一種用于激光氣體在線分析儀確定氣體濃度的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于激光氣體在線分析儀確定氣體濃度的方法，本方法利用基于二次諧波的方法，通過(guò)分析已知濃度氣體的二次諧波最大值最小值的差值，并與濃度信息擬合，得到差值與濃度信息的關(guān)系函數(shù)。通過(guò)將待測(cè)氣體的二次諧波最大值最小值的差值信息帶入求得的關(guān)系函數(shù)中，從而可以求得待測(cè)氣體濃度。本發(fā)明利用基于二次諧波的濃度算法，可以降低系統(tǒng)運(yùn)算量和復(fù)雜度，從而提高算法的運(yùn)行效率。通過(guò)對(duì)二次諧波信號(hào)的最大值與最小值做差，可以消除部分系統(tǒng)噪聲的影響，極大的提高濃度算法的精度，從而可以方便、準(zhǔn)確的獲得待測(cè)氣體濃度。
【專利說(shuō)明】一種用于激光氣體在線分析儀確定氣體濃度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氣體濃度確定方法的改進(jìn)，本方法主要用于激光氣體在線分析儀，屬于激光氣體分析儀信號(hào)處理領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)是光譜吸收技術(shù)的一種，該技術(shù)是通過(guò)氣體分子“選頻”吸收特定波長(zhǎng)激光的原理來(lái)測(cè)量氣體濃度的一種方法。具體來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體激光器發(fā)射出的特定波長(zhǎng)的激光束穿過(guò)被測(cè)氣體時(shí)，被測(cè)氣體對(duì)激光束進(jìn)行吸收，導(dǎo)致激光強(qiáng)度產(chǎn)生衰減，激光強(qiáng)度的衰減與被測(cè)氣體含量成正比。因此，通過(guò)測(cè)量激光強(qiáng)度衰減信息就可以分析獲得被測(cè)氣體的濃度。可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)具有高靈敏度、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、多組分同時(shí)測(cè)量等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，因此，在工業(yè)生產(chǎn)中將其應(yīng)用于痕量氣體成分的檢測(cè)，可以為研究大氣中污染氣體形成的機(jī)理和條件，以及研究大氣中污染氣體對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害提供獨(dú)特的技術(shù)手段和新型的研究平臺(tái)。
[0003]基于TDLAS技術(shù)設(shè)計(jì)的激光氣體分析儀的理論基礎(chǔ)是Beer-Lambert定律,根據(jù)Beer-Lambert定律,通過(guò)氣體吸收前和氣體吸收后的光強(qiáng)關(guān)系為:
[0004]I=I^exp [-S (T) g (V) PCL] (I)
[0005]式中I為通過(guò)氣體吸收后的光強(qiáng)，10為通過(guò)氣體吸收前的光強(qiáng)，S(T)表示分子在溫度T、波長(zhǎng)λ處的吸收線強(qiáng)，g(v)為氣體吸收線型，V是頻率，P為待測(cè)氣體壓力，C為氣體分子濃度，L為總光程。一般情況下，氣體在近紅外吸收很小，即S(T)g(V)PcL < 0.05條件很容易滿足。將(I)式進(jìn)行傅立葉展開(kāi)，可以得到二次諧波信號(hào)和濃度成正比，即
[0006]I2f ?C 10S(T)g(v)PCL (2)
[0007]式中I2f表示二次諧波強(qiáng)度，由(2)可見(jiàn)如何處理光強(qiáng)的二次諧波信號(hào)是計(jì)算待測(cè)氣體濃度的關(guān)鍵。
[0008]當(dāng)前基于光強(qiáng)信號(hào)計(jì)算濃度的方法主要有:基于二次諧波最小值的擬合算法，基于二次諧波的最大值的擬合算法；基于一次諧波與二次諧波的比值的擬合算法。然而前者由于只統(tǒng)計(jì)了二次諧波的最小值或者最大值，不能夠消除系統(tǒng)噪聲的影響，容易在濃度計(jì)算中引入較大誤差。后者分別用了一次諧波與二次諧波的信息，信號(hào)采集過(guò)程較為繁瑣、計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜。通過(guò)對(duì)已有的濃度計(jì)算方法分析，可以發(fā)現(xiàn)已有算法并不能很好的消除系統(tǒng)噪聲影響與滿足運(yùn)算量簡(jiǎn)單兩方面要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種既能夠消除系統(tǒng)噪聲影響又使運(yùn)算簡(jiǎn)單的用于激光氣體在線分析儀的確定氣體濃度的方法。
[0010]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0011]一種用于激光氣體在線分析儀確定氣體濃度的方法，其實(shí)現(xiàn)步驟為:
[0012]I)通過(guò)分析待測(cè)氣體歷史已知某濃度情況下的二次諧波信號(hào)，分別求出待測(cè)氣體該歷史已知濃度下的二次諧波信號(hào)的最大值與最小值；
[0013]2)計(jì)算該歷史已知濃度下的二次諧波信號(hào)最大值與二次諧波信號(hào)最小值之間的
差值;
[0014]3)根據(jù)最小二乘擬合的需要，再按步驟I)和2)得到待測(cè)氣體其它歷史濃度已知情況下的二次諧波信號(hào)最大值與二次諧波信號(hào)最小值之間的差值，將得到的所有差值與對(duì)應(yīng)濃度參數(shù)進(jìn)行最小二乘擬合，擬合出差值信號(hào)與該氣體濃度信號(hào)的關(guān)系函數(shù)；
[0015]4)通過(guò)分析待測(cè)濃度氣體實(shí)際二次諧波信號(hào)，分別求出待測(cè)濃度氣體實(shí)際二次諧波信號(hào)的最大值與最小值；
[0016]5)計(jì)算待測(cè)濃度氣體實(shí)際二次諧波信號(hào)最大值與二次諧波信號(hào)最小值之間的差值；
[0017]6)根據(jù)第3)步擬合出的關(guān)系函數(shù)與第5)步得到的差值，即可求得待測(cè)氣體濃度。
[0018]所述步驟3)中擬合出差值信號(hào)與該氣體濃度信號(hào)的關(guān)系函數(shù)，具體實(shí)現(xiàn)方式如下:
[0019]設(shè)已知濃度和該濃度氣體的二次諧波最大值與二次諧波最小值差值數(shù)據(jù)點(diǎn)為(“&，Q)(/=0，1，…，R)共有R+1組數(shù)據(jù)，其中Δ/,為不同濃度氣體的二次諧波最大值與二次諧波最小值差值，G為對(duì)應(yīng)的氣體濃度，其中坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系為(Δ/,, Co), ( Mj2l, C1), ( AIai , C2)……(Δ/? Gj);用最小二乘法擬合濃度和濃度氣
體的二次諧波最大值與二次諧波最小值差值數(shù)據(jù)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的函數(shù)曲線，設(shè)所求的函數(shù)曲線表達(dá)式為:
[0020]
【權(quán)利要求】
1.一種用于激光氣體在線分析儀確定氣體濃度的方法，其特征在于:其實(shí)現(xiàn)步驟為: 1)通過(guò)分析待測(cè)氣體歷史已知某濃度情況下的二次諧波信號(hào)，分別求出待測(cè)氣體該歷史已知濃度下的二次諧波信號(hào)的最大值與最小值； 2)計(jì)算該歷史已知濃度下的二次諧波信號(hào)最大值與二次諧波信號(hào)最小值之間的差值； 3)根據(jù)最小二乘擬合的需要，再按步驟I)和2)得到待測(cè)氣體其它歷史濃度已知情況下的二次諧波信號(hào)最大值與二次諧波信號(hào)最小值之間的差值，將得到的所有差值與對(duì)應(yīng)濃度參數(shù)進(jìn)行最小二乘擬合，擬合出差值信號(hào)與該氣體濃度信號(hào)的關(guān)系函數(shù)； 4)通過(guò)分析待測(cè)濃度氣體實(shí)際二次諧波信號(hào)，分別求出待測(cè)濃度氣體實(shí)際二次諧波信號(hào)的最大值與最小值； 5)計(jì)算待測(cè)濃度氣體實(shí)際二次諧波信號(hào)最大值與二次諧波信號(hào)最小值之間的差值； 6)根據(jù)第3)步擬合出的關(guān)系函數(shù)與第5)步得到的差值，即可求得待測(cè)氣體濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于激光氣體在線分析儀確定氣體濃度的方法，其特征在于:所述步驟3)中擬合出差值信號(hào)與該氣體濃度信號(hào)的關(guān)系函數(shù)，具體實(shí)現(xiàn)方式如下: 設(shè)已知濃度和該濃度氣體的二次諧波最大值與二次諧波最小值差值數(shù)據(jù)點(diǎn)為^ M/y，Cj){j=0, 1，…，R)共有R+1組數(shù)據(jù)，其中Δ//:,為不同濃度氣體的二次諧波最大值與二次諧波最小值差值，G為對(duì)應(yīng)的氣體濃度，其中坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系為(Δ/λ() Co) ( AIli, Cl),iQ)……(Δ//:λ，用最小二乘法擬合濃度和濃度氣體的二次諧波最大值與二次諧波最小值差值數(shù)據(jù)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的函數(shù)曲線，設(shè)所求的函數(shù)曲線表達(dá)式為:
【文檔編號(hào)】G01N21/39GK103558182SQ201310565939
【公開(kāi)日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月14日
【發(fā)明者】黃鴻, 王洪濤, 黃云彪 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)