专利名称：多组分气体分析的干扰修正与浓度反演方法
技术领域：
本发明涉多组分气体浓度光学测量领域，具体为一种多组分气体分析的干扰修正与浓度反演方法。
背景技术：
工业生产中的一些环节，如原料生产、加工过程、燃烧过程、加热和冷却过程、产品整理过程等使用的生产设备或生产场所都可能成为工业污染源。S02、NO2, NO、CO以及CO2 等作为烟气排放的重要组成部分，不仅会破坏大气环境、危害人类健康，也是城市雾霾的重要成因之一，降低城市能见度，破坏地球辐射平衡，影响全球气候。有效地测量烟气中多种组分气体的浓度是控制污染源废气排放的前提条件。非分散红外(NDIR)光谱法具有多组分污染物同时监测的能力，这类仪器通常结构简单、成本低、测量精度高、稳定性好，能非常方便地进行人机交互，是电站和焚化炉上连续排放监测系统(CEMQ的理想监测设备。然而非分散红外光谱法所选的中红外气体吸收波段，很多气体之间都存在一定的吸收干扰，包括仪器使用环境中其它气体的干扰(如H2O) 和待测目标气体之间的交叉干扰。此外，非分散红外多组分分析仪还面临光源老化、供电电压波动、粒子散射等问题，所有这些都可统称为干扰，如果不加以修正，将会大大影响仪器的检测准确度和灵敏度。因此，有必要研究出一种适用于非分散红外多组分气体分析的干扰修正与浓度反演方法，以确保工业污染源多组分污染气体的准确测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种多组分气体分析的干扰修正与浓度反演方法，以解决现有技术易受到干扰导致检测准确度和灵敏度降低的问题。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为多组分气体分析的干扰修正与浓度反演方法，所述多组分气体容置于样品池中， 建立参考滤波通道、包括水汽滤波通道的多个目标滤波通道，采用光源通过参考滤波通道向样品池发出参考光、通过多个目标滤波通道向样品池发出多个探测光，采用光探测器作为接收端，所述目标滤波通道与多组分气体中各目标气体组分一一对应，其特征在于包括以下步骤(1)向样品池中通入不同浓度的多组分气体其中一种目标气体组分，通过光探测器接收到的探测光信号得到多组分气体其中一种目标气体组分在各个目标滤波通道中的响应函数，按照上述步骤进而得到多组分气体各个目标气体组分各自在各个目标滤波通道中的响应函数；(2)向样品池中通入待测多组分气体，根据光探测器接收到的参考光信号得到系统漂移修正测量值，根据光探测器接收到的多个目标滤波通道的探测光信号分别得到多组分气体中各目标气体组分的总吸光度；(3)根据多组分气体中各目标气体组分各自在各个目标滤波通道中的响应函数，通过求解得到各目标气体组分在其各自对应的目标滤波通道的响应函数和各目标气体组分在其他目标滤波通道的响应函数之间的互相关函数，所述互相关函数作为表示各目标气体组分对其他目标滤波通道干扰大小的干扰函数；(4)通过步骤( 得到的系统漂移修正测量值分别对步骤( 得到的多组分气体中各目标气体组分的总吸光度进行修正以消除系统漂移误差，通过步骤(3)得到的多组分气体各目标气体组分其中水汽的干扰函数分别对步骤( 得到的多组分气体中除水汽外各目标气体组分的总吸光度进行修正，以消除水汽干扰，通过步骤C3)得到的多组分气体除水汽外各目标气体组分的干扰函数对消除水汽干扰后的多组分气体中除水汽外各目标气体组分的总吸光度进行修正，以消除各目标气体组分之间的交叉干扰，最后得到多组分气体中各目标组分气体的纯吸光度；(5)根据步骤(4)得到的多组分气体中各目标气体组分的纯吸光度，以及多组分气体各个目标气体组分各自在各个目标滤波通道中的响应函数反演得到多组分气体中各目标气体组分的浓度。所述的多组分气体分析的干扰修正与浓度反演方法，其特征在于所述参考滤波通道、多个目标滤波通道分别由滤光片构成。所述的多组分气体分析的干扰修正与浓度反演方法，其特征在于所述多组分气体中各目标气体组分各自的总吸光度通过光探测器接收到的多个目标滤波通道的探测光信号分别转换成电压值后计算得到。所述的多组分气体分析的干扰修正与浓度反演方法，其特征在于所述步骤(3) 中，消除各目标气体组分之间的交叉干扰时，建立须消除交叉干扰的目标气体组分的纯吸光度、须消除交叉干扰的目标气体组分消除水汽干扰后的总吸光度、除水汽外其他目标气体组分的干扰函数之间的方程须消除交叉干扰的目标气体组分消除水汽干扰后的总吸光度=须消除交叉干扰的目标气体组分的纯吸光度+除水汽外其他目标气体组分的干扰函数，将不同的须消除交叉干扰的目标气体组分的方程联立构成多元干扰方程组，通过求解多元干扰方程组得到多组分气体中各目标气体组分的纯吸光度。本发明是一种基于非分散红外光谱吸收法的多组分气体分析的干扰修正与浓度反演方法。使用参考滤波通道消除外界因素造成的系统漂移；利用水汽对其它滤波通道的干扰函数修正检测环境中水汽的干扰；利用多组分气体除水汽外各目标气体组分的干扰函数，通过建立和求解多元干扰方程组，可以获得多组分气体中各种目标气体组分的纯吸光度，修正目标气体组分间的交叉干扰。干扰修正后，利用多组分气体各个目标气体组分各自在各个目标滤波通道中的响应函数，将纯吸光度反演为目标气体的浓度。本发明目标气体组分间互相关函数的获取方法如下目标气体组分A对目标气体组分B的干扰大小可以用互相关函数(或称干扰函数)定量描述
Qthk
C Α(τ) :Α滤波通道内，目标气体组分A的吸光度与其浓度τ的函数对应关系式， Β(τ) :Β滤波通道内，目标气体组分A的吸光度与其浓度τ的函数对应关系式，Cmin为分析仪中目标气体组分A的最小检测限，Cfflax为目标气体组分A的满量程浓度值。本发明与现有技术相比具有以下优点本发明涉及的多组分气体分析的干扰修正与浓度反演方法，解决了多组分测量中的气体相互干扰问题，提高了测量精度。使用多个滤波通道分别用于多种气体的分析；引入一个参考滤波通道，可以很好地消除外界因素造成的系统漂移；在水汽滤波通道内，不存在任何其它气体的吸收或吸收可忽略，可以很好地修正分析仪的使用环境中水汽的干扰，使分析仪可以正常地工作在潮湿或水汽浓度变化的环境中；计算获取的互相关函数，可以定量分析目标气体间交叉干扰的大小，利用互相关函数，通过建立和求解多元干扰方程组的方法，可以获得混合气体中各种目标气体的纯吸光度，修正目标气体间的交叉干扰。一台简单的非分散红外分析仪，使用本专利所涉及的干扰修正与浓度反演方法后，使用一个探测器就可以同时准确检测多种污染气体的浓度，例如，CO2, CO, NO, NO2, SO2, CH4, N2O, HC, H2O, NH3等等。
图1为本发明流出框图。图2为应用本发明的实例水汽干扰消除前后变化规律图，其中图2 (a)为分别往样品池中通入0. 5 %，1. 5 %，2. 5 %，3. 5 %，4. 5 %浓度的H2O时， 干扰水汽修正前各个滤波通道的吸光度变化规律图；图2(b)为干扰水汽修正后各个滤波通道的吸光度变化规律图。图3为应用本发明的实例交叉干扰消除前后变化规律图，其中图3(a)为分别往样品池中通入 2. 50%, 7. 50%, 12. 50%,17. 50%, 22. 50%浓度的(X)2时，交叉干扰修正前各个滤波通道的吸光度变化规律图；图3(b)为交叉干扰修正后各个滤波通道的吸光度变化规律图。
具体实施例方式如图1 图3所示。本发明中，参考滤波通道的滤光片带宽内不存在任何气体吸收或吸收可以忽略，任意时刻外界干扰造成的信号波动(如光源老化，电压波动，尘埃散射等等)幅度与目标气体滤波通道相同，利用参考滤波通道的信号修正外界波动带来的干扰。本发明利用不同频带的吸光度反演不同气体的浓度，例如以中心透过波长为 3.26ym的滤波通道反演CH4的浓度；以中心透过波长为4. 63 μ m的滤波通道反演CO的浓度；以中心透过波长为5. 21 μ m的滤波通道反演NO的浓度；以中心透过波长为6. 25 μ m的滤波通道反演NO2的浓度；以中心透过波长为4. 84 μ m的滤波通道反演(X)2的浓度，等等。本发明利用水汽滤波通道修正水汽对目标气体的干扰，该滤波通道的光信号只反映检测环境中H2O的变化，利用水汽吸光度及水汽对其它目标气体组分的干扰函数，修正水汽对待测多组分气体的干扰，提高系统的检测灵敏度和准确度。本发明通过往样品池中通入不同浓度的某一目标气体组分X，可以拟合出目标气体组分X在各个目标滤波通道的响应函数。本发明通过往样品池中通入不同浓度的H2O,可以拟合出H2O在各个滤波通道的响应函数。例如出20在H2O滤波通道的响应函数Ftl (X) ;H20在SO2滤波通道的响应函数F1 (X)； H2O在(X)2滤波通道的响应函数F2⑴；H20在而2滤波通道的响应函数F3⑴；H20在NO滤波通道的响应函数&( 等等。通过求解Fi (X) (i = 1、2、3、4……)与F0 (X)的相关函数Fitl (X) 可以定量分析H2O对各个目标滤波通道的干扰大小，例如=Fltl(X)可以定量分析H2O对SO2滤波通道的干扰大小；F2tl (X)可以定量分析H2O对CO2滤波通道的干扰大小；F3tl (X)可以定量分析H2O对NO2滤波通道的干扰大小；F4tl (X)可以定量分析H2O对NO滤波通道的干扰大小等等。本发明通过往样品池中通入不同浓度的某一目标气体组分X，可以拟合出目标气体组分X在各个目标滤波通道的响应函数。例如通入不同浓度的SO2，可以得出302在5仏滤波通道的响应函数Atl (X) ；SO2在(X)2滤波通道的响应函数A1 (X) ；SO2在NO2滤波通道的响应函数A2 (X) ；SO2在NO滤波通道的响应函数A3 (X) ；SO2在CO滤波通道的响应函数A4 (X)等等。通过求解Ai (X) (i = 1、2、3、4……)与A0(X)的相关函数Aitl(X)可以定量分析302对各个目标滤波通道的干扰大小，例如=Altl(X)可以定量分析对(X)2滤波通道的交叉干扰大小；A2tl (X)可以定量分析SOjiNO2滤波通道的交叉干扰大小；A3tl (X)可以定量分析302对NO 滤波通道的交叉干扰大小；A4tl(X)可以定量分析SO2对CO滤波通道的交叉干扰大小等等。 同理可以定量求出其它目标气体如C02、NO2, NO、CO、CH4, N2O, HC对各个目标滤波通道的干扰大小。本发明当样品池中存在多种不同浓度的目标气体组分时，通过光探测器探测转换后的电压值可以首先计算出各个目标气体组分的总吸光度，例如=H2O总吸光度； SO2总吸光度劣t ； CO2总吸光度； NO2总吸光度劣=；NO总吸光度^^等等。根据H2O总吸光度 ^C2=和干扰函数Fitl(X)可以求出各个目标气体组分修正干扰水汽后的总吸光度，例如修正干扰水汽后的总吸光度Mgf ； CO2修正干扰水汽后的总吸光度M^J ； NO2修正干扰水汽后的总吸光度； NO修正干扰水汽后的总吸光度"iC等等。本发明中，由于目标气体组分之间的交叉干扰比较复杂，可能两两之间都存在干扰，可以通过建立多元干扰方程组的方法加以修正，利用各个目标气体组分修正干扰水汽后的总吸光度和一系列干扰函数可以达到以上目的。以三组分目标气体交叉干扰修正为例，如果Sh修正干扰水汽后的总吸光度为"^gf ； CO2修正干扰水汽后的总吸光度为M^t ； NO2修正干扰水汽后的总吸光度为，A10 (X)表示Sh对(X)2滤波通道的干扰函数；A2tl (X) 表示SO2对NO2滤波通道的干扰函数^tll⑴表示(X)2对SO2滤波通道的干扰函数；B21⑴表示(X)2对NO2滤波通道的干扰函数；Ctl2⑴表示NO2对SO2滤波通道的干扰函数；C12⑴表示 NO2对CO2滤波通道的干扰函数，SO2的纯吸光度用表示，CO2的纯吸光度用iX=表示， NO2的纯吸光度用“劣^表示，那么S02、C02、N02三个目标滤波通道可以建立以下三元干扰方
程组
权利要求
1.多组分气体分析的干扰修正与浓度反演方法，所述多组分气体容置于样品池中，建立参考滤波通道、包括水汽滤波通道的多个目标滤波通道，采用光源通过参考滤波通道向样品池发出参考光、通过多个目标滤波通道向样品池发出多个探测光，采用光探测器作为接收端，所述目标滤波通道与多组分气体中各目标气体组分一一对应，其特征在于包括以下步骤(1)向样品池中通入不同浓度的多组分气体其中一种目标气体组分，通过光探测器接收到的探测光信号得到多组分气体其中一种目标气体组分在各个目标滤波通道中的响应函数，按照上述步骤进而得到多组分气体各个目标气体组分各自在各个目标滤波通道中的响应函数；(2)向样品池中通入待测多组分气体，根据光探测器接收到的参考光信号得到系统漂移修正测量值，根据光探测器接收到的多个目标滤波通道的探测光信号分别得到多组分气体中各目标气体组分的总吸光度；(3)根据多组分气体中各目标气体组分各自在各个目标滤波通道中的响应函数，通过求解得到各目标气体组分在其各自对应的目标滤波通道的响应函数和各目标气体组分在其他目标滤波通道的响应函数之间的互相关函数，所述互相关函数作为表示各目标气体组分对其他目标滤波通道干扰大小的干扰函数；(4)通过步骤(2)得到的系统漂移修正测量值分别对步骤(2)得到的多组分气体中各目标气体组分的总吸光度进行修正以消除系统漂移误差，通过步骤(3)得到的多组分气体各目标气体组分其中水汽的干扰函数分别对步骤(2)得到的多组分气体中除水汽外各目标气体组分的总吸光度进行修正，以消除水汽干扰，通过步骤(3)得到的多组分气体除水汽外各目标气体组分的干扰函数对消除水汽干扰后的多组分气体中除水汽外各目标气体组分的总吸光度进行修正，以消除各目标气体组分之间的交叉干扰，最后得到多组分气体中各目标组分气体的纯吸光度；(5)根据步骤(4)得到的多组分气体中各目标气体组分的纯吸光度，以及多组分气体各个目标气体组分各自在各个目标滤波通道中的响应函数反演得到多组分气体中各目标气体组分的浓度。
2.根据权利要求1所述的多组分气体分析的干扰修正与浓度反演方法，其特征在于 所述参考滤波通道、多个目标滤波通道分别由滤光片构成。
3.根据权利要求1所述的多组分气体分析的干扰修正与浓度反演方法，其特征在于 所述多组分气体中各目标气体组分各自的总吸光度通过光探测器接收到的多个目标滤波通道的探测光信号分别转换成电压值后计算得到。
4.根据权利要求1所述的多组分气体分析的干扰修正与浓度反演方法，其特征在于 所述步骤(3)中，消除各目标气体组分之间的交叉干扰时，建立须消除交叉干扰的目标气体组分的纯吸光度、须消除交叉干扰的目标气体组分消除水汽干扰后的总吸光度、除水汽外其他目标气体组分的干扰函数之间的方程须消除交叉干扰的目标气体组分消除水汽干扰后的总吸光度=须消除交叉干扰的目标气体组分的纯吸光度+除水汽外其他目标气体组分的干扰函数，将不同的须消除交叉干扰的目标气体组分的方程联立构成多元干扰方程组， 通过求解多元干扰方程组得到多组分气体中各目标气体组分的纯吸光度。
全文摘要
本发明公开了一种多组分气体分析的干扰修正与浓度反演方法。使用参考滤波通道消除外界因素造成的系统漂移；利用水汽对其它滤波通道的干扰函数修正分析仪的使用环境中水汽的干扰；利用互相关函数，通过建立和求解多元干扰方程组，可以获得混合气体中各种目标气体的纯吸光度，修正目标气体间的交叉干扰。干扰修正后，利用各滤波通道的响应函数，反演目标气体的浓度。一台简单的非分散红外分析仪，使用本专利所涉及的干扰修正与浓度反演方法后，使用一个探测器可以同时准确检测多种污染气体的浓度，例如，CO2,CO,NO,NO2,SO2,CH4,N2O,HC，H2O,NH3、H2S等等。
文档编号G01N21/25GK102183468SQ20111004448
公开日2011年9月14日 申请日期2011年2月23日 优先权日2011年2月23日
发明者于晓曼, 刘文清, 孙友文, 汪世美, 王亚萍, 谢品华, 陆亦怀, 陈军, 黄书华 申请人:中国科学院安徽光学精密机械研究所