CN116465841A - 一种消除交叉干扰的多种气体浓度的检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种消除交叉干扰的多种气体浓度的检测方法及系统。方法包括：确定目标吸收光谱区间、目标吸收光谱、每一种待测气体的目标检测波长以及干扰气体，对干扰气体进行光谱检测，得到干扰气体的吸收光谱；根据吸收光谱，确定相对吸光度系数；对所有待测气体的混合气体进行光谱检测，得到混合气体的吸收光谱；进而得到拥有独立峰的待测气体的吸光度；根据相对吸光度系数、拥有独立峰的待测气体的吸光度，计算待测气体的实际吸光度计算混合气体中的待测气体的浓度。本申请提供的方法可同时检测多种待测气体的浓度，不需要设置额外的硬件设备，降低了成本，也不存在降低气体吸收强度和检测下限的问题，更利于检测设备的小型化和微型化。
Description
技术领域
本申请涉及光谱检测技术领域，尤其涉及一种消除交叉干扰的多种气体浓度的检测方法及系统。
背景技术
可调谐二极管激光吸收光谱技术(tunable diode laser absorptionspectroscopy，TDLAS)作为一种常用的气体检测方法，现已广泛应用于矿产开发、化学化工、环境监测等行业，具有灵敏度高、稳定性好、检测精度高、使用寿命长等优点。
针对煤矿自燃发火预警和天然气泄漏检测等应用场景，需要实现对多组分气体的同时检测。煤炭自燃发火预警根据煤炭自燃发火的不同阶段通常会产生不同的标志气体，因此可以通过对多种不同的标志性气体进行准确检测并判断煤炭发火状态，进而做到提前预警。
而对于天然气泄漏的检测通常需要同时检测甲烷、乙烷两种气体以排除沼气的干扰，目前常用的多种气体同时检测方法主要有降低气室压强的方法和通过多个激光器分别对每一种气体进行检测的方法。对于多激光器检测法通常需要多个气室配合使用，使用成本较高，也不利于产品小型化，降低气室压强的方法需要配置额外的真空泵，使用成本较高。
发明内容
本申请提出一种消除交叉干扰的多种气体浓度的检测方法及系统，以解决多种气体成分同时检测的过程中，使用成本较高，不利于产品小型化的技术问题。
第一方面，本申请提供一种消除交叉干扰的多种气体浓度的检测方法，包括：确定待测气体对应的目标吸收光谱区间，根据所述目标吸收光谱区间确定目标吸收光谱以及确定每一种所述待测气体的目标检测波长，其中，所述目标检测波长是所述待测气体在所述目标吸收光谱内最高的吸收峰的峰值对应的波长，所述目标吸收光谱包括每一种所述待测气体在所述目标吸收光谱区间内的吸收光谱；根据每一种所述待测气体的目标检测波长确定每一种所述待测气体的干扰气体，并分别对每一种所述干扰气体进行光谱检测，得到每一种所述干扰气体的吸收光谱；根据每一种所述干扰气体的吸收光谱，确定每一种所述干扰气体在其他所述待测气体的所述目标检测波长处相对于所述干扰气体自身的所述目标检测波长处的相对吸光度系数；对所有所述待测气体的混合气体进行光谱检测，得到所述混合气体的吸收光谱；根据所述混合气体的吸收光谱，得到拥有独立峰的所述待测气体的吸光度；根据每一种所述干扰气体的相对吸光度系数、拥有所述独立峰的所述待测气体的吸光度，计算所述混合气体中每一种所述待测气体在所述目标检测波长处的实际吸光度；根据每一种所述待测气体在所述目标检测波长处的实际吸光度，计算所述混合气体中的每一种所述待测气体的浓度。
本申请一些实施例中，所述根据每一种所述待测气体的目标检测波长确定每一种所述待测气体的干扰气体，包括：确定在所述待测气体的目标检测波长处的吸光度不为零的其他所述待测气体，将所述吸光度不为零的其他所述待测气体确定为所述待测气体的干扰气体。
本申请一些实施例中，所述根据每一种所述干扰气体的吸收光谱，确定每一种所述干扰气体在其他所述待测气体的所述目标检测波长处相对于所述干扰气体自身的目标检测波长处的相对吸光度系数，包括：确定每一种所述干扰气体在自身的目标检测波长处的第一吸光度；确定每一种所述干扰气体在其他所述待测气体的目标检测波长处的第二吸光度；对于每一种所述干扰气体，将所述第二吸光度与所述第一吸光度的比值作为所述干扰气体的相对吸光度系数。
本申请一些实施例中，所述根据所述混合气体的吸收光谱，得到拥有独立峰的所述待测气体的吸光度，包括：在所述目标吸收光谱中确定所述独立峰；在所述混合气体的吸收光谱中，根据所述独立峰确定拥有所述独立峰的所述待测气体的吸光度；其中，所述独立峰对应的所述目标检测波长处其余所述待测气体的吸光度均为零。
本申请一些实施例中，根据每一种所述干扰气体的相对吸光度系数、拥有所述独立峰的所述待测气体的吸光度，计算所述混合气体中每一种所述待测气体在所述目标检测波长处的实际吸光度，包括：对所述混合气体中的每一种所述待测气体的目标检测波长处建立吸光度方程组；将每一种所述干扰气体的相对吸光度系数、拥有所述独立峰的待测气体的吸光度带入所述吸光度方程组，得到所述混合气体中每一种所述待测气体的实际吸光度。
本申请一些实施例中，所述吸光度方程组为：
其中，a11、a12…a1n、a21、a22…a2n、an1、an2…ann为所述目标检测波长处，所述待测气体的相对吸光度系数；γ1、γ2…γn为所述待测气体在各自目标检测波长的实际吸光度；A1、A2…An为所述混合气体的吸收光谱中，所述目标检测波长对应的吸光度叠加总和；n为所述待测气体的数量。
本申请一些实施例中，所述确定待测气体对应的目标吸收光谱区间，包括：确定多种所述待测气体中的最大波长和最小波长；在覆盖所述最大波长和所述最小波长的波长范围内生成所述目标吸收光谱区间。
本申请一些实施例中，所述根据每一种所述待测气体在所述目标检测波长处的实际吸光度，计算所述混合气体中的每一种待测气体的浓度，包括：根据气体吸光度与气体浓度的关系，通过用标准气体检测的方法，得到标定函数；将所述混合气体中的实际吸光度带入所述标定函数中，得到所述混合气体中的每一种所述待测气体的浓度。
本申请第二方面提供了一种消除交叉干扰的多种气体浓度的检测系统，包括：信号发生器，被配置为：输出调制信号；激光器，与所述信号发生器相连，被配置为：接收所述调制信号，根据所述调制信号输出第一光信号，其中，所述第一光信号的输出波长范围能够覆盖目标吸收光谱区间；光电探测模块，被配置为：接收第二光信号，将所述第二光信号转换为电信号，其中，所述第二光信号为所述第一光信号被气体吸收后产生的带有待测气体浓度信息的光信号；数据采集模块，与所述光电探测模块相连，被配置为：接收所述电信号，将所述电信号转换为数字信号；上位机，与所述数据采集模块相连，被配置为：接收所述数字信号，基于所述数字信号计算每一种干扰气体在其他待测气体的目标检测波长处相对于所述干扰气体自身的目标检测波长处的相对吸光度系数，以及，根据每一种所述干扰气体的相对吸光度系数、拥有独立峰的所述待测气体的吸光度，计算混合气体中每一种所述待测气体在所述目标检测波长处的实际吸光度；所述上位机还被配置为：根据每一种所述待测气体在所述目标检测波长处的实际吸光度，计算所述混合气体中的每一种所述待测气体的浓度。
本申请一些实施例中，还包括：激光器控制器和准直透镜；所述激光器控制器与所述信号发生器和所述激光器分别连接，被配置为，接收所述调制信号，根据所述调制信号控制所述激光器发出的光的波长，以产生所述光信号；所述准直透镜，设置在所述第一光信号的光路上，被配置为：准直所述第一光信号。
本申请提供的消除交叉干扰的多种气体浓度的检测方法及系统，可以同时检测混合气体中的多种待测气体，而且不需要进行逐一检测，通过消除不同待测气体间交叉干扰的方法，实现多种气体浓度的同时检测。在保证检测精度的前提下，不需要设置额外的硬件设备，降低了检测成本。另外也不存在降低气体吸收强度和检测下限的问题，更利于检测设备的小型化和微型化。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种消除交叉干扰的多种气体浓度的检测方法的流程示意图；
图2为本申请实施例中甲烷、乙烷、水三种气体的吸收光谱交叉干扰示意图；
图3为本申请实施例中乙烷的吸收光谱；
图4为本申请实施例中水的吸收光谱；
图5为本申请实施例中计算相对吸光度系数的流程示意图；
图6为本申请实施例提供的混合气体的吸收光谱；
图7为本申请实施例中图2和图6的结合示意图；
图8为本申请实施例提供的乙烷的标定函数示意图；
图9为本申请实施例提供的甲烷的标定函数示意图；
图10为本申请实施例提供的水的标定函数示意图；
图11为本申请实施例提供的一种消除交叉干扰的多种气体浓度的检测系统的结构示意图。
图示说明：
10-信号发生器；20-激光器控制器；30-激光器；40-准直透镜；50-气室；60-光电探测模块；70-数据采集模块；80-上位机。
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清楚地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的其他实施例，都属于本申请的保护范围。
以下，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
此外，本申请中，“上”、“下”、“内”、“外”等方位术语是相对于附图中的部件示意置放的方位来定义的，应当理解到，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。
在矿产开发、化学化工、环境检测等行业，危险气体的提前预警是生产开发中的重点方向。例如煤炭自燃发火预警根据煤炭自燃发火的不同阶段通常会产生不同的标志气体，因此可以通过对多种不同的标志性气体进行检测的方法来确定煤炭的发火状态，进而提前预警。例如，对于天然气泄漏的检测通常需要同时检测甲烷、乙烷两种气体以排除沼气的干扰。而目前常用的多气体同时检测方法主要有使用多激光器阵列分别对每一种气体进行检测的方法和降低气室压强以减小不同气体吸收峰的展宽，从而实现减小多气体吸收谱线间的交叉干扰的方法。
采用多激光器阵列法需要多个激光器，每个激光器通常只实现一种气体的检测，因此在选择气体吸收谱线的时候，往往是单独选择其中一种气体的吸收谱线，并且选择的谱线通常也不受其他气体的干扰或所受干扰非常小可以忽略。因此，多激光器阵列法选择光谱的自由度较大，选用的不同气体的吸收峰的波长通常相差也较大，几乎不需要考虑多气体间的交叉干扰问题。但这种方法的缺点也非常明显，需要多个激光器，有时甚至也需要多个气室。需要高昂的成本且检测设备的体积较大，通常不利于检测设备的小型化。
降低气室压强的方法，其主要是利用气体吸收峰在低压条件下会减小展宽，由此便可以减小多气体吸收峰交叉干扰的问题，但同时低压条件也会减小气体的吸收强度，降低检测精度和检测极限。但降低气室压强的方法往往是通过真空泵实现低压条件的，因此需要额外配置真空泵设备及低压控制电路。虽然该方法相较于多激光器阵列法，不需要设置较多的激光器，但需要额外的真空泵及压强控制电路，仍导致检测装置的成本较高，体积较大。
为解决上述两种方法带来的检测成本较高、体积较大的技术问题，本申请提出一种消除交叉干扰的多种气体浓度的检测方法。能够实现同时检测混合气体中的多种气体的浓度，有效降低检测成本，利于检测设备的小型化和微型化。
为便于对申请的技术方案进行，首先对本申请所涉及到的一些概念进行说明。
光谱(spectrum)，全称为光学频谱，是复色光经过色散系统(如棱镜、光栅)分光后，被色散开的单色光按波长(或频率)大小而依次排列的图案。
吸光度：是指光线通过溶液或物质前的入射光强度与光线通过溶液或某一物质后的透射光强度的比值，影响它的因素有溶剂、浓度、温度等。
波数：原子、分子和原子核的光谱学中的频率单位。符号为σ或v，等于真实频率除以光速，即波长(λ)的倒数，单位是cm-1。
图1为本申请实施例提供的一种消除交叉干扰的多种气体浓度的检测方法的流程示意图。
参见图1，本申请实施例提供的一种消除交叉干扰的多种气体浓度的检测方法由以下步骤S100-S700所实现：
步骤S100：确定待测气体对应的目标吸收光谱区间，根据目标吸收光谱区间确定目标吸收光谱以及确定每一种待测气体的目标检测波长。
其中，目标检测波长是待测气体在目标吸收光谱内最高的吸收峰的峰值对应的波长，目标吸收光谱包括每一种待测气体在目标吸收光谱区间内的吸收光谱。
在步骤S100中，目标吸收光谱区间包含多种待测气体的波长范围。目标吸收光谱区间的最小波长小于或等于多种待测气体中的最小波长，目标吸收光谱区间的最大波长大于或等于多种待测气体中的最大波长。
具体地，根据目标吸收光谱区间确定目标吸收光谱，目标吸收光谱内包括每一种待测气体的吸收光谱。可以理解为，在目标吸收光谱区间内生成每一种待测气体的吸收光谱，并可以对应查询每一种待测气体的吸收峰的峰值。
在目标吸收光谱中，最高的吸收峰的峰值是待测气体吸光度的最大值。待测气体在目标吸收光谱内，可能会有一个吸收峰，也可能存在多个吸收峰。当待测气体具有多个吸收峰时，拥有吸光度最大值的吸收峰为最高的吸收峰。这样，每一种待测气体具有一个最高的吸收峰，每一种待测气体对应一个目标检测波长。
值得注意的是，本申请实施例提出的消除交叉干扰的多种气体浓度的检测方法，是在待测气体种类已知的前提下进行的。
图2为本申请实施例中甲烷、乙烷、水三种气体的吸收光谱交叉干扰示意图。
参见图2，以混合气体中存在甲烷CH4、乙烷C2H6、水H2O三种气体为例，对本申请实施例中浓度检测方法进行解释说明。其中，水为气态水，甲烷和乙烷是在25cm有效光程及常温常压的条件下进行检测的，水是在10cm有效光程及常温常压的条件下进行检测的。
需要强调的是，本申请实施例提供的检测方法并不限于同时检测三种气体的浓度，还可以同时检测更多或者更少种类的气体浓度，图2中的气体种类及数量仅为示例性。
具体地，图2中的目标吸收光谱区间对应的波数范围为[2985cm-1、2992cm-1]，甲烷、乙烷、水中任意一种气体的波长范围均位于目标吸收光谱的区间内。
其中，乙烷存在两个吸收峰，分别为波数2986.68cm-1处的N1和波数2990.00cm-1处的N5。波数2986.68cm-1处的乙烷具有最高吸收峰，也即N1，那么波数2986.68cm-1对应的波长为乙烷的目标检测波长。
水存在两个吸收峰，分别为波数2987.53cm-1处的N2和波数2988.50cm-1处的N3。波数2987.53cm-1处的水具有最高的吸收峰，也即N2，那么波数2987.53cm-1处对应的波长为水的目标检测波长。
甲烷存在一个吸收峰，也即N4，为最高的吸收峰，甲烷最高的吸收峰对应的目标检测波长为波数2988.80cm-1处对应的波长。
值得注意的是，图2中用波数代替波长表示目标吸收光谱区间，主要是考虑到在使用波长表示目标吸收光谱区间时，小数点后面位数较多，故采用波数表示。本申请以下实施中也同样采用波数结合附图进行阐述。
步骤S200：根据每一种待测气体的目标检测波长确定每一种待测气体的干扰气体，并分别对每一种干扰气体进行光谱检测，得到每一种干扰气体的吸收光谱。
其中，待测气体为多种，目标检测波长的数量与待测气体的数量相同。由于混合气体中，多种气体的光谱图存在交叉，任意一种待测气体的最高的吸收峰被其余待测气体干扰，那么，会对具有该最高的吸收峰的待测气体的吸光度存在干扰。因此，在目标检测波长处，需要确定是否存在干扰气体，从而消除交叉干扰，提高检测精度。
具体地，干扰气体的判断方法为：确定在待测气体的目标检测波长处吸光度不为零的其他待测气体为该待测气体的干扰气体。
继续参见图2，波数2986.68cm-1对应的波长即为乙烷的目标检测波长。在乙烷的波数2986.68cm-1处，水和甲烷的吸光度均为零。因此，在乙烷的目标检测波长处，乙烷并不存在干扰气体。
波数2987.53cm-1对应的波长即为水的目标检测波长。在水的波数2987.53cm-1处，乙烷的吸光度不为零，甲烷的吸光度为零。因此，在水的目标检测波长处，干扰气体为乙烷。
波数2988.80cm-1对应的波长即为甲烷的目标检测波长。在甲烷的波数2988.80cm-1处，乙烷和水的吸光度均不为零。因此，在甲烷的目标检测波长处，干扰气体为乙烷和水。
图3为本申请实施例中乙烷的吸收光谱。
图4为本申请实施例中水的吸收光谱。
参见图3和图4。在确定干扰气体后，利用单激光器TDLAS直接吸收检测技术分别对乙烷和水进行光谱检测，可以得到乙烷的吸收光谱和水的吸收光谱。
步骤S300：根据每一种干扰气体的吸收光谱，确定每一种干扰气体在其他待测气体的目标检测波长处相对于干扰气体自身的目标检测波长处的相对吸光度系数。
具体地，干扰气体的目标检测波长处的吸光度为最高的吸收峰的峰值。
图5为本申请实施例中计算相对吸光度系数的流程示意图。
参见图5，本申请实施例中计算相对吸光度系数的方法由以下步骤S301-S303所实现：
步骤S301：确定每一种干扰气体在自身的目标检测波长处的第一吸光度。
其中，第一吸光度为干扰气体的最高的吸收峰的峰值。
步骤S302：确定每一种干扰气体在其他待测气体的目标检测波长处的第二吸光度。
具体地，第二吸光度为干扰气体在其他待测气体的目标检测波长处对应的吸光度。
示例性的，继续参见图3，乙烷在波数2986.68cm-1处具有第一吸光度，乙烷在水的波数2987.53cm-1处具有第二吸光度，乙烷在甲烷的波数2988.80cm-1处具有第二吸光度。
示例性的，继续参见图4，水在波数2987.53cm-1处具有第一吸光度，水在甲烷的波数2988.80cm-1处具有第二吸光度。
其中，同一干扰气体在不同目标检测波长处的吸光度系数可以相同，也可以不同。
步骤S303：对于每一种干扰气体，将第二吸光度与第一吸光度的比值作为干扰气体的相对吸光度系数。
具体地，根据不同目标检测波长处的第二吸光度与第一吸光度计算干扰气体在不同目标检测波长处的相对吸光度系数。
示例性的，继续参见图3。分别将乙烷在波数2987.53cm-1处和2988.80cm-1处的第二吸光度与第一吸光度进行比值，得到乙烷在波数2987.53cm-1处的相对吸光度系数为3.19％，乙烷在波数2988.80cm-1处的相对吸光度系数为2.77％。
示例性的，继续参见图4。将水在波数2988.80cm-1处的第二吸光度与波数2987.53cm-1处的第一吸光度进行比值，得到水在波数2988.80cm-1处的相对吸光度系数为4.96％。
步骤S400：对所有待测气体的混合气体进行光谱检测，得到混合气体的吸收光谱。
图6为本申请实施例提供的混合气体的吸收光谱。
参见图6，利用单激光器TDLAS直接吸收技术对混合气体进行检测，可以得到混合气体的吸收光谱。
步骤S500：根据混合气体的吸收光谱，得到拥有独立峰的待测气体的吸光度。
在独立峰对应的目标检测波长处，其余待测气体的吸光度均为零。也就是说，独立峰不受其余待测气体的干扰，独立峰处无干扰气体。
步骤S500由步骤S501-S502所实现：
步骤S501：在目标吸收光谱中确定独立峰。
示例性的，继续参见图2，在目标吸收光谱中可以看出，在乙烷的波数2986.68cm-1处，甲烷和水的吸光度均为零。也可以理解为，在乙烷的波数2986.68cm-1处，也即在乙烷的目标检测波长处，甲烷和水均未对乙烷产生干扰，那么，N1为独立峰。
步骤S502：在混合气体的吸收光谱中，根据独立峰确定拥有该独立峰的待测气体的吸光度。
示例性的，在判断N1为独立峰之后，继续参见图6，独立峰的峰值为乙烷气体的吸光度。
步骤S600：根据每一种干扰气体的相对吸光度系数、拥有独立峰的待测气体的吸光度，计算混合气体中每一种待测气体在目标检测波长处的实际吸光度。
其中，每一种干扰气体的相对吸光度系数由步骤S303中得到。拥有独立峰的待测气体的吸光度由步骤S502中得到。
图7为本申请实施例中图2和图6的结合示意图。
参见图7可知，混合气体中，目标检测波长处存在干扰气体时，吸光度叠加总和大于目标检测光谱中吸收峰位于该目标检测波长处的待测气体的吸光度，这也是由于交叉干扰产生的结果。此时，吸光度叠加总和无法作为后续计算气体浓度的依据，需要计算混合气体中每一种待测气体的实际吸光度。
具体地，步骤S600由以下步骤S601-S602所实现：
步骤S601：对混合气体中的每一种待测气体的目标检测波长处建立吸光度方程组。
步骤S602：每一种干扰气体的相对吸光度系数、拥有独立峰的待测气体的吸光度带入吸光度方程组，得到混合气体中每一种待测气体的实际吸光度。
具体的，吸光度方程组为：
其中，a11、a12…a1n、a21、a22…a2n、an1、an2…ann为目标检测波长处各个待测气体的相对吸光度系数；γ1、γ2…γn为待测气体在各自目标检测波长处的实际吸光度；A1、A2…An为混合气体的吸收光谱中，目标检测波长对应的吸光度叠加总和，n为待测气体的数量。
值得注意的是，干扰气体为任意一种待测气体。
示例性的，继续以待测气体为甲烷、乙烷和水为例。此时n为3，上述吸光度方程组为：
其中，γ1为乙烷的实际吸光度，γ2为甲烷的实际吸光度，γ3为水的实际吸光度。由于γ1为乙烷，且乙烷在2986.68cm-1处具有独立峰，不受其他气体的干扰，因此，乙烷在甲烷和水的目标检测波长处的相对吸光度系数均为0，也即a12＝0、a13＝0、a11＝1。这样，γ1＝A1。而A1为混合气体的检测光谱中，波数2986.68cm-1处的吸光度叠加总和。因此，具有独立峰的乙烷的实际吸光度等于该目标检测波长处的吸光度叠加总和，也即独立峰的峰值。
值得注意的是，上述示例为一个独立峰。在实际的检测过程中，独立峰的数量可以为1个，也可以为多个。
具体地，根据上述步骤中得到的相对吸光度系数以及独立峰的峰值，在波数2986.68cm-1、2987.53cm-1以及2988.8cm-1得到以下吸光度方程组：
通过以上方程组可以解得γ2＝0.00365084465，γ3＝0.0155570540553；即乙烷在波数2986.68cm-1处的吸光度为0.0199262，水在波数2987.53cm-1处的吸光度为0.00365084465，甲烷在波数2988.8cm-1处的吸光度为0.0155570540553。
步骤S700：根据每一种待测气体在目标检测波长处的实际吸光度，计算混合气体中的每一种待测气体的浓度。
具体地，步骤S700由以下步骤S701-S702所实现：
步骤S701：根据气体吸光度与气体浓度的关系，通过用标准气体检测的方法，得到标定函数。
具体地，标准气体是气体工业的术语，是浓度均匀、稳定性好、测量值准确的测量标准。用标准气体检测的方法就是通过采用标准气体进行检测的方法。
步骤S702：将混合气体中的实际吸光度带入标定函数中，得到混合气体中的每一种待测气体的浓度。
具体的，气体的吸光度与气体的浓度呈线性关系。
图8为本申请实施例提供的乙烷的标定函数示意图。
图9为本申请实施例提供的甲烷的标定函数示意图。
图10为本申请实施例提供的水的标定函数示意图。
参见图8，乙烷标定函数为y＝1007*x-0.0007236。其中，x为实际吸光度，y为气体浓度。R2为决定系数，表示x解释响应变量随y的变化比例。R2越大，标定函数解释的变异越大，即表示标定函数对吸光度和浓度之间关系的反映更加准确。
参见图9，甲烷标定函数为y＝2570*x-0.0003316。其中，x为实际吸光度，y为气体浓度。R2为决定系数。
参见图10，水标定函数为y＝3082000*x-1100。其中，x为实际吸光度，y为气体浓度。R2为决定系数。
将步骤S602中计算得到的实际吸光度系数带入上述标定函数中，计算到三种气体的浓度。最终得到混合气体中，乙烷的浓度为20.06ppm(parts per million，百万分比浓度)，甲烷浓度约为39.98ppm，水浓度约为1.01519％。
这样，本申请实施例提供的消除交叉干扰的多种气体的检测方法，可以同时检测混合气体中的多种待测气体，而且不需要进行逐一检测。通过消除不同待测气体间交叉干扰的方法，实现多种气体浓度的同时检测。在保证检测精度的前提下，不需要设置额外的硬件设备，降低了检测成本。另外也不存在降低气体吸收强度和检测下限的问题，更利于检测设备的小型化和微型化。
与前述一种消除交叉干扰的多种气体浓度的检测方法的实施例相对应，本申请还提供一种消除交叉干扰的多种气体浓度的检测系统的实施例。
图11为本申请实施例提供的一种消除交叉干扰的多种气体浓度的检测系统的结构示意图。
参见图11，检测系统包括信号发生器10、激光器30、光电探测模块60、数据采集模块70、上位机80、激光器控制器20和准直透镜40。
其中，信号发生器10，被配置为：发送调制信号。
激光器30，与信号发生器10相连，被配置为：接收调制信号，根据调制信号输出第一光信号。其中，第一光信号的输出波长范围能够覆盖目标吸收光谱区间。
激光器控制器20与信号发生器10和激光器30分别连接，被配置为，接收调制信号，根据调制信号控制激光器30发出的光的波长，以产生第一光信号。
准直透镜40，设置在第一光信号的光路上，被配置为：准直第一光信号。
光电探测模块60，分布在待检测气室内50，被配置为：接收第二光信号，将第二光信号转换为电信号。其中，第二光信号为第一光信号被气体吸收后产生的带有待测气体浓度信息的光信号。
数据采集模块70，与光电探测模块60相连，被配置为：接收电信号，将电信号转换为数字信号。
上位机80，与数据采集模块70相连，被配置为：接收数字信号，基于数字信号计算每一种干扰气体在其他待测气体的目标检测波长处相对于干扰气体自身的目标检测波长处的相对吸光度系数，以及，根据每一种干扰气体的相对吸光度系数、拥有独立峰的待测气体的吸光度，计算混合气体中每一种待测气体在目标检测波长处的实际吸光度。
上位机80还被配置为：根据每一种待测气体在目标检测波长处的实际吸光度，计算混合气体中的每一种待测气体的浓度。
具体的，信号发生器10产生的调制信号输入激光器控制器20，进而调谐激光器30，使激光器30的输出波长范围能够覆盖目标吸收光谱区间，然后激光器30输出的光信号经准直透镜40准直后再射入气室50。其中，准直透镜40设置在第一光信号的光路上。气室50内充满待测气体，此时，第一光信号与气室50内的气体接触，并被气室50内气体吸收后产生带有待测气体浓度信息的第二光信号。再由光电探测模块60将检测到的带有待测气体浓度信息的第二光信号转换为电信号并做放大处理，此时的电信号中携带有待测气体浓度信息，最后由数据采集模块70将数据上传至上位机80进行相对吸光度系数、实际吸光度以及待测气体浓度的计算。
其中，上位机80可以为计算机。
通过上位机80对相对吸光度系数的计算，可以得到混合气体中多种气体的实际吸光度，从而可以进一步同时计算得到混合气体中多种气体的浓度，在保证检测精度的前提下，不需要设置额外的硬件设备，降低了检测成本。另外也不存在降低气体吸收强度和检测下限的问题，更利于检测设备的小型化和微型化。
需要说明的是，本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种消除交叉干扰的多种气体浓度的检测方法，其特征在于，包括：
确定待测气体对应的目标吸收光谱区间，根据所述目标吸收光谱区间确定目标吸收光谱以及确定每一种所述待测气体的目标检测波长，其中，所述目标检测波长是所述待测气体在所述目标吸收光谱内最高的吸收峰的峰值对应的波长，所述目标吸收光谱包括每一种所述待测气体在所述目标吸收光谱区间内的吸收光谱；
根据每一种所述待测气体的目标检测波长确定每一种所述待测气体的干扰气体，并分别对每一种所述干扰气体进行光谱检测，得到每一种所述干扰气体的吸收光谱；
根据每一种所述干扰气体的吸收光谱，确定每一种所述干扰气体在其他所述待测气体的所述目标检测波长处相对于所述干扰气体自身的所述目标检测波长处的相对吸光度系数；
对所有所述待测气体的混合气体进行光谱检测，得到所述混合气体的吸收光谱；
根据所述混合气体的吸收光谱，得到拥有独立峰的所述待测气体的吸光度；
根据每一种所述干扰气体的相对吸光度系数、拥有所述独立峰的所述待测气体的吸光度，计算所述混合气体中每一种所述待测气体在所述目标检测波长处的实际吸光度；
根据每一种所述待测气体在所述目标检测波长处的实际吸光度，计算所述混合气体中的每一种所述待测气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的消除交叉干扰的多种气体浓度的检测方法，其特征在于，所述根据每一种所述待测气体的目标检测波长确定每一种所述待测气体的干扰气体，包括：
确定在所述待测气体的目标检测波长处的吸光度不为零的其他所述待测气体，将所述吸光度不为零的其他所述待测气体确定为所述待测气体的干扰气体。
3.根据权利要求2所述的消除交叉干扰的多种气体浓度的检测方法，其特征在于，所述根据每一种所述干扰气体的吸收光谱，确定每一种所述干扰气体在其他所述待测气体的所述目标检测波长处相对于所述干扰气体自身的目标检测波长处的相对吸光度系数，包括：
确定每一种所述干扰气体在自身的目标检测波长处的第一吸光度；
确定每一种所述干扰气体在其他所述待测气体的目标检测波长处的第二吸光度；
对于每一种所述干扰气体，将所述第二吸光度与所述第一吸光度的比值作为所述干扰气体的相对吸光度系数。
4.根据权利要求1所述的消除交叉干扰的多种气体浓度的检测方法，其特征在于，所述根据所述混合气体的吸收光谱，得到拥有独立峰的所述待测气体的吸光度，包括：
在所述目标吸收光谱中确定所述独立峰；
在所述混合气体的吸收光谱中，根据所述独立峰确定拥有所述独立峰的所述待测气体的吸光度；
其中，所述独立峰对应的所述目标检测波长处其余所述待测气体的吸光度均为零。
5.根据权利要求1所述的消除交叉干扰的多种气体浓度的检测方法，其特征在于，根据每一种所述干扰气体的相对吸光度系数、拥有所述独立峰的所述待测气体的吸光度，计算所述混合气体中每一种所述待测气体在所述目标检测波长处的实际吸光度，包括：
对所述混合气体中的每一种所述待测气体的目标检测波长处建立吸光度方程组；
将每一种所述干扰气体的相对吸光度系数、拥有所述独立峰的待测气体的吸光度带入所述吸光度方程组，得到所述混合气体中每一种所述待测气体的实际吸光度。
6.根据权利要求5所述的消除交叉干扰的多种气体浓度的检测方法，其特征在于，
所述吸光度方程组为：
其中，a11、a12…a1n、a21、a22…a2n、an1、an2…ann为所述目标检测波长处对应的所述待测气体的相对吸光度系数；γ1、γ2…γn为所述待测气体在各自所述目标检测波长的实际吸光度；A1、A2…An为所述混合气体的吸收光谱中，所述目标检测波长对应的吸光度叠加总和；n为所述待测气体的数量。
7.根据权利要求1所述的消除交叉干扰的多种气体浓度的检测方法，其特征在于，所述确定待测气体对应的目标吸收光谱区间，包括：
确定多种所述待测气体中的最大波长和最小波长；
在覆盖所述最大波长和所述最小波长的波长范围内生成所述目标吸收光谱区间。
8.根据权利要求1所述的消除交叉干扰的多种气体浓度的检测方法，其特征在于，所述根据每一种所述待测气体在所述目标检测波长处的实际吸光度，计算所述混合气体中的每一种待测气体的浓度，包括：
根据气体吸光度与气体浓度的关系，通过用标准气体检测的方法，得到标定函数；
将所述混合气体中的实际吸光度带入所述标定函数中，得到所述混合气体中的每一种所述待测气体的浓度。
9.一种消除交叉干扰的多种气体浓度的检测系统，其特征在于，包括：
信号发生器，被配置为：输出调制信号；
激光器，与所述信号发生器相连，被配置为：接收所述调制信号，根据所述调制信号输出第一光信号，其中，所述第一光信号的输出波长范围能够覆盖目标吸收光谱区间；
光电探测模块，被配置为：接收第二光信号，将所述第二光信号转换为电信号，其中，所述第二光信号为所述第一光信号被气体吸收后产生的带有待测气体浓度信息的光信号；
数据采集模块，与所述光电探测模块相连，被配置为：接收所述电信号，将所述电信号转换为数字信号；
上位机，与所述数据采集模块相连，被配置为：接收所述数字信号，基于所述数字信号计算每一种干扰气体在其他待测气体的目标检测波长处相对于所述干扰气体自身的所述目标检测波长处的相对吸光度系数，以及，根据每一种所述干扰气体的相对吸光度系数、拥有独立峰的所述待测气体的吸光度，计算混合气体中每一种所述待测气体在所述目标检测波长处的实际吸光度；
所述上位机还被配置为：根据每一种所述待测气体在所述目标检测波长处的实际吸光度，计算所述混合气体中的每一种所述待测气体的浓度。
10.根据权利要求9所述的消除交叉干扰的多种气体浓度的检测系统，其特征在于，还包括：激光器控制器和准直透镜；
所述激光器控制器与所述信号发生器和所述激光器分别连接，被配置为，接收所述调制信号，根据所述调制信号控制所述激光器发出的光的波长，以产生所述第一光信号；
所述准直透镜，设置在所述光信号的光路上，被配置为：准直所述第一光信号。
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| CN202310176410.0A CN116465841A (zh) | 2023-02-28 | 2023-02-28 | 一种消除交叉干扰的多种气体浓度的检测方法及系统 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN117347301A (zh) * | 2023-09-28 | 2024-01-05 | 湖南五凌电力科技有限公司 | 混合气体检测装置、方法、电子设备及存储介质 |
| CN117969443A (zh) * | 2024-04-01 | 2024-05-03 | 中机试验装备股份有限公司 | 基于红外吸收光谱的氢气泄露激光遥测检测装置及方法 |
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- 2023-02-28 CN CN202310176410.0A patent/CN116465841A/zh active Pending
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