CN104568836A - 基于多种光谱技术融合的低浓度、多组分气体检测方法 - Google Patents
基于多种光谱技术融合的低浓度、多组分气体检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明设计基于多种光谱技术融合的低浓度、多组分高灵敏气体检测方法,该方法综合了紫外差分吸收光谱技术(DOAS)与红外激光光谱技术(IR-TDLAS)的优点,实现两种光谱的信息融合和特征信号提取。该方法利用TDLAS方法测量烟气中的NH3浓度,同时利用紫外吸收光谱法测量烟气中的SO2、NO2浓度,根据所得浓度与三种气体对NO吸光度的干扰光谱,去除NO吸光度中三种组分的干扰,进而求解消除交叉干扰后的NO浓度,大大提高测量精度和检测下限。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于多种光谱技术融合的低浓度、多组分高灵敏气体检测技术,属光谱测量技术领域。
背景技术
目前用于工业污染源烟气排放和生产过程中的SO2、NO、NO2浓度在线监测技术按其原理主要可分为非分散红外吸收法、电化学方法和差分吸收光谱法(DOAS,Differential OpticalAbsorption Spectroscopy)。
大量的工程应用以及实验室反复测试表明:目前绝大部分红外仪表存在着低浓度SO2、NO测量准确度低、线性偏差大以及仪表的检测下限高等突出问题,尤其是在低浓度(低于50mg/m3)时,水分对测量的干扰较为明显,测量结果出现较大偏差,越来越难以满足日益严格的烟气排放标准;电化学分析方法交叉干扰严重,易受水分、H2S、NO、NO2的影响,主要适用于短期SO2浓度检测;紫外差分吸收光谱法能对SO2、NO2两种组分进行低浓度、高灵敏检测,但是无法去除脱硝工况条件下NH3对低浓度NO的交叉干扰。
随着国家对烟气排放标准的不断提高以及目标监测气体数目(NH3)的增加,现有监测仪器设备均存在SO2、NO低浓度测量准确度差、测量组分“单一”等问题。能否实现低浓度、多组分烟气浓度高灵敏检测,是企业能否执行日益严格的烟气排放标准的前提,同时也是环保部门能否获取有效监测数据的前提。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多种光谱技术融合的低浓度、多组分高灵敏气体检测技术,根据被测气体在不同波段的吸收特点,该技术融合紫外光谱(基于DOAS技术)和红外激光光谱(基于TDLAS技术),实现两种光谱的信息融合和特征信号提取,可实现多种组分气体(SO2、NO、NO2和NH3)的同时测量,同时可显著提高低浓度测量准确度,并获得较低的检测下限。
本发明的技术方案如下:
本发明用红外激光光谱技术对NH3浓度进行测量,用紫外差分吸收光谱技术对SO2、NO2浓度进行测量,根据所测SO2、NO2和NH3浓度,消除这三个组分对NO的吸光度干扰,最终用紫外差分吸收光谱技术对NO浓度进行测量,消除目标气体之间的交叉干扰,得到真实SO2、NO、NO2、NH3浓度。
本发明是一种基于多种光谱技术融合的低浓度、多组分高灵敏气体检测技术,其流程图如图1所示,方法步骤如下:
步骤一:记录背景光谱
对气池内通入N2或空气情况下,利用光谱仪提取紫外吸收背景光谱数据I0,利用光电二极管和锁相放大器提取红外吸收背景光谱数据X0;
步骤二:利用多探测器分别提取红外吸收光谱信号和紫外吸收光谱信号
对气池内通入待测烟气情况下,利用光谱仪提取紫外吸收光谱信号I1,利用光电二极管与锁相放大器提取红外吸收光谱信号X1;
步骤三:将吸收光谱信号扣除背景光谱信号
用I0和I1根据公式一,计算得到紫外吸收光谱吸光度σ
用X0和X1根据公式二,计算得到红外吸收光谱二次谐波信号γ
γ=X1-X0 (二)
步骤四:分别计算测量气池内NH3浓度和SO2、NO2浓度
根据步骤三所得红外吸收光谱二次谐波信号γ,采用可调谐二极管激光光谱法,对NH3浓度进行反演,得到NH3浓度
根据步骤三所得吸光度σ,采用紫外差分吸收光谱法对气池SO2、NO2浓度进行反演,得到SO2、NO2浓度
步骤五:利用多元光谱信息融合模型计算SO2、NO、NO2和NH3,消除交叉干扰
从步骤三所得吸光度σ中提取223nm~228nm波段数据,得到NO吸光度δNO,根据基础数据SO2、NO2、NH3对NO在223nm~228nm波段吸光度的干扰光谱和步骤四所得SO2、NO2、NH3浓度,按照以下公式,分别计算SO2、NO2、NH3对NO吸光度的干扰光谱
根据公式三得到去除交叉干扰后的NO吸光度光谱δ
由NO在223nm~228nm的基础数据库,可得NO吸收截面χ,采用去除交叉干扰后的NO吸光度光谱δ,根据公式四计算去除交叉干扰后的NO浓度CNO,其中n为数组χ和δ的元素个数
本发明相比现有技术具有如下优点:
1、本发明融合紫外差分吸收光谱和可调谐激光光谱两种光谱技术,同时提取SO2、NO、NO2在紫外波段的差分吸收光谱信号以及NH3在红外波段的二次谐波信号,建立基于多元光谱信息融合的气体浓度反演模型,消除使用单一光谱技术(紫外或红外光谱技术)存在的气体组分之间或其它干扰气体吸收光谱重叠带来的交叉干扰,可以准确测量多组分气体浓度,尤其是在低浓度条件下,具有较低的检测下限;
利用本发明,可实现在全程高温状态下(包括取样和分析)利用单个分析模块对烟气中的SO2、NO、NO2和NH3四种气体进行分析,上述四种气体浓度测量结果均属于同一测点,测量结果更具有代表性,能够更好的指导工业生产。
附图说明
图1为本发明基于多种光谱技术融合的低浓度、多组分高灵敏气体检测技术流程图。
图2为1ppm SO2、NO2、NH3对NO吸光度的干扰光谱
图3为SO2、NO2、NH3干扰光谱
图4为存在交叉干扰的NO吸光度δNO与去除交叉干扰后的NO吸光度δ对比图。
图5为本发明方法中气体分析模块的硬件原理框图。
具体实施方式
(以下结合图1-图4,对本发明进一步详细描述)
下面对具体实施过程进行说明,如图4实线所示,未采用本发明方法情况下,NO吸光度存在严重的交叉干扰:
本发明方法如图1所示,的具体步骤如下:
步骤一:记录背景光谱
对气池内通入N2或空气情况下,利用光谱仪提取紫外吸收背景光谱数据I0,利用光电二极管和锁相放大器提取红外吸收背景光谱数据X0,即二次谐波背景信号。
步骤二:利用多探测器分别提取紫外吸收光谱信号和红外吸收光谱信号
对气池内通入待测烟气情况下,利用光谱仪提取紫外吸收光谱信号I1,利用光电二极管与锁相放大器提取红外吸收光谱信号X1,即存在吸收的二次谐波信号。
步骤三:将吸收光谱信号扣除背景光谱信号
用I0和I1根据公式一,计算得到紫外吸收光谱吸光度σ
用X0和X1根据公式二,计算得到红外吸收光谱二次谐波信号γ
γ=X1-X0 (二)
步骤四:分别计算测量气池内待测气体中NH3浓度和SO2、NO2浓度
根据步骤三所得NH3二次谐波信号γ,采用可调谐二极管激光光谱法,对NH3浓度进行反演,得到NH3浓度
根据步骤三所得吸光度σ,从吸光度中提取290到300nm波段和355~365nm波段的吸光度,结合SO2、NO2基础吸收截面,对气池内SO2、NO2浓度进行反演,得到SO2、NO2浓度
步骤五:利用多元光谱信息融合模型计算SO2、NO、NO2和NH3,消除交叉干扰。
从步骤三所得吸光度σ中提取223nm~228nm波段数据,得到NO吸光度δNO,根据基础数据SO2、NO2、NH3对NO在223nm~228nm波段吸光度的干扰光谱和步骤四所得SO2、NO2、NH3浓度,按照下式,计算SO2、NO2、NH3对NO吸光度的干扰光谱计算结果如图3所示:
根据公式四得到去除交叉干扰后的NO吸光度光谱δ,结果如图4所示:
由NO在223nm~228nm的基础数据库,可得NO吸收截面χ,采用去除交叉干扰后的NO吸光度光谱δ,根据公式五计算去除交叉干扰后的NO浓度CNO,其中n为数组χ和δ的元素个数,n=51。
如果采用去除交叉干扰前的NO吸光度光谱δNO计算,所得去除交叉干扰前的NO浓度结果如下:
由结果可知,仅不到50ppm的SO2、NO2和3ppm的NH3就会引起NO浓度偏差近6ppm,这对低浓度测量准确度是一个非常大的影响因素,然而该技术可很好的解决由交叉干扰带来的测量不准确,并且可同时实现SO2、NO2和NH3的准确测量。
结合本发明,所开发的系统由高温取样探杆、全程高温伴热管线、高温气体分析模块、尾气处理装置四部分组成,全程高温伴热控制在190℃~210℃(本例中温控195℃)。系统工作时,烟道中烟气由高温取样探杆抽取至全程高温伴热管线,之后进入高温气体分析模块对四种气体进行浓度测量,最后经过尾气处理装置最终排空。高温气体分析模块硬件设计如图5所示,本系统实现了全程高温状态下(包括取样和分析)利用一个高温气体分析模块对烟气中的SO2、NO、NO2和NH3四种气体进行分析,可减少多模块所带来的系统成本,避免传统抽取方法在冷凝过程中样气损失带来的测量误差,尤其是对低浓度烟气的测量,且上述四种气体浓度测量结果均属于同一测点,测量结果更具有代表性,能够更好的指导工业生产。
Claims (2)
1.一种基于多种光谱技术融合的低浓度、多组分高灵敏气体检测方法,其特征在于:该方法包括以下步骤,
步骤一:记录背景光谱
对气池内通入N2或空气情况下,利用光谱仪提取紫外吸收背景光谱数据I0,利用光电二极管和锁相放大器提取红外吸收背景光谱数据X0;
步骤二:利用多探测器分别提取紫外吸收光谱信号和红外吸收光谱信号
对气池内通入待测烟气情况下,利用光谱仪提取紫外吸收光谱信号I1,利用光电二极管与锁相放大器提取红外吸收光谱信号X1;
步骤三:将吸收光谱信号扣除背景光谱信号
用I0和I1根据公式一,计算得到紫外吸收光谱吸光度σ
用X0和X1根据公式二,计算得到红外吸收光谱二次谐波信号γ
γ=X1-X0 (二)
步骤四:分别计算测量气池内NH3浓度和SO2、NO2浓度
根据步骤三所得红外吸收光谱二次谐波信号γ,采用可调谐二极管激光光谱法,对NH3浓度进行反演,得到NH3浓度
根据步骤三所得吸光度σ,采用紫外差分吸收光谱法对气池SO2、NO2浓度进行反演,得到SO2、NO2浓度
步骤五:利用多元光谱信息融合模型计算SO2、NO、NO2和NH3,消除交叉干扰
从步骤三所得吸光度σ中提取223nm~228nm波段数据,得到NO吸光度δNO,根据基础数据SO2、NO2、NH3对NO在223nm~228nm波段吸光度的干扰光谱和步骤四所得SO2、NO2、NH3浓度,按照以下公式,分别计算SO2、NO2、NH3对NO吸光度的干扰光谱
根据公式三得到去除交叉干扰后的NO吸光度光谱δ
由NO在223nm~228nm的基础数据库,可得NO吸收截面χ,采用去除交叉干扰后的NO吸光度光谱δ,根据公式四计算去除交叉干扰后的NO浓度CNO,其中n为数组χ和δ的元素个数
2.根据权利要求1所述的检测方法,其特征是:测试过程中,采用全程高温伴热,伴热温度控制在190℃~210℃。
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