一种三参考通道的红外气体分析方法与装置的制造方法
【专利说明】-种Ξ参考通道的红外气体分析方法与装置
[000。（一)技术领域 本发明设及光学系统，具体设及一种采用红外吸收光谱技术测量气体成份的在线分析 测量方法与装置。
[0002] (二)【背景技术】 现有成熟测量技术包括:气相液相色谱仪、催化燃烧传感器、电化学传感器、金属氧化 物半导体传感器等。
[0003] 气相液相色谱仪一般用于试验室分析，价格昂贵，不适于在线应用，且检测时间较 长。
[0004] 催化燃烧传感器通过氧化燃烧有机气体产生热量，进而根据测量溫度的变化检 测，可检测任何可燃气体。但检测过程需要氧气，且传感器长期在高浓度的环境下暴露会影 响降低灵敏度。
[0005] 电化学传感器将电极封装在电解质溶液里，把浓度信号转为电流信号。但其只能 在正常大气压附近操作，且工组溫度不能超过40°C。
[0006] 金属氧化物半导体传感器其原理如下：待测气体与金属氧化物接触产生带电离 子，引发其电阻特性改变，通过测量电阻变化获得浓度信息。但电阻特性的改变对溫度很敏 感，需要严格控制在一个较高的工作溫度上，系统功耗高。它的交叉反应太灵敏，极易受到 其他物质的干扰。
[0007] 纵观上述技术，它们的劣势集中表现为:广谱反应，选择性差，易受干扰，传感单元 属于消耗型，寿命短。
[000引光谱技术可选择特定波段检测目标分析物，能有效处理其他物质的光谱干扰。光 谱分析具有速度快，非消耗性，非接触性等优势特点。可实现快速、精准、稳定的检测。由于 可调制激光吸收光谱具有极高的灵敏度，现国际大公司开发竞相开发用于石化领域的ppm 级的痕量气体在线分析仪，但是用于近红外和中红外波段检测的光源激光二极管其最高工 作溫度在室溫附近，且对溫度十分敏感。为保证测量稳定，需要控制溫度偏差在o.rc甚至 更局。
[0009] 该技术可W实时在线监测石油化工过程、石油天然气管道储运、环保环境监测、农 牧业等应用场合的气体，为控制决策提供可靠的数据支撑。与众多传统技术相比，热福射光 源的光谱技术具有成本低、分析速度快、选择性反应等技术优势。采用合理设计可W实现多 种分析物的同步测量。但是现有的红外气体分析仪，结构简单，补偿措施不到位，系统的稳 定性差，对于环境尤其是溫度变化的适应能力欠佳，未能有效考虑系统老化、电子零部件漂 移、光学表面巧污造成的光损耗等带来的误差。
[0010] 本专利针对上述应用环境，设计一个具有Ξ个参考通道的稳定性和抗干扰性高的 红外光谱系统，可W实现对待测成分的准确测量。该系统的光路和电路可自动反馈，有效控 制并且维持光源福射的频谱和强度的稳定分布。因而该系统的工组溫度范围更宽，应对快 速溫度变化能力更强，可应用于更加严苛的环境中。
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【发明内容】
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种Ξ参考通道的在线测量气体成份的方法 与装置，本装置主要包括:光源、气室、滤波片、探测器和电路支持系统。半导体光源和探测 器受溫度的影响比较大，严重影响测量结果的稳定性和准确度。现有溫度控制系统，可W - 定程度减小溫漂误差，但仍然无法满足室外恶劣环境的要求。本系统对微弱信号进行有效 处理，W降低闪烁噪声（1/f噪声），采用同源特性W排除环境影响。
[0012] 本发明是通过如下技术方案实现的： 一种Ξ参考通道的红外在线光谱仪装置，其特殊之处在于:反射镜后面设置采样气室 和参考气室及带有四个独立探测器的四通道，每个通道各配一个滤波片和透射窗口，探测 器安装在半导体制冷片上，其中，四通道分别为参考通道λ1、λ2和R通道及与R通道的透 射光经过同一波长滤波片的信号通道S通道，四通道并排设置，其中，参考通道λ1、λ2和R 通道、信号通道S通道分别设置进、出气孔，参考通道λ1、λ2共用进、出气孔。
[0013] 本发明的Ξ参考通道测量气体成份的红外在线光谱仪装置，探测器的每个通道各 配一个滤波片和透射窗口。
[0014] 本发明的Ξ参考通道测量气体成份的红外在线光谱仪装置，气室腔体与反射镜和 安装底座密封连接。
[0015] 本发明的Ξ参考通道测量气体成份的红外在线光谱仪装置，光源采用调制技术， W应对不同分析气体，控制单元可实时校准，W实现稳定测量。其中，光源可W为设计工作 溫度400°C W上的热福射源，热福射光源采用MEMS传感器，是纯阻性器件。
[0016] -种Ξ参考通道的红外在线光谱仪的测量方法，包括W下步骤： (1) 控制驱动电流：调节光源的驱动电流，从而使光源调节到所需的参数； (2) 稳定光谱输出：在λ1，λ2参考通道中密封对红外波段没有任何吸收的中性气体，当 工作环境变化时或者系统的老化漂移时，利用λ1，λ2参考通道的反馈信号和相应函数关系， 调节驱动电流，保持λ1，λ2的固定比例关系，从而维持稳定的光谱； (3) 建立第Ξ参考通道:R通道中为含有一定已知浓度的待测组分气体，称之为参考气， 该通道称之为第Ξ参考通道，该通道中不含有干扰组分气体； (4) 基线补偿:当光源关闭时，检测器也会检测到信号，运通常由背景谱线福射、电路噪 声等因素造成，称之为基线，在测量过程中，基线会一直存在，在光源关闭时，采集所有通道 的基线，并用做后续补偿计算； 巧)选择归一化标准:光线穿过通道产生的损耗包括气体吸收和光线几何损耗，λ1、λ2 通道不含有待测组分，所W该两通道的信号反映了除吸收损耗之外的所有其它因素影响，λ 1、A2、R、S四通道的环境一致，所Κλ1，λ2通道接收到的信号均可用作归一化的标准，对R和S 通道的信号归一化； (6) 参考比对:在R和S通道中均含有待测组分，相同的物理状态下，S通道的信号强度与 R通道的信号强度之比等于两个通道的分析物浓度之比，基于此，通过参考对比得出S通道 内的待测物浓度； (7) 压力补偿:在S通道中或者采样系统设置压力测试装置，根据待测气体的压力值对 浓度测量结果补偿。
[0017] 所述的Ξ参考通道测量气体成份的红外在线光谱仪的测量方法，还包括步骤(8) 溫度补偿:在S通道中或者采样系统设置溫度测试装置，根据待测气体的溫度值对浓度测量 结果补偿;补偿可使用气体方程等物理机理，也可使用基于经验测试的数学模型。
[0018] 根据权利要求5所述的Ξ参考通道测量气体成份的红外在线光谱仪的测量方法， 其特征在于： 通过步骤巧)做归一化处理。使用相关通道的全部或部分光强确定一个或多个差值、比 值、均方误差、决定系数、互相关函数、互相关积分、回归系数； 通过步骤(6)对比R、S通道信号，使用减法、分割、交叉相关性、卷积、曲线拟合、回归分 析和优化的一种或多种数学或化学计量学的应用方法，进而计算待测无浓度； 通过步骤(2)、（7)、（8)使用相关通道在不同气体溫度、气体压力下的部分或全部光强 确定一个或多个差值、比值、均方误差、决定系数、互相关函数、互相关积分、回归系数进行 补偿。
[0019] 步骤(6)中，相同的物理状态为溫度、压力相同； 步骤(7)中，压力测试装置为压力传感器或变送器，补偿通过使用物理机理气体方程或 基于经验测试的数学模型进行； 步骤(8)中，溫度测试装置为溫度传感器或变送器，补偿通过使用物理机理气体方程或 基于经验测试的数学模型。
[0020] 本发明的有益效果:本专利应用在气体分析过程有W下优点： (1) 分