一种光谱仪波长漂移引起的测量误差实时补偿方法
【专利摘要】本发明设计一种光谱仪波长漂移引起的测量误差的实时补偿方法，该方法利用被测气体的实时测量光谱数据以及实验室测得的被测气体吸收截面数据库，计算光谱仪波长漂移量；并计算对应波长漂移量的波长平移后的被测气体吸收截面与被测气体吸光度用于计算被测气体浓度，实时消除由于波长漂移带来的测量误差。
【专利说明】 一种光谱仪波长漂移引起的测量误差实时补偿方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光谱仪波长漂移引起的测量误差的实时补偿方法。
技术背景
[0002]光谱仪是以光电探测器检测谱线对应波长位置及强度的装置，是紫外差分吸收光谱技术等光谱吸收技术仪器的核心部件。随着国家对烟气排放标准的不断提高，现有的红外分析仪器和常规的紫外差分吸收光谱技术已经很难满足烟气分析的低检测限、高灵敏度和高分辨率等要求，这对长时间连续运行情况下紫外差分吸收光谱分析仪器核心部件一光谱仪的波长稳定性提出了更高的要求。另外，现场一般均伴随有不同强度的振动和环境温度的变化，这种机械振动和环境温度变化都会导致光谱仪的波长漂移，进而会造成仪器测量数据的偏差。因此如何实时消除波长漂移导致的测量误差，是进一步提升仪器性能的重要环节。
[0003]然而，光谱仪均没有自动校准波长的功能，且光谱仪厂商提供的波长校准方法是通过汞灯或其他特征光源对光谱仪进行校准，这些方法均较为繁琐，需要将光谱仪拆出，但一旦拆出分析仪就停止工作，这对于连续监测仪器是不允许的。另外，拆出光谱仪就涉及到重装光谱仪，对于连续监测仪器，一旦涉及到零件的重装，就有可能导致原先的系统校准不再适用于重装后的系统，这对于系统维护人员是一个很大的工作量。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种在线实时校准光谱仪的方法，可大幅降低由于光谱仪波长漂移所导致的仪器不稳定，在同样的波长漂移情况下，实时校准光谱仪后的测量值偏移大幅降低，大大提升了仪器的测量精度。
[0005]本发明的技术方案如下:
[0006]本发明用光谱仪测量通过被测气体的测量光，根据光谱仪测量数据，首先得到光谱仪漂移量，然后对被测气体的吸收特征数据库做相同漂移，最终用漂移后的吸收特征数据库进行测量，实现对测量数据的实时校准。
[0007]本发明一种光谱仪波长漂移引起的测量误差实时补偿方法，其流程图如图4所示，方法步骤如下:
[0008]步骤一:光谱数据去噪
[0009]通入被测气体，光谱仪开始测量，取10次光谱仪测量数据进行平均，得到平均后的测量光光谱数据I1 ;在通氮气情况下，再取10次光谱仪测量数据进行平均，得到无吸收时的参考光光谱数据Itl;
[0010]步骤二:提取被测气体的吸光度
[0011]根据Iambert定律，针对被测气体，从I1中提取对应有吸收的波长段X1- λ 2的被测气体测量光数据I11,从Itl中提取对应波长段λ i?λ 2被测气体参考光数据Itll，按照公式(一)计算被测气体的吸光度X，其中λ i < λ 2 ；
[0012]X = -10*lg(In/101)(一)
[0013]X是一个由'
【权利要求】
1.一种光谱仪波长漂移引起的测量误差的实时补偿方法，其特征在于:该方法具体步骤如下: 步骤一:光谱数据去噪 通入被测气体，光谱仪开始测量，取光谱仪测量数据平均值，计为测量光光谱数据I1;在通氮气情况下，再取光谱仪测量数据平均值，计为无吸收时的参考光光谱数据Itl; 步骤二:提取被测气体的吸光度 根据Iambert定律，针对被测气体，从I1中提取对应有吸收的波长段\ \ 2的被测气体测量光数据组I11,从Itl中提取对应波长段X1~λ 2被测气体参考光数据组Icil，按照公式(一)计算被测气体的吸光度X，其中λ i < λ 2 ； X =-10*lg(In/101)( —)
X111 — -j— I 么目.白勺-—.么目..0,1 " ^ 步骤三:波长平移量△ Λ对应的被测气体吸收截面Λ,和相应数据长度的被测气体吸光度xV的计算方法 被测气体吸收截面数据为全波段(190nm~400nm)的，每隔0.1nm—个数据，截取其中波长X1到AJX1 < λ2)的数据，一共1个点，通过样条插值的方法得到每隔O,]0.01nm —个数据，得到共^^+1个点，假设所得到的+ 1个点所组成的一维数组为δ ； 假设: 定义数组夏=[1 + 1 U+1...1izi+i + ^].0,01 0,01 0.01 0,0! 定义一个数组N1和一个数字Ii1:
如果 Λ λ < 0，JVj = [I + B1 2 + Wj ….......、.....1..1 +1]，其中 Ii1 = ceil (abs ( Δ λ/0.I))； 如果 Λλ =o，iV,=[l 2 …i^i+1];
如果 Λλ >0，JV1=P 2 …其中 II1 = ceil (abs (Δλ/0.1))； 根据数组N1计算得到波长平移量△ λ对应的被测气体吸收截面和被测气体吸光度
Ja1 =(%N(N'y)
=X(N1) 其中，δ (N(N1))和X(N1)按照以下运算规则进行计算: 假设有两个数组A和B，A和B分别有ηΑ和ηΒ个元素，且ηΒ≤ηΑ，当j > i时，A (j) >A (i)且B (j) > B (i)，定义一种运算如下:A(B) = [A(B(1))A(B(2))…A(B(nB))] 计算所得A(B)为一个一维数组； 步骤四:计算光谱仪波长漂移量《 根据光谱仪最小分辨率确定波长平移量范围Λλ?~Λλ2(Λλ1〈Λλ 2)，再按照步骤三计算得到和^的范围值，之后按照公式(二 )计算_^和\的相关系数尽.，得到Ru1~R^2 ;式二中，y = J\,尤=气’ !为X的平均值，F为Y的平均值，Yi为数组Y的第i个元素，Xi为数组X的第i个元素，η为数组X和Y的元素个数；
比较得到相关系数Ru1~Ru2的最大值R%判断R*是否大于相关系数阈值Rw ； 如果R* > Rw,则R*对应的波长平移量Λ λ为光谱仪的波长漂移量1如果0.3 < R* < Rw，增大波长平移量范围，Δ λ I减小0.1nm, Λ λ 2增大0.lnm，重复步骤四； 如果R* < 0.3，光谱仪漂移量过大或实际气体中不包含被测气体，报错； 步骤五:采用光谱仪波长漂移量Δ〗所对应的被测气体吸收截面和相应的被测气体吸光度xA计算被测气体浓度C 根据步骤四确定的光谱仪波长漂移量Al.确定所对应的被测气体吸收截面和相应的被测气体吸光度':；: 假设被测气体浓度为C，且、和^均为列矩阵，采用最小二乘法(即公式三)计算被测气体浓度，其中Λ:<和.匕:分别是^^和>’(的转置矩阵，即为补偿后被测气体浓度:
2.根据权利要求1所述光谱仪波长漂移引起的测量误差的实时补偿方法，其特征在于:步骤一中，通入被测气体，I1为取10次光谱仪测量数据进行平均，得到测量光光谱数据；在通氮气情况下，10为取10次光谱仪测量数据进行平均，得到无吸收时的参考光光谱数据。
3.根据权利要求1所述光谱仪波长漂移引起的测量误差的实时补偿方法，其特征在于:步骤四中，波长平移量范围根据光谱仪最小分辨率的4倍设定。
4.根据权利要求1或3所述光谱仪波长漂移引起的测量误差的实时补偿方法，其特征在于:步骤四中，所述RwS事先设定好的，所测气体浓度大于10ppm时，Rw= 0.9 ;所测气体浓度大于50ppm时，Rw = 0.8 ;所测气体浓度小于50ppm时，Rw= 0.6。
【文档编号】G01N21/31GK104198416SQ201410470294
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】汤光华, 韩少鹏, 武善磊, 林正根, 苗丰, 杨剑, 孔红兵, 彭樟, 李利, 刘璐 申请人:南京国电环保科技有限公司