一種三參考通道的紅外氣體分析方法與裝置的制造方法
【專利說明】-種Ξ參考通道的紅外氣體分析方法與裝置
[000。（一)技術(shù)領(lǐng)域 本發(fā)明設(shè)及光學(xué)系統(tǒng)，具體設(shè)及一種采用紅外吸收光譜技術(shù)測(cè)量氣體成份的在線分析 測(cè)量方法與裝置。
[0002] (二)【背景技術(shù)】 現(xiàn)有成熟測(cè)量技術(shù)包括:氣相液相色譜儀、催化燃燒傳感器、電化學(xué)傳感器、金屬氧化 物半導(dǎo)體傳感器等。
[0003] 氣相液相色譜儀一般用于試驗(yàn)室分析，價(jià)格昂貴，不適于在線應(yīng)用，且檢測(cè)時(shí)間較 長(zhǎng)。
[0004] 催化燃燒傳感器通過氧化燃燒有機(jī)氣體產(chǎn)生熱量，進(jìn)而根據(jù)測(cè)量溫度的變化檢 測(cè)，可檢測(cè)任何可燃?xì)怏w。但檢測(cè)過程需要氧氣，且傳感器長(zhǎng)期在高濃度的環(huán)境下暴露會(huì)影 響降低靈敏度。
[0005] 電化學(xué)傳感器將電極封裝在電解質(zhì)溶液里，把濃度信號(hào)轉(zhuǎn)為電流信號(hào)。但其只能 在正常大氣壓附近操作，且工組溫度不能超過40°C。
[0006] 金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器其原理如下：待測(cè)氣體與金屬氧化物接觸產(chǎn)生帶電離 子，引發(fā)其電阻特性改變，通過測(cè)量電阻變化獲得濃度信息。但電阻特性的改變對(duì)溫度很敏 感，需要嚴(yán)格控制在一個(gè)較高的工作溫度上，系統(tǒng)功耗高。它的交叉反應(yīng)太靈敏，極易受到 其他物質(zhì)的干擾。
[0007] 縱觀上述技術(shù)，它們的劣勢(shì)集中表現(xiàn)為:廣譜反應(yīng)，選擇性差，易受干擾，傳感單元 屬于消耗型，壽命短。
[000引光譜技術(shù)可選擇特定波段檢測(cè)目標(biāo)分析物，能有效處理其他物質(zhì)的光譜干擾。光 譜分析具有速度快，非消耗性，非接觸性等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)?？蓪?shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)、穩(wěn)定的檢測(cè)。由于 可調(diào)制激光吸收光譜具有極高的靈敏度，現(xiàn)國(guó)際大公司開發(fā)競(jìng)相開發(fā)用于石化領(lǐng)域的ppm 級(jí)的痕量氣體在線分析儀，但是用于近紅外和中紅外波段檢測(cè)的光源激光二極管其最高工 作溫度在室溫附近，且對(duì)溫度十分敏感。為保證測(cè)量穩(wěn)定，需要控制溫度偏差在o.rc甚至 更局。
[0009] 該技術(shù)可W實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)石油化工過程、石油天然氣管道儲(chǔ)運(yùn)、環(huán)保環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng) 牧業(yè)等應(yīng)用場(chǎng)合的氣體，為控制決策提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。與眾多傳統(tǒng)技術(shù)相比，熱福射光 源的光譜技術(shù)具有成本低、分析速度快、選擇性反應(yīng)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。采用合理設(shè)計(jì)可W實(shí)現(xiàn)多 種分析物的同步測(cè)量。但是現(xiàn)有的紅外氣體分析儀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，補(bǔ)償措施不到位，系統(tǒng)的穩(wěn) 定性差，對(duì)于環(huán)境尤其是溫度變化的適應(yīng)能力欠佳，未能有效考慮系統(tǒng)老化、電子零部件漂 移、光學(xué)表面巧污造成的光損耗等帶來的誤差。
[0010] 本專利針對(duì)上述應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計(jì)一個(gè)具有Ξ個(gè)參考通道的穩(wěn)定性和抗干擾性高的 紅外光譜系統(tǒng)，可W實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)成分的準(zhǔn)確測(cè)量。該系統(tǒng)的光路和電路可自動(dòng)反饋，有效控 制并且維持光源福射的頻譜和強(qiáng)度的穩(wěn)定分布。因而該系統(tǒng)的工組溫度范圍更寬，應(yīng)對(duì)快 速溫度變化能力更強(qiáng)，可應(yīng)用于更加嚴(yán)苛的環(huán)境中。
[00川 （S)
【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種Ξ參考通道的在線測(cè)量氣體成份的方法 與裝置，本裝置主要包括:光源、氣室、濾波片、探測(cè)器和電路支持系統(tǒng)。半導(dǎo)體光源和探測(cè) 器受溫度的影響比較大，嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。現(xiàn)有溫度控制系統(tǒng)，可W - 定程度減小溫漂誤差，但仍然無法滿足室外惡劣環(huán)境的要求。本系統(tǒng)對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行有效 處理，W降低閃爍噪聲（1/f噪聲），采用同源特性W排除環(huán)境影響。
[0012] 本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的： 一種Ξ參考通道的紅外在線光譜儀裝置，其特殊之處在于:反射鏡后面設(shè)置采樣氣室 和參考?xì)馐壹皫в兴膫€(gè)獨(dú)立探測(cè)器的四通道，每個(gè)通道各配一個(gè)濾波片和透射窗口，探測(cè) 器安裝在半導(dǎo)體制冷片上，其中，四通道分別為參考通道λ1、λ2和R通道及與R通道的透 射光經(jīng)過同一波長(zhǎng)濾波片的信號(hào)通道S通道，四通道并排設(shè)置，其中，參考通道λ1、λ2和R 通道、信號(hào)通道S通道分別設(shè)置進(jìn)、出氣孔，參考通道λ1、λ2共用進(jìn)、出氣孔。
[0013] 本發(fā)明的Ξ參考通道測(cè)量氣體成份的紅外在線光譜儀裝置，探測(cè)器的每個(gè)通道各 配一個(gè)濾波片和透射窗口。
[0014] 本發(fā)明的Ξ參考通道測(cè)量氣體成份的紅外在線光譜儀裝置，氣室腔體與反射鏡和 安裝底座密封連接。
[0015] 本發(fā)明的Ξ參考通道測(cè)量氣體成份的紅外在線光譜儀裝置，光源采用調(diào)制技術(shù)， W應(yīng)對(duì)不同分析氣體，控制單元可實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，W實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定測(cè)量。其中，光源可W為設(shè)計(jì)工作 溫度400°C W上的熱福射源，熱福射光源采用MEMS傳感器，是純阻性器件。
[0016] -種Ξ參考通道的紅外在線光譜儀的測(cè)量方法，包括W下步驟： (1) 控制驅(qū)動(dòng)電流：調(diào)節(jié)光源的驅(qū)動(dòng)電流，從而使光源調(diào)節(jié)到所需的參數(shù)； (2) 穩(wěn)定光譜輸出：在λ1，λ2參考通道中密封對(duì)紅外波段沒有任何吸收的中性氣體，當(dāng) 工作環(huán)境變化時(shí)或者系統(tǒng)的老化漂移時(shí)，利用λ1，λ2參考通道的反饋信號(hào)和相應(yīng)函數(shù)關(guān)系， 調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流，保持λ1，λ2的固定比例關(guān)系，從而維持穩(wěn)定的光譜； (3) 建立第Ξ參考通道:R通道中為含有一定已知濃度的待測(cè)組分氣體，稱之為參考?xì)猓?該通道稱之為第Ξ參考通道，該通道中不含有干擾組分氣體； (4) 基線補(bǔ)償:當(dāng)光源關(guān)閉時(shí)，檢測(cè)器也會(huì)檢測(cè)到信號(hào)，運(yùn)通常由背景譜線福射、電路噪 聲等因素造成，稱之為基線，在測(cè)量過程中，基線會(huì)一直存在，在光源關(guān)閉時(shí)，采集所有通道 的基線，并用做后續(xù)補(bǔ)償計(jì)算； 巧)選擇歸一化標(biāo)準(zhǔn):光線穿過通道產(chǎn)生的損耗包括氣體吸收和光線幾何損耗，λ1、λ2 通道不含有待測(cè)組分，所W該兩通道的信號(hào)反映了除吸收損耗之外的所有其它因素影響，λ 1、A2、R、S四通道的環(huán)境一致，所Κλ1，λ2通道接收到的信號(hào)均可用作歸一化的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)R和S 通道的信號(hào)歸一化； (6) 參考比對(duì):在R和S通道中均含有待測(cè)組分，相同的物理狀態(tài)下，S通道的信號(hào)強(qiáng)度與 R通道的信號(hào)強(qiáng)度之比等于兩個(gè)通道的分析物濃度之比，基于此，通過參考對(duì)比得出S通道 內(nèi)的待測(cè)物濃度； (7) 壓力補(bǔ)償:在S通道中或者采樣系統(tǒng)設(shè)置壓力測(cè)試裝置，根據(jù)待測(cè)氣體的壓力值對(duì) 濃度測(cè)量結(jié)果補(bǔ)償。
[0017] 所述的Ξ參考通道測(cè)量氣體成份的紅外在線光譜儀的測(cè)量方法，還包括步驟(8) 溫度補(bǔ)償:在S通道中或者采樣系統(tǒng)設(shè)置溫度測(cè)試裝置，根據(jù)待測(cè)氣體的溫度值對(duì)濃度測(cè)量 結(jié)果補(bǔ)償;補(bǔ)償可使用氣體方程等物理機(jī)理，也可使用基于經(jīng)驗(yàn)測(cè)試的數(shù)學(xué)模型。
[0018] 根據(jù)權(quán)利要求5所述的Ξ參考通道測(cè)量氣體成份的紅外在線光譜儀的測(cè)量方法， 其特征在于： 通過步驟巧)做歸一化處理。使用相關(guān)通道的全部或部分光強(qiáng)確定一個(gè)或多個(gè)差值、比 值、均方誤差、決定系數(shù)、互相關(guān)函數(shù)、互相關(guān)積分、回歸系數(shù)； 通過步驟(6)對(duì)比R、S通道信號(hào)，使用減法、分割、交叉相關(guān)性、卷積、曲線擬合、回歸分 析和優(yōu)化的一種或多種數(shù)學(xué)或化學(xué)計(jì)量學(xué)的應(yīng)用方法，進(jìn)而計(jì)算待測(cè)無濃度； 通過步驟(2)、（7)、（8)使用相關(guān)通道在不同氣體溫度、氣體壓力下的部分或全部光強(qiáng) 確定一個(gè)或多個(gè)差值、比值、均方誤差、決定系數(shù)、互相關(guān)函數(shù)、互相關(guān)積分、回歸系數(shù)進(jìn)行 補(bǔ)償。
[0019] 步驟(6)中，相同的物理狀態(tài)為溫度、壓力相同； 步驟(7)中，壓力測(cè)試裝置為壓力傳感器或變送器，補(bǔ)償通過使用物理機(jī)理氣體方程或 基于經(jīng)驗(yàn)測(cè)試的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行； 步驟(8)中，溫度測(cè)試裝置為溫度傳感器或變送器，補(bǔ)償通過使用物理機(jī)理氣體方程或 基于經(jīng)驗(yàn)測(cè)試的數(shù)學(xué)模型。
[0020] 本發(fā)明的有益效果:本專利應(yīng)用在氣體分析過程有W下優(yōu)點(diǎn)： (1) 分