CN111610189B - 一种多组分气体浓度光学标定系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多组分气体浓度光学标定系统及方法。所述系统包括配气单元、气室单元和多孔径探测单元；所述配气单元，用于配制混合气体；所述气室单元，用于实现气室内混合气体的温度控制；所述多孔径探测单元，分上中下三层，上层安装不同中心波长的滤光片；中层为光线分隔板，防止穿过相应滤光片的光线进入到其他成像探测器中；下层为不同的成像探测器；多孔径探测单元通过对气室单元内混合气体光学信号的采集，并传输到计算机进行数据处理，进而建立标定函数，即可实现气体浓度的标定。本发明能够准确配制混合气体，并且能够提高对单一气体检测的准确度，也能同时对多种气体进行检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种多组分气体浓度光学标定系统及方法。
背景技术
气体组分浓度和状态参数在很多方面都有着重要的应用，如大气污染监测、气体泄漏检测、燃烧流场诊断等方面。随着光学技术和电子电器设备的发展，光学技术已经广泛应用于气体浓度的检测，相对于传统的化学检测手段，光学测量技术利用气体分子对光的吸收、发散、散射等原理工作，具有响应时间短、灵敏度高、能实现远距离检测等优点，能在复杂环境条件下对目标气体浓度进行准确检测。目前成熟的光学技术有傅里叶变换红外光谱技术（FTIR）、激光诱导荧光光谱技术（LIF）、差分吸收光谱技术（DOAS）、可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）、光声光谱技术（PAS）等，能有效的对气体浓度进行检测。但现有技术也存在不足，只能实时对一种气体进行检测，当待测区域有其他气体与目标气体光谱吸收峰接近或重合时，会严重影响检测准确度等。上述几种技术都使用单孔径探测系统，具有成像视场小，分辨率低的固有缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多组分气体浓度光学标定系统及方法，通过分别安装不同中心波长滤光片的多孔径探测器，得到多数据来减小噪声及仪器暗电流的影响，提高对一种气体检测的准确度，也能同时对多种气体进行检测，对各孔径得到的图像进行处理能在显示屏上准确显示出待测气体在空间中的浓度分布，相对于单孔径探测视场角大，分辨率高。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种多组分气体浓度光学标定系统，包括配气单元、气室单元和多孔径探测单元；
所述配气单元，用于配制混合气体；
所述气室单元，用于实现气室内混合气体的温度控制；
所述多孔径探测单元，分上中下三层，上层安装不同中心波长的滤光片；中层为光线分隔板，防止穿过相应滤光片的光线进入到其他成像探测器中；下层为不同的成像探测器；
多孔径探测单元通过对气室单元内混合气体光学信号的采集，并传输到计算机进行数据处理，进而建立标定函数，即可实现气体浓度的标定。
在本发明一实施例中，还包括一用于处理废气的废气处理单元。
在本发明一实施例中，所述配气单元包括背景气体高压气瓶、N个待测气体高压气瓶、N+1个质量流量控制器、过滤器、干燥器、低压储气罐、低压储气罐压力计、低压储气罐磁悬浮式搅拌器、真空泵；背景气体高压气瓶、N个待测气体高压气瓶分别经对应的N+1个质量流量控制器与过滤器连接，并经干燥器与低压储气罐连接，所述低压储气罐压力计用于监测低压储气罐内气体压力，所述低压储气罐磁悬浮式搅拌器设于低压储气罐内，用于均匀混合低压储气罐内混合气体，所述真空泵用于将低压储气罐抽真空。
在本发明一实施例中，所述配气单元还包括与背景气体高压气瓶相对应的背景气体减压阀、与N个待测气体高压气瓶相对应的N个待测气体减压阀。
在本发明一实施例中，所述配气单元还包括低压储气罐安全阀，该低压储气罐安全阀一端与低压储气罐连接，另一端连接至一废气处理单元。
在本发明一实施例中，所述气室单元包括两侧面为光学玻璃的气室、半导体温控器、气室磁悬浮式搅拌器、气室压力计，半导体温控器设于气室内，用于调节气室内的混合气体温度，气室磁悬浮式搅拌器设于气室内，用于使得气室内混合气体温度均匀，气室压力计用于监测气室内气体压力；所述气室通过第一旋拧阀与低压储气罐连接。
在本发明一实施例中，所述气室单元还包括第二旋拧阀、气室安全阀，第二旋拧阀的一端、气室安全阀的一端与气室连接，第二旋拧阀的另一端、气室安全阀的另一端连接至一废气处理单元。
在本发明一实施例中，所述系统还包括氙灯光源、漫反射板，氙灯光源发出的光线经漫反射板散射后穿过气室两侧面的光学玻璃进入多孔径探测单元中，多孔径探测单元采集信号后传输到计算机进行数据处理，进而建立标定函数，即可实现气体浓度的标定。
本发明还提供了一种基于上述所述的多组分气体浓度光学标定系统的多组分气体浓度光学标定方法，包括如下步骤：
S1、获取原始光强I0：
打开真空泵，将低压储气罐抽真空，关闭真空泵；打开与背景气体高压气瓶相对应的质量流量控制器、第一旋拧阀、安装于气室与一废气处理单元之间的第二旋拧阀，吹扫气室预定时间，使气室中充满背景气体；打开氙灯光源和多孔径探测单元，预热至稳定状态，光线经过漫反射板散射后穿过气室进入多孔径探测单元的成像探测器中，对背景气体进行图像采集，提取原始光强I0；
S2、待测气体浓度配制：
打开真空泵，将低压储气罐抽真空，关闭真空泵；根据所需配制混合气体浓度，由计算机设置各质量流量控制器参数；打开与背景气体高压气瓶相对应的质量流量控制器及与待测气体高压气瓶相对应的质量流量控制器，混合气体经过滤器和干燥器进入低压储气罐，开启低压储气罐磁悬浮式搅拌器，使气体混合均匀；观察低压储气罐压力计示数，待压力达到预定值时关闭质量流量控制器，设定低压储气罐内压力大于气室实验压力；当低压储气罐内部压力超过安全值时，设于低压储气罐与废气处理单元之间的低压储气罐安全阀自动打开，气体直接通入废气处理单元中；
S3、多组分气体浓度光学标定：
打开第一旋拧阀、第二旋拧阀，吹扫气室预定时间，使气室中充满待测气体，关闭第二旋拧阀，观察气室压力计示数，达到预定压力时关闭第一旋拧阀；调节半导体温度控制器，打开气室磁悬浮式搅拌器，使气室内温度均匀达到温度T；
使用多孔径探测单元对待测气体进行图像采集，多孔径探测单元的不同成像探测器接收到信号后传输到计算机进行数据处理，提取图像光学强度；
重复步骤S2、步骤S3建立标定函数，即可实现气体浓度的标定。
在本发明一实施例中，气体浓度的标定完成后，关闭半导体温度控制器、氙灯光源和多孔径探测单元，打开真空泵将低压储气罐抽真空，排到废气处理单元中，关闭真空泵；打开背景气体高压气瓶阀门，第一旋拧阀、第二旋拧阀，吹扫气室预定时间，处理气室中的废气；结束后关闭所有阀门。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、使用上位机控制气体质量流量计，能准确配制所需浓度的实验气体，极大减小人工配气误差，配气罐内安装有磁浮搅拌器，使气体混合更加均匀，提高标定实验的准确度。
2、使用多孔径探测器进行成像检测，当对单一气体进行检测时，可在各个孔径前安装覆盖不同光谱吸收峰的滤光片，经过数据处理能减少其他气体造成的误差。对各个孔径得到的图像进行提取、配准，能准确显示出目标气体在空间中的浓度分布状态，突破了传统成像系统宽视场与高分辨率之间的成像限制，可以实现红外场景的超分辨率大视场成像，对于有毒有害气体泄漏检测及火场救援具有非常重要的意义。
3、使用多孔径探测器进行成像检测，可实现对多种气体的实时检测。多孔径成像是一种基于昆虫复眼视觉的新型成像方法，具有分辨率高、探测视场大、系统体积小等特征。传统光学技术一台设备一次只能检测一种气体，本发明可对多种气体同时监测，方便实验操作，节约资源与经费。
附图说明
图1为本发明系统原理示意图。
图2为本发明多孔径探测单元结构示意图。
图中：GH0-背景氮气高压气瓶；GH1-待测气体一高压气瓶；GH2-待测气体二高压气瓶；A0-背景氮气减压阀；A1-待测气体一减压阀；A2-待测气体二减压阀；B0-背景气体质量流量控制器；B1待测气体一质量流量控制器；B2待测气体二质量流量控制器；FL-过滤器；DY-干燥器；GL-低压储气罐；MA0-低压储气罐磁悬浮式搅拌器；MA1-气室磁悬浮式搅拌器；P1-低压储气罐压力计；P2气室压力计；VP-真空泵；C1-低压储气罐安全阀；C2-气室安全阀；D1-旋拧阀；D2-旋拧阀；DR-漫反射板；XL-氙灯光源；OW0、OW1-光学玻璃；STC-半导体温控器；PD-多孔径探测单元；PC-计算机；AP-废气处理单元；OF0-滤光片；OF1-一滤光片；OF2-二滤光片；OF3-三滤光片；LS-光线分隔板；IS-成像探测器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供了一种多组分气体浓度光学标定系统，包括配气单元、气室单元和多孔径探测单元；
所述配气单元，用于配制混合气体；
所述气室单元，用于实现气室内混合气体的温度控制；
所述多孔径探测单元，分上中下三层，上层安装不同中心波长的滤光片；中层为光线分隔板，防止穿过相应滤光片的光线进入到其他成像探测器中；下层为不同的成像探测器；
所述系统还包括氙灯光源、漫反射板，氙灯光源发出的光线经漫反射板散射后穿过气室两侧面的光学玻璃进入多孔径探测单元中，多孔径探测单元采集信号后传输到计算机进行数据处理，进而建立标定函数，即可实现气体浓度的标定；
还包括一用于处理废气的废气处理单元。
所述配气单元包括背景气体高压气瓶、N个待测气体高压气瓶、N+1个质量流量控制器、过滤器、干燥器、低压储气罐、低压储气罐压力计、低压储气罐磁悬浮式搅拌器、真空泵；背景气体高压气瓶、N个待测气体高压气瓶分别经对应的N+1个质量流量控制器与过滤器连接，并经干燥器与低压储气罐连接，所述低压储气罐压力计用于监测低压储气罐内气体压力，所述低压储气罐磁悬浮式搅拌器设于低压储气罐内，用于均匀混合低压储气罐内混合气体，所述真空泵用于将低压储气罐抽真空。所述配气单元还包括与背景气体高压气瓶相对应的背景气体减压阀、与N个待测气体高压气瓶相对应的N个待测气体减压阀。所述配气单元还包括低压储气罐安全阀，该低压储气罐安全阀一端与低压储气罐连接，另一端连接至一废气处理单元。
所述气室单元包括两侧面为光学玻璃的气室、半导体温控器、气室磁悬浮式搅拌器、气室压力计，半导体温控器设于气室内，用于调节气室内的混合气体温度，气室磁悬浮式搅拌器设于气室内，用于使得气室内混合气体温度均匀，气室压力计用于监测气室内气体压力；所述气室通过第一旋拧阀与低压储气罐连接。所述气室单元还包括第二旋拧阀、气室安全阀，第二旋拧阀的一端、气室安全阀的一端与气室连接，第二旋拧阀的另一端、气室安全阀的另一端连接至一废气处理单元。
本发明还提供了一种基于上述所述的多组分气体浓度光学标定系统的多组分气体浓度光学标定方法，包括如下步骤：
S1、获取原始光强I0：
打开真空泵，将低压储气罐抽真空，关闭真空泵；打开与背景气体高压气瓶相对应的质量流量控制器、第一旋拧阀、安装于气室与一废气处理单元之间的第二旋拧阀，吹扫气室预定时间，使气室中充满背景气体；打开氙灯光源和多孔径探测单元，预热至稳定状态，光线经过漫反射板散射后穿过气室进入多孔径探测单元的成像探测器中，对背景气体进行图像采集，提取原始光强I0；
S2、待测气体浓度配制：
打开真空泵，将低压储气罐抽真空，关闭真空泵；根据所需配制混合气体浓度，由计算机设置各质量流量控制器参数；打开与背景气体高压气瓶相对应的质量流量控制器及与待测气体高压气瓶相对应的质量流量控制器，混合气体经过滤器和干燥器进入低压储气罐，开启低压储气罐磁悬浮式搅拌器，使气体混合均匀；观察低压储气罐压力计示数，待压力达到预定值时关闭质量流量控制器，设定低压储气罐内压力大于气室实验压力；当低压储气罐内部压力超过安全值时，设于低压储气罐与废气处理单元之间的低压储气罐安全阀自动打开，气体直接通入废气处理单元中；
S3、多组分气体浓度光学标定：
打开第一旋拧阀、第二旋拧阀，吹扫气室预定时间，使气室中充满待测气体，关闭第二旋拧阀，观察气室压力计示数，达到预定压力时关闭第一旋拧阀；调节半导体温度控制器，打开气室磁悬浮式搅拌器，使气室内温度均匀达到温度T；
使用多孔径探测单元对待测气体进行图像采集，多孔径探测单元的不同成像探测器接收到信号后传输到计算机进行数据处理，提取图像光学强度；
重复步骤S2、步骤S3建立标定函数，即可实现气体浓度的标定。
以下为本发明一具体实例。
如图1、2所示，本发明多组分气体浓度光学标定系统由配气单元、气室单元和多孔径探测单元组成。
配气单元能够过滤、干燥混合气体，由计算机控制气体质量流量器实现动态高精度配气，低压储气罐中的磁悬浮式搅拌器能够使气体混合更加均匀，减小标定误差。
气室单元中安装有半导体式温度控制装置和磁悬浮式搅拌器，实现气室的温度控制功能。气室使用热传导系数低的材料，内部喷涂特氟龙材料，减小吸附带来的实验误差，两端安装透过率高的光学窗口。
多孔径探测单元（附图2）分上中下三层，上层安装不同中心波长的滤光片；中层为光线分隔板，防止穿过某一滤光片的光线进入到其他成像探测器中；下层为不同的探测器单元。
整个系统针对有毒有害气体设计安全装置，低压储气罐和气室均设有安全阀，直接通到废气处理装置中，保证实验环境安全。
图1、2中：GH0-背景氮气高压气瓶；GH1-待测气体一高压气瓶；GH2-待测气体二高压气瓶；A0-背景氮气减压阀；A1-待测气体一减压阀；A2-待测气体二减压阀；B0-背景气体质量流量控制器；B1待测气体一质量流量控制器；B2待测气体二质量流量控制器；FL-过滤器；DY-干燥器；GL-低压储气罐；MA0-低压储气罐磁悬浮式搅拌器；MA1-气室磁悬浮式搅拌器；P1-低压储气罐压力计；P2气室压力计；VP-真空泵；C1-低压储气罐安全阀；C2-气室安全阀；D1-旋拧阀；D2-旋拧阀；DR-漫反射板；XL-氙灯光源；OW0、OW1-光学玻璃；STC-半导体温控器；PD-多孔径探测单元；PC-计算机；AP-废气处理单元；OF0-滤光片；OF1-一滤光片；OF2-二滤光片；OF3-三滤光片；LS-光线分隔板；IS-成像探测器。
本发明上述系统的多组分气体浓度光学标定方法，包括如下步骤：
（1）获取原始光强I0。
打开真空泵，将低压储气罐抽真空，关闭真空泵。打开减压阀A0、质量流量控制器B0、旋拧阀D1、旋拧阀D2，吹扫气室足够长时间，使气室中充满背景气体。打开氙灯光源和多孔径探测装置，预热至稳定状态，光线经过漫反射板散射后穿过气室进入探测器中，使用多孔径探测器对背景气体进行图像采集，提取原始光强I0。
（2）待测气体浓度配制：
打开真空泵，将低压储气罐抽真空，关闭真空泵。根据所需配制混合气体浓度，由计算机设置气体质量流量控制器参数。打开减压阀A0、A1、A2，打开质量流量控制器B0、B1、B2，混合气体经过滤器FL和干燥器DY进入低压储气罐，开启磁悬浮式搅拌器MA0，使气体混合均匀。观察压力计P1示数，待压力达到预定值时关闭质量流量控制器，设定罐内压力大于气室实验压力。当低压储气罐内部压力超过安全值时，安全阀C1自动打开，气体直接通入废气处理装置中。
（3）实验部分
打开旋拧阀D1、D2，吹扫气室足够长的时间，使气室中充满待测气体，关闭阀D2，观察压力计P2示数，达到预定压力时关闭阀D1。调节半导体温度控制器，打开磁悬浮式搅拌器MA1，使气室内温度均匀达到温度T。
使用多孔径探测器对实验气体进行图像采集，多孔径探测器安装有不同中心波长的滤光片，与滤光片对应的成像探测单元接收到信号后传输到计算机进行数据处理，提取图像光学强度。
重复步骤（2）配制不同浓度的待测混合气体，重复（3）上述步骤建立标定函数。
（4）试验后的废气处理
实验结束后关闭半导体温度控制器、氙灯光源和多孔径探测器。打开真空泵将低压储气罐抽真空，排到废气处理装置中，关闭真空泵。打开背景气体高压气瓶阀门，旋拧阀D1、D2，吹扫气室足够长时间，处理气室中的废气。结束后关闭所有阀门。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种多组分气体浓度光学标定方法，其特征在于，提供一种多组分气体浓度光学标定系统，包括配气单元、气室单元和多孔径探测单元；
所述配气单元，用于配制混合气体；
所述气室单元，用于实现气室内混合气体的温度控制；
所述多孔径探测单元，分上中下三层，上层安装不同中心波长的滤光片；中层为光线分隔板，防止穿过相应滤光片的光线进入到其他成像探测器中；下层为不同的成像探测器；
多孔径探测单元通过对气室单元内混合气体光学信号的采集，并传输到计算机进行数据处理，进而建立标定函数，即可实现气体浓度的标定；
所述配气单元包括背景气体高压气瓶、N个待测气体高压气瓶、N+1个质量流量控制器、过滤器、干燥器、低压储气罐、低压储气罐压力计、低压储气罐磁悬浮式搅拌器、真空泵；背景气体高压气瓶、N个待测气体高压气瓶分别经对应的N+1个质量流量控制器与过滤器连接，并经干燥器与低压储气罐连接，所述低压储气罐压力计用于监测低压储气罐内气体压力，所述低压储气罐磁悬浮式搅拌器设于低压储气罐内，用于均匀混合低压储气罐内混合气体，所述真空泵用于将低压储气罐抽真空；
所述气室单元包括两侧面为光学玻璃的气室、半导体温度控制 器、气室磁悬浮式搅拌器、气室压力计，半导体温度控制 器设于气室内，用于调节气室内的混合气体温度，气室磁悬浮式搅拌器设于气室内，用于使得气室内混合气体温度均匀，气室压力计用于监测气室内气体压力；所述气室通过第一旋拧阀与低压储气罐连接；
所述系统还包括氙灯光源、漫反射板，氙灯光源发出的光线经漫反射板散射后穿过气室两侧面的光学玻璃进入多孔径探测单元中，多孔径探测单元采集信号后传输到计算机进行数据处理，进而建立标定函数，即可实现气体浓度的标定；
还包括一用于处理废气的废气处理单元；
所述配气单元还包括低压储气罐安全阀，该低压储气罐安全阀一端与低压储气罐连接，另一端连接至一废气处理单元；
所述气室单元还包括第二旋拧阀、气室安全阀，第二旋拧阀的一端、气室安全阀的一端与气室连接，第二旋拧阀的另一端、气室安全阀的另一端连接至一废气处理单元；
所述多组分气体浓度光学标定方法，包括如下步骤：
S1、获取原始光强I0：
打开真空泵，将低压储气罐抽真空，关闭真空泵；打开与背景气体高压气瓶相对应的质量流量控制器、第一旋拧阀、安装于气室与一废气处理单元之间的第二旋拧阀，吹扫气室预定时间，使气室中充满背景气体；打开氙灯光源和多孔径探测单元，预热至稳定状态，光线经过漫反射板散射后穿过气室进入多孔径探测单元的成像探测器中，对背景气体进行图像采集，提取原始光强I0；
S2、待测气体浓度配制：
打开真空泵，将低压储气罐抽真空，关闭真空泵；根据所需配制混合气体浓度，由计算机设置各质量流量控制器参数；打开与背景气体高压气瓶相对应的质量流量控制器及与待测气体高压气瓶相对应的质量流量控制器，混合气体经过滤器和干燥器进入低压储气罐，开启低压储气罐磁悬浮式搅拌器，使气体混合均匀；观察低压储气罐压力计示数，待压力达到预定值时关闭质量流量控制器，设定低压储气罐内压力大于气室实验压力；当低压储气罐内部压力超过安全值时，设于低压储气罐与废气处理单元之间的低压储气罐安全阀自动打开，气体直接通入废气处理单元中；
S3、多组分气体浓度光学标定：
打开第一旋拧阀、第二旋拧阀，吹扫气室预定时间，使气室中充满待测气体，关闭第二旋拧阀，观察气室压力计示数，达到预定压力时关闭第一旋拧阀；调节半导体温度控制器，打开气室磁悬浮式搅拌器，使气室内温度均匀达到温度T；
使用多孔径探测单元对待测气体进行图像采集，多孔径探测单元的不同成像探测器接收到信号后传输到计算机进行数据处理，提取图像光学强度；
重复步骤S2、步骤S3建立标定函数，即可实现气体浓度的标定。
2.根据权利要求1所述的一种多组分气体浓度光学标定方法，其特征在于，所述配气单元还包括与背景气体高压气瓶相对应的背景气体减压阀、与N个待测气体高压气瓶相对应的N个待测气体减压阀。
3.根据权利要求1所述的一种多组分气体浓度光学标定方法，其特征在于，气体浓度的标定完成后，关闭半导体温度控制器、氙灯光源和多孔径探测单元，打开真空泵将低压储气罐抽真空，排到废气处理单元中，关闭真空泵；打开背景气体高压气瓶阀门，第一旋拧阀、第二旋拧阀，吹扫气室预定时间，处理气室中的废气；结束后关闭所有阀门。
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