基于分立光学池组的气体分析装置及其气体分析方法

1.本发明涉及气体分析技术领域，具体为基于分立光学池组的气体分析装置及其气体分析方法。


背景技术：

2.气体分子的振动和转动频率对应气体的特征吸收波长，如温室气体co2，对应4.26um附近有较强的吸收带；有毒有害气体硫化氢(h2s)，对应2.6um附近有较强吸收带；工业废气排放的氮氧化物(no2)和二氧化硫(so2),对应220nm附近有较强吸收带。由于大部分气体的特征谱线位于紫外波段(200-300nm)、近红外波段(1.3～1.6um)、中红外波段(3-5um)以及长波波段(8-14um)，故分子光谱检测技术广泛用于环保监测、工业过程控制、有毒有害物泄露报警等领域。
3.常用的气体监测技术如紫外光谱技术、红外光谱技术在测量多组分气体时，常面临如下问题：
4.1)被测气体组分间或背景气体干扰；
5.2)气体池单一，不同气体在光谱段吸收强度不一致，满足一两种被测气体的探测灵敏度，不能保证其他组分气体检测精度；
6.传统的非色散红外采用机械斩波轮切换滤光片选择不同气体吸收波段，这种方法具有机械运动部件，需经常维护；在多组分气体监测时，需要多个模块组合或多台设备，成本较高。
7.紫外光谱技术如duv和uv-doas技术，利用吸收特征差分方式处理被测气体及背景间气体干扰，但并不能彻底消除干扰，同时测量多组分气体时，也面临非色散红外相同的问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种基于分立光学池组的气体分析装置及其气体分析方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
9.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于分立光学池组的气体分析装置，包括：
10.宽带光源，用于发射覆盖多组分气体吸收谱线的光束；可为紫外光源或红外光源；
11.多面反射锥，用于反射宽带光源发射的光束；
12.分立光学池组，包括n个不同反射光程的分立光学池组合，其中一个参比光学池；
13.探测器组，有不同波段截止膜系的透镜的光电探测器。
14.进一步的，宽带光源位于分立光学池组的空腔内，并位于多面发射椎的中轴线；其发射的发散光束可均匀的分布在多面反射锥的反射面上；宽带光源距离多面反射锥距离控制在1cm以内，使得在多面反射锥的反射面上形成的光斑直径控制在5～8mm内。
15.进一步的，多面反射锥可为三角棱、四面棱，及多面棱，可根据被测气体种类，以及
背景气体干扰情况来设计；多面反射锥的反射面根据光源不同，可镀紫外增强膜，或者红外反射膜。
16.进一步的，分立光学池组，围绕多面反射锥设计的数个独立的光学池；
17.光束通过多面反射椎的反射面入射到每个独立的光学池中，互不影响；
18.光学池由两个平面镜、或多个平面镜组、或平面镜-凹面反射镜、或两个凹面反射镜组合而成，可形成多次反射，反射光程可设计在15cm～3.2m以内；
19.入射光束在光学池中多次反射，最后通过带有波长截止的滤光膜透镜汇聚到光电探测器；
20.分立光学池组包括一个参比光学池，主要为了消除光源波动及衰减导致测量偏差或强背景气体导致的吸收偏差。
21.进一步的，探测器组分布在分立光学池组的底板上，每个探测器可进行三维调节。
22.上述的基于分立光学池组的气体分析装置可实现同时测量n-1种气体，每个分立光学池对应一种被测气体，其气体分析方法包括以下步骤：
23.s1、建立多种被测气体分析模型，将不同浓度和不同种类的被测气体依次通入分析装置内，得到被测气体在n-1个独立分立光学池中的单位吸收信号合集，每个独立分立光学池中的吸收信号与参比光学池中的信号进行相除，获得差分吸收信号；根据不同种类气体和不同浓度对应的差分吸收信号构建映射关系，建立多种被测气体分析模型；
24.s2、建立对应工况被测气体的标定矩阵，预估不同工况中被测气体的量程范围，并通入量程浓度的不同种类被测气体，基于s1已建立的气体分析模型，获得对应工况被测气体的标定矩阵；
25.s3、被测气体浓度计算，获得n-1个独立分立光学池中不同被测气体混合叠加的差分吸收信号，基于s1建立的气体分析模型和s2获得的被测气体标定矩阵，基于主成分分析算法，可进而计算不同种类被测气体的浓度。
26.进一步的，步骤s1中不同被测气体的单位吸收信号可表示为：
[0027][0028]
其中,σ
gas_q
为第q种气体，n
p,k
为被测气体在波长为λ
p,k
的单位吸收；λ
p,k
为带宽膜系对应的区间；k为紫外波段或红外波段的等分点数，即如在紫外波段190-280nm区间,δλ＝0.3nm，在近红外波段1300-1650nm，δλ＝0.2nm，在中红外外波段2.3μm-7.8μm,δλ＝0.4nm；p,q∈[1,n-1]。
[0029]
当气体分析装置测量多组气体时，每个分立光学池对应的信号分别为a1,a2,a3…
,a
n-1
,an。
[0030]
进一步的，步骤s1中差分吸收信号计算方法：
[0031][0032]
其中，定义第n个分立光学池为参比光学池，an，a
p
分别对应第n和p个分立光学池的信号，ln，l
p
分别对应第n和p个分立光学池有效光程长度。
[0033]
进一步的，步骤s2中的标定矩阵为：
[0034][0035]
其中，z
f,e
为在不同分立光学池内对被测气体的标定系数，f,e∈[1,n-1]。
[0036]
进一步的，步骤s3中的n-1个独立分立光学池中不同被测气体混合叠加的差分吸收信号可表示为：
[0037][0038]
其中γ
p
为被测气体的浓度。
[0039]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0040]
本发明创新性地采用多面反射锥对宽带光源的光束进行均匀分束，入射到由多个分立光学池的组合气体池中，实现了一种高集成度的多组分气体监测装置；同时，提出了一种基于分立光学池组的多组分气体分析方法，通过构建多种气体分析模型、建立标定矩阵，通过主成分分析算法实现无交叉干扰，宽浓度范围的多组分气体监测。
附图说明
[0041]
图1为本发明的气体分析装置结构示意图；
[0042]
图2为3种多面反射锥对应的在分立光学池组底板上分布的宽带光源和探测器组示意图。
[0043]
图示说明：1、宽带光源；2、探测器组；3、分立光学池；4、多面反射锥。
具体实施方式
[0044]
下面结合附图，对本发明作进一步地说明。
[0045]
如图1所示，一种基于分立光学池组的气体分析装置，包括：
[0046]
宽带光源1，用于发射覆盖多组分气体吸收谱线的光束；可为紫外光源或红外光源；
[0047]
多面反射锥4，用于反射宽带光源1发射的光束；
[0048]
分立光学池组，包括n个不同反射光程的分立光学池3组合，其中一个参比光学池；
[0049]
探测器组2，有不同波段截止膜系的透镜的光电探测器。
[0050]
进一步的，宽带光源1位于分立光学池组的空腔内，并位于多面发射椎4的中轴线；其发射的发散光束可均匀的分布在多面反射锥4的反射面上；宽带光源1距离多面反射锥4距离控制在1cm以内，使得在多面反射锥4的反射面上形成的光斑直径控制在5～8mm内。
[0051]
进一步的，多面反射锥4可为三角棱、四面棱，及多面棱，可根据被测气体种类，以及背景气体干扰情况来设计；多面反射锥4的反射面根据光源不同，可镀紫外增强膜，或者红外反射膜。
[0052]
进一步的，分立光学池组，围绕多面反射锥4设计的数个独立的光学池；
[0053]
光束通过多面反射椎4的反射面入射到每个独立的光学池中，互不影响；
[0054]
光学池由两个平面镜、或多个平面镜组、或平面镜-凹面反射镜、或两个凹面反射镜组合而成，可形成多次反射，反射光程可设计在15cm～3.2m以内；
[0055]
入射光束在光学池中多次反射，最后通过带有波长截止的滤光膜透镜汇聚到光电探测器；
[0056]
分立光学池组包括一个参比光学池，主要为了消除光源波动及衰减导致测量偏差或强背景气体导致的吸收偏差。
[0057]
进一步的，探测器组2分布在分立光学池组的底板上，每个探测器可进行三维调节。如图2所示，为3种多面反射锥对应的在分立光学池组底板上分布的宽带光源和探测器组示意图。
[0058]
上述的基于分立光学池组的气体分析装置可实现同时测量n-1种气体，每个分立光学池对应一种被测气体，其气体分析方法包括以下步骤：
[0059]
s1、建立多种被测气体分析模型，将不同浓度和不同种类的被测气体依次通入分析装置内，得到被测气体在n-1个独立分立光学池中的单位吸收信号合集，每个独立分立光学池中的吸收信号与参比光学池中的信号进行相除，获得差分吸收信号；根据不同种类气体和不同浓度对应的差分吸收信号构建映射关系，建立多种被测气体分析模型；
[0060]
s2、建立对应工况被测气体的标定矩阵，预估不同工况中被测气体的量程范围，并通入量程浓度的不同种类被测气体，基于s1已建立的气体分析模型，获得对应工况被测气体的标定矩阵；
[0061]
s3、被测气体浓度计算，获得n-1个独立分立光学池中不同被测气体混合叠加的差分吸收信号，基于s1建立的气体分析模型和s2获得的被测气体标定矩阵，基于主成分分析算法，可进而计算不同种类被测气体的浓度。
[0062]
进一步的，步骤s1中不同被测气体的单位吸收信号可表示为：
[0063][0064]
其中,σ
gas_q
为第q种气体，n
p,k
为被测气体在波长为λ
p,k
的单位吸收；λ
p,k
为带宽膜系对应的区间；k为紫外波段或红外波段的等分点数，即如在紫外波段190-280nm区间,δλ＝0.3nm，在近红外波段1300-1650nm，δλ＝0.2nm，在中红外外波段2.3μm-7.8μm,δλ＝0.4nm；p,q∈[1,n-1]。
[0065]
当气体分析装置测量多组气体时，每个分立光学池对应的信号分别为a1,a2,a3…
,a
n-1
,an。
[0066]
进一步的，步骤s1中差分吸收信号计算方法：
[0067][0068]
其中，定义第n个分立光学池为参比光学池，an，a
p
分别对应第n和p个分立光学池的信号，ln，l
p
分别对应第n和p个分立光学池有效光程长度。
[0069]
进一步的，步骤s2中的标定矩阵为：
[0070][0071]
其中，z
f,e
为在不同分立光学池内对被测气体的标定系数，f,e∈[1,n-1]。
[0072]
进一步的，步骤s3中的n-1个独立分立光学池中不同被测气体混合叠加的差分吸收信号可表示为：
[0073][0074]
其中γ
p
为被测气体的浓度。
[0075]
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。