CN109358095B - 一种混合气体各组分气体浓度的定量测量方法和系统 - Google Patents

一种混合气体各组分气体浓度的定量测量方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种混合气体各组分气体浓度的定量测量方法和系统，该方法包括：配置与待测混合气体相同组分的标准气体，测量并获得标准气体中每一组分气体的电流测量值；设定任意组分气体为参照气体，根据参照气体的浓度值和电流测量值以及标准气体中其他每一组分气体的浓度值和对应的电流测量值计算获得其他每一组分气体的标定曲线函数表达式；测量待测混合气体，获得待测混合气体中各组分气体的电流测量值；根据混合气体各组分气体的浓度和、标定曲线函数表达式以及待测混合气体各组分气体的电流测量值计算获得待测混合气体中各组分气体的浓度值。本发明可以在未知任何一种组分气体的浓度的情况下，测量计算获得混合气体中的每一组分气体的浓度。

Description

一种混合气体各组分气体浓度的定量测量方法和系统
技术领域
本发明涉及气体测量技术领域，尤其涉及一种混合气体各组分气体浓度的定量测量方法和系统。
背景技术
现有的混合气体各组分浓度测量中，需要知道至少一种组分的浓度才能计算出其他组分浓度值，例如公开号为：CN101210913A的专利，该专利通过对至少两份标准物质分析得到分析结果，利用质谱仪测量获得被测物质中两组组分的浓度，已知其中一种组分的浓度即可通过标准分析结果计算出另一种成分的浓度。然而，在实际的混合气体各组分浓度测量的过程中，往往很难获得一组分的浓度值，因而采用上述的测量方法难以实现混合气体各组分浓度的测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种混合气体各组分气体浓度的定量测量方法和系统，该测量方法和系统可以在所有组分气体浓度未知的情况下，测量计算获得混合气体各组分气体的浓度值。
为解决上述技术问题，本发明提供一种混合气体各组分气体浓度的定量测量方法，包括如下步骤：
配置与待测混合气体相同组分的标准气体，测量并获得标准气体中每一组分气体的电流测量值；
设定任意组分气体为参照气体，根据参照气体的浓度值和电流测量值以及标准气体中其他每一组分气体的浓度值和对应的电流测量值获得其他每一组分气体的标定曲线函数表达式；
测量待测混合气体，获得待测混合气体中各组分气体的电流测量值；
根据混合气体各组分气体的浓度和、标定曲线函数表达式以及待测混合气体各组分气体的电流测量值计算获得待测混合气体中各组分气体的浓度值。
其中，根据参照气体的浓度值和电流测量值以及标准气体中其他每一组分气体的浓度值和对应的电流测量值计算获得其他每一组分气体的标定曲线函数表达式具体包括：
分别计算标准气体中其他每一组分气体与参照气体的浓度值比值以及其他每一组分气体与参照气体的电流测量值比值；
将每一组标准气体中的每一其他组分气体获得的浓度值比值和对应的电流测量值比值形成坐标点，
分别对每一其他组分气体形成的多个坐标点进行一元线性拟合，获得其他每一组分气体的标定曲线的函数表达式。
其中，每一组分气体的电流测量值与其浓度值呈正比关系。
其中，所述每一其他组分气体的标定曲线函数为：
Figure BDA0001854859320000021
其中，Ci是标准气体中其他组分气体中的第i种组分气体的浓度值，Ii是标准气体中的其他组分气体中的第i种组分气体的电流测量值，C是标准气体中参照气体的浓度值，I是标准气体中参照气体的电流测量值，ki'是相对比例系数，i＝2,…,n-1，其中n为组分气体的种类数。
其中，所述方法具体还包括：
配置与待测混合气体相同组分的多组标准气体，记录每组标准气体中每一组分气体的浓度值，测量获得每组标准气体中每一组分气体对应的电流测量值；
选定任一组分气体作为参照气体；
分别获得每一组标准气体中其他组分气体与该组标准气体中的参照气体的浓度值比值以及其他组分气体与参照气体的电流测量值比值；
分别对每一其他组分气体的多个浓度值比值和对应的多个电流测量值比值进行一元线性拟合，获得其他每一组分气体的标定曲线的函数表达式。
其中，每一组分气体的电流测量值与其浓度值呈正比关系。
其中，混合气体各组分的浓度和为1。
本发明还提供一种一种混合气体各组分气体浓度的定量测量系统，包括：
第一测量装置，用于测量配置的与待测混合气体相同组分的标准气体中每一组分气体的电流测量值；
标定曲线函数生成单元，用于设定任意组分气体为参照气体，根据参照气体的浓度值和电流测量值以及标准气体中其他每一组分气体的浓度值和对应的电流测量值获得其他每一组分气体的标定曲线函数表达式；
第二测量装置，用于测量待测混合气体，获得各组分气体的电流测量值；
浓度值计算单元，用于根据混合气体各组分气体的浓度和、标定曲线函数表达式以及待测混合气体各组分气体的电流测量值计算获得待测混合气体中各组分气体的浓度值。
其中，所述标定曲线函数生成单元包括：
参照气体选定单元，用于选定任一组分气体作为参照气体；
比值计算单元，用于分别获得每一组标准气体中其他组分气体与该组标准气体中的参照气体的浓度值比值以及其他组分气体与参照气体的电流测量值比值；
拟合单元，用于分别对每一其他组分气体的多个浓度值比值和对应的多个电流测量值比值进行一元线性拟合，获得每一其他组分气体的标定曲线的函数表达式。
其中，所述第一测量装置和所述第二测量装置为质谱仪。
本发明实施例的有益效果在于：本发明通过配置与待测混合气体相同组分的标准气体，并通过设定参照气体，从而确定其他组分气体相对于参照气体的标定曲线，将测量获得待测气体的各组分的电流测量值代入上述标定曲线中从而解出每一其他组分气体的浓度值。本发明的方法，无须知道混合气体中的任意组分的浓度就可计算获得混合气体中的每一组分的浓度，并且该方法消除了分子的检测概率、粘性流到分子流的损失率、不同分子之间的相互影响等因素，提高了测量的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种混合气体各组分气体浓度的定量测量方法的流程示意图。
图2是本发明实施例的一种混合气体各组分气体浓度的定量测量系统结构示意图。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。
以下参照图1进行说明，本发明实施例一提供一种混合气体各组分气体浓度的定量测量方法，该方法包括如下步骤：
S1、配置与待测混合气体相同组分的标准气体，测量并获得标准气体中每一组分气体的电流测量值。
具体地，由于标准气体是通过人为配置的，因而，标准气体中，每一组分气体的浓度为已知量。假设待测的混合气体包括A、B、C三种气体，则配置由A、B、C三种组分气体组成的标准气体，记录标准气体中A、B、C三种组分气体的浓度值。该标准气体可以是一组或多组，为了提高测量的精度，通常可以通过调整各组分气体的浓度配比配置多组标准气体，分别记录每组标准气体的各组分气体的浓度值，并测量每组标准气体，获得每组标准气体的组分气体对应的电流测量值。
对于每一具体组分气体而言，其电流测量值与浓度值呈正比例关系，其关系式如下：
Ii＝kiCi(1)
其中，Ii为一组分气体的电流测量值，Ci为该组分气体的浓度值，ki为第i组分气体对应的比例系数，比例系数ki受多种因素影响，如分子的被检测概率、粘性流到分子流的损失率、不同分子之间的相互影响等。
对于含n种组分混合气体各组分浓度有如下关系：
Figure BDA0001854859320000041
其中，Cn是第n种组分气体的浓度，In是第n种组分气体的电流测量值。
S2、设定任意组分气体为参照气体，根据参照气体的浓度值和电流测量值以及标准气体中其他每一组分气体的浓度值和对应的电流测量值获得其他每一组分气体的标定曲线函数表达式。
为了测试的准确性以及减少测试的次数，选取标准气体中的任一组分气体作为参照气体。
当只配置一组标准气体时，分别计算标准气体中其他组分气体与参照气体的浓度值比值以及电流测量值比值，根据每一其他组分气体的浓度值比值和电流测量值比值可以计算出该组分气体的标定曲线的斜率，其中，任意组分其他的标定曲线的函数表达式为：
Figure BDA0001854859320000051
其中，Ci是标准气体中其他组分气体中的第i种组分气体的浓度值，Ii是标准气体中其他组分气体中的第i种组分气体的电流测量值，C是标准气体中参照气体的浓度值，I是标准气体中参照气体的电流测量值，ki'是相对比例系数，k是标准气体对应的比例系数。
结合式(1)和式(3)，不难发现，
Figure BDA0001854859320000052
由前面可知，ki受多种因素影响，通过相对比例系数，使得影响比例系数ki的多种因素均被抵消，从而提高了测试的准确性。例如，比例系数会随着气体组分的不同而变化，但是相对比例系数ki'应为定值。
根据公式(4)，可以得出其他各组分气体的标定曲线方程为：
Figure BDA0001854859320000053
当配置多组标注气体时，分别计算每一组标准气体中，每一其他组分气体与参照气体的浓度值比值和电流测量值比值。对任一其他组分气体而言，将在每一组标准其他中获得的浓度值比值作为该组其他组分气体的横坐标值，将对应的电流测量值作为该其他组分气体的纵坐标，从而形成坐标点。对每一组分气体而言，由于设置了多组标准气体，因而每一其他组分气体包括多个坐标点。
对每一组分气体生成的多个坐标点进行一元线性拟合，获得每一其他组分气体的标定曲线函数表达式。
具体地，每一其他组分气体的标定曲线函数表达式为：
Figure BDA0001854859320000054
通过建立每一其他组分的气体的标定曲线函数表达式，因而当知道了其他任意组分与标准气体的电流比值时，则可以计算出其他任意组分气体与标准气体的浓度比。
S3、测量待测混合气体，获得各组分气体的电流测量值。
具体地，可以利用质谱仪测量各组分气体的电流测量值。
S4、根据混合气体各组分气体的浓度和、标定曲线函数表达式以及待测混合气体各组分气体的电流测量值计算获得待测混合气体中各组分气体的浓度值。
具体地，假设待测混合气体的各组分的浓度为Ci，待测各气体组分的电流测量值为Ii，假设选定第一组分气体为标准气体，则分别获得
Figure BDA0001854859320000061
和
Figure BDA0001854859320000062
其中，i不等于1。
将
Figure BDA0001854859320000063
与对应的
Figure BDA0001854859320000064
代入步骤S2获得的标定曲线函数表达式中，从而可以得到n-1个方程。又由于1＝C1+C2+...+Cn，联立上述n个方程，可以解出对应的C1、C2、...、Cn。
本发明实施例一的一种混合气体各组分气体浓度的定量测量方法，通过配置与待测混合气体相同组分的标准气体，并通过设定参照气体，从而确定其他组分气体相对于参照气体的标定曲线，将测量获得的待测气体的各组分的电流值代入上述标定曲线中从而解出每一其他组分气体的浓度值。本发明的方法，无须知道混合气体中的任意组分的浓度就可计算获得混合气体中的每一组分的浓度，并且该方法消除了分子的检测概率、粘性流到分子流的损失率、不同分子之间的相互影响等因素，提高了测量的准确性。
基于本发明实施例一，本发明实施例二提供一种混合气体各组分气体浓度的定量测量系统，如图2所示，该系统10包括：
第一测量装置1，用于测量配置的与待测混合气体相同组分的标准气体中每一组分气体的电流测量值；
标定曲线函数生成单元2，用于设定任意组分气体为参照气体，根据参照气体的浓度值和电流测量值以及标准气体中其他每一组分气体的浓度值和对应的电流测量值获得其他每一组分气体的标定曲线函数表达式；
第二测量装置3，用于测量待测混合气体，获得各组分气体的电流测量值；
浓度值计算单元4，用于根据混合气体各组分气体的浓度和、标定曲线函数表达式以及待测混合气体各组分气体的电流测量值计算获得待测混合气体中各组分气体的浓度值。
其中，所述标定曲线函数生成单元2包括：
参照气体选定单元，用于选定任一组分气体作为参照气体；
比值计算单元，用于分别获得每一组标准气体中其他组分气体与该组标准气体中的参照气体的浓度值比值以及其他组分气体与参照气体的电流测量值比值；
拟合单元，用于将每一组标准气体中的每一其他组分气体获得的浓度值比值和对应的电流测量值比值形成坐标点，分别对每一其他组分气体形成的多个坐标点进行一元线性拟合，获得其他每一组分气体的标定曲线的函数表达式。
其中，所述第一测量装置1和所述第二测量装置3为质谱仪。
以下举例说明上述测量方法和测量系统。
假设待测气体为包含三种气体的混合气体，配置与待测气体组分相同的含三种气体的标准气体，调整各组分浓度配比得到两组以上质谱仪测量结果。以两组为例，对于第一组有已知三种气体真实浓度C11、C12、C13和对应测量值I11、I12、I13，对于第二组有已知三种气体真实浓度C21、C22、C23和对应测量值I21、I22、I23。对于第一组标准气体，分别计算获得
Figure BDA0001854859320000071
对于第二组标准气体，分别计算获得
Figure BDA0001854859320000072
对于第二组分气体的
Figure BDA0001854859320000073
和
Figure BDA0001854859320000074
进行现行一元线性拟合，从而可以得到第二组分气体的标定曲线函数表达式为：
Figure BDA0001854859320000075
采用与第二组分气体相同的方法，可以获得第三组分气体的标定曲线函数表达是为：
Figure BDA0001854859320000076
其中，I1为参照气体的电流测量值，I2、I3分别为第二组分气体和第三组分气体的电流测量值，C1为参照气体的浓度值、C2、C3分别为第二组分气体和第三组分气体的浓度值，a1和a2分别为相应的截距。
接着，由质谱仪测量得到待测样品中三个气体组分电流测量值，分别为I测1，I测2，I测3。
又由于知三种组分浓度和为1，即1＝C1+C2+C3。从而可以解出：
Figure BDA0001854859320000081
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种混合气体各组分气体浓度的定量测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
配置与待测混合气体相同组分的标准气体，测量并获得标准气体中每一组分气体的电流测量值；
设定任意组分气体为参照气体，根据参照气体的浓度值和电流测量值以及标准气体中其他每一组分气体的浓度值和对应的电流测量值计算获得其他每一组分气体的标定曲线函数表达式；
测量待测混合气体，获得待测混合气体中各组分气体的电流测量值；
根据混合气体各组分气体的浓度和、标定曲线函数表达式以及待测混合气体各组分气体的电流测量值计算获得待测混合气体中各组分气体的浓度值；
其中，混合气体中各组分的浓度和为1；
所述其他每一 组分气体的标定曲线函数为：
Figure FDA0003177143020000011
其中，Ci是标准气体中其他组分气体中的第i种组分气体的浓度值，Ii是标准气体中的其他组分气体中的第i种组分气体的电流测量值，C是标准气体中参照气体的浓度值，I是标准气体中参照气体的电流测量值，ki'是相对比例系数，i＝2,…,n-1，其中n为组分气体的种类数。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，根据参照气体的浓度值和电流测量值以及标准气体中其他每一组分气体的浓度值和对应的电流测量值计算获得其他每一组分气体的标定曲线函数表达式具体包括：
分别计算标准气体中其他每一组分气体与参照气体的浓度值比值以及其他每一组分气体与参照气体的电流测量值比值；
根据每一其他组分气体的浓度值比值和对应的电流测量值比值获得每一其他组分气体的标定曲线函数。
3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于：
每一组分气体的电流测量值与其浓度值呈正比关系。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：
配置与待测混合气体相同组分的多组标准气体，记录每组标准气体中每一组分气体的浓度值，测量获得每组标准气体中每一组分气体对应的电流测量值；
选定任一组分气体作为参照气体；
分别获得每一组标准气体中其他组分气体与该组标准气体中的参照气体的浓度值比值以及其他组分气体与参照气体的电流测量值比值；
将每一组标准气体中的每一其他组分气体获得的浓度值比值和对应的电流测量值比值形成坐标点；
分别对每一其他组分气体形成的多个坐标点进行一元线性拟合，获得其他每一组分气体的标定曲线的函数表达式。
5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：
每一组分气体的电流测量值与其浓度值呈正比关系。
6.一种混合气体各组分气体浓度的定量测量系统，其特征在于，包括：
第一测量装置，用于测量配置的与待测混合气体相同组分的标准气体中每一组分气体的电流测量值；
标定曲线函数生成单元，用于设定任意组分气体为参照气体，根据参照气体的浓度值和电流测量值以及标准气体中其他每一组分气体的浓度值和对应的电流测量值获得其他每一组分气体的标定曲线函数表达式；
第二测量装置，用于测量待测混合气体，获得各组分气体的电流测量值；
浓度值计算单元，用于根据混合气体各组分气体的浓度和、标定曲线函数表达式以及待测混合气体各组分气体的电流测量值计算获得待测混合气体中各组分气体的浓度值；
其中，混合气体中各组分的浓度和为1；
所述其他每一 组分气体的标定曲线函数为：
Figure FDA0003177143020000021
其中，Ci是标准气体中其他组分气体中的第i种组分气体的浓度值，Ii是标准气体中的其他组分气体中的第i种组分气体的电流测量值，C是标准气体中参照气体的浓度值，I是标准气体中参照气体的电流测量值，k′i是相对比例系数，i＝2,…,n-1，其中n为组分气体的种类数。
7.根据权利要求6所述的定量测量系统，其特征在于，所述标定曲线函数生成单元包括：
参照气体选定单元，用于选定任一组分气体作为参照气体；
比值计算单元，用于分别获得每一组标准气体中其他组分气体与该组标准气体中的参照气体的浓度值比值以及其他组分气体与参照气体的电流测量值比值；
拟合单元，用于将每一组标准气体中的每一其他组分气体获得的浓度值比值和对应的电流测量值比值形成坐标点，分别对每一其他组分气体形成的多个坐标点进行一元线性拟合，获得其他每一组分气体的标定曲线的函数表达式。
8.根据权利要求7所述的定量测量系统，其特征在于：
所述第一测量装置和所述第二测量装置为质谱仪。
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