时，得到一张光谱图所需时间约为50秒。若分辨率提高到0.5cm^-1，扫描次数增加到32，获得一张光谱图则需要400秒的时间。气体在线分析过程中，待分析气体中的组分及其浓度是时刻都在变化的。由于红外光谱的获取方法是先获取背景光谱，然后获得吸收光谱，再用吸收光谱除以背景光谱得到的，这个过程的前提是被分析气体成分及其浓度不变。显然，如果只采用一个测量气室进行气体的光谱在线分析，而且气体一直处于流动状态，则这个前提是不成立的。于是，在光谱扫描过程中，由于气体浓度的变化，每次得到的光谱干涉图并非相同气体组分及相同浓度情况下的干涉图的均值，致使得到的光谱不稳定，甚至是畸变的，从而使得光谱分析结果出现较大的偏差，特别是在待分析混合气中存在吸收光谱严重交叠的情况下，尤其严重。例如，某种气体在获取光谱过程中，其浓度从1000×10^-6上升到4500×10^-6，一共扫描了8次。假定每次扫描过程中，气体浓度是不变的，因此8次扫描的过程中，气体浓度分别为1000×10^-6、1500×10^-6、2000×10^-6、2500×10^-6、3000×10^-6、3500×10^-6、4000×10^-6、4500×10^-6。假定光谱中有两条波长分别为λ₁和λ₂的谱线对这种气体的吸光率分别为0.1cm^-1/%、0.2cm^-1/%，气室光程为10cm，于是，两条谱线的透射率分别为：

T₁=(exp(-0.1×0.1×10)+exp(-0.15×0.1×10)+exp(-0.2×0.1×10)+exp(-0.25×0.1×10)+exp(-0.3×0.1×10)+exp(-0.35×0.1×10)+exp(-0.4×0.1×10)+exp(-0.45×0.1×10))/8=0.7646

T₁=(exp(-0.1×0.2×10)+exp(-0.15×0.2×10)+exp(-0.2×0.2×10)+exp(-0.25×0.2×10)+exp(-0.3×0.2×10)+exp(-0.35×0.2×10)+exp(-0.4×0.2×10)+exp(-0.45×0.2×10))/8=0.5922

相应的吸光度分别为0.1166和0.2275，两者的比值为0.2275/0.1166=1.9516。根据Lambert-Beer红外吸收定理，同一种气体在两条不同波长谱线处的吸光度的比值应等于其吸光率的比值，明显地，这个比值小于其相应吸光率的比值2。因此，要减小因扫描过程中气体浓度发生变化给光谱带来的影响，提高气体分析结果的准确度，需要保证扫描过程中气体的浓度维持不变。

常规的光谱仪只有一个测量气室，在气体的光谱在线分析过程中，要保证扫描过程中气室中的气体浓度维持不变，可以在扫描光谱的过程中切断气室的气路，使得在该过程中气室内的气体不再更新，等到光谱扫描结束后，再重新切入气路，使得气室中的气体得到更新。明显地，气室中气体的更新需要一个过程，因此在气室切入气路后，不能马上扫描光谱，需等到气室中气体全部更新后才能扫描光谱，因此，这种方法导致气体的在线分析实时性差。

另外，实际得到的气体吸收光谱是当时扫描的光谱与背景光谱的比值，由于两者是在不同的时刻扫描得到的，光谱仪在长时间工作以后，扫描的气体吸收光谱时的环境参数，如温度等，与扫描背景光谱时的环境可能会发生变化，这会导致光谱基线发生漂移，甚至畸变。为了获得准确性高的光谱，需要重新扫描背景光谱。如果用背景气清洗测量气室，然后再扫描背景光谱，显然，由于清洗时间过长，这会导致光谱数据的丢失。若增加一个充满背景气体的气室，在发现光谱基线有异常时，把该气室切换到光路中，并扫描背景，则有助于大大缩短扫描背景光谱的时间，避免数据的丢失。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，提供一种提高分辨率光谱仪气体成分与浓度在线分析过程中光谱稳定性与光谱分析实时性的光谱仪的三气室切换装置及气体在线光谱测试方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种光谱仪的三气室切换装置，包括第一测量气室、第二测量气室以及背景气体气室；这三个气室的材料、结构以及尺寸完全相同，三个气室均为圆筒状，且均沿光谱仪检测光路设置；第一测量气室和第二测量气室通过开设在气室侧面进气口和出气口并联在进气管道和出气管道之间；第一测量气室和第二测量气室的进气口分别串接一个电磁阀后并联，再与进气管道相连通；第一测量气室和第二测量气室的出气口汇合后，再与出气管道相连通；其中，第一测量气室、第二测量气室以及背景气体气室的排列方式分为两种，一种为用于实现三个气室竖直移动切换的排列方式，另一种为用于实现三个气室连续回转切换的排列方式；

当三个气室采用竖直移动的切换方式排列时，背景气体气室、第二测量气室和第一测量气室依次叠放，背景气体气室的下方设置有竖直移动式气室切换装置，且第一测量气室、第二测量气室和背景气体气室固定安装在气室安装座上；

当三个气室采用连续回转的切换方式排列时，三个气室均匀布置在轴的周向上，且三个气室之间设置有用于实现三个气室连续回转的回转式气室切换装置。

所述的第一测量气室和第二测量气室的进气口和出气口均通过三通分别与进气管道和出气管道相连通。

所述的竖直移动式气室切换装置包括上部开口、并且纵向截面为U型的底座；底座的底面中心处固定安装有驱动机构，驱动机构的顶部固定安装有连接安装板，连接安装板通过螺钉与气室安装座固定连接；

底座侧面的内侧相对设置有上限位传感器和下限位传感器，上限位传感器安装在底座内侧的顶部，下限位传感器安装在上限位传感器的下方；连接安装板的形状与底座上部开口的形状相同，且连接安装板的面积小于底座上部开口的面积；连接安装板底面两侧分别设置有用于触发底座侧面上的上限位传感器和下限位传感器的触片。

所述的驱动机构包括固定于底座上的电机安装座，电机安装座上安装有电机；电机的输出轴与螺杆的下端固联，螺杆的上端套设有螺杆相配合的可移动螺母，可移动螺母的上端与连接安装板固定连接，且可移动螺母位于连接安装板的中心处。

所述的电机采用能够实现连续正反转运动的交流电机、步进电机或者伺服电机。

所述的上限位传感器和下限位传感器采用光电非接触传感器、机械式行程开关或微动开关。

所述的螺杆两侧设置有两个用于支撑连接安装板的直线轴承、线性滑轨或导轨。

所述的直线轴承包括固定安装于连接安装板上的轴承座以及套设在轴承座内的导杆，导杆的底部固定在底座的底面上。

所述的回转式气室切换装置包括从动齿轮，从动齿轮上开设有三个用于套设三个气室的通孔，轴设置于三个气室的中心，从动齿轮上啮合有主动齿轮，主动齿轮与步进电机的输出轴固联；其中主动齿轮的直径小于从动齿轮。

一种基于光谱仪的三气室切换装置的气体在线光谱测试方法，在测量时，将第一测量气室置于光路中；此时，与第一测量气室相连的电磁阀关闭，以断绝第一测量气室进气口与气路的连接，保证第一测量气室中气体成分及其浓度的稳定，而与第二测量气室相连的电磁阀则打开，使得第二测量气室进气口与气路相通，第二测量气室中的气体处于更新状态；待光谱扫描结束后，切换两个测量气室的位置，即把第二测量气室切换到光路中，同时打开第一测量气室的电磁阀，关闭第二测量气室的电磁阀；此时，光谱仪对第二测量气室中的气体进行光谱扫描，气路对第一测量气室进行气体更新；在进行气体的光谱在线分析过程中，若发现光谱基线发生畸变，则将背景气体气室切换到光路中，重新扫描背景光谱。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明光谱仪的三气室切换装置设置有两个测量气室，一个背景气体气室，由于在测量时，两个测量气室轮换切换至傅里叶变换光谱仪的光路中，而在需要重新扫描背景光谱时，才将背景气体气室切换至光路中，故本发明为傅里叶变换光谱仪在线气体成分与浓度分析过程中节省了气室清洗时间，提高了气体分析的在线实时性，减少漏测数据，消除了因光谱扫描过程中气体浓度变化导致的光谱的畸变，以及气体分析结果的偏差，提高了分析准确性，适合应用于气体物质的光谱在线定量分析；

本发明三个气室的切换方式分为两种，竖直移动方式和连续回转方式，相应的对应两种切换方式设置两种气室切换装置，能够适应不同结构的光谱仪，实现气体物质的光谱在线定量分析。

附图说明

图1为本发明0.01%浓度甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、0.1%浓度二氧化碳标准气光谱与长时间工作后光谱仪器件发生特性漂移后的光谱图；

图2-a为本发明三个气室竖直移动的三气室的连接示意图；

图2-b为本发明三个气室连续回转运动的三气室的连接示意图；

图3-a是竖直移动方式气室切换装置结构剖面图；

图3-b是回转方式气室切换装置结构示意图；

图4-a是三个发生基线畸变的光谱图；

图4-b是进行基线校正后的三个光谱图；

图5-a是图4-a中谱图data1及其基线校正后的谱图，以及重构光谱图；

图5-b是图4-a中谱图data2及其基线校正后的谱图，以及重构光谱图；

图5-c是图4-a中谱图data3及其基线校正后的谱图，以及重构光谱图；

其中，1为第一测量气室；2为电磁阀；3为三通；4为进气管道；5为出气管道；6为背景气体气室；7为步进电机；8为主动齿轮；9为轴；10为从动齿轮；11为第二测量气室；12为底座；13为导杆；14为螺杆；15为可移动螺母；16为轴承座；17为下限位传感器；18为上限位传感器；19为连接安装板；20为进气口；21为紧定螺钉；22为电机；23为电机安装座；24为出气口；25为气室安装座；26为触片。

具体实施方式

下面结合图对本发明作进一步详细的说明：

参见图2至图3，本发明一种光谱仪的三气室切换装置，包括第一测量气室1、第二测量气室11以及背景气体气室6；这三个气室的材料、结构以及尺寸完全相同，三个气室均为圆筒状，且均沿光谱仪检测光路设置；第一测量气室1和第二测量气室11通过开设在气室侧面进气口20和出气口24并联在进气管道4和出气管道5之间；第一测量气室1和第二测量气室11的进气口20分别串接一个电磁阀2后并联，通过三通3与进气管道4相连通；第一测量气室1和第二测量气室11的出气口24汇合后，通过三通3与出气管道5相连通；其中，第一测量气室1、第二测量气室11以及背景气体气室6的排列方式分为两种，一种为用于实现三个气室竖直移动切换的排列方式，另一种为用于实现三个气室连续回转切换的排列方式；

如图2-a和图3-a所示，当三个气室采用竖直移动的切换方式排列时，背景气体气室6、第二测量气室11和第一测量气室1依次叠放，背景气体气室6的下方设置有竖直移动式气室切换装置，且第一测量气室1、第二测量气室11和背景气体气室6固定安装在气室安装座25上；其中，竖直移动式气室切换装置包括上部开口、并且纵向截面为U型的底座12；底座12的底面中心处固定安装有驱动机构，驱动机构的顶部固定安装有连接安装板19，连接安装板19通过螺钉与气室安装座25固定连接；底座12侧面的内侧相对设置有两对上限位传感器18和下限位传感器17，上限位传感器18安装在底座12侧面内侧的顶部，下限位传感器17安装在上限位传感器18的下方，上限位传感器18和下限位传感器17采用光电非接触传感器、机械式行程开关或微动开关；连接安装板19的形状与底座12上部开口的形状相同，且连接安装板19的面积小于底座12上部开口的面积；连接安装板19底面两侧分别设置有用于触发底座12侧面上的上限位传感器18和下限位传感器17的触片26。

上述的驱动机构包括固定于底座12上的电机安装座23，电机安装座23上安装有电机22；电机22的输出轴与螺杆14的下端固联，螺杆14两侧设置有两个用于支撑连接安装板19的直线轴承、线性滑轨或导轨；直线轴承包括固定安装于连接安装板19上的轴承座16以及套设在轴承座16内的导杆13，导杆13的底部通过紧定螺钉21固定在底座12的底面上。螺杆14的上端套设有螺杆14相配合的可移动螺母15，可移动螺母15的上端与连接安装板19固定连接，且可移动螺母15位于连接安装板19的中心处。电机22采用能够实现连续正反转运动的交流电机、步进电机或者伺服电机。

如图2-b和图3-b所示，当三个气室采用连续回转的切换方式排列时，三个气室均匀布置在轴9的周向上，且三个气室之间设置有用于实现三个气室连续回转的回转式气室切换装置。其中，回转式气室切换装置包括从动齿轮10，从动齿轮10上开设有三个用于套设三个气室的通孔，轴9设置于三个气室的中心，从动齿轮10上啮合有主动齿轮8，主动齿轮8与步进电机7的输出轴固联；其中主动齿轮8的直径小从动齿轮10。

本发明还公开了一种基于光谱仪的三气室切换装置的气体在线光谱测试方法，在测量时，将第一测量气室1置于光路中；此时，与第一测量气室1相连的电磁阀关闭，以断绝第一测量气室1进气口20与气路的连接，保证第一测量气室1中气体成分及其浓度的稳定，而与第二测量气室11相连的电磁阀则打开，使得第二测量气室11进气口20与气路相通，第二测量气室11中的气体处于更新状态；待光谱扫描结束后，切换两个测量气室的位置，即把第二测量气室11切换到光路中，同时打开第一测量气室1的电磁阀，关闭第二测量气室11的电磁阀；此时，光谱仪对第二测量气室11中的气体进行光谱扫描，气路对第一测量气室1进行气体更新；在进行气体的光谱在线分析过程中，若发现光谱基线发生畸变，则将背景气体气室6切换到光路中，重新扫描背景光谱。

本发明的原理及工作过程：

气体成分与浓度在线光谱分析的两个测量气室和一个背景气体气室连接如图2所示，可以是竖直排列，如图2-a，也可以是三角形排列，如图2-b。两个测量气室的两个进气口各装有一个电磁阀，电磁阀通过三通与进气管道相连，两个测量气室的两个出气口则直接通过三通与气路的出气口相连，背景气体气室中充满背景气体，对于一般的极性分子气体在线分析应用，该背景气体为氮气。本实施例以竖直排列的气室连接方式为例来说明本发明专利的实时方式。

竖直移动式气室切换装置截面图如图3-a所示，包括第一测量气室1和第二测量气室11和背景气体气室6、直线轴承、竖直移动机构、限位传感器、两个电磁阀和计算机组成；导杆和轴承座构成直线轴承，导杆固定安装在地板上，轴承座固定安装在连接安装板上；电机、电机安装座、螺杆、可移动螺母构成竖直移动机构，电机安装在电机安装座上，可进行连续的正反转，电机安装座通过紧定螺钉固定安装在底板上，螺杆与电机的输出轴固联，可移动螺母固定安装在连接安装板上；第一测量气室1、第二测量气室11和背景气体气室3固定安装在气室底座上，气室底座与连接安装板通过紧定螺钉进行固定连接，连接安装板上还安装有2个轴承座、一个螺母。上限位传感器、下限位传感器固定安装在底座上，传感器的间距根据所需的竖直移动位移进行调整。

正常工作时，两个测量气室轮换切换至傅里叶变换光谱仪的光路中，而在需要重新扫描背景光谱时，才将背景气体气室切换至光路中。正常的气体光谱在线分析过程中，当需要将第一测量气室1切换到光路中时，控制电机正转驱动螺杆转动，进而驱动与螺杆配合的螺母向上移动，从而驱动连接安装板、第一测量气室1顺着直线轴承中心向上移动，直至上限位传感器检测到到位信号为止，即将气室1移至到光路中此时，计算机发出信号，关闭第一测量气室1的电磁阀，打开第二测量气室11的电磁阀；扫描完光谱后，控制电机反转驱动连接安装板、两个测量气室顺着直线轴承中心向下移动，直至下限位传感器检测到到位信号为止，即把第二测量气室11切换到光路中，此时，计算机发出信号，关闭第二测量气室11的电磁阀，打开第一测量气室1的电磁阀。这样，周而复始，使得光谱仪进行光谱扫描时，气室中的气体成分及其浓度时稳定的。

三个气室材料、尺寸完全一样。每个测量气室有一个进气口和一个出气口，分置气室两端，进气口通过电磁阀、三通与进气管道相连，出气口通过三通直接和和出气管道相连，背景气体气室中充满背景气体，对于一般的极性分子气体在线分析，背景气体选择为氮气。

气室切换方式采用螺杆转动螺母移动的竖直移动方式，也可以采用水平移动方式，或者连续回转方式。移动方式不限于采用直线轴承，也可以采用线性滑轨或者普通导轨；驱动机构不限于电机结合螺母螺杆的运动方式，也可以采用气缸伸缩、磁性伸缩、压电伸缩等机构。气室切换的控制由限位传感器实现，限位传感器可采用光电非接触传感器，也可以采用机械式行程开关，或者微动开关。电机可以为交流电机、步进电机或者伺服电机的一种，电机输出转速由实际应用场合的切换速度决定，电机必须能够实现连续正反转运动。

连续回转方式的切换装置示意图如图3-b所示，三个气室的中间有两个轴，该轴与三个气室紧固在一起，与外部之间相连。此外，三个气室的中部从一个大齿轮中穿过，步进电机在工控机等的控制下转动，小齿轮与步进电机同轴相连，因而与步进电机同步转动，大齿轮在该小齿轮的驱动下，产生转动。由于步进电机的进给量是以脉冲的形式给出的，步进电机本身就可以识别自身转子的角位置。因此，三个气室中任何一个均可以通过工控机发送相应数量的脉冲切换到光路中，从一个气室切换到另一个气室所需脉冲数量，可通过试验确定。由于三个气室相互之间成120都，因此也可通过步进电机的角位置确定。若以图中电机箭头方向为正方向，第一测量气室1在光路中，则通过反转120度，即可将第二测量气室11切换到光路中，再转120度，则可将背景气室切换至光路中。若要重新把气室1切换至光路中，则正转240度即可。

在进行气体光谱在线分析过程中，对光谱基线进行自确认，如果发现基线发生畸变，则将背景气体气室切换至光路中。基线是否发生畸变，以图1所示的烷烃气体的光谱分析为例，介绍其判别步骤如下：

1）气体成分与非敏感区搜寻

由图1可以看出，在波数600、1100、2000、2500、3400等处的附近，烷烃气体的灵敏度非常小，因此可以用作非敏感区。

对于每种单组份样本，由于是在较短时间内制作完成的，一般情况下光谱不会发生畸变，最多也只是基线的微弱平移，因此不需要做任何处理，直接对每种单组份气体光谱的上述五个波数段附近求均值。例如，对于正丁烷，一共有13个单组份样本。在波数1100附近，对每个样本连续取5个光谱值，并求其均值，得到：

X=[0.99980.99820.99811.00080.99990.99930.99670.99810.99730.99650.99600.99300.9903]（1）

对应的浓度为：

Y=[0.010.020.050.10.20.51.02.03.04.05.07.010.0]（2）

2）灵敏度计算

由式（1）可以看出，波数1100附近的谱线对正戊烷的灵敏度很小，因此对其作线性化处理，而不会给光谱带来明显的变化。于是采用最小二乘法可以求得

S=inv(Y*Y’)*Y*(1-X)'=0.00096（3）

式中inv(·)表示矩阵求逆，(1-X)'表示矩阵(1-X)的转置。用同样的方法还可以求得甲烷、乙烷、丙烷和异丁烷气体在此波数段的灵敏度，最后得到5种气体在此波数段的灵敏度系数为：

S₁₁₀₀=[0.000030.0000960.000550.000440.00072]（4）

采用同样的方法，还可以计算上述5种气体在波数600附近的灵敏度为：

S₆₀₀=[00.0000420.00007600]（5）

在波数2000附近的灵敏度为：

S₂₀₀₀=[0.0000220.000150.000330.000510.00075]（6）

在2500波数附近的灵敏度为：

S₂₅₀₀=[0.0000240.000170.000350.000610.00077]（7）

在3400波数附近的灵敏度为：

S₃₄₀₀=[0.0000060.000130.000280.00030.00042]（8）

3）在所有相邻两个非敏感区之间，对光谱段进行平移与旋转，进行基线校正；

对于步骤1）中的5个非敏感区，可将整个谱图分为4个区间，对每个区间进行平移与旋转，即可矫正光谱的规则畸变。由于每个谱图由两列构成，第一列是波数值，第二列是与第一列相对应的谱线值，3400、2500、2000、1100和600波数附近所对应的谱线序号依次为273、753、1023、1503、1758。于是，每段非敏感区取5个谱线值求平均偏差，假定待分析的5种气体的浓度向量为C，可采用如下源代码来实现初次光谱平移与旋转：

Baseline3400=1-mean(data(271:275,2))-S₃₄₀₀C';%求波数3400处的偏差

Baseline2500=1-mean(data(751:755,2))-S₂₅₀₀C';%求波数2500处的偏差

Baserate2500=(Baseline2500-Baseline3400)/(753-273);%求波数2500至3400之间的斜率

data(1:753,2)=data(1:753,2)+Baseline3400+([1:753]'-271)*Baserate2500;%矫正波数2500至3400之间的光谱

Baseline2000=1-mean(data(1021:1025,2))-S₂₀₀₀C';%求波数2000处的偏差

Baserate2000=(Baserate2000-Baserate2500)/(1023-753);%求波数2000至2500之间的斜率

data(754:1023,2)=data(754:1023,2)+Baseline2500+([754:1023]'-753)*Baserate2000;%矫正波数2500至3400之间的光谱

Baseline1100=1-mean(data(1501:1505,2))–S₁₁₀₀C';%求波数1100处的偏差

Baserate1100=(Baseline1100-Baseline2000)/(1503-1023);%求波数1100至2000之间的斜率

data(1024:1503,2)=data(1024:1503,2)+Baseline2000+([1024:1503]'-1023)*Baserate1100;%矫正波数1100至2000之间的光谱

Baseline600=1-mean(data(1756:1760,2))–S₆₀₀C';%求波数1100处的偏差

Baserate600=(Baseline600-Baseline1100)/(1758-1503);%求波数600至1100之间的斜率

data(1504:1866,2)=data(1504:1866,2)+Baseline1100+([1504:1866]'-1503)*Baserate600;%矫正波数600至1100之间的光谱

在连续的在线光谱分析过程中，上述源代码中的气体浓度向量C设定为上一次的分析结果。如果是第一次分析，则将其设置为0。本实施实施例以图4-a为例，该图中有三个光谱图：data1、data2和data3。比较图4-a和图1可知，既然波数2900处附近没有强的吸收峰，说明这三个谱图所表征的气体中，各种烷烃的浓度很小。因此，在波数800到波数1100，以及在2500波数到3400波数范围内，几乎是一条幅值为1的直线。但图4-a中，波数800到波数1100的光谱段的光谱值明显大于1，而且稍有倾斜，在2500波数到3400波数范围内的光谱段明显小于1，其倾斜程度比波数800到波数1100的光谱段稍大，因此存在基线规则畸变，需要进行校正。设置气体浓度向量C为0，采用本步骤的源代码进行校正后得到的光谱图如图4-b所示；

4）用标定的分析模型对校正后的光谱进行分析，获取气体组分及其浓度。标定的分析模型包括是多项式、神经网络、支持向量机。例如，对于本实施实施例中的甲烷，假定它存在某个多项式分析模型为：

conmet=(log(data(1410,2))-log(data(1397,2)))*2.22-(log(data(1540,2))-log(data(1570,2)))*0.31-(log(data(1499,2))-log(data(1462,2)))*0.08(9a)

C_methane=0.26*conmet^2+conmet*0.9(9b)

则设定步骤3）中C为0向量，并对图4-a光谱进行校正后，计算式（9）可求得该光谱图data1、data2和data3中的甲烷浓度分别分别为：0.0196、0.0071和0.0473，即0.0196%、0.0071%和0.0473%，或者说196ppm、71ppm和473ppm。经分析，data1、data2和data3三个光谱图对应的气体浓度向量为：

C₁=[0.01960.00320.001700]（10a）

C₂=[0.00710.00120.000300]（10b）

C₃=[0.04730.00210.002300]（10c）

如果部分气体浓度较大，则用最新计算的气体浓度值取代步骤3）中的气体浓度向量C，并重复步骤3）与4），直到步骤3）中任何一个非敏感区的相邻两次偏差值之差小于某个阈值。各非敏感区的阈值可设定为该波数段光谱的噪声幅度。由于各组分气体浓度很小，因此由步骤3）校正一次即可。

5）由分析得到的气体组分及其浓度重构光谱

为了简单起见，本实施例中，波数段2800～3200，各组分烷烃气体的阈值均设置为0.1；而在波数段700～1300，各组分烷烃气体的阈值均设置为1。由于各组分气体浓度都小于0.1，所以直接采用阈值对应的折算吸光率即可。也就是说，在波数段700～1300，各组分的折算吸光率直接取浓度为0.1%时的折算吸光率，而在波数段2800～3200，各组分的折算吸光率直接取浓度为1%时的折算吸光率。例如，正丁烷在气体组分中是第5号组分，由式（2）可知，0.1%浓度在正丁烷的单组份样本中排第4位，正丁烷在第579条谱线对应于波数2881.5处的谱线值为0.9462，故其折算吸光率由式（11）计算得到：

δ_7,579,4=-log(0.9462)/0.1=0.5530（11）

以此类推，可求得5组分气体在579条谱线的折算吸光率并构成向量Δ得到：

Δ=[0.02000.14100.53930.54020.5221]（12）

把式（10）和（12）代入式（10）可分别求得data1、data2和data3三个谱图在第579条谱线出的重构光谱值：

v_1,579=exp(-C₁Δ')=0.9982

v_2,579=exp(-C₂Δ')=0.9995

v_3,579=exp(-C₃Δ')=0.9974

同样地，把步骤4）中求得的气体浓度向量C₁、C₂和C₃，以及每条谱线折算吸光率δ_ikx的代入式（10），则可求得每条谱线的重构谱线值。于是，对于图4中的data1、data2和data3，校正前、后，以及重构的光谱分别如图5-a、3-b和3-c所示。

6）比较图5-a中的重构光谱与实际光谱可以发现，在波数1060附近，修正后的光谱值明显超出1.0020，实质上，该处的噪声幅度只有0.0015左右，因此data1光谱可能存在局部畸变，该次分析结果偏差可能比较大，如有可能，需要重新扫描背景，以获得较好的分析结果；再比较图5-b中的重构光谱与实际光谱同样可以发现，在波数1045附近，修正后的光谱值已经达到1.0020，因此data2光谱可能也存在局部畸变。而由图5-c可以发现，修正后的光谱值最大也不过1.0010左右，因此data3是没有发生局部畸变的良好光谱，用标定模型对该光谱进行分析，其可信度是很高的。实质上，由图4-b可以看出，在波数1000到1200范围内，data1和data2的光谱呈频率不等的纹波状，这本身就是光谱局部畸变的一种表现。

若发现光谱发生局部畸变，则重新扫描背景光谱。此时，把图3中的电机转角加大，把部件11切换到光路中，同时打开第二测量气室11的电磁阀，而关闭测量气室1的电磁阀，然后进行背景光谱扫描。待扫描结束后，反向转动电机，将第二测量气室11切换到光谱仪光路中，同时关闭与其相连的电磁阀，而打开与第一测量气室1相连的电磁阀，让气体光谱分析系统重新投入工作状态。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

1.一种光谱仪的三气室切换装置，其特征在于：包括第一测量气室(1)、第二测量气室(11)以及背景气体气室(6)；这三个气室的材料、结构以及尺寸完全相同，三个气室均为圆筒状，且均沿光谱仪检测光路设置；第一测量气室(1)和第二测量气室(11)通过开设在气室侧面进气口(20)和出气口(24)并联在进气管道(4)和出气管道(5)之间；第一测量气室(1)和第二测量气室(11)的进气口(20)分别串接一个电磁阀(2)后并联，再与进气管道(4)相连通；第一测量气室(1)和第二测量气室(11)的出气口(24)汇合后，再与出气管道(5)相连通；其中，第一测量气室(1)、第二测量气室(11)以及背景气体气室(6)的排列方式分为两种，一种为用于实现三个气室竖直移动切换的排列方式，另一种为用于实现三个气室连续回转切换的排列方式；

当三个气室采用竖直移动的切换方式排列时，背景气体气室(6)、第二测量气室(11)和第一测量气室(1)依次叠放，背景气体气室(6)的下方设置有竖直移动式气室切换装置，且第一测量气室(1)、第二测量气室(11)和背景气体气室(6)固定安装在各自气室的气室安装座(25)上；

当三个气室采用连续回转的切换方式排列时，三个气室均匀布置在轴(9)的周向上，且三个气室之间设置有用于实现三个气室连续回转的回转式气室切换装置。

2.根据权利要求1所述的光谱仪的三气室切换装置，其特征在于：所述的第一测量气室(1)和第二测量气室(11)的进气口(20)和出气口(24)均通过三通(3)分别与进气管道(4)和出气管道(5)相连通。

3.根据权利要求1或2所述的光谱仪的三气室切换装置，其特征在于：所述的竖直移动式气室切换装置包括上部开口、并且纵向截面为U型的底座(12)；底座(12)的底面中心处固定安装有驱动机构，驱动机构的顶部固定安装有连接安装板(19)，连接安装板(19)通过螺钉与气室安装座(25)固定连接；

底座(12)侧面的内侧相对设置有上限位传感器(18)和下限位传感器(17)，上限位传感器(18)安装在底座(12)内侧的顶部，下限位传感器(17)安装在上限位传感器(18)的下方；连接安装板(19)的形状与底座(12)上部开口的形状相同，且连接安装板(19)的面积小于底座(12)上部开口的面积；连接安装板(19)底面两侧分别设置有用于触发底座(12)侧面上的上限位传感器(18)和下限位传感器(17)的触片(26)。

4.根据权利要求3所述的光谱仪的三气室切换装置，其特征在于：所述的驱动机构包括固定于底座(12)上的电机安装座(23)，电机安装座(23)上安装有电机(22)；电机(22)的输出轴与螺杆(14)的下端固联，螺杆(14)的上端套设有与螺杆(14)相配合的可移动螺母(15)，可移动螺母(15)的上端与连接安装板(19)固定连接，且可移动螺母(15)位于连接安装板(19)的中心处。

5.根据权利要求4所述的光谱仪的三气室切换装置，其特征在于：所述的电机(22)采用能够实现连续正反转运动的交流电机、步进电机或者伺服电机。

6.根据权利要求3所述的光谱仪的三气室切换装置，其特征在于：所述的上限位传感器(18)和下限位传感器(17)采用光电非接触传感器、机械式行程开关或微动开关。

7.根据权利要求4或5所述的光谱仪的三气室切换装置，其特征在于：所述的螺杆(14)两侧分别设置有一个用于支撑连接安装板(19)的直线轴承、线性滑轨或导轨。

8.根据权利要求7所述的光谱仪的三气室切换装置，其特征在于：所述的直线轴承包括固定安装于连接安装板(19)上的轴承座(16)以及套设在轴承座(16)内的导杆(13)，导杆(13)的底部固定在底座(12)的底面上。

9.根据权利要求1或2所述的光谱仪的三气室切换装置，其特征在于：所述的回转式气室切换装置包括从动齿轮(10)，从动齿轮(10)上开设有三个用于套设三个气室的通孔，轴(9)设置于三个气室的中心，从动齿轮(10)上啮合有主动齿轮(8)，主动齿轮(8)与步进电机(7)的输出轴固联；其中主动齿轮(8)的直径小于从动齿轮(10)。

10.一种基于权利要求1所述光谱仪的三气室切换装置的气体在线光谱测试方法，其特征在于：

在测量时，将第一测量气室(1)置于光路中；此时，与第一测量气室(1)相连的电磁阀关闭，以断绝第一测量气室(1)进气口(20)与气路的连接，保证第一测量气室(1)中气体成分及其浓度的稳定，而与第二测量气室(11)相连的电磁阀则打开，使得第二测量气室(11)进气口(20)与气路相通，第二测量气室(11)中的气体处于更新状态；待光谱扫描结束后，切换两个测量气室的位置，即把第二测量气室(11)切换到光路中，同时打开第一测量气室(1)的电磁阀，关闭第二测量气室(11)的电磁阀；此时，光谱仪对第二测量气室(11)中的气体进行光谱扫描，气路对第一测量气室(1)进行气体更新；在进行气体的光谱在线分析过程中，若发现光谱基线发生畸变，则将背景气体气室(6)切换到光路中，重新扫描背景光谱。