CN114544536A - 一种氮氧化物浓度校准模型的生成方法 - Google Patents

一种氮氧化物浓度校准模型的生成方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种氮氧化物浓度校准模型的生成方法，涉及烟气测量技术领域。包括：采用吸水装置产生不同含湿量的样气，所述样气不含氮氧化物；对样气进行降温处理并将其通入NDIR检测器；获取不同含湿量的样气通入NDIR检测器后得到的多个检测浓度值；基于多组一一对应的样气含湿量与检测浓度值，线性拟合得到校准模型。采用本公开提供的氮氧化物浓度校准模型对测量得到的气体的氮氧化物浓度进行校准，有效解决了现有技术对氮氧化物测量过程中的水干扰校准精度较差的问题。

Description

一种氮氧化物浓度校准模型的生成方法
技术领域
本公开涉及烟气测量技术领域，具体涉及一种氮氧化物浓度校准模型的生成方法。
背景技术
现有技术中常采用NDIR(Non-Dispersive InfrarRed,非分散红外技术)检测器对待测气体中氮氧化物的浓度进行检测。其检测原理为，红外光穿过光路中的待测气体，透过窄带滤波片到达红外探测器，由于氮氧化物可以吸收掉一部分红外光，因此通过测量进入红外探测器的红外光的强度，可以判断待测气体中氮氧化物的浓度。由于水和氮氧化物对于红外光具有相近似的吸收峰，待测气体中的水分也会同时吸收红外光，从而对氮氧化物浓度测量造成较大干扰。
目前通常采用脱水装置结合软件补偿的方式来对氮氧化物测量过程中的水干扰进行校准，但这种方法校准精度较差，难以有效降低水分对氮氧化物测量带来的干扰。
发明内容
有鉴于此，本公开提供了一种氮氧化物浓度校准模型的生成方法及采用该校准模型的氮氧化物浓度校准方法，能够有效解决现有技术中提供的校准方法精度较差的问题。
下文中将给出关于本公开的简要概述，以便提供关于本公开的某些方面的基本理解。应当理解，此概述并不是关于本公开的穷举性概述。它并不是意图确定本公开的关键或重要部分，也不是意图限定本公开的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
根据本公开的第一方面，提供了一种氮氧化物浓度校准模型的生成方法，包括：
采用吸水装置产生不同含湿量的样气，所述样气不含氮氧化物；
对样气进行降温处理并将其通入NDIR检测器；
获取不同含湿量的样气通入NDIR检测器后得到的多个检测浓度值；
基于多组一一对应的样气含湿量与检测浓度值，线性拟合得到校准模型y＝ax+b,其中x为气体含湿量，y为气体含湿量形成的干扰值，a、b为系数。
在一些实施例中，采用吸水装置产生不同含湿量的样气，包括，将一路不含氮氧化物的气体通入Nafion管，随时间变化从Nafion管输出不同含湿量的样气。
在一些实施例中，采集NDIR检测器入气口处样气的温度和相对湿度，通过以下公式来计算样气含湿量：
Figure BDA0003515276390000021
其中，Xsw为样气含湿量，Pbv为当前温度下的饱和蒸汽压，RH为样气的相对湿度，Ba为大气压，Ps为样气的静压。
在一些实施例中，对样气进行降温处理，包括：
根据NDIR检测器入气口处样气的温度和相对湿度通过以下公式计算样气的露点温度：
c＝6.112*e((17.67*temp)/(temp+243.5))
d＝(c*RH)/100
Td＝(243.5*log(d/6.112))/(17.67-log(d/6.112))
其中，Td为样气的露点温度，temp为NDIR检测器入气口处样气的温度，RH为NDIR检测器入气口处样气的相对湿度，c、d为系数；
将所述露点温度上调一数值范围获取降温温度；
基于所述降温温度对样气进行降温处理。
进一步的，通过将所述露点温度上调4℃～5℃来获取降温温度。
根据本公开的第二方面，提供了一种氮氧化物浓度校准方法，应用于由Nafion管与NDIR检测器连接形成的氮氧化物浓度检测系统，并采用如本公开的第一方面提供的校准模型，包括：
通入空气对所述氮氧化物浓度检测系统校零，并基于所述校准模型获取空气含湿量形成的第一干扰值；
将待测气体通入所述氮氧化物浓度检测系统，得到待测气体中氮氧化物的浓度测量值并基于所述校准模型获取待测气体含湿量形成的第二干扰值；
获取第二干扰值与第一干扰值的差值，得到待测气体含湿量形成的实际干扰值；
获取所述待测气体中氮氧化物的浓度测量值与待测气体含湿量形成的实际干扰值的差值，得到所述待测气体中氮氧化物的浓度校准值。
在一些实施例中，基于所述校准模型获取空气含湿量形成的第一干扰值，包括：将空气含湿量x1带入校准模型y＝ax+b，从而得到空气含湿量形成的第一干扰值y1＝ax1+b。
在一些实施例中，基于所述校准模型获取待测气体含湿量形成的第二干扰值，包括：将待测气体含湿量x2带入校准模型y＝ax+b，从而得到待测气体含湿量形成的第二干扰值y2＝ax2+b。
本公开提出了一种氮氧化物浓度校准模型的生成方法，通过对输入NDIR检测器的样气进行降温，降低了样气相对湿度变化对含湿量变化的影响，使得到的含湿量较为准确，进而使根据样气含湿量得到的校准模型较为准确，从而可以采用校准模型对通入NDIR检测器的待测气体的氮氧化物浓度进行精确校准，有效解决了现有技术中提供的氮氧化物浓度校准方法精度较差的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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。通过附图所示，本申请的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本申请的主旨。
图1是根据本公开实施例提供的一种氮氧化物浓度校准模型的生成方法的流程图。
图2是根据本公开实施例提供的一种氮氧化物浓度校准方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中诸如“第一”、“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
下文中将结合附图对本公开的示例性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施例的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中可以做出很多特定于实施例的决定，以便实现开发人员的具体目标，并且这些决定可能会随着实施例的不同而有所改变。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本公开，在附图中仅仅示出了与根据本公开的方案密切相关的装置结构，而省略了与本公开关系不大的其他细节。
应理解的是，本公开并不会由于如下参照附图的描述而只限于所描述的实施形式。在本文中，在可行的情况下，实施例可以相互组合、不同实施例之间的特征替换或借用、在一个实施例中省略一个或多个特征。
由背景技术可知，在采用NDIR检测器对待测气体中氮氧化物的浓度进行检测时，由于水和氮氧化物对于红外光具有相近似的吸收峰，待测气体中的水分也会同时吸收红外光，从而对氮氧化物浓度测量造成较大干扰。因此有必要对气体含湿量与气体含湿量对氮氧化物浓度测量带来的干扰之间的关系进行研究，基于此，本公开首先提出了一种氮氧化物浓度校准模型的的生成方法，该校准模型即体现了通入NDIR检测器的气体含湿量与气体含湿量形成的干扰值之间的关系，以下将对该生成方法进行介绍。
图1示出了根据本公开实施例提供的一种氮氧化物浓度校准模型的生成方法100的流程图，该方法具体包括：
步骤110：采用吸水装置产生不同含湿量的样气，所述样气不含氮氧化物。
本公开实施例中，由于需要校准气体含湿量对气体氮氧化物浓度测量产生的干扰，因此，需要向NDIR检测器通入不含氮氧化物的样气，从而保证后续将不同含湿量的样气通入NDIR检测器后产生的检测浓度值仅由气体含湿量产生。
本公开实施例中，可以采用Nafion管产生不同含湿量的样气，包括：将一路不含氮氧化物的气体通入Nafion管，随时间变化从Nafion管输出不同含湿量的样气。Nafion管一方面可以起到对气体进行脱水预处理的作用，吸收掉气体中的大部分水分，从而使后续的校准只需要针对气体中剩余的少量水分进行，从而提高校准精确度；另一方面，由于Nafion管具有随时间延长，输出气体含湿量越低的特性，因此可以采用Nafion管产生不同含湿量的样气。
步骤120：对样气进行降温处理并将其通入NDIR检测器。
本公开实施例中，结合后续步骤130及140可知，需要应用多组一一对应的样气含湿量与样气输入NDIR检测器后得到的检测浓度值来生成校准模型，因此，样气含湿量数值越准确，得到的校准模型也就越精确。
本公开实施例中，可以通过在NDIR检测器入气口处设置温湿度传感器对样气的温度和相对湿度进行采集，基于采集到的NDIR检测器入气口处样气的温度和相对湿度，通过以下公式来计算样气含湿量：
Figure BDA0003515276390000071
其中，Xsw为样气的含湿量，Pbv为当前温度下的饱和蒸汽压，RH为样气的相对湿度，Ba为大气压，Ps为样气的静压。由于一般情况下，温度、大气压、静压在短时间内都相对稳定，因此可以认为引起样气含湿量变化的主要变量为样气的相对湿度。而温度降低，样气的相对湿度就会升高，其变化区间就会变大，这样在相对湿度变化同一百分比的情况下，降温后相对降温前由相对湿度变化引起的含湿量的变化就会变小，从而使含湿量的波动减小，数值更为精确。
为了进一步解释对样气进行降温处理的必要性，本公开实施例提供了以下示例进行说明。
表1示出了在样气温度为29℃左右，9个小时内其相对湿度和含湿量的变化，从表1中可以看出，在样气含湿量从0.466降到0.303时，相对湿度从11.4％降到了7.25％，相对湿度的变化区间为4.15％。而当把样气温度降为5℃时，在含湿量从0.466降到0.303时，相对湿度从54％降到了35％，相对湿度的变化区间为19％(表中未示出)。也即，降温前相对湿度变化1％引起含湿量变化0.0386，而降温后相对湿度变化1％引起含湿量变化0.0084。从而可以得到，降温后相对降温前，相对湿度的变化区间增大，这样在相对湿度变化同一百分比时，含湿量的变化减小，从而可以使含湿量的数值更为精确。
表1-样气温度为29℃左右时，相对湿度和含湿量的变化
Figure BDA0003515276390000072
Figure BDA0003515276390000081
本公开实施例中，对样气进行降温处理，可以是：
首先，根据NDIR检测器入气口处样气的温度和相对湿度通过以下公式计算样气的露点温度，其中露点温度是指在样气中水汽含量不变，保持一定气压的情况下，使样气冷却达到饱和的温度：
c＝6.112*e((17.67*temp)/(temp+243.5))
d＝(c*RH)/100
Td＝(243.5*log(d/6.112))/(17.67-log(d/6.112))
其中，Td为样气的露点温度，temp为NDIR检测器入气口处样气的温度，RH为NDIR检测器入气口处样气的相对湿度，c、d为系数。
其次，在得到样气的露点温度后，为了防止样气产生冷凝水，需要通过将所述露点温度上调一数值范围获取降温温度，优选的，可以通过将所述露点温度上调4℃～5℃来获取降温温度。例如，在计算得到露点温度为-1.5℃时，得到的降温温度为2.5℃～3.5℃。值得注意的是，本公开实施例中，将露点温度上调的数值范围并不局限于上述示例，本领域技术人员可以根据实际需要选择露点温度上调的数值范围。
在确定降温温度后，进一步基于所述降温温度对样气进行降温处理，例如通过降温设备将样气的温度由当前温度降低至降温温度。
本公开实施例中，由于通入NDIR检测器的样气的相对湿度是不断变化的，由上述描述可知获取到的降温温度也是不断变化的。控制器实时或按照一定时间周期采集样气的温度和相对湿度，并基于计算得到的降温温度控制降温设备对样气进行降温处理。
步骤130：获取不同含湿量的样气通入NDIR检测器后得到的多个检测浓度值。
本公开实施例中，在将不同含湿量的样气通入NDIR检测器后，能够获取到多个检测浓度值，由于样气中不含氮氧化物，因此该检测浓度值只是由样气含湿量形成。表2示出了对应于不同样气含湿量的检测浓度值的一种示例。
表2-对应于不同样气含湿量获取到的检测浓度值
含湿量(单位：g/kg) 检测浓度值(单位：ppm)
0.1009 56.4
0.136 71
0.148 89.2
0.1567 93.3
0.1807 111.3
0.2057 118.4
0.2071 127.2
0.2418 141
0.2923 160
0.3201 179.4
0.3646 210.3
0.3552 212
0.4084 239.9
0.4668 265.5
0.4938 277.1
步骤140：基于多组一一对应的样气含湿量与检测浓度值，线性拟合得到校准模型y＝ax+b，其中x为气体含湿量，y为气体含湿量形成的干扰值，a、b为系数。本公开实施例中，例如，可以基于表2中的数据进行线性拟合得到校准模型y＝566.01x+2.9177。
本公开实施例中，在得到校准模型之后，即可以基于待测气体的含湿量，计算待测气体通入NDIR检测器后由含湿量形成的对氮氧化物浓度的干扰值。
在本公开实施例提供的一种氮氧化物浓度校准模型生成方法的基础上，本公开实施例还提供了一种氮氧化物浓度校准方法200，该校准方法应用于Nafion管与NDIR检测器连接形成的氮氧化物浓度检测系统，即待测气体先通过Nafion管进行脱水预处理，通过Nafion管吸收掉绝大部分的水分，之后再通入NDIR检测器进行氮氧化物浓度检测。该校准方法采用了如本公开实施例前述的氮氧化物浓度校准模型对待测气体中剩余水分对氮氧化物浓度测量值形成的干扰进行校准，包括：
步骤210：通入空气对所述氮氧化物浓度检测系统校零，并基于所述校准模型获取空气含湿量形成的第一干扰值。
本公开实施例中，将空气通入Nafion管与NDIR检测器连接形成的氮氧化物浓度检测系统对其进行校零，并通过温湿度传感器读取校零时NDIR检测器入气口处空气的温度和相对湿度，从而计算空气的含湿量x1。进一步的，可以将空气含湿量x1带入校准模型y＝ax+b，从而得到空气含湿量形成的第一干扰值y1＝ax1+b。
步骤220：将待测气体通入所述氮氧化物浓度检测系统，得到待测气体中氮氧化物的浓度测量值并基于所述校准模型获取待测气体含湿量形成的第二干扰值。
本公开实施例中，将待测气体通入前述检测系统，读取NDIR检测器显示的待测气体中氮氧化物的浓度测量值。此外，还可以通过温湿度传感器读取NDIR检测器入气口处待测气体的温度和相对湿度，从而计算出待测气体的含湿量x2。进一步的，将待测气体含湿量x2带入校准模型y＝ax+b，从而得到待测气体含湿量形成的第二干扰值y2＝ax2+b。
步骤230：获取第二干扰值与第一干扰值的差值，得到待测气体含湿量形成的实际干扰值。
本公开实施例中，考虑到校零时空气中含湿量形成的第一干扰值会对待测气体含湿量形成的实际干扰值造成影响，导致得到的待测气体含湿量形成的第二干扰值高于待测气体含湿量形成的实际干扰值，因此，可以通过获取第二干扰值与第一干扰值的差值，得到待测气体含湿量形成的实际干扰值y实际＝y2-y1＝(ax2+b)-(ax1+b)＝a(x2-x1)。
步骤240：获取所述待测气体中氮氧化物的浓度测量值与待测气体含湿量形成的实际干扰值的差值，得到所述待测气体中氮氧化物的浓度校准值。
本公开实施例中，由于待测气体含湿量会对待测气体中氮氧化物的浓度测量值形成一定的干扰，因此为获取到待测气体中氮氧化物的浓度校准值，需要将从NDIR检测器直接读取到的待测气体中氮氧化物的浓度测量值中减去由待测气体含湿量形成的实际干扰值，进而可以得到待测气体中氮氧化物的浓度标准值。
本公开实施例，先将不含氮氧化物的样气降温后通入NDIR检测器，基于更加精确的样气含湿量及含湿量产生的检测浓度值获取到精确的氮氧化物浓度校准模型，之后利用上述氮氧化物浓度校准模型对测得的待测气体的氮氧化物浓度进行校准，有效解决了现有技术中氮氧化物浓度校准精度较差的问题。
以上所述实施例，仅为本公开的具体实施方式，用以说明本公开的技术方案，而非对其限制，本公开的保护范围并非局限于此，尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种氮氧化物浓度校准模型的生成方法，其特征在于，包括：
采用吸水装置产生不同含湿量的样气，所述样气不含氮氧化物；
对样气进行降温处理并将其通入NDIR检测器；
获取不同含湿量的样气通入NDIR检测器后得到的多个检测浓度值；
基于多组一一对应的样气含湿量与检测浓度值，线性拟合得到校准模型y＝ax+b,其中x为气体含湿量，y为气体含湿量形成的干扰值，a、b为系数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用吸水装置产生不同含湿量的样气，包括：将一路不含氮氧化物的气体通入Nafion管，随时间变化从Nafion管输出不同含湿量的样气。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采集NDIR检测器入气口处样气的温度和相对湿度，通过以下公式来计算样气含湿量：
Figure FDA0003515276380000011
其中，Xsw为样气含湿量，Pbv为当前温度下的饱和蒸汽压，RH为样气的相对湿度，Ba为大气压，Ps为样气的静压。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对样气进行降温处理，包括：
根据NDIR检测器入气口处样气的温度和相对湿度通过以下公式计算样气的露点温度：
c＝6.112*e((17.67*temp)/(temp+243.5))
d＝(c*RH)/100
Td＝(243.5*log(d/6.112))/(17.67-log(d/6.112))
其中，Td为样气的露点温度，temp为NDIR检测器入气口处样气的温度，RH为NDIR检测器入气口处样气的相对湿度，c、d为系数；
将所述露点温度上调一数值范围获取降温温度；
基于所述降温温度对样气进行降温处理。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过将所述露点温度上调4℃～5℃来获取降温温度。
6.一种氮氧化物浓度校准方法，应用于由Nafion管与NDIR检测器连接形成的氮氧化物浓度检测系统，并采用如权利要求1-5中任一项所述的校准模型，其特征在于，包括：
通入空气对所述氮氧化物浓度检测系统校零，并基于所述校准模型获取空气含湿量形成的第一干扰值；
将待测气体通入所述氮氧化物浓度检测系统，得到待测气体中氮氧化物的浓度测量值并基于所述校准模型获取待测气体含湿量形成的第二干扰值；
获取第二干扰值与第一干扰值的差值，得到待测气体含湿量形成的实际干扰值；
获取所述待测气体中氮氧化物的浓度测量值与待测气体含湿量形成的实际干扰值的差值，得到所述待测气体中氮氧化物的浓度校准值。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，基于所述校准模型获取空气含湿量形成的第一干扰值，包括：
将空气含湿量x1带入校准模型y＝ax+b，从而得到空气含湿量形成的第一干扰值y1＝ax1+b。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，基于所述校准模型获取待测气体含湿量形成的第二干扰值，包括：
将待测气体含湿量x2带入校准模型y＝ax+b，从而得到待测气体含湿量形成的第二干扰值y2＝ax2+b。
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