CN108181266A - Tdlas气体浓度检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种TDLAS气体浓度检测方法，包括如下步骤：D、计算步骤C中的5种吸收峰面积作为目标气体的浓度特征量，以吸收峰面积为x、目标气体的5种实际浓度为y进行线性拟合，得到实际浓度‑吸收峰面积定标模型；E、向气体池中通入未知浓度的待检测气体，待光谱稳定后，测得待测光谱，与步骤A得到的标准零光谱按光谱锯齿波下降沿进行光谱缩放和对齐，将对齐后的光谱做差，提取光谱锯齿波上升沿差值曲线得到待测光谱的吸收峰；F、计算待测光谱的吸收峰面积，将其代入步骤D中的实际浓度‑吸收峰面积定标模型中，计算得到待检测气体的浓度。确定未知浓度的待检测气体的吸收峰面积，进而反演出待检测气体的实际浓度。

Description

TDLAS气体浓度检测方法
技术领域
本发明属于气体浓度测量领域，特别涉及一种TDLAS气体浓度检测方法。
背景技术
可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技术因为其具有的高灵敏度、极佳的气体选择能力、非接触测量以及快速响应等特点已被广泛应用于污染物检测、大气监测、工农业的生产过程控制等众多领域。该技术通过获取入射激光被目标气体成分吸收的强度，并参照入射激光的强度，可以反演计算出待测气体中目标气体成分的浓度。现有技术中的TDLAS检测方法是基于光谱上升沿上的无吸收区域进行线性拟合，如图1所示，上升沿在吸收坑的两端存在无吸收区域，利用该无吸收区域进行线性拟合得到线性上升沿，然后将线性上升沿减去带有吸收坑的上升沿得到气体吸收峰。但是实际中线性拟合的结果通常并不理想，一方面实际测量中气体吸收坑会发生漂移，影响无吸收区域的选择，另一方面上升沿并不完全为线性，需要用二次或高次多项式拟合进行优化，然而最优阶次无法确定。特别是实际工业环境中，烟气、振动等影响巨大，所谓的无吸收区域会存在不明气体的吸收坑，进一步为线性拟合带来困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种TDLAS气体浓度检测方法，避免吸收坑漂移及烟气、振动环境影响，准确的测量出待检测气体的浓度。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种TDLAS气体浓度检测方法，包括如下步骤：A、气体池中接入光谱仪，向气体池中通入标准N2气5分钟，等待光谱仪测得的光谱稳定后，测得标准零光谱；B、将待检测气体记为目标气体，向气体池中分别通入5种已知浓度的目标气体标气，每种目标气体标气通入2分钟，待光谱稳定后，测得5种标气光谱；C、将步骤B得到的5种标气光谱分别与步骤A得到的标准零光谱按光谱锯齿波下降沿进行光谱缩放和对齐，将对齐后的光谱做差，提取光谱锯齿波上升沿差值曲线得到5种标气光谱的吸收峰；D、计算步骤C中的5种吸收峰面积作为目标气体的浓度特征量，以吸收峰面积为x、目标气体的5种实际浓度为y进行线性拟合，得到实际浓度-吸收峰面积定标模型；E、向气体池中通入未知浓度的待检测气体，待光谱稳定后，测得待测光谱，与步骤A得到的标准零光谱按光谱锯齿波下降沿进行光谱缩放和对齐，将对齐后的光谱做差，提取光谱锯齿波上升沿差值曲线得到待测光谱的吸收峰；F、计算待测光谱的吸收峰面积，将其代入步骤D中的实际浓度-吸收峰面积定标模型中，计算得到待检测气体的浓度。
上述技术方案中，因为光谱锯齿波下降沿并不会出现吸收坑，所以不存在吸收坑漂移的情况，且下降沿相对稳定也不会出现不明气体的吸收坑，受工业环境影响极小，所以本发明是基于下降沿进行计算，至少先选出目标气体的5种已知浓度，对其进行采集得到5种标气光谱，拿5种标气光谱相对标准零光谱的光谱锯齿波下降沿进行缩放与对齐，随后将标准零光谱曲线与标气光谱曲线做差得到确定的吸收坑，进而准确的计算出吸收峰的面积，做出实际浓度-吸收峰面积模型，同样的方法确定未知浓度的待检测气体的吸收峰面积，进而反演出待检测气体的实际浓度。
附图说明
图1为现有技术线性拟合图；
图2为待检测气体的待测光谱与标准零光谱对比示意图；
图3为本发明实际浓度-吸收峰面积定标模型。
具体实施方式
结合附图2、3对本发明做出进一步的说明：
一种TDLAS气体浓度检测方法，包括如下步骤：A、气体池中接入光谱仪，向气体池中通入标准N2气5分钟，等待光谱仪测得的光谱稳定后，测得标准零光谱；B、将待检测气体记为目标气体，向气体池中分别通入5种已知浓度的目标气体标气，每种目标气体标气通入2分钟，待光谱稳定后，测得5种标气光谱；C、将步骤B得到的5种标气光谱分别与步骤A得到的标准零光谱按光谱锯齿波下降沿进行光谱缩放和对齐，将对齐后的光谱做差，提取光谱锯齿波上升沿差值曲线得到5种标气光谱的吸收峰；D、计算步骤C中的5种吸收峰面积作为目标气体的浓度特征量，以吸收峰面积为x、目标气体的5种实际浓度为y进行线性拟合，得到实际浓度-吸收峰面积定标模型；E、向气体池中通入未知浓度的待检测气体，待光谱稳定后，测得待测光谱，与步骤A得到的标准零光谱按光谱锯齿波下降沿进行光谱缩放和对齐，将对齐后的光谱做差，提取光谱锯齿波上升沿差值曲线得到待测光谱的吸收峰；F、计算待测光谱的吸收峰面积，将其代入步骤D中的实际浓度-吸收峰面积定标模型中，计算得到待检测气体的浓度。
因为光谱锯齿波下降沿并不会出现吸收坑，所以不存在吸收坑漂移的情况，且下降沿相对稳定也不会出现不明气体的吸收坑，受工业环境影响极小，所以本发明是基于下降沿进行计算，至少先选出目标气体的5种已知浓度，对其进行采集得到5种标气光谱，拿5种标气光谱相对标准零光谱的光谱锯齿波下降沿进行缩放与对齐，随后将标准零光谱曲线与标气光谱曲线做差得到确定的吸收坑，进而准确的计算出吸收峰的面积，做出实际浓度-吸收峰面积模型，同样的方法确定未知浓度的待检测气体的吸收峰面积，进而反演出待检测气体的实际浓度。
如图2所示，其为待检测气体的待测光谱与标准零光谱对比示意图，同样的其它5种标气光谱与标准零光谱的对比示意图与图2类似，只不过位于光谱上升沿的吸收坑的形状略有不同；如图3所示，作为实施例，其根据5种标气光谱的吸收峰面积与已知浓度拟合出的实际浓度-吸收峰面积定标模型。
所述的步骤A包括如下步骤：A1、搭建TDLAS气体浓度检测装置，接入光谱仪，调整装置位置及角度，确保光谱仪采集到气体池中的气体光谱数据；A2、使用空气对气体池吹扫十分钟，对气体池进行初步清扫，向吹扫后的气体池中通入标准N2气5分钟；A3、根据N2气的波长调整光谱仪的发射激光频率，待光谱仪测得光谱稳定后，记录1分钟光谱数据，做平均处理作为标准零光谱。经过上述步骤，得出确切的标准零光谱，作为标气光谱及检测光谱的参考。
所述的步骤B包括如下步骤：B1、根据待检测气体的波长调整光谱仪的发射激光频率，将待分析浓度的气体记为目标气体；B2、随机选出5种已知浓度的目标气体标气，第一种浓度的目标气体标气通入气体池2分钟，将N2气排尽，待光谱稳定测得标气光谱；B3、依次通入剩下4种已知浓度的目标气体标气，每次目标气体标气通入2分钟，排尽其它浓度的标气，待光谱稳定后，测得共5种标气光谱。挑选出目标气体的已知浓度至少五种，进行线性拟合，便于建立准确的实际浓度-吸收峰面积模型。

Claims (3)

1.一种TDLAS气体浓度检测方法，包括如下步骤：
A、气体池中接入光谱仪，向气体池中通入标准N2气5分钟，等待光谱仪测得的光谱稳定后，测得标准零光谱；
B、将待检测气体记为目标气体，向气体池中分别通入5种已知浓度的目标气体标气，每种目标气体标气通入2分钟，待光谱稳定后，测得5种标气光谱；
C、将步骤B得到的5种标气光谱分别与步骤A得到的标准零光谱按光谱锯齿波下降沿进行光谱缩放和对齐，将对齐后的光谱做差，提取光谱锯齿波上升沿差值曲线得到5种标气光谱的吸收峰；
D、计算步骤C中的5种吸收峰面积作为目标气体的浓度特征量，以吸收峰面积为x、目标气体的5种实际浓度为y进行线性拟合，得到实际浓度-吸收峰面积定标模型；
E、向气体池中通入未知浓度的待检测气体，待光谱稳定后，测得待测光谱，与步骤A得到的标准零光谱按光谱锯齿波下降沿进行光谱缩放和对齐，将对齐后的光谱做差，提取光谱锯齿波上升沿差值曲线得到待测光谱的吸收峰；
F、计算待测光谱的吸收峰面积，将其代入步骤D中的实际浓度-吸收峰面积定标模型中，计算得到待检测气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的TDLAS气体浓度检测方法，其特征在于：所述的步骤A包括如下步骤：
A1、搭建TDLAS气体浓度检测装置，接入光谱仪，调整装置位置及角度，确保光谱仪采集到气体池中的气体光谱数据；
A2、使用空气对气体池吹扫十分钟，对气体池进行初步清扫，向吹扫后的气体池中通入标准N2气5分钟；
A3、根据N2气的波长调整光谱仪的发射激光频率，待光谱仪测得光谱稳定后，记录1分钟光谱数据，做平均处理作为标准零光谱。
3.根据权利要求1所述的TDLAS气体浓度检测方法，其特征在于：所述的步骤B包括如下步骤：
B1、根据待检测气体的波长调整光谱仪的发射激光频率，将待分析浓度的气体记为目标气体；
B2、随机选出5种已知浓度的目标气体标气，第一种浓度的目标气体标气通入气体池2分钟，将N2气排尽，待光谱稳定测得标气光谱；
B3、依次通入剩下4种已知浓度的目标气体标气，每次目标气体标气通入2分钟，排尽其它浓度的标气，待光谱稳定后，测得共5种标气光谱。
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