CN104267019B - 一种激光拉曼气体分析仪的标定和检测气体浓度的方法 - Google Patents
一种激光拉曼气体分析仪的标定和检测气体浓度的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种激光拉曼气体分析仪的标定和检测气体浓度的方法，本发明的标定方法由被标定气体和中间载气的拉曼散射光谱图，得到一个比值常量，根据气体的物理特性，这个标定常量不受温度、压力和环境等因素的影响。故可将所有已知气体分别与中间载气进行标定，建立一个各种气体与中间载气的标定数据库。此数据库可直接用于拉曼气体分析仪中利用拉曼散射的光谱图对气体浓度进行检测，从而使分析仪免除标定，大大的降低了激光拉曼气体分析仪的运行及维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光拉曼气体分析仪的标定和检测气体浓度的方法，特别是一种拉曼气体分析仪中用于检测多种气体浓度的标定和检测气体浓度的方法。
背景技术
光照射到物质上时会发生散射。在发生散射时，大部分散射光的波长并不发生变化，这种波长不发生变化的散射称为瑞利散射；少部分散射光的波长会增大或减小，这种波长发生变化的散射称作拉曼散射，其对应的光谱称为拉曼光谱。
拉曼光谱图是利用拉曼光谱对物质进行分析的依据，定波长激光拉曼散射技术是目前最先进的气体测量技术之一，近些年得到了迅猛的发展，被认为是具有革命性变革的全新测量方法。
气体分析仪的测量离不开标定，现有传统的分析仪的标定方法大多为用不同浓度的被检气体与中间载气进行混合，产生一个气体浓度与电信号之间的拟合曲线，之后检测的被检气体浓度由拟合的曲线得到。这种传统的标定方法过程太过繁琐，激光气体分析仪的运行及维护成本很高。而本发明所述的标定方法，在国内外技术文献中，均未被采用，是一项全新的技术。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种使分析仪免除标定，大大的降低了激光拉曼气体分析仪的运行及维护成本的。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种激光拉曼气体分析仪的标定和检测气体浓度的方法，其特征在于，包括标定步骤以及气体浓度检测步骤，具体是：
激光拉曼气体分析仪的标定步骤，具体如下：
步骤1.1.在进气口通入体积比在4:6～6:4范围的被标定气体与中间载气(标定用的中间载气一般为氮气，但不排除其他可用于做为中间载气的气体。)，待混合气稳定；
步骤1.2.由激光发射单元发出一束激光经过标定/测量气室中的混合气后，产生光谱图信号；
步骤1.3.光谱图采集器采集对应的被标定气体与中间载气的光谱图；
步骤1.4.数据分析模块根据对应的被标定气体与中间载气所得的光谱图，得到一个比值常量
其中，V标、V载分别为被标定气体和中间载气光谱图的波峰高度；n标、n载分别为被标定气体和中间载气的浓度。(光谱图中得到的是V标、V载，n标、n载已知)
步骤1.5.更换被标定的气体，重复步骤1～4，完成所有已知气体的对应标定，建立一个标定数据库
含有标定中使用的中间载气且中间载气浓度较高的(n+1)种混合气体浓度检测步骤，具体如下：
根据标定数据库k标i，即可计算出各个气体组份的浓度，完成气体浓度的检测：
步骤2.1.在进气口通入检测定混合气体与中间载气，待混合气稳定；
步骤2.2.由激光发射单元发出一束激光经过标定/测量气室中的混合气后，产生光谱图信号；
步骤2.3.光谱图采集器采集对应的被标定气体与中间载气的光谱图；
步骤2.4.数据分析模块根据对应的被标定气体与中间载气所得的光谱图，得到V测i、V载，根据标定数据库可得可得
其中，V测i、V载分别为混合气体中的某一种气体和中间载气光谱图的波峰高度；n测i、n载分别为混合气体中的某一种气体和中间载气的浓度。(光谱图中得到的是V测i、V载，k标i从标定数据库中已知)
步骤2.5.由式n测1+n测2+...+n测n+n载＝1，可计算出中间载气的浓度n载，从而也可计算出其他n种混合气中其他气体的浓度n测i。
不含标定中使用的中间载气或者中间载气浓度较低的(n+1)种混合气体浓度检测步骤，具体如下：
根据标定数据库k标i，即可计算出各个气体组份的浓度，完成气体浓度的检测：
步骤3.1.在进气口通入检测定混合气体，待混合气稳定；
步骤3.2.由激光发射单元发出一束激光经过标定/测量气室中的混合气后，产生光谱图信号；
步骤3.3.找到一种气体的光谱图幅值比较大，将此气体作为实际测量载气，设为第(n+1)种气体；
步骤3.4.光谱图采集器采集对应的被标定气体与实际测量载气的光谱图；
步骤3.5.数据分析模块根据对应的被标定气体与实际测量载气所得的光谱图，得到V测i、V测(n+1)，根据标定数据库可得和由
可得
其中，V测i、V测(n+1)分别为混合气体中的某一种气体和实际测量载气光谱图的波峰高度；n测i、n测(n+1)分别为混合气体中的某一种气体和实际测量载气的浓度。(光谱图中得到的是V测i、V测(n+1)，k标i、k标(n+1)从标定数据库中已知)
步骤3.6.由式n测1+n测2+...+n测n+n测(n+1)＝1，可计算出实际测量载气的浓度n测(n+1)，从而也可计算出其他n种混合气中其他气体的浓度n测i。
本发明所述的标定方法是由被标定气体和中间载气的拉曼散射光谱图，得到一个比值常量，根据气体的物理特性，这个标定常量不受温度、压力和环境等因素的影响。故可将所有已知气体分别与中间载气进行标定，建立一个各种气体与中间载气的标定数据库。此数据库可直接用于拉曼气体分析仪中利用拉曼散射的光谱图对气体浓度进行检测，从而使分析仪免除标定，大大的降低了激光气体分析仪的运行及维护成本。
因此，本发明具有如下优点：本发明由被标定气体和中间载气的拉曼散射光谱图，得到一个比值常量，根据气体的物理特性，这个标定常量不受温度、压力和环境等因素的影响。故可将所有已知气体分别与中间载气进行标定，建立一个各种气体与中间载气的标定数据库。此数据库可直接用于拉曼气体分析仪中利用拉曼散射的光谱图对气体浓度进行检测，从而使分析仪免除标定，大大的降低了激光拉曼气体分析仪的运行及维护成本。
附图说明
图1是本发明的信号处理流程示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
下面结合附图对本发明作进一步说明。
一种激光拉曼气体分析仪的标定和检测气体浓度的方法，包括标定步骤以及气体浓度检测步骤，具体是：
1、激光拉曼气体分析仪的标定步骤，具体如下：
步骤1.1.在进气口通入体积比在4:6～6:4范围的被标定气体与中间载气，待混合气稳定；
步骤1.2.由激光发射单元发出一束激光经过标定/测量气室中的混合气后，产生光谱图信号；
步骤1.3.光谱图采集器采集对应的被标定气体与中间载气的光谱图；
步骤1.4.数据分析模块根据对应的被标定气体与中间载气所得的光谱图，得到一个比值常量
其中，V标、V载分别为被标定气体和中间载气光谱图的波峰高度；n标、n载分别为被标定气体和中间载气的浓度，并且光谱图中得到的是V标、V载，n标、n载已知；
步骤1.5.更换被标定的气体，重复步骤1～4，完成所有已知气体的对应标定，建立一个标定数据库
2、所述气体浓度检测步骤包括两个选择步骤，
选择步骤一：含有标定中使用的中间载气且中间载气浓度较高的n+1种混合气体浓度检测步骤，本步骤根据标定数据库k标i，能够计算出各个气体组份的浓度，完成气体浓度的检测，具体如下：
步骤2.1.在进气口通入检测定混合气体与中间载气，待混合气稳定；
步骤2.2.由激光发射单元发出一束激光经过标定/测量气室中的混合气后，产生光谱图信号；
步骤2.3.光谱图采集器采集对应的被标定气体与中间载气的光谱图；
步骤2.4.数据分析模块根据对应的被标定气体与中间载气所得的光谱图，得到V测i、V载，根据标定数据库可得得
其中，V测i、V载分别为混合气体中的某一种气体和中间载气光谱图的波峰高度；n测i、n载分别为混合气体中的某一种气体和中间载气的浓度，并且光谱图中得到的是V测i、V载，k标i从标定步骤得到的标定数据库中已知；
步骤2.5.由式n测1+n测2+...+n测n+n载＝1，可计算出中间载气的浓度n载，从而也可计算出其他n种混合气中其他气体的浓度n测i；
选择步骤二：不含标定中使用的中间载气或者中间载气浓度较低的n+1种混合气体浓度检测步骤，本步骤根据标定数据库k标i，即可计算出各个气体组份的浓度，完成气体浓度的检测，具体如下：
步骤3.1.在进气口通入检测定混合气体，待混合气稳定；
步骤3.2.由激光发射单元发出一束激光经过标定/测量气室中的混合气后，产生光谱图信号；
步骤3.3.找到一种气体的光谱图幅值比较大，将此气体作为实际测量载气，定为第n+1种气体；
步骤3.4.光谱图采集器采集对应的被标定气体与实际测量载气的光谱图；
步骤3.5.数据分析模块根据对应的被标定气体与实际测量载气所得的光谱图，得到V测i、V测(n+1)，根据标定数据库可得和由
得到
其中，V测i、V测(n+1)分别为混合气体中的某一种气体和实际测量载气光谱图的波峰高度；n测i、n测(n+1)分别为混合气体中的某一种气体和实际测量载气的浓度，并且光谱图中得到的是V测i、V测(n+1)，k标i、k标(n+1)从从标定步骤得到的标定数据库中已知；
步骤3.6.由式n测1+n测2+...+n测n+n测(n+1)＝1，可计算出实际测量载气的浓度n测(n+1)，从而也可计算出其他n种混合气中其他气体的浓度n测i。
下面举实例说明激光拉曼气体分析仪的标定和气体成分检测过程：
激光拉曼光谱仪测试气体浓度的原理如下：
光谱仪可以获得拉曼散射的光谱图，光谱图反应的是不同波长的光的强度，单一波长的激光照射气体后，由于气体性质不同，会产生不同波长的拉曼散射，因此在光谱图中，不同的波峰代表着不同的气体。波峰的高度反应拉曼散射强度，拉曼散射强度与气体的密度成正比，拉曼散射强度与激光功率成正比，密度与气体的浓度，温度，压力，湿度等有关。因此从波峰高度直接求解气体的浓度，需要在激光功率，温度，压力，湿度等方面进行校准，同时还要考虑光路系统稳定性。
对某种气体，不管环境如何变化，都有：
V∝n
V为波峰高度，n为气体密度；
对于混合气体，因为各种因素对混合气体中每种成分的影响是相同的，有：
即有
系数k需要由标定得到，
标定的时候，选用标准气体与中间载气的两种气体的混合气作为标定气体，则有：
可得到：
这里可分别将可能被检的气体与中间载气的两种气体混合后分别进行标定，i种气体，所有标定气体要选用相同的载气，建立一个标定k标i的数据库，
测量的时候，假设只有标定时的两种气体，气体1为被标定的标气，气体2为中间载气，浓度分别为n1,n2，则n1+n2＝1；
K环境为两种气体的环境系数。
公示变换后，则有：
则有：
测量的时候，假设测量气体种类是标定气体种类的子集，浓度依次为n1,n2,Λ,ni,载气浓度为，ni+1>0，则有：
n1+n2+Λ+ni+ni+1＝1
上面的推导中，如果不存在载气，或者载气浓度比较低，所有的成分根据与载气的系数来求取浓度会存在较大的偏差。
同时，由标定数据库可得，对于任何两种气体有
所以测量的时候，总是可以找到一种气体的幅值比较大，将此气体作为实际测量的载气进行计算。
因此实际的操作是，先选用固定的中间载气(比如氮气)对所有可能的气体进行标定，标定的数据存入数据库，测量的时候，通过光谱图分析那种气体的拉曼散射强度较大，将此气体作为载气，重新计算与载气的系数，然后计算出所有气体的浓度，及完成气体浓度测试。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (1)
1.一种激光拉曼气体分析仪的标定和检测气体浓度的方法，其特征在于，包括标定步骤以及气体浓度检测步骤，具体是：
激光拉曼气体分析仪的标定步骤，具体如下：
步骤1.1.在进气口通入体积比在4:6～6:4范围的被标定气体与中间载气，待混合气稳定；
步骤1.2.由激光发射单元发出一束激光经过标定/测量气室中的混合气后，产生光谱图信号；
步骤1.3.光谱图采集器采集对应的被标定气体与中间载气的光谱图；
步骤1.4.数据分析模块根据对应的被标定气体与中间载气所得的光谱图，得到一个比值常量
其中，V标、V载分别为被标定气体和中间载气光谱图的波峰高度；n标、n载分别为被标定气体和中间载气的浓度，并且光谱图中得到的是V标、V载，n标、n载已知；
步骤1.5.更换被标定的气体，重复步骤1～4，完成所有已知气体的对应标定，建立一个标定数据库
所述气体浓度检测步骤包括两个选择步骤，
选择步骤一：含有标定中使用的中间载气且中间载气浓度较高的n+1种混合气体浓度检测步骤，本步骤根据标定数据库k标i，能够计算出各个气体组份的浓度，完成气体浓度的检测，具体如下：
步骤2.1.在进气口通入被标定气体与中间载气，待混合气稳定；
步骤2.2.由激光发射单元发出一束激光经过标定/测量气室中的混合气后，产生光谱图信号；
步骤2.3.光谱图采集器采集对应的被标定气体与中间载气的光谱图；
步骤2.4.数据分析模块根据对应的被标定气体与中间载气所得的光谱图，得到V测i、V载，根据标定数据库可得得
其中，V测i、V载分别为混合气体中的某一种气体和中间载气光谱图的波峰高度；n测i、n载分别为混合气体中的某一种气体和中间载气的浓度，并且光谱图中得到的是V测i、V载，k标i从标定步骤得到的标定数据库中已知；
步骤2.5.由式n测1+n测2+...+n测n+n载＝1，可计算出中间载气的浓度n载，从而也可计算出混合气中其他n种气体的浓度n测i；
选择步骤二：不含标定中使用的中间载气或者中间载气浓度较低的n+1种混合气体浓度检测步骤，本步骤根据标定数据库k标i，即可计算出各个气体组份的浓度，完成气体浓度的检测，具体如下：
步骤3.1.在进气口通入测定混合气体，待混合气稳定；
步骤3.2.由激光发射单元发出一束激光经过标定/测量气室中的混合气后，产生光谱图信号；
步骤3.3.找到一种气体的光谱图幅值比较大，将此气体作为实际测量载气，定为第n+1种气体；
步骤3.4.光谱图采集器采集对应的混合气体与实际测量载气的光谱图；
步骤3.5.数据分析模块根据对应的混合气体与实际测量载气所得的光谱图，得到V测i、V测(n+1)，根据标定数据库可得和由
得到
其中，V测i、V测(n+1)分别为混合气体中的某一种气体和实际测量载气光谱图的波峰高度；n测i、n测(n+1)分别为混合气体中的某一种气体和实际测量载气的浓度，并且光谱图中得到的是V测i、V测(n+1)，k标i、k标(n+1)从从标定步骤得到的标定数据库中已知；
步骤3.6.由式n测1+n测2+...+n测n+n测(n+1)＝1，可计算出实际测量载气的浓度n测(n+1)，从而也可计算出混合气中其他n种气体的浓度n测i。
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