CN116952884B - 一种非分散红外气体检测的气体浓度计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非分散红外气体检测的气体浓度计算方法，包括如下步骤：选择测量所用光谱通道的光谱范围：假定在已知光源情况下，所选的光谱通道中总的光强值为I0,不参与吸收的光谱段的光强值所占比例为α；当含有被测气体时，检测到的光强值为I，那么，吸光度A的计算公式为采用两种或两种以上浓度的标气，根据吸光度A的计算公式，计算在不同浓度情况下的标气的吸光度A，并根据标气的浓度和计算所得的吸光度A，进行拟合标定曲线；对于待测气体，根据计算得到吸光度A，并将计算得到的吸光度A代入所得的标定曲线中，获得待测气体的浓度。本方法能够减少标定点和校准点的数量，进而减少标定和校准的工作量，提高检测效率。
Description
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域，具体涉及一种非分散红外气体检测的气体浓度计算方法。
背景技术
非分散红外气体检测是一种利用气体的红外特征吸收特性并依据朗伯比尔定律来检测气体浓度的检测技术。采用该检测技术的仪器不需要复杂的分光机构，并且检测的光谱范围较宽，具有结构简单、信噪比高以及成本低的优点，因此，该检测技术在气体检测仪器和气体泄漏报警器中得到了广泛的应用。
在非分散红外气体检测技术的应用中，主要是利用了气体在中红外光谱区域的特征吸收特性。这是因为基频振动是红外光谱中吸收最强的振动，而气体的基频吸收带位于中红外光谱区域，因此，该区域最适合进行气体的定性分析。常见的气体，例如一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)等，在中红外光谱区域都具有比较强烈的吸收特性，因此，都可以采用非分散红外气体检测技术来进行检测。
然而，这些气体的特征吸收并不是连续的，而是由密集的吸收线组成。当采用非分散红外气体检测技术进行检测时，在检测光谱范围内，吸收线之外的光强值也会进入到红外光检测器中，这会使得实际情况偏离朗伯比尔定律适用的理想情况。具体表现为：由红外光检测器所采集的检测光信号计算出来的吸光度与实际气体浓度之间呈非线性的关系。
针对非线性的问题，常规的做法是采用多项式拟合的方式来修正非线性。但是，多项式拟合的方式会存在以下问题：对于一个非分散红外气体分析仪来说，需要较多的标定点来拟合标定曲线，并且在校准时也需要较多的校准点进行校准，这给标定和校准带来了较大的工作量，降低了检测效率。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种非分散红外气体检测的气体浓度计算方法，能够减少标定和校准的工作量，提高检测效率。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：一种非分散红外气体检测的气体浓度计算方法，包括如下步骤：
步骤S100、选择测量所用光谱通道的光谱范围：
步骤S200、假定在已知光源情况下，步骤S100中所选的光谱通道中总的光强值为I0,不参与吸收的光谱段的光强值所占比例为α；
步骤S300、当含有被测气体时，检测到的光强值为I，那么，吸光度A的计算公式为：
其中，公式中的I0与α为步骤S200中的I0与α；
步骤S400、采用两种或两种以上浓度的标气，根据步骤S300中的吸光度A的计算公式，计算在不同浓度情况下的标气的吸光度A，并根据标气的浓度和计算所得的吸光度A，进行拟合标定曲线；
步骤S500、对于待测气体，根据步骤S300计算得到吸光度A，并将计算得到的吸光度A代入步骤S400所得的标定曲线中，获得待测气体的浓度。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：本方法在计算吸光度A时，扣除了不参与吸收的光谱段的光强值，从而降低了气体吸光度与实际气体浓度之间的非线性，在拟合标定曲线时，最少可以只采用两种浓度的标气进行标定，校准时也就可以采用较少的校准点进行校准，因此，本方法可以实现非分散红外气体分析仪器的线性动态范围的扩展，能够减少标定点和校准点的数量，进而减少标定和校准的工作量，提高检测效率。
上述的非分散红外气体检测的气体浓度计算方法，对于硬件参数相同，且只包含测量通道的非分散红外气体分析仪器，在确定的量程范围内，通过以下步骤确定α的数值：
S610、在所需量程范围内，选择n个浓度点的标气；
S620、检测通零气情况下所采集到的光强值I0；
S630、检测通标气情况下所采集到的光强值，且n个浓度点的标气对应n个光强值Ii，其中，i为整数且i＝1～n，且n≥5；
S640、根据步骤S630中的n个光强值Ii，采用S300中的公式计算n个吸光度Ai，其中，α根据实际情况选取不同数值进行遍历，每一个α值对应计算得到一组Ai；
S650、将步骤S640中计算所得的多组吸光度Ai分别与n个标气的浓度点进行拟合校准曲线，并分别求拟合曲线的R2；
S660、根据步骤S650中的R2，选择R2最接近1时对应的α值，作为该类型分析仪器的α值，分析仪器的硬件和量程不发生变化时，该值为恒定值。
上述的非分散红外气体检测的气体浓度计算方法，对于同时包含参考通道和测量通道的双通道非分散红外气体分析仪器：
在步骤S200中，假定在已知光源情况下，步骤S100中所选的光谱通道中，参考通道的光强值为I′0，测量通道的光强值为I0；
在步骤S300中，当含有被测气体时，参考通道的光强值为I′，测量通道的光强值为I，那么，吸光度A的计算公式为：
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例一的实验一中的标定曲线示意图；
图2为本发明实施例一的实验二中的标定曲线示意图；
图3为本发明实施例一的实验五中的标定曲线示意图；
图4为本发明实施例一的实验六中的标定曲线示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例：
实施例一
本发明的实施例一提供了一种非分散红外气体检测的气体浓度计算方法，包括如下步骤：
步骤S100、选择测量所用光谱通道的光谱范围：
步骤S200、假定在已知光源情况下，步骤S100中所选的光谱通道中总的光强值为I0,不参与吸收的光谱段的光强值所占比例为α；
步骤S300、当含有被测气体时，检测到的光强值为I，那么，吸光度A的计算公式为：
其中，公式中的I0与α为步骤S200中的I0与α；
步骤S400、采用两种或两种以上浓度的标气，根据步骤S300中的吸光度A的计算公式，计算在不同浓度情况下的标气的吸光度A，并根据标气的浓度和计算所得的吸光度A，进行拟合标定曲线；
步骤S500、对于待测气体，根据步骤S300计算得到吸光度A，并将计算得到的吸光度A代入步骤S400所得的标定曲线中，获得待测气体的浓度。
本实施例一中的方法在计算吸光度A时，扣除了不参与吸收的光谱段的光强值，从而降低了气体吸光度与实际气体浓度之间的非线性，在拟合标定曲线时，最少可以只采用两种浓度的标气进行标定，校准时也就可以采用较少的校准点进行校准，因此，本方法可以实现非分散红外气体分析仪器的线性动态范围的扩展，能够减少标定点和校准点的数量，进而减少标定和校准的工作量，提高检测效率。具体地，在本实施例一中，选定一款非分散红外气体分析仪，并选定该非分散红外气体分析仪的量程范围，在确定的量程范围内，通过以下步骤确定α的数值：
S610、在所需量程范围内，选择n个浓度点的标气；
S620、检测通零气情况下所采集到的光强值I0；
S630、检测通标气情况下所采集到的光强值，且n个浓度点的标气对应n个光强值Ii，其中，i为整数且i＝1～n，且n≥5；
S640、根据步骤S630中的n个光强值Ii，采用S300中的公式计算n个吸光度Ai，其中，α根据实际情况选取不同数值进行遍历，每一个α值对应计算得到一组Ai；
S650、将步骤S640中计算所得的多组吸光度Ai分别与n个标气的浓度点进行拟合校准曲线，并分别求拟合曲线的R2；
S660、根据步骤S650中的R2，选择R2最接近1时对应的α值，作为该类型分析仪器的α值，分析仪器的硬件和量程不发生变化时，该值为恒定值。
由上述的步骤，也即，首先根据实际情况选取不同数值的α代入到步骤S300中，根据步骤S300中的公式，计算得到对应于不同数值的α下的多个吸光度A，再根据多个吸光度A与标气浓度点进行拟合校准曲线，最后根据步骤S660获得最终的分析仪器的α值。在本实施例中，可以获得该非分散红外气体分析仪的α值为0.48，且一款确定的非分散红外气体分析仪对应一个确定的α值。
具体地，在本实施例一中，通过以下实验进行验证本实施例一中的计算方法所带来的有益效果：
实验一：不扣除不参与吸收的光谱段的光强值，也即上述步骤S300中的α值为0，分别选用浓度为2％、2.5％、3％、4％、5％、6.5％、8％的二氧化碳标准气体进行标定，标定曲线如图1，可见标定曲线呈明显的非线性状态，这就意味着，标定和校准时，都需要采用多个标定点和多个校准点，从而增加了标定和校准时的工作量；
实验二：扣除不参与吸收的光谱段的光强值，也即上述步骤S300中的α值不为0，在本实验二中，选定的非分散红外气体分析仪对应的α值为0.48，分别选用浓度为2％、2.5％、3％、4％、5％、6.5％、8％的二氧化碳标准气体进行标定，标定曲线如图2，可见标定曲线呈明显的线性状态。
由上述的实验一和实验二的比对可见：进行扣除不参与吸收的光谱段的光强值处理后，标定曲线呈较为明显的线性状态，线性动态范围得以扩大。
实验三：不扣除不参与吸收的光谱段的光强值，也即上述步骤S300中的α值为0，分别选取2％、8％两个浓度点进行标定，标定曲线使用一次线性拟合，然后，对2％、2.5％、3％、4％、5％、6.5％、8％的浓度点进行验证，验证结果如下表1所示：
表1
实验四：扣除不参与吸收的光谱段的光强值，也即上述步骤S300中的α值不为0，在本实验四中，选定的非分散红外气体分析仪对应的α值为0.48，分别选取2％、8％两个浓度点进行标定，标定曲线使用一次线性拟合，然后，对2％、2.5％、3％、4％、5％、6.5％、8％的浓度点进行验证，验证结果如下表2所示：
表2
由上述实验三和实验四的比对可知：不扣除不参与吸收的光谱段的光强值时，只采用两个浓度点进行标定，利用标定曲线所得的气体浓度的相对误差较大；而扣除不参与吸收的光谱段的光强值之后，只采用两个浓度点进行标定，利用标定曲线所得的气体浓度的相对误差较小。由此可知，不扣除不参与吸收的光谱段的光强值时，只采用两个浓度点进行标定是远远不够的。而相反地，通过本实施例一中的计算方法，可以最少只采用两个浓度点进行标定，能够减少标定点和校准点的数量，进而减少标定和校准的工作量，提高检测效率。
实施例二
本发明的实施例二提供了一种非分散红外气体检测的气体浓度计算方法，对于同时包含参考通道和测量通道的双通道非分散红外气体分析仪器，计算方法包括如下步骤：
步骤S100、选择测量所用光谱通道的光谱范围：
步骤S200、假定在已知光源情况下，步骤S100中所选的光谱通道中，参考通道的光强值为I′0，测量通道的光强值为I0，不参与吸收的光谱段的光强值所占比例为α；
步骤S300、当含有被测气体时，参考通道的光强值为I′，测量通道的光强值为I，那么，吸光度A的计算公式为：
其中，公式中的I0、I′0与α为步骤S200中的I0、I′0与α；
步骤S400、采用两种或两种以上浓度的标气，根据步骤S300中的吸光度A的计算公式，计算在不同浓度情况下的标气的吸光度A，并根据标气的浓度和计算所得的吸光度A，进行拟合标定曲线；
步骤S500、对于待测气体，根据步骤S300计算得到吸光度A，并将计算得到的吸光度A代入步骤S400所得的标定曲线中，获得待测气体的浓度。
本实施例二中所选定的非分散红外气体分析仪与实施例一中的非分散红外气体分析仪为同一款，其α值为0.48。
具体地，在本实施例二中，通过以下实验进行验证本实施例二中的计算方法所带来的有益效果：
实验五：不扣除不参与吸收的光谱段的光强值，也即上述步骤S300中的α值为0，分别选用浓度为2％、2.5％、3％、4％、5％、6.5％、8％的二氧化碳标准气体进行标定，标定曲线如图3，可见标定曲线呈明显的非线性状态；
实验六：扣除不参与吸收的光谱段的光强值，也即上述步骤S300中的α值为0.48，分别选用浓度为2％、2.5％、3％、4％、5％、6.5％、8％的二氧化碳标准气体进行标定，标定曲线如图4，可见标定曲线呈明显的线性状态。
由上述的实验五和实验六的比对可见：进行扣除不参与吸收的光谱段的光强值处理后，标定曲线呈较为明显的线性状态，线性动态范围得以扩大。
实验七：不扣除不参与吸收的光谱段的光强值，也即上述步骤S300中的α值为0，分别选取2％、8％两个浓度点进行标定，标定曲线使用一次线性拟合，然后，对2％、2.5％、3％、4％、5％、6.5％、8％的浓度点进行验证，验证结果如下表3所示：
表3
实验八：扣除不参与吸收的光谱段的光强值，也即上述步骤S300中的α值为0.48，分别选取2％、8％两个浓度点进行标定，标定曲线使用一次线性拟合，然后，对2％、2.5％、3％、4％、5％、6.5％、8％的浓度点进行验证，验证结果如下表4所示：
表4
由上述实验七和实验八的比对可知：不扣除不参与吸收的光谱段的光强值时，只采用两个浓度点进行标定，利用标定曲线所得的气体浓度的相对误差较大；而扣除不参与吸收的光谱段的光强值之后，只采用两个浓度点进行标定，利用标定曲线所得的气体浓度的相对误差较小。由此可知，不扣除不参与吸收的光谱段的光强值时，只采用两个浓度点进行标定是远远不够的。而相反地，通过本实施例二中的计算方法，可以最少只采用两个浓度点进行标定，能够减少标定点和校准点的数量，进而减少标定和校准的工作量，提高检测效率。
需要注意的是，在本发明的描述中，如有涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系的，均为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个及两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一或第二等的，只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (2)
1.一种非分散红外气体检测的气体浓度计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S100、选择测量所用光谱通道的光谱范围；
步骤S200、假定在已知光源情况下，步骤S100中所选的光谱通道中总的光强值为I0,不参与吸收的光谱段的光强值所占比例为α；
步骤S300、当含有被测气体时，检测到的光强值为I，那么，吸光度A的计算公式为：
其中，公式中的I0与α为步骤S200中的I0与α；
步骤S400、采用两种或两种以上浓度的标气，根据步骤S300中的吸光度A的计算公式，计算在不同浓度情况下的标气的吸光度A，并根据标气的浓度和计算所得的吸光度A，进行拟合标定曲线；
步骤S500、对于待测气体，根据步骤S300计算得到吸光度A，并将计算得到的吸光度A代入步骤S400所得的标定曲线中，获得待测气体的浓度；
其中，对于一款非分散红外气体分析仪器，在确定的量程范围内，通过以下步骤确定α的数值：
S610、在所需量程范围内，选择n个浓度点的标气；
S620、检测通零气情况下所采集到的光强值I0；
S630、检测通标气情况下所采集到的光强值，且n个浓度点的标气对应n个光强值Ii，其中，i为整数且i=1~n，且n≥5；
S640、根据步骤S630中的n个光强值Ii，采用S300中的公式计算n个吸光度Ai，其中，α根据实际情况选取不同数值进行遍历，每一个α值对应计算得到一组Ai；
S650、将步骤S640中计算所得的多组吸光度Ai分别与n个标气的浓度点进行拟合校准曲线，并分别求拟合曲线的R2；
S660、根据步骤S650中的R2，选择R2最接近1时对应的α值，作为该类型分析仪器的α值，分析仪器的硬件和量程不发生变化时，该值为恒定值。
2.根据权利要求1所述的非分散红外气体检测的气体浓度计算方法，其特征在于，对于同时包含参考通道和测量通道的双通道非分散红外气体分析仪器：
在步骤S200中，假定在已知光源情况下，步骤S100中所选的光谱通道中，参考通道的光强值为，测量通道的光强值为/>；
在步骤S300中，当含有被测气体时，参考通道的光强值为，测量通道的光强值为/>，那么，吸光度A的计算公式为：
。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 非分散红外吸收光谱法空气痕量污染气体监测浓度算法;陈晓宁;刘建国;司福祺;刘文清;;光电工程;第35卷(第02期);114-117 * |
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