CN109239010A - 基于多谱线光谱技术的气体监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于多谱线光谱技术的气体监测方法，所述气体监测方法包括以下步骤：(A1)谱线选择：选择与待测气体对应的第一吸收谱线和第二吸收谱线；(A2)量程选择：当所述待测气体的浓度在[0，A]时，选择所述第一吸收谱线；当所述待测气体的浓度在(A，100％]时，选择所述第二吸收谱线；(A3)量程修正；(A4)在位测量：当利用第一吸收谱线获得的气体浓度上升到超过(A+α)时，光源的输出波长调谐到第二吸收谱线；当利用第二吸收谱线获得的气体浓度下降到小于(A‑β)时，光源的输出波长调谐到第一吸收谱线。本发明具有监测精度高、适应能力强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及气体监测，特别涉及基于多谱线光谱技术的气体监测方法。
背景技术
在冶金、水泥、电力、机械制造等工业过程和环保领域，会排放大量的高温烟气，而高温环境下的湿度测量，其准确性直接影响环保领域计算排放总量或工业生产领域过程控制效率。
高温烟气中测量湿度面临如下几个问题：
1、温度高，一般温度范围在80℃-200℃，特殊情况下可能达到400℃；
2、烟气中一般会存在高粉尘和酸性物质，如SO2、NOx等；
3、温度变化大，导致湿度的变化范围宽。
当前烟气湿度的在线监测方法主要是干湿氧法和阻容法。干湿氧法采用氧化锆测量干湿烟气中的氧气，通过计算获得烟气水分，是一种间接测量方法，这种问题存在的问题是测量成本高、测量精度低，也不适合测量含有还原性气体的高温烟气；阻容法利用湿度变化与阻容法的电阻和电容变化间的函数关系，直接测量烟气排放中的水分，该方法操作简单，但长期稳定性差、存在长期使用漂移、失效和损坏的问题，也不适合应用于高温、强腐蚀性烟气环境。
激光吸收光谱技术(DLAS)作为一种快速、高精度、低能耗的气体分析技术，在冶金、化工等领域的气体分析中得到了广泛的应用。
利用激光吸收光谱技术测量气体中水蒸气的含量，如天然气中水蒸气含量，这是现有技术，如CN1222974A、CN104697951A。这些技术均是：采样测量环境的气体，经过预处理(如降温、降压等)后送入气体池内，再利用激光吸收光谱技术去检测。这类技术的不足主要在于：
1.采样时检测，测量延迟时间长，非在位式检测；
2.采用复杂的预处理设备，提高了成本，也降低了装置运行的可靠性；
3.在预处理过程中，气体中水蒸气会有损失，也即检测结果失真。
假如将现有的激光吸收光谱技术应用在烟气中水蒸气的在位检测中，则具有以下难点：
1.烟气的温度波动大，导致水蒸气浓度变化大，如从2％波动到90％；现有的基于激光吸收光谱技术的装置无法满足这种大量程需求，如CN 105445223中披露的；
2.会出现过饱和情况或检测不出气体的问题；
鉴于以上难点，目前，基于激光吸收光谱技术的分析仪还不能应用在烟气中水蒸气的在位检测中。
发明内容
为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种监测精度高、适应高温烟气环境的基于多谱线光谱技术的气体监测方法，实现了烟气中水蒸气的在位测量。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于多谱线光谱技术的气体监测方法，所述基于多谱线光谱技术的气体监测方法包括以下步骤：
(A1)谱线选择：选择与待测气体对应的第一吸收谱线和第二吸收谱线，所述第一吸收谱线和第二吸收谱线均处于光源的波长调谐范围内；
在相同温度和相同压强下，单位光程单位浓度的待测气体对第一吸收谱线光的吸收强于对第二吸收谱线光的吸收；
(A2)量程选择：当所述待测气体的浓度在[0，A]时，选择所述第一吸收谱线；当所述待测气体的浓度在(A，100％]时，选择所述第二吸收谱线；
(A3)量程修正：当所述待测气体的浓度在上升，且浓度在[0，A+α]时，选择所述第一吸收谱线，浓度在(A+α，100％]时，选择所述第二吸收谱线；
当所述待测气体的浓度在下降，且浓度在(A-β，100％]时，选择所述第二吸收谱线，浓度在[0，A-β]时，选择所述第一吸收谱线；
(A4)在位测量：当利用第一吸收谱线获得的气体浓度上升到超过(A+α)时，光源的输出波长调谐到第二吸收谱线；
当利用第二吸收谱线获得的气体浓度下降到小于(A-β)时，光源的输出波长调谐到第一吸收谱线。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
1.针对DLAS的应用难点，创造性地提出了多谱线技术；不同水蒸气浓度下采用不同的吸收谱线，使得在高浓度环境下，采用吸收相对较小的吸收谱线，在低浓度环境下，采用吸收相对较大的吸收谱线；完美地解决了过饱和、检测不出含量等问题；
2.为了防止吸收谱线切换中的浓度跳变，提出了量程修正，并具体分为上升和下降。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1是根据本发明实施例1的气体监测方法的流程图。
具体实施方式
图1和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
实施例1：
图1示意性地给出了本发明实施例1的基于多谱线技术的在位时气体监测方法的流程图，如图1所示，所述气体监测方法包括以下步骤：
(A1)谱线选择：选择与待测气体对应的第一吸收谱线和第二吸收谱线，所述第一吸收谱线和第二吸收谱线均处于光源的波长调谐范围内；
在相同温度和相同压强下，单位光程单位浓度的待测气体对第一吸收谱线光的吸收强于对第二吸收谱线光的吸收；
(A2)量程选择：当所述待测气体的浓度在[0，A]时，如A＝15％，20％，22％，18％等，选择所述第一吸收谱线；当所述待测气体的浓度在(A，100％]时，选择所述第二吸收谱线；
(A3)量程修正：当所述待测气体的浓度在上升，且浓度在[0，A+α]时，如α＝0.5，1.0％，1.6％，2.1％等，选择所述第一吸收谱线，浓度在(A+α，100％]时，选择所述第二吸收谱线；
当所述待测气体的浓度在下降，且浓度在(A-β，100％]时，如β＝0.5，1.0％，1.6％，2.1％等，选择所述第二吸收谱线，浓度在[0，A-β]时，选择所述第一吸收谱线；α∈[1％,2％]，β∈[1％,2％]；
(A4)在位测量：当利用第一吸收谱线获得的气体浓度上升到超过(A+α)时，光源的输出波长调谐到第二吸收谱线；
当利用第二吸收谱线获得的气体浓度下降到小于(A-β)时，光源的输出波长调谐到第一吸收谱线。
为了解决水蒸气标气无法准确获得的问题，进一步地，所述光源的波长调谐范围还包含标定气体的吸收谱线，所述标定气体和待测气体是不同的气体，从而实现了替代标定，如标定气体采用甲烷。
为了调谐光源的输出波长，进一步地，所述输入电流I满足以下条件：
a，b，c，d，e，f为系数，w，k为频率，T为周期；或者，
a，b为系数，w，k为频率，T为周期。
实施例2：
根据本发明实施例1的基于多谱线光谱技术的气体监测方法在烟气中水蒸气在位监测中的应用例。
(A1)谱线选择：光源采用可调谐半导体激光器，选择与水蒸气对应的第一吸收谱线和第二吸收谱线，甲烷作为标定气体，选择吸收谱线，第一吸收谱线、第二吸收谱线以及甲烷的吸收谱线均处于激光器的波长调谐范围内；吸收谱线的选择方法是本领域的现有技术，在此不再赘述；
在相同温度和相同压强下，单位光程单位浓度的水蒸气对第一吸收谱线光的吸收强于对第二吸收谱线光的吸收；
激光器的调谐电流I满足以下条件：
a，b，c，d，e，f为系数，w，k为频率，T为周期；
通过以上调谐电流，使得所述激光器的输出波长根据需要地扫过第一吸收谱线、第二吸收谱线和甲烷的吸收谱线；
(A2)量程选择：当所述水蒸气的浓度在[0，20％]时，选择所述第一吸收谱线；当所述水蒸气的浓度在(20％，100％]时，选择所述第二吸收谱线；
(A3)量程修正：当所述水蒸气的浓度在上升，且浓度在[0，21.5％]时，也即α＝1.5％，选择所述第一吸收谱线，浓度在(21.5％，100％]时，选择所述第二吸收谱线；
当所述水蒸气的浓度在下降，且浓度在(18.5％，100％]时，即β＝α＝1.5％，选择所述第二吸收谱线，浓度在[0，18.5％]时，选择所述第一吸收谱线；
(A4)在位测量：激光器发出的测量光穿过原始环境内(烟道内)的烟气，利用光谱技术分析被水蒸气选择性吸收后的测量光，从而获知原始环境中水蒸气的浓度：
当利用第一吸收谱线获得的气体浓度上升到超过21.5％时，激光器的输出波长调谐到第二吸收谱线；
当利用第二吸收谱线获得的气体浓度下降到小于18.5％时，激光器的输出波长调谐到第一吸收谱线。
上述实施例仅是示例性地给出了激光器的输入电流，当然还可以是其他形式，如激光器的输入电流I满足以下条件：
a，b为系数，w，k为频率，T为周期。
Claims (8)
1.一种基于多谱线光谱技术的气体监测方法，其特征在于：所述基于多谱线光谱技术的气体监测方法包括以下步骤：
(A1)谱线选择：选择与待测气体对应的第一吸收谱线和第二吸收谱线，所述第一吸收谱线和第二吸收谱线均处于光源的波长调谐范围内；
在相同温度和相同压强下，单位光程单位浓度的待测气体对第一吸收谱线光的吸收强于对第二吸收谱线光的吸收；
(A2)量程选择：当所述待测气体的浓度在[0，A]时，选择所述第一吸收谱线；当所述待测气体的浓度在(A，100％]时，选择所述第二吸收谱线；
(A3)量程修正：当所述待测气体的浓度在上升，且浓度在[0，A+α]时，选择所述第一吸收谱线，浓度在(A+α，100％]时，选择所述第二吸收谱线；
当所述待测气体的浓度在下降，且浓度在(A-β，100％]时，选择所述第二吸收谱线，浓度在[0，A-β]时，选择所述第一吸收谱线；
(A4)在位测量：当利用第一吸收谱线获得的气体浓度上升到超过(A+α)时，光源的输出波长调谐到第二吸收谱线；
当利用第二吸收谱线获得的气体浓度下降到小于(A-β)时，光源的输出波长调谐到第一吸收谱线。
2.根据权利要求1所述的基于多谱线光谱技术的气体监测方法，其特征在于：所述光源的波长调谐范围还包含标定气体的吸收谱线，所述标定气体和待测气体是不同的气体。
3.根据权利要求2所述的基于多谱线光谱技术的气体监测方法，其特征在于：所述待测气体是烟气中的水，所述烟气的温度不低于70度。
4.根据权利要求1所述的基于多谱线光谱技术的气体监测方法，其特征在于：α∈[1％,2％]，β∈[1％,2％]。
5.根据权利要求4所述的基于多谱线光谱技术的气体监测方法，其特征在于：α＝β。
6.根据权利要求1所述的基于多谱线光谱技术的气体监测方法，其特征在于：所述输入电流I满足以下条件：
a，b，c，d，e，f为系数，w，k为频率，T为周期；或者，
a，b为系数，w，k为频率，T为周期。
7.根据权利要求1所述的基于多谱线光谱技术的气体监测方法，其特征在于：在所述在位测量中，光源发出的测量光穿过原始环境内的气体，利用光谱技术分析被待测气体选择性吸收后的测量光，从而获知原始环境中待测气体的浓度。
8.根据权利要求1所述的基于多谱线光谱技术的气体监测方法，其特征在于：所述光源是激光器。
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