CN105548057A - 紫外光谱烟气分析测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种紫外光谱烟气分析测量方法，属于烟气检测技术领域，提供了一种在吸收光谱中剔除光强随波长缓慢变化的部分，而只留下随波长快速变化的部分，然后用快速变化部分去反演气体的浓度，从而可以避免因为光源温漂或衰减、粉尘干扰、其他气体干扰等因素引起的测量值波动和漂移的紫外光谱烟气分析测量方法，所采用的技术方案为用DOAS差分吸收光谱技术，就是在吸收光谱中剔除光强随波长缓慢变化的部分，而只留下随波长快速变化的部分，然后用快速变化部分去反演气体的浓度；本发明广泛用于烟气的分析测量。

Description

紫外光谱烟气分析测量方法

技术领域

本发明涉及一种紫外光谱烟气分析测量方法，属于烟气检测技术领域。

背景技术

目前，市面上现存的气体分析仪主要利用紫外荧光法和可调谐激光器法,紫外荧光法可以用来测量二氧化硫，其原理是190~230nm附近的紫外光照射到被测气体时,二氧化硫分子吸收紫外光的能量，分子受到激发从高能级返回基态时发出荧光。大气中的N2，O2基本不引起“荧光淬灭效应”，激发态的SO2主要通过荧光过程返回基态，利用光电倍增管接收发的荧光，紫外荧光发对SO2的监测灵敏度很高，荧光光强大小即可反映出二氧化硫的浓度。该方法可以监测到ppb数量级的低浓度SO2，同时动态范围和线性度很好，因此多用于空气环境质量监测。将其应用在烟气监测时，需要配备稀释法采样器，系统非常复杂。可调谐激光器（TunableLaser），是指在一定范围内可以连续改变激光输出波长的激光器。这种激光器的用途广泛，可用于光谱学、光化学、医学、生物学、集成光学、污染监测、半导体材料加工、信息处理和通信等。由于激光波段覆盖范围广，强度大，谱线窄，可以用于多种气体的检测。一般有两种工作方式：一种是利用被测气体的后向散射，得到污染气体在空间上的分布，基于差分吸收雷达技术。另一种是利用反射器获得光程方向上的平均浓度，透射光与发射光符合朗伯比尔定律。该方法的优势是几乎可以测量所有气体，响应快精度高。缺点是中红外区的可调谐激光器的成本太高，不同气体检测需配备不同光源，且近红外区的激光器产生的吸收谱线强度较低，不利于测量。

发明内容

为解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种在吸收光谱中剔除光强随波长缓慢变化的部分，而只留下随波长快速变化的部分，然后用快速变化部分去反演气体的浓度，从而可以避免因为光源温漂或衰减、粉尘干扰、其他气体干扰等因素引起的测量值波动和漂移的紫外光谱烟气分析测量方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为紫外光谱烟气分析测量方法，包括气室和光谱仪，按照以下步骤进行操作，

a、向光程为L的气室内通入浓度为X的待测气体；

b、利用光谱仪测量得到Ii(λ)，Ii(λ)表示第i种气体穿过浓度为X和光程为L的待测气体后的光强；

c、经过实验测量得到I0(λ)，I0(λ)表示波长在λ出的入射光强；

d、根据吸收截面的计算原理则为Beer-Lambert定律，计算得到σi(λ)，公式为Ii(λ)=I0(λ)exp{-L*σi(λ)*X}，

其中I0(λ)表示波长在λ出的入射光强，Ii(λ)表示第i种气体穿过浓度为X和光程为L的待测气体后的光强，σi(λ)即为第i种气体吸收截面；

e、采用最小二乘拟合的算法，对气体的具有明显吸收谱的波段的吸收截面进行曲线拟合，将拟合的曲线作为吸收截面的慢变部分Pi(λ)；

f、然后根据DOAS原理，进行计算得到Ri(λ)，计算公式为σi(λ)=Pi(λ)+Ri(λ)，

其中σi(λ)气体的吸收截面，Pi(λ)为吸收截面随波长缓慢变化部分，Ri(λ)为吸收截面随波长急剧变换部分；

g、最后利用吸收截面随波长急剧变换部分Ri(λ)，进行反演计算得到气体内各组分的浓度。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明利用了紫外采用DOAS差分吸收光谱技术，就是在吸收光谱中剔除光强随波长缓慢变化的部分，而只留下随波长快速变化的部分，然后用快速变化部分去反演气体的浓度，从而可以避免因为光源温漂或衰减、粉尘干扰、其他气体干扰等因素引起的测量值波动和漂移。同时可测量多种气体的浓度；消除了烟尘、水分、光源变化等影响因素，保证了测量的准确性和稳定性。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

紫外光谱烟气分析测量方法，其特征在于：包括气室和光谱仪，按照以下步骤进行操作，

a、向光程为L的气室内通入浓度为X的待测气体；

b、利用光谱仪测量得到Ii(λ)，Ii(λ)表示第i种气体穿过浓度为X和光程为L的待测气体后的光强；

c、经过实验测量得到I0(λ)，I0(λ)表示波长在λ出的入射光强；

d、根据吸收截面的计算原理则为Beer-Lambert定律，计算得到σi(λ)，公式为Ii(λ)=I0(λ)exp{-L*σi(λ)*X}，

其中I0(λ)表示波长在λ出的入射光强，Ii(λ)表示第i种气体穿过浓度为X和光程为L的待测气体后的光强，σi(λ)即为第i种气体吸收截面；

e、采用最小二乘拟合的算法，对气体的具有明显吸收谱的波段的吸收截面进行曲线拟合，将拟合的曲线作为吸收截面的慢变部分Pi(λ)；

f、然后根据DOAS原理，进行计算得到Ri(λ)，计算公式为σi(λ)=Pi(λ)+Ri(λ)，

其中σi(λ)气体的吸收截面，Pi(λ)为吸收截面随波长缓慢变化部分，Ri(λ)为吸收截面随波长急剧变换部分；

g、最后利用吸收截面随波长急剧变换部分Ri(λ)，进行反演计算得到气体内各组分的浓度。

本发明的测量原理为紫外差分光谱吸收法（DOSA技术），它是在一种对被测气体浓度进行比较准确定量分析的光谱分析方法，它利用被测气体在所选波段具有明显的差分吸收结构，从而准确辨别不同气体和监测被测气体浓度。

DOSA技术的基本原理是利用待测气体的窄带吸收特性来鉴别分子，并且根据窄带吸收强度反演气体的浓度。将气体的吸收截面看成是2部分的叠加，其一时随波长缓慢变化的部分，构成光谱的宽带结构，其二是随波长快速变化部分，构成光谱的窄带结构，如下式：σi(λ)=Pi(λ)+Ri(λ)，

其中σi(λ)气体的吸收截面，Pi(λ)为吸收截面随波长缓慢变化部分，Ri(λ)为吸收截面随波长急剧变换部分，DOAS的原理就是在吸收光谱中去除光强随波长缓慢变化部分，只留下随波长快速变化的部分，然后利用快速变化部分去反演气体浓度。

吸收截面的计算原理则为Beer-Lambert定律：该定律公式如下：Ii(λ)=I0(λ)exp{-L*σi(λ)*X}，

其中I0(λ)表示波长在λ出的入射光强，Ii(λ)表示第i种气体穿过浓度为X和光程为L的待测气体后的光强，σi(λ)即为第i种气体吸收截面。

I0(λ)可以有实验室测试得到，Ii(λ)可以由光谱仪测试得到，光程L为固定值，由上述两个公式可以看出，只要能去除了吸收截面的慢变部分Pi(λ)，利用快变部分Ri(λ)的值与气体的浓度的关系反演出气体浓度值。

本发明中根据被测气体的吸收特性，经过无数次的实验，选择了最合适的紫外波段去进行进行气体浓度反演，反演误差降至最低；利用特定的数据处理算法，排除气体彼此间的干扰；该算法有效的抑制了低浓度气体的测量误差；温度等外界因素对气体浓度的误差的影响得到了补偿；粉尘干扰对反演浓度的影响得到抑制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包在本发明范围内。

Claims (1)

1.紫外光谱烟气分析测量方法，其特征在于：包括气室和光谱仪，按照以下步骤进行操作，

a、向光程为L的气室内通入浓度为X的待测气体；

b、利用光谱仪测量得到Ii(λ)，Ii(λ)表示第i种气体穿过浓度为X和光程为L的待测气体后的光强；

c、经过实验测量得到I0(λ)，I0(λ)表示波长在λ出的入射光强；

d、根据吸收截面的计算原理则为Beer-Lambert定律，计算得到σi(λ)，公式为Ii(λ)=I0(λ)exp{-L*σi(λ)*X}，

其中I0(λ)表示波长在λ出的入射光强，Ii(λ)表示第i种气体穿过浓度为X和光程为L的待测气体后的光强，σi(λ)即为第i种气体吸收截面；

e、采用最小二乘拟合的算法，对气体的具有明显吸收谱的波段的吸收截面进行曲线拟合，将拟合的曲线作为吸收截面的慢变部分Pi(λ)；

f、然后根据DOAS原理，进行计算得到Ri(λ)，计算公式为σi(λ)=Pi(λ)+Ri(λ)，

其中σi(λ)气体的吸收截面，Pi(λ)为吸收截面随波长缓慢变化部分，Ri(λ)为吸收截面随波长急剧变换部分；

g、最后利用吸收截面随波长急剧变换部分Ri(λ)，进行反演计算得到气体内各组分的浓度。