一種用于激光氣體在線分析儀確定氣體濃度的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于激光氣體在線分析儀確定氣體濃度的方法，本方法利用基于二次諧波的方法，通過分析已知濃度氣體的二次諧波最大值最小值的差值，并與濃度信息擬合，得到差值與濃度信息的關(guān)系函數(shù)。通過將待測氣體的二次諧波最大值最小值的差值信息帶入求得的關(guān)系函數(shù)中，從而可以求得待測氣體濃度。本發(fā)明利用基于二次諧波的濃度算法，可以降低系統(tǒng)運算量和復(fù)雜度，從而提高算法的運行效率。通過對二次諧波信號的最大值與最小值做差，可以消除部分系統(tǒng)噪聲的影響，極大的提高濃度算法的精度，從而可以方便、準(zhǔn)確的獲得待測氣體濃度。
【專利說明】一種用于激光氣體在線分析儀確定氣體濃度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氣體濃度確定方法的改進，本方法主要用于激光氣體在線分析儀，屬于激光氣體分析儀信號處理領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)是光譜吸收技術(shù)的一種，該技術(shù)是通過氣體分子“選頻”吸收特定波長激光的原理來測量氣體濃度的一種方法。具體來說，半導(dǎo)體激光器發(fā)射出的特定波長的激光束穿過被測氣體時，被測氣體對激光束進行吸收，導(dǎo)致激光強度產(chǎn)生衰減，激光強度的衰減與被測氣體含量成正比。因此，通過測量激光強度衰減信息就可以分析獲得被測氣體的濃度?？烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)具有高靈敏度、實時、動態(tài)、多組分同時測量等獨特優(yōu)勢，因此，在工業(yè)生產(chǎn)中將其應(yīng)用于痕量氣體成分的檢測，可以為研究大氣中污染氣體形成的機理和條件，以及研究大氣中污染氣體對生態(tài)環(huán)境的危害提供獨特的技術(shù)手段和新型的研究平臺。
[0003]基于TDLAS技術(shù)設(shè)計的激光氣體分析儀的理論基礎(chǔ)是Beer-Lambert定律,根據(jù)Beer-Lambert定律,通過氣體吸收前和氣體吸收后的光強關(guān)系為:
[0004]I=I^exp [-S (T) g (V) PCL] (I)
[0005]式中I為通過氣體吸收后的光強，10為通過氣體吸收前的光強，S(T)表示分子在溫度T、波長λ處的吸收線強，g(v)為氣體吸收線型，V是頻率，P為待測氣體壓力，C為氣體分子濃度，L為總光程。一般情況下，氣體在近紅外吸收很小，即S(T)g(V)PcL < 0.05條件很容易滿足。將(I)式進行傅立葉展開，可以得到二次諧波信號和濃度成正比，即
[0006]I2f ?C 10S(T)g(v)PCL (2)
[0007]式中I2f表示二次諧波強度，由(2)可見如何處理光強的二次諧波信號是計算待測氣體濃度的關(guān)鍵。
[0008]當(dāng)前基于光強信號計算濃度的方法主要有:基于二次諧波最小值的擬合算法，基于二次諧波的最大值的擬合算法；基于一次諧波與二次諧波的比值的擬合算法。然而前者由于只統(tǒng)計了二次諧波的最小值或者最大值，不能夠消除系統(tǒng)噪聲的影響，容易在濃度計算中引入較大誤差。后者分別用了一次諧波與二次諧波的信息，信號采集過程較為繁瑣、計算過程較為復(fù)雜。通過對已有的濃度計算方法分析，可以發(fā)現(xiàn)已有算法并不能很好的消除系統(tǒng)噪聲影響與滿足運算量簡單兩方面要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種既能夠消除系統(tǒng)噪聲影響又使運算簡單的用于激光氣體在線分析儀的確定氣體濃度的方法。
[0010]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0011]一種用于激光氣體在線分析儀確定氣體濃度的方法，其實現(xiàn)步驟為:
[0012]I)通過分析待測氣體歷史已知某濃度情況下的二次諧波信號，分別求出待測氣體該歷史已知濃度下的二次諧波信號的最大值與最小值；
[0013]2)計算該歷史已知濃度下的二次諧波信號最大值與二次諧波信號最小值之間的
差值;
[0014]3)根據(jù)最小二乘擬合的需要，再按步驟I)和2)得到待測氣體其它歷史濃度已知情況下的二次諧波信號最大值與二次諧波信號最小值之間的差值，將得到的所有差值與對應(yīng)濃度參數(shù)進行最小二乘擬合，擬合出差值信號與該氣體濃度信號的關(guān)系函數(shù)；
[0015]4)通過分析待測濃度氣體實際二次諧波信號，分別求出待測濃度氣體實際二次諧波信號的最大值與最小值；
[0016]5)計算待測濃度氣體實際二次諧波信號最大值與二次諧波信號最小值之間的差值；
[0017]6)根據(jù)第3)步擬合出的關(guān)系函數(shù)與第5)步得到的差值，即可求得待測氣體濃度。
[0018]所述步驟3)中擬合出差值信號與該氣體濃度信號的關(guān)系函數(shù)，具體實現(xiàn)方式如下:
[0019]設(shè)已知濃度和該濃度氣體的二次諧波最大值與二次諧波最小值差值數(shù)據(jù)點為(“&，Q)(/=0，1，…，R)共有R+1組數(shù)據(jù)，其中Δ/,為不同濃度氣體的二次諧波最大值與二次諧波最小值差值，G為對應(yīng)的氣體濃度，其中坐標(biāo)對應(yīng)關(guān)系為(Δ/,, Co), ( Mj2l, C1), ( AIai , C2)……(Δ/? Gj);用最小二乘法擬合濃度和濃度氣
體的二次諧波最大值與二次諧波最小值差值數(shù)據(jù)點所對應(yīng)的函數(shù)曲線，設(shè)所求的函數(shù)曲線表達式為:
[0020]
【權(quán)利要求】
1.一種用于激光氣體在線分析儀確定氣體濃度的方法，其特征在于:其實現(xiàn)步驟為: 1)通過分析待測氣體歷史已知某濃度情況下的二次諧波信號，分別求出待測氣體該歷史已知濃度下的二次諧波信號的最大值與最小值； 2)計算該歷史已知濃度下的二次諧波信號最大值與二次諧波信號最小值之間的差值； 3)根據(jù)最小二乘擬合的需要，再按步驟I)和2)得到待測氣體其它歷史濃度已知情況下的二次諧波信號最大值與二次諧波信號最小值之間的差值，將得到的所有差值與對應(yīng)濃度參數(shù)進行最小二乘擬合，擬合出差值信號與該氣體濃度信號的關(guān)系函數(shù)； 4)通過分析待測濃度氣體實際二次諧波信號，分別求出待測濃度氣體實際二次諧波信號的最大值與最小值； 5)計算待測濃度氣體實際二次諧波信號最大值與二次諧波信號最小值之間的差值； 6)根據(jù)第3)步擬合出的關(guān)系函數(shù)與第5)步得到的差值，即可求得待測氣體濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于激光氣體在線分析儀確定氣體濃度的方法，其特征在于:所述步驟3)中擬合出差值信號與該氣體濃度信號的關(guān)系函數(shù)，具體實現(xiàn)方式如下: 設(shè)已知濃度和該濃度氣體的二次諧波最大值與二次諧波最小值差值數(shù)據(jù)點為^ M/y，Cj){j=0, 1，…，R)共有R+1組數(shù)據(jù)，其中Δ//:,為不同濃度氣體的二次諧波最大值與二次諧波最小值差值，G為對應(yīng)的氣體濃度，其中坐標(biāo)對應(yīng)關(guān)系為(Δ/λ() Co) ( AIli, Cl),iQ)……(Δ//:λ，用最小二乘法擬合濃度和濃度氣體的二次諧波最大值與二次諧波最小值差值數(shù)據(jù)點所對應(yīng)的函數(shù)曲線，設(shè)所求的函數(shù)曲線表達式為:
【文檔編號】G01N21/39GK103558182SQ201310565939
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月14日
【發(fā)明者】黃鴻, 王洪濤, 黃云彪 申請人:重慶大學(xué)