CN115684044A - 基于吸收光谱技术的气体检测装置和方法 - Google Patents

基于吸收光谱技术的气体检测装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了基于吸收光谱技术的气体检测装置和方法,所述气体检测装置包括光源、第一气体室和第一探测器,还包括:去除单元去除样气中的待测成分;第二气体室内充有待测成分浓度已知的气体,第三气体室的输入端连通去除单元的输出端;分束器件将测量光分为第一光束和第二光束;第一探测器、分束器件和第二探测器设置在支架上;驱动单元驱动支架绕转轴旋转,使得分别处于第一状态和第二状态;分析单元利用吸收光谱技术分别处理在第一状态和第二状态时二个探测器输出信号,获得待测成分的第一浓度和第二浓度;计算第一浓度和第二浓度的差,得到氧气中待测成分的真实浓度。本发明具有检测结果准确等优点。

Description

基于吸收光谱技术的气体检测装置和方法
技术领域
本发明涉及气体检测,特别涉及基于吸收光谱技术的气体检测装置和方法。
背景技术
现有臭氧浓度监测系统在监测过程中,必须要对单光池或者双光池中的样气和参比气进行不停置换以获得测量电压和参比电压。这种方案存在一些不足,如:
1.响应时间长;
置换需要一定的冲洗和稳定时间,导致仪器的响应时间长,监测频率不够高。对于便携、走航、这种需要快速响应的检测模式来说,现有检测方式单次测量时间过长,当前获得的臭氧浓度值为数秒前的采样气体中的臭氧浓度值,臭氧检测存在一定的滞后性。
2.结果精度差;
目前臭氧检测,非常容易受到VOC类物质的干扰,导致紫外吸光法臭氧分析仪难以应用于VOC高的厂房、园区等。
发明内容
为解决上述现有技术方案中的不足,本发明提供了一种基于吸收光谱技术的气体检测装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
基于吸收光谱技术的气体检测装置,所述气体检测装置包括光源、第一气体室和第一探测器,所述光源发出的测量光的波长对应待测成分的吸收谱线,所述第一探测器接收穿过所述第一气体室的测量光;所述气体检测装置还包括:
去除单元,所述去除单元用于去除样气中的待测成分;
第二气体室和第三气体室,所述第二气体室内充有待测成分浓度已知的气体,所述第三气体室的输入端连通所述去除单元的输出端;所述第一气体室、第二气体室和第三气体室依次设置;
分束器件,所述分束器件用于将所述测量光分为透射的第一光束和反射的第二光束,所述第一光束穿过所述第二气体室;
支架和第二探测器,所述第一探测器、分束器件和第二探测器设置在所述支架上;
驱动单元,所述驱动单元驱动所述支架绕转轴旋转,使得当所述分束器件处于第一状态时,所述第一探测器接收穿过所述第一气体室的第二光束,第二探测器接收穿过第二气体室的第一光束,当所述分束期间处于第二状态时,所述第一探测器接收穿过所述第二气体室的第一光束,第二探测器接收穿过所述第三气体室的第二光束;
分析单元,所述分析单元利用吸收光谱技术处理在所述第一状态时第一探测器和第二探测器输出信号,获得待测成分的第一浓度,以及处理在所述第二状态时第一探测器和第二探测器的输出信号,获得待测成分的第二浓度;
计算单元,所述计算单元计算所述第一浓度和第二浓度的差,得到氧气中待测成分的真实浓度。
本发明的目的还在于提供了基于吸收光谱技术的气体检测方法,该发明目的是通过以下技术方案得以实现的:
基于吸收光谱技术的气体检测方法,所述气体检测方法为:
第一状态下,样气通入第一气体室,第二气体室内充有待测成分已知的气体;
分束器件将光源发出的测量光分为透射的第一光束和反射第二光束,所述测量光的波长对应待测成分的吸收谱线,第一探测器接收穿过所述第一气体室的第二光束,第二探测器接收穿过第二气体室的第一光束;分析单元利用吸收光谱技术处理在第一状态时第一探测器和第二探测器的输出信号,获得待测成分的第一浓度;
所述第一探测器、第二探测器和分束器件同步旋转,进入第二状态,样气被去除待测成分后送第三气体室;
分束器件将所述光源发出的测量光分为透射的第一光束和反射的第二光束,第一探测器接收穿过所述第二气体室的第一光束,第二探测器接收穿过第三气体室的第二光束;分析单元利用吸收光谱技术处理在第二状态时第一探测器和第二探测器的输出信号,获得待测成分的第二浓度;
计算单元计算所述第一浓度和第二浓度的差,得到样气中待测成分的真实浓度。
与现有技术相比,本发明具有的有益效果为:
1.响应时间短;
第二气体室内充有待测成分已知的气体,无需置换,第一气体室和第三气体室分别通入样品和去除待测成分的氧气,吸收光谱技术是毫秒量级分析技术,缩短了影响时间,提高了检测效率;
第一探测器、第二探测器和分束器件同步旋转,在第一状态和第二状态间快速切换,进一步缩短了响应时间;
2.检测结果准确;
将第一探测器、第二探测器和分束器件设置在支架上并同步旋转,使得第一探测器分时间地接收在第一状态下穿过第一气体室的第二光束,以及接收在第二状态下穿过第二气体室的第一光束,第二探测器分时间地接收在第一状态下穿过第二气体室的第一光束,以及接收在第二状态下穿过第三气体室的第二光束,有效地排除了第一探测器和第二探测器间的差异,提高了检测结果准确性;
在第一状态和第二状态下的检测中,分别使用第二探测器和第一探测器接收光,也即在第一浓度和第二浓度的分析中均利用了第二气体室,进一步提高了检测结果的准确性;
利用第一浓度和第二浓度的差,排出了样气中干扰气体对待测成分浓度的影响,进一步提高了检测准确度。
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的基于吸收光谱技术的气体检测方法的示意图。
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:
本发明实施例的基于吸收光谱技术的气体检测装置,所述基于吸收光谱技术的气体检测装置包括:
光源、第一气体室和第一探测器,所述光源发出的测量光的波长对应待测成分的吸收谱线,所述第一探测器接收穿过所述第一气体室的测量光;这些是吸收光谱技术领域的现有技术;
去除单元,所述去除单元用于去除样气中的待测成分,如利用物理或化学方式去除待测成分-水蒸气;
第二气体室和第三气体室,所述第二气体室内充有待测成分浓度已知的气体,如不含待测成分的惰性气体,氮气、氦气,所述第三气体室的输入端连通所述去除单元的输出端;所述第一气体室、第二气体室和第三气体室依次设置,如顺时针或逆时针设置;
分束器件,如半透半反镜等光学器件,所述分束器件用于将所述测量光分为透射的第一光束和反射的第二光束,所述第一光束穿过所述第二气体室;
支架和第二探测器,所述第一探测器、分束器件和第二探测器设置在所述支架上;
驱动单元,如电机,所述驱动单元驱动所述支架绕转轴旋转,使得当处于第一状态时,所述第一探测器接收穿过所述第一气体室的第二光束,第二探测器接收穿过第二气体室的第一光束,当处于第二状态时,所述第一探测器接收穿过所述第二气体室的第一光束,第二探测器接收穿过所述第三气体室的第二光束;
分析单元,所述分析单元利用吸收光谱技术处理在所述第一状态时第一探测器和第二探测器输出信号,获得待测成分的第一浓度,以及处理在所述第二状态时第一探测器和第二探测器的输出信号,获得待测成分的第二浓度;
计算单元,所述计算单元计算所述第一浓度和第二浓度的差,得到氧气中待测成分的真实浓度。
为了提高运行可靠性和降低结构复杂度,进一步地,所述光源、第一气体室、第二气体室和第三气体室固定设置,从所述第一状态到所述第二状态,所述分束器件的旋转角度是90度。
图1示意性地给出了本发明实施例的基于吸收光谱技术的气体检测方法的流程图,如图1所示,所述气体检测方法为:
第一状态下,样气通入第一气体室,第二气体室内充有待测成分已知的气体;
分束器件将光源发出的测量光分为透射的第一光束和反射第二光束,所述测量光的波长对应待测成分的吸收谱线,第一探测器接收穿过所述第一气体室的第二光束,第二探测器接收穿过第二气体室的第一光束;分析单元利用吸收光谱技术处理在第一状态时第一探测器和第二探测器的输出信号,获得待测成分的第一浓度;
所述第一探测器、第二探测器和分束器件同步旋转,进入第二状态,样气被去除待测成分后送第三气体室;
分束器件将所述光源发出的测量光分为透射的第一光束和反射的第二光束,第一探测器接收穿过所述第二气体室的第一光束,第二探测器接收穿过第三气体室的第二光束;分析单元利用吸收光谱技术处理在第二状态时第一探测器和第二探测器的输出信号,获得待测成分的第二浓度;
计算单元计算所述第一浓度和第二浓度的差,得到样气中待测成分的真实浓度。
为了提高运行可靠性,进一步地,所述光源、第一气体室、第二气体室和第三气体室固定设置,从所述第一状态到所述第二状态,所述分束器件的旋转角度是90度。
实施例2:
根据本发明实施例1的基于吸收光谱技术的气体检测装置和方法在臭氧检测中的应用例。
在该应用例中,在气体检测装置中,光源是紫外光源,去除单元包括容器和气源,所述气源向所述容器提供一氧化氮,使得通入容器样气中的臭氧和过量的一氧化氮反应,去除臭氧;第一气体室、第二气体室和第三气体室均采用两端设置有光学窗口的气体室(三个气体室结构相同,也即测量光在各个气体室内的光程L相同),并沿着顺时针方向设置,其中,第一气体室连通样气,第二气体室内充有臭氧浓度是零的氮气,第三气体连通所述容器;光源、第一气体室、第二气体室和第三气体室固定设置;
分束器件采用半透半反镜,光源发出的测量光以45度入射角入射到分束器件,从而分为透射的第一光束和反射的第二光束;分束器件、第一探测器和第二探测器设置在支架上,驱动单元采用电机,在第一状态下,第一探测器接收穿过所述第一气体室的第二光束,光强为I11,第二探测器接收穿过第二气体室的第一光束,光强为I12
支架顺时针旋转90度,分束器件、第一探测器和第二探测器同步旋转90度,测量光仍然以45度入射角入射到分束器件,仍然分为透射的第一光束和反射的第二光束(不同的是,第二光束的方向顺时针转了180度),进入第二状态,第一探测器接收穿过所述第二气体室的第一光束,光强为I22,第二探测器接收穿过第三气体室的第二光束,光强为I23
分析单元利用吸收光谱技术处理在所述第一状态时第一探测器和第二探测器输出信号,获得样气中臭氧的第一浓度(包含了样气中干扰气体产生的臭氧浓度和臭氧本身的浓度)
Figure BDA0003855253980000071
α是臭氧吸收截面,P1、T1是第一气体室内的压力和温度,以及处理在所述第二状态时第一探测器和第二探测器的输出信号,获得去除臭氧后样气中臭氧的第二浓度(包含了样气中干扰气体产生的臭氧浓度,不包含臭氧本身的浓度)
Figure BDA0003855253980000072
P2、T2是第三气体室内的压力和温度;
计算单元计算所述第一浓度和第二浓度的差,得到氧气中待测成分的真实浓度C=C1-C2
本发明实施例的基于吸收光谱技术的气体检测方法,也即本实施例气体检测装置的工作方法,如图1所示,所述气体检测方法为:
第一状态下,样气通入第一气体室,第二气体室内充有氮气;
分束器件将光源发出的测量光分为透射的第一光束和反射第二光束,所述测量光的波长对应臭氧的吸收谱线,第一探测器接收穿过所述第一气体室的第二光束,第二探测器接收穿过第二气体室的第一光束;分析单元利用吸收光谱技术处理在第一状态时第一探测器和第二探测器的输出信号,获得臭氧的第一浓度;
所述第一探测器、第二探测器和分束器件同步顺时针旋转90度,进入第二状态,样气被去除臭氧后送第三气体室;
分束器件将所述光源发出的测量光分为透射的第一光束和反射的第二光束,第一探测器接收穿过所述第二气体室的第一光束,第二探测器接收穿过第三气体室的第二光束;分析单元利用吸收光谱技术处理在第二状态时第一探测器和第二探测器的输出信号,获得臭氧的第二浓度;
计算单元计算所述第一浓度和第二浓度的差,得到样气中待测成分的真实浓度。
实施例3:
根据本发明实施例1的基于吸收光谱技术的气体检测装置和方法在天然气中水蒸气检测的应用例,与实施例2不同的是:
光源采用半导体激光器,去除单元采用物理方法去除天然气中的水蒸气,如利用膜技术除水。

Claims (10)

1.基于吸收光谱技术的气体检测装置,所述气体检测装置包括光源、第一气体室和第一探测器,所述光源发出的测量光的波长对应待测成分的吸收谱线,所述第一探测器接收穿过所述第一气体室的测量光;其特征在于,所述气体检测装置还包括:
去除单元,所述去除单元用于去除样气中的待测成分;
第二气体室和第三气体室,所述第二气体室内充有待测成分浓度已知的气体,所述第三气体室的输入端连通所述去除单元的输出端;所述第一气体室、第二气体室和第三气体室依次设置;
分束器件,所述分束器件用于将所述测量光分为透射的第一光束和反射的第二光束,所述第一光束穿过所述第二气体室;
支架和第二探测器,所述第一探测器、分束器件和第二探测器设置在所述支架上;
驱动单元,所述驱动单元驱动所述支架绕转轴旋转,使得当处于第一状态时,所述第一探测器接收穿过所述第一气体室的第二光束,第二探测器接收穿过第二气体室的第一光束,当处于第二状态时,所述第一探测器接收穿过所述第二气体室的第一光束,第二探测器接收穿过所述第三气体室的第二光束;
分析单元,所述分析单元利用吸收光谱技术处理在所述第一状态时第一探测器和第二探测器输出信号,获得待测成分的第一浓度,以及处理在所述第二状态时第一探测器和第二探测器的输出信号,获得待测成分的第二浓度;
计算单元,所述计算单元计算所述第一浓度和第二浓度的差,得到氧气中待测成分的真实浓度。
2.根据权利要求1所述的气体检测装置,其特征在于,所述光源、第一气体室、第二气体室和第三气体室固定设置,从所述第一状态到所述第二状态,所述分束器件的旋转角度是90度。
3.根据权利要求1所述的气体检测装置,其特征在于,所述分束器件是半透半反镜。
4.根据权利要求1所述的气体检测装置,其特征在于,所述气体是惰性气体,待测成分浓度是零。
5.根据权利要求1所述的气体检测装置,其特征在于,所述待测成分是臭氧,所述光源是紫外光源,所述去除单元包括容器和气源,所述气源向所述容器提供一氧化氮。
6.基于吸收光谱技术的气体检测方法,所述气体检测方法为:
第一状态下,样气通入第一气体室,第二气体室内充有待测成分已知的气体;
分束器件将光源发出的测量光分为透射的第一光束和反射第二光束,所述测量光的波长对应待测成分的吸收谱线,第一探测器接收穿过所述第一气体室的第二光束,第二探测器接收穿过第二气体室的第一光束;分析单元利用吸收光谱技术处理在第一状态时第一探测器和第二探测器的输出信号,获得待测成分的第一浓度;
所述第一探测器、第二探测器和分束器件同步旋转,进入第二状态,样气被去除待测成分后送第三气体室;
分束器件将所述光源发出的测量光分为透射的第一光束和反射的第二光束,第一探测器接收穿过所述第二气体室的第一光束,第二探测器接收穿过第三气体室的第二光束;分析单元利用吸收光谱技术处理在第二状态时第一探测器和第二探测器的输出信号,获得待测成分的第二浓度;
计算单元计算所述第一浓度和第二浓度的差,得到样气中待测成分的真实浓度。
7.根据权利要求6所述的气体检测方法,其特征在于,所述光源、第一气体室、第二气体室和第三气体室固定设置,从所述第一状态到所述第二状态,所述分束器件的旋转角度是90度。
8.根据权利要求6所述的气体检测方法,其特征在于,所述分束器件是半透半反镜。
9.根据权利要求6所述的气体检测方法,其特征在于,所述气体是惰性气体,待测成分浓度是零。
10.根据权利要求6所述的气体检测方法,其特征在于,所述待测成分是臭氧,所述光源是紫外光源,所述去除单元包括容器和气源,所述气源向所述容器提供一氧化氮。
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