CN117388204A - 一氧化氮气体分析系统、方法及计算机可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一氧化氮气体分析系统、方法及计算机可读存储介质，系统包括：采集模块，用于采集垃圾焚烧烟气的红外光谱；计算模块，用于基于垃圾焚烧烟气的红外光谱，根据存在一氧化氮吸收的目标波段内不同波长对应的垃圾焚烧烟气的红外光谱的光谱强度和N2红外光谱的光谱强度计算得到各波长对应的垃圾焚烧烟气的吸光度；构建模块，用于构建浓度反演模型；计算模块还用于根据浓度反演模型求解得到一氧化氮比例系数和水蒸气比例系数，并计算得到一氧化氮浓度以及水蒸气浓度；补偿模块，用于基于水蒸气浓度对一氧化氮浓度进行补偿，得到补偿后的一氧化氮浓度。本发明在存在高湿度吸收的情况下对一氧化氮浓度进行补偿，有效解决测量结果偏低的问题。
Description
技术领域
本发明属于气体分析技术领域，具体涉及一氧化氮气体分析系统、方法及计算机可读存储介质。
背景技术
垃圾焚烧发电产生大量有害有毒气体，例如SO2、NO、NO2、HCl、HF、CO、CO2等，严重影响空气质量。对垃圾焚烧烟气排放进行连续在线监测，才能对污染物浓度以及烟气排放总量进行定性及定量评估。目前，相比于紫外差分光谱技术与可调谐半导体激光光谱技术，傅里叶变换红外光谱技术可以进行多组分气体在线测量，实现多种气体同时定性和定量分析。
对于垃圾焚烧烟气排放的连续在线监测，由于垃圾焚烧烟气高温高湿，湿度在红外波段有很强的吸收，且SO2、NO、NO2 吸收位置都存在湿度吸收，故湿度很大程度会影响SO2、NO、NO2浓度浓度的分析精度。在2-12μm波长下，SO2、NO2在红外还有其它位置存在吸收，可以完全避开存在湿度吸收影响的位置；但是，NO在2-12μm波长下只有一个吸收波段，且这个吸收波段下湿度存在强吸收，易造成气体非线性吸收，从而导致一氧化氮浓度（即NO浓度）测量结果偏低。
发明内容
基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的是提供一氧化氮气体分析系统、方法及计算机可读存储介质。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一氧化氮气体分析系统，包括：
采集模块，用于采集垃圾焚烧烟气的红外光谱；
计算模块，用于基于垃圾焚烧烟气的红外光谱，根据存在一氧化氮吸收的目标波段内不同波长对应的垃圾焚烧烟气的红外光谱的光谱强度和N2红外光谱的光谱强度计算得到各波长对应的垃圾焚烧烟气的吸光度；其中，目标波段内存在一氧化碳、二氧化碳和水蒸气吸收；
构建模块，用于根据各波长对应的垃圾焚烧烟气的吸光度、一氧化氮标准吸光度、一氧化碳标准吸光度、二氧化碳标准吸光度、水蒸气标准吸光度和干扰吸光度构建浓度反演模型；
所述计算模块，还用于根据浓度反演模型求解得到一氧化氮比例系数和水蒸气比例系数，还用于根据一氧化氮标准吸光度对应的一氧化氮标准浓度以及一氧化氮比例系数计算得到一氧化氮浓度，还用于根据水蒸气标准吸光度对应的水蒸气标准浓度以及水蒸气比例系数计算得到水蒸气浓度；
补偿模块，用于基于水蒸气浓度对一氧化氮浓度进行补偿，得到补偿后的一氧化氮浓度。
作为优选方案，所述存在一氧化氮吸收的目标波段为4900-5600nm。
作为优选方案，所述各波长对应的垃圾焚烧烟气的吸光度为：
；
其中，为波长λ i 对应的N2红外光谱的光谱强度，/>为波长λ i 对应的垃圾焚烧烟气的红外光谱的光谱强度，i∈[1，N]，N为目标波段内的波长点的总数。
作为优选方案，所述浓度反演模型为：
；
其中，为波长λ i 对应的一氧化氮标准吸光度，/>为波长λ i 对应的一氧化碳标准吸光度，/>为波长λ i 对应的二氧化碳标准吸光度，/>为波长λ i 对应的水蒸气标准吸光度，/>分别为一氧化氮比例系数、一氧化碳比例系数、二氧化碳比例系数、水蒸气比例系数；D为干扰吸光度；
；
其中，分别为二阶线性函数系数。
作为优选方案，在浓度反演模型求解的过程中，首先分别基于一氧化碳、二氧化碳及水蒸气的无干扰波段，根据垃圾焚烧烟气的吸光度以及一氧化碳标准吸光度、二氧化碳标准吸光度、水蒸气标准吸光度确定一氧化碳比例系数、二氧化碳比例系数、水蒸气比例系数；之后将一氧化碳比例系数、二氧化碳比例系数、水蒸气比例系数代入浓度反演模型，并利用最小二乘法确定一氧化氮比例系数。
作为优选方案，所述一氧化氮浓度为：，/>为一氧化氮标准浓度；
水蒸气浓度为：，/>为水蒸气标准浓度。
作为优选方案，所述补偿后的一氧化氮浓度为：
。
本发明还提供一氧化氮气体分析方法，应用于如上任一项方案所述的一氧化氮气体分析系统，所述一氧化氮气体分析方法包括以下步骤：
S1、采集垃圾焚烧烟气的红外光谱；
S2、基于垃圾焚烧烟气的红外光谱，根据存在一氧化氮吸收的目标波段内不同波长对应的垃圾焚烧烟气的红外光谱的光谱强度和N2红外光谱的光谱强度计算得到各波长对应的垃圾焚烧烟气的吸光度；
其中，目标波段内存在一氧化碳、二氧化碳和水蒸气吸收；
S3、根据各波长对应的垃圾焚烧烟气的吸光度、一氧化氮标准吸光度、一氧化碳标准吸光度、二氧化碳标准吸光度、水蒸气标准吸光度和干扰吸光度构建浓度反演模型，并根据浓度反演模型求解得到一氧化氮比例系数和水蒸气比例系数；
S4、根据一氧化氮标准吸光度对应的一氧化氮标准浓度以及一氧化氮比例系数计算得到一氧化氮浓度；
根据水蒸气标准吸光度对应的水蒸气标准浓度以及水蒸气比例系数计算得到水蒸气浓度；
S5、基于水蒸气浓度对一氧化氮浓度进行补偿，得到补偿后的一氧化氮浓度。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，可读存储介质中存储有指令，当指令在计算机上运行时，使得计算机执行如上任一项方案所述的一氧化氮气体分析方法。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
（1）本发明利用浓度反演模型反演一氧化氮浓度，无需实时通入大量标气，操作简单且方便；
（2）本发明在存在高湿度吸收的情况下对一氧化氮浓度进行补偿，有效解决浓度测量结果偏低的问题，提升一氧化氮浓度分析的精度。
附图说明
图1是本发明实施例1的一氧化氮气体分析系统的模块构架图；
图2是本发明实施例1的一氧化氮、一氧化碳、二氧化碳和水蒸气吸收的谱图；
图3是本发明实施例1的一氧化氮气体分析方法的流程图；
图4是本发明实施例1的NO浓度对应的未补偿测量值、补偿后测量值和真实值的对比图；
图5是本发明实施例1的测量NO浓度与GasMet DX4000便携式傅里叶烟气分析仪的测量NO浓度的相关性分析图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，并获得其他的实施方式。
实施例1：
如图1所示，本实施例的一氧化氮气体分析系统，包括采集模块、计算模块、构建模块和补偿模块。
具体地，本实施例的采集模块用于采集垃圾焚烧烟气的红外光谱。
本实施例的计算模块用于基于垃圾焚烧烟气的红外光谱，根据存在一氧化氮吸收的目标波段内不同波长对应的垃圾焚烧烟气的红外光谱的光谱强度和N2红外光谱的光谱强度计算得到各波长对应的垃圾焚烧烟气的吸光度；其中，目标波段内存在一氧化碳、二氧化碳和水蒸气吸收。
如图2所示，目标波段选择为4900-5600nm之间，在该目标波段内还存在一氧化碳、二氧化碳和水蒸气吸收，会对一氧化氮气体的浓度分析产生影响；
具体地，各波长对应的垃圾焚烧烟气的吸光度为：
；
其中，为波长λ i 对应的N2红外光谱的光谱强度，/>为波长λ i 对应的垃圾焚烧烟气的红外光谱的光谱强度，i∈[1，N]，N为目标波段内的波长点的总数，即λ 1对应的是目标波段起点的波长4900nm，依次类推，作为示例，相邻波长点的步长为1nm，也可以根据实际应用需求调整步长，λ N 对应的是目标波段终点的波长5600nm。
本实施例的构建模块用于根据各波长对应的垃圾焚烧烟气的吸光度、一氧化氮标准吸光度、一氧化碳标准吸光度、二氧化碳标准吸光度、水蒸气标准吸光度和干扰吸光度构建浓度反演模型。
具体地，本实施例的浓度反演模型为：
；
其中，为波长λ i 对应的一氧化氮标准吸光度，/>为波长λ i 对应的一氧化碳标准吸光度，/>为波长λ i 对应的二氧化碳标准吸光度，/>为波长λ i 对应的水蒸气标准吸光度，/>分别为一氧化氮比例系数、一氧化碳比例系数、二氧化碳比例系数、水蒸气比例系数；D为干扰吸光度；
；
其中，分别为二阶线性函数系数。
本实施例的计算模块还用于根据浓度反演模型求解得到一氧化氮比例系数和水蒸气比例系数。
具体地，在浓度反演模型的求解过程中，通过最小二乘法进行求解，即给定上述各系数的初始解，利用最小二乘法找到各系数的最优解，以此确定各气体浓度大小；由于上述各系数的初始解任意给定，然后进行迭代运算，找到最优解的时间较长，且找到的最优解可能不是真的最优解，即最优解不唯一。因此，本实施例在浓度反演模型求解的过程中，首先分别基于一氧化碳、二氧化碳及水蒸气的无干扰波段，根据垃圾焚烧烟气的吸光度以及一氧化碳标准吸光度、二氧化碳标准吸光度、水蒸气标准吸光度确定一氧化碳比例系数、二氧化碳比例系数、水蒸气比例系数；之后将一氧化碳比例系数、二氧化碳比例系数、水蒸气比例系数代入浓度反演模型，并利用最小二乘法确定一氧化氮比例系数等上述系数的最优解。
具体地，在2-12μm波长下，本实施例可以在其它波段下测量CO、CO2浓度及水蒸气浓度（即湿度），不容易受其它气体干扰影响，即选择一氧化碳、二氧化碳及水蒸气的无干扰波段，基于无干扰波段可以准确测量CO、CO2浓度及湿度，将测量得到的作为初始解，如此只需给定/>的初始解，迭代次数及运算时间大大缩短，并且能精确找到最优解，从而快速且准确测量出垃圾焚烧烟气中的NO浓度。
另外，上述干扰吸光度D的引入可以扣除光谱纵向漂移，使得测量基线平整。
本实施例的计算模块还用于根据一氧化氮标准吸光度对应的一氧化氮标准浓度以及一氧化氮比例系数计算得到一氧化氮浓度为：，/>为一氧化氮标准浓度；
本实施例的计算模块还用于根据水蒸气标准吸光度对应的水蒸气标准浓度以及水蒸气比例系数计算得到水蒸气浓度为：，/>为水蒸气标准浓度；
本实施例的计算模块还用于根据一氧化碳标准吸光度对应的一氧化碳标准浓度以及一氧化碳比例系数计算得到一氧化碳浓度为：，/>为一氧化碳标准浓度；
本实施例的计算模块还用于根据二氧化碳标准吸光度对应的二氧化碳标准浓度以及二氧化碳比例系数计算得到二氧化碳浓度为：，/>为二氧化碳标准浓度。
本实施例的补偿模块用于基于水蒸气浓度对一氧化氮浓度进行补偿，得到补偿后的一氧化氮浓度。
具体地，针对高湿度下垃圾焚烧烟气（即样气）中的NO浓度的补偿，如果样气中湿度很小，总吸收是小于5%，气体吸光度满足朗伯比耳定律，气体吸光度与气体浓度呈线性关系，上述浓度反演模型反演出的样气中NO浓度无需补偿。然而在实际应用中，测量一氧化氮标准气体时湿度的总吸收小于5%，在现场实际测量过程中，湿度总吸收大于5%，这就造成测量标气时仪器是准确的，但现场测量样气时浓度偏小，其主要原因是气体吸光度与气体浓度呈线性关系是有要求，当吸收过大时，不再是纯线性关系，浓度越大其吸光度增加反而小。基于此，本实施例的补偿方法结合波盖耳定律，入射光经过介质后呈类似指数函数衰减，因此补偿函数是一个类似指数函数，补偿函数可表示为：
；
其中，分别为补偿系数；经过已知的各种不同的湿度与已知的各种不同浓度的NO气体进行混合测试（具体测试过程可参考现有技术，在此不赘述），即可求得的值，最终得到的补偿函数为：
。
基于上述一氧化氮气体分析系统，如图3所示，本实施例的一氧化氮气体分析方法，包括以下步骤：
（1）采集垃圾焚烧烟气的红外光谱；
（2）基于垃圾焚烧烟气的红外光谱，根据存在一氧化氮吸收的目标波段内不同波长对应的垃圾焚烧烟气的红外光谱的光谱强度和N2红外光谱的光谱强度计算得到各波长对应的垃圾焚烧烟气的吸光度；其中，目标波段内存在一氧化碳、二氧化碳和水蒸气吸收；
（3）根据各波长对应的垃圾焚烧烟气的吸光度、一氧化氮标准吸光度、一氧化碳标准吸光度、二氧化碳标准吸光度、水蒸气标准吸光度和干扰吸光度构建浓度反演模型，并根据浓度反演模型求解得到一氧化氮比例系数和水蒸气比例系数；
（4）根据一氧化氮标准吸光度对应的一氧化氮标准浓度以及一氧化氮比例系数计算得到一氧化氮浓度；
根据水蒸气标准吸光度对应的水蒸气标准浓度以及水蒸气比例系数计算得到水蒸气浓度；
根据一氧化碳标准吸光度对应的一氧化碳标准浓度以及一氧化碳比例系数计算得到一氧化碳浓度；
根据二氧化碳标准吸光度对应的二氧化碳标准浓度以及二氧化碳比例系数计算得到二氧化碳浓度；
（5）基于水蒸气浓度对一氧化氮浓度进行补偿，得到补偿后的一氧化氮浓度；
上述各步骤的具体过程可参考上述一氧化氮气体分析系统中的详细描述，在此不赘述。
如图4所示，NO浓度经过上述补偿函数补偿之后，补偿后测量值与NO浓度真实值匹配；而未补偿测量值偏小。另外，如图5所示，本实施例（即本项目）的一氧化氮分析方法与GasMet DX4000便携式傅里叶烟气分析仪进行对比测试，相关性达到0.95以上。
本实施例的计算机可读存储介质，可读存储介质中存储有指令，当指令在计算机上运行时，使得计算机执行上述一氧化氮气体分析方法，实现一氧化氮气体的智能分析。
实施例2：
本实施例的一氧化氮气体分析系统与实施例1的不同之处在于：
计算模块在浓度反演模型的求解过程中，通过最小二乘法进行求解，即给定上述各系数的初始解（假设均为1），利用最小二乘法找到各系数的最优解，从而确定一氧化氮等气体的浓度；虽然求解的时间较长，但是简化了流程，满足不同应用的需求；
其它功能模块可以参考实施例1；
相应地，本实施例的一氧化氮气体分析方法中相应的计算过程进行适应性调整即可；
本实施例的计算机可读存储介质，可读存储介质中存储有指令，当指令在计算机上运行时，使得计算机执行上述一氧化氮气体分析方法，实现一氧化氮气体的智能分析。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一氧化氮气体分析系统，其特征在于，包括：
采集模块，用于采集垃圾焚烧烟气的红外光谱；
计算模块，用于基于垃圾焚烧烟气的红外光谱，根据存在一氧化氮吸收的目标波段内不同波长对应的垃圾焚烧烟气的红外光谱的光谱强度和N2红外光谱的光谱强度计算得到各波长对应的垃圾焚烧烟气的吸光度；其中，目标波段内存在一氧化碳、二氧化碳和水蒸气吸收；
构建模块，用于根据各波长对应的垃圾焚烧烟气的吸光度、一氧化氮标准吸光度、一氧化碳标准吸光度、二氧化碳标准吸光度、水蒸气标准吸光度和干扰吸光度构建浓度反演模型；
所述计算模块，还用于根据浓度反演模型求解得到一氧化氮比例系数和水蒸气比例系数，还用于根据一氧化氮标准吸光度对应的一氧化氮标准浓度以及一氧化氮比例系数计算得到一氧化氮浓度，还用于根据水蒸气标准吸光度对应的水蒸气标准浓度以及水蒸气比例系数计算得到水蒸气浓度；
补偿模块，用于基于水蒸气浓度对一氧化氮浓度进行补偿，得到补偿后的一氧化氮浓度。
2.根据权利要求1所述的一氧化氮气体分析系统，其特征在于，所述存在一氧化氮吸收的目标波段为4900-5600nm。
3.根据权利要求1所述的一氧化氮气体分析系统，其特征在于，所述各波长对应的垃圾焚烧烟气的吸光度为：
；
其中，为波长λ i 对应的N2红外光谱的光谱强度，/>为波长λ i 对应的垃圾焚烧烟气的红外光谱的光谱强度，i∈[1，N]，N为目标波段内的波长点的总数。
4.根据权利要求3所述的一氧化氮气体分析系统，其特征在于，所述浓度反演模型为：
；
其中，为波长λ i 对应的一氧化氮标准吸光度，/>为波长λ i 对应的一氧化碳标准吸光度，/>为波长λ i 对应的二氧化碳标准吸光度，/>为波长λ i 对应的水蒸气标准吸光度，分别为一氧化氮比例系数、一氧化碳比例系数、二氧化碳比例系数、水蒸气比例系数；D为干扰吸光度；
；
其中，分别为二阶线性函数系数。
5.根据权利要求4所述的一氧化氮气体分析系统，其特征在于，在浓度反演模型求解的过程中，首先分别基于一氧化碳、二氧化碳及水蒸气的无干扰波段，根据垃圾焚烧烟气的吸光度以及一氧化碳标准吸光度、二氧化碳标准吸光度、水蒸气标准吸光度确定一氧化碳比例系数、二氧化碳比例系数、水蒸气比例系数；之后将一氧化碳比例系数、二氧化碳比例系数、水蒸气比例系数代入浓度反演模型，并利用最小二乘法确定一氧化氮比例系数。
6.根据权利要求5所述的一氧化氮气体分析系统，其特征在于，所述一氧化氮浓度为：，/>为一氧化氮标准浓度；
水蒸气浓度为：，/>为水蒸气标准浓度。
7.根据权利要求6所述的一氧化氮气体分析系统，其特征在于，所述补偿后的一氧化氮浓度为：
。
8.一氧化氮气体分析方法，应用于如权利要求1-7任一项所述的一氧化氮气体分析系统，其特征在于，所述一氧化氮气体分析方法包括以下步骤：
S1、采集垃圾焚烧烟气的红外光谱；
S2、基于垃圾焚烧烟气的红外光谱，根据存在一氧化氮吸收的目标波段内不同波长对应的垃圾焚烧烟气的红外光谱的光谱强度和N2红外光谱的光谱强度计算得到各波长对应的垃圾焚烧烟气的吸光度；
其中，目标波段内存在一氧化碳、二氧化碳和水蒸气吸收；
S3、根据各波长对应的垃圾焚烧烟气的吸光度、一氧化氮标准吸光度、一氧化碳标准吸光度、二氧化碳标准吸光度、水蒸气标准吸光度和干扰吸光度构建浓度反演模型，并根据浓度反演模型求解得到一氧化氮比例系数和水蒸气比例系数；
S4、根据一氧化氮标准吸光度对应的一氧化氮标准浓度以及一氧化氮比例系数计算得到一氧化氮浓度；
根据水蒸气标准吸光度对应的水蒸气标准浓度以及水蒸气比例系数计算得到水蒸气浓度；
S5、基于水蒸气浓度对一氧化氮浓度进行补偿，得到补偿后的一氧化氮浓度。
9.一种计算机可读存储介质，可读存储介质中存储有指令，其特征在于，当指令在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求8所述的一氧化氮气体分析方法。
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