專利名稱：一種基于非色散型甲烷氣體分析儀的氣體濃度定量計算方法
技術領域：
本發明涉及一種基于非色散型CH4氣體分析儀的氣體濃度定量計算方法，屬于氣體濃度測量領域。
背景技術：
在氣體分析儀中，光源的后面放置二元光譜探測器負責將能量信號轉換為電壓信號輸出，其電壓信號與入射能量為正比的線性關系。在二元光譜探測器的每一個單元前加一片窄帶帶通濾光片通道I為測量通道，窄帶帶通濾光片中心波長為待測氣體的特征吸收峰；通道2為參比通道，窄帶帶通濾光片中心波長不是待測氣體的特征吸收峰。由廣譜光源發出的光子在照射到通道I的窄帶濾波片上前，必將有部份能量即波長為待測氣體吸收峰的那些能量中的一部分被待測氣體吸收，照射到通道I的窄帶濾波片上的能量將由兩部分組成第一部分是波長與待測氣體的吸收峰不相等的那么些能量；第二部分是波長與待測氣體的吸收峰相等的，被待測氣體吸收后所剩余的那部分能量。輻射到通道I所對應的探測器單元的能量即為第二部分能量。通道2負責消除由于光源的能量變化所引入的檢測誤差。甲烷CH4氣體對其特征譜段(3. 35um)光譜能量的吸收在低濃度范圍內遵循比爾-朗伯定律P = P0EXP (-kcI)其中Pci為光源所產生的能量，P為光源所產生的能量通過存在CH4氣體的環境后所剩余的能量，k為CH4氣體的光譜吸收系數，I為光源距光譜探測器的距離，c為CH4氣體的濃度。根據比耳朗伯定律，推算出CH4氣體濃度的計算公式為VU2 = U01/U02EXP(_kcl)其中，U1為氣體濃度為c時測試通道的電壓輸出值(mV) ；U2為氣體濃度為c時參比通道的電壓輸出值(mV) ；U01為氣體濃度為0時測試通道的電壓輸出值(mV) ；U02為氣體濃度為0時參比通道的電壓輸出值(mV) ；k為氣體在測試通道的吸收系數，單位cm—1 ；1為光程，單位取cm ；c為氣體濃度，無量綱。由于Utll及U02為已知，可事先測出；1為常數，所以從理論上來講，只要采用已知濃度的標準CH4氣體作為待測氣體，采集到U/U2值，就可計算出k值，如此就可得到c與U1/U2的經驗方程式為C = kHE (U01ZU02)ZWU2)]
在實際設計中，根據上面的經驗方程式，只要采集到U1ZU2值就能計算出CH4氣體的濃度c值。然而，這種理想的計算方法即線性插值法在實際操作中對某些氣體是不能使用的，其根本原因在于不同濃度下該氣體的k值是不同的。雖然吸收率隨氣體濃度的增加而增加，但這種增加并不是簡單的線性關系，氣體濃度愈高其吸收率增加的幅度愈弱。所以，直接用簡單的線性插值法計算CH4待測氣體的濃度必將引入相當大的誤差，特別是在偏離用以計算k值的標準氣體濃度值的那一段濃度內，誤差尤其大對線性插值法的進一步改進這里稱為分段吸收率線性插值法。分段吸收率線性插值法就是將動態范圍分為多段，如將0% -10%分為0% -2%,2% -4%,4% -10%三個濃度段，在每一段內選一種標準氣體如共三種標準氣體，按線性插值法來計算待測氣體濃度。但這在軟件實現上就存在一個問題。那就是在相鄰的分段點，即氣體濃度剛好處在分段處附件時其濃度顯示值就會在兩段間重復跳動，直觀的結果就是在分段點處，計算濃度產生波動。分段分細一點，雖有可能得到較理想的計算準確度(兩段間重復跳動控制在可允許范圍內)，但同樣存在需要標準氣體種類太多及整機調試工作量太大的問題。與線性插值法相對應的另一種定量計算方法稱為查表法。查表法就是根據標準氣體計算出不同濃度下的k值，制成無窮多個濃度與k值及兩個通道的電壓比值U1ZU一一對應的表格，存在單片機中。在實際使用中只要單片機采集到兩個通道的電壓比值，就可找到相對應的濃度值。查表法與線性插值法的區別在于線性插值法是根據采集到的U1ZU2值直接計算出CH4氣體的濃度C值，而查表法則是相對計算，它需要將采集到的U/U2值與系統單片機中已存儲的U1Z^U2值比較，找到與之最接近的U1Z^U2值，再根據這個U1AJ2值找到對應的CH4氣體的濃度C值。然而，這種簡單的查表法在實際中是很難實現的，特別是在大批量生產工藝中顯然是不現實的，因為這需要無窮多的標準氣體。針對如上定量計算方法中出現的問題，國內外很多專家學者進行了大量的研究工作。目前，國內外的研究人員采用的方法是先用已知其濃度的多種標準氣體(每種標準氣體濃度不同)通入非色散型CH4氣體分析儀氣路中，計算出不同氣體濃度下的k值，再根據這些k值與濃度c的對應關系，采用各種各樣的擬合方法在U1A2 = U01/U02EXP(-kcl)的基礎上擬合出新的經驗方程，以達到定量計算濃度c的目標。這種方法在低濃度段是適用的，因為比耳朗伯定律的適用是有邊界條件的，那就是低濃度。這種方法在高濃度段是不適用的，因為在高濃度段，氣體濃度愈高其吸收率增加的幅度愈弱，k值與C值之間的線性關系變差，采用各種各樣的擬合方法在U/U2 = U01/U02EXP(-kcl)的基礎上擬合出的新經驗方程所計算出的氣體濃度值的偏差很大。以上是目前在非色散型CH4氣體分析儀的研制及生產過程中急待解決的問題。

發明內容
為了解決目前非色散型CH4氣體分析儀在氣體濃度定量計算方法中CH4氣體的濃度計算中出現的誤差較大的技術問題，本發明提出了一種基于非色散型氣體分析儀的CH4氣體濃度定量計算方法，該方法使計算濃度在整個濃度范圍內高度重合，有效提高了 CH4氣體濃度計算精度。一種基于非色散型CH4氣體分析儀的氣體濃度定量計算方法，該方法實現的具體步驟如下步驟一根據比耳朗伯定律，推算出CH4氣體濃度的計算公式為 U1ZU2 = U01/U02EXP (-kcl)其中U1為氣體濃度為c時測試通道的電壓輸出值，單位mV ；U2為氣體濃度為c時參比通道的電壓輸出值，單位HiV5Utll為氣體濃度為O時測試通道的電壓輸出值，單位mV;UQ2為氣體濃度為O時參比通道的電壓輸出值，單位mV ；k為氣體在測試通道的吸收系數，單位cm—1 ；1為光程，單位取cm ；c為氣體濃度，無量綱；步驟二 將不同已知其濃度的標準CH4氣體通入系統氣路中，記錄測試通道的電壓輸出值U1隨濃度c的變化情況，并根據U1與c之間的線性相關性，將CH4氣體濃度所需測量的動態范圍分為多段；步 驟三測出非色散型CH4氣體分析儀的光程1，再測出沒有CH4氣體時的兩個通道的電壓信號值U01及U02,根據CH4氣體濃度的計算公式U1ZU = UtllZU2EXP (-kcl)推導出不同濃度段內的c與U1ZU的經驗方程式為c = k-1 F1In [ (U01/U02) / (U1ZU2)]步驟四在待測氣體的最低濃度段內，選擇一種已知濃度的標準氣體作為待測氣體，將其通入非色散型CH4氣體分析儀的氣路中，測出U/U2的值，并根據經驗方程式c =kHE卬真)/(嗔)]求出k值;步驟五將步驟四計算出的k值記為Ic1，并代入同一經驗方程得到c與U1ZU2 一一對應的的經驗方程式c = V1I-1In[(UtllZU2V(U1ZU)]；步驟六除最低濃度段外，在其它不同的濃度段內均選擇一種已知其濃度的標準氣體作為待測氣體，將其通入非色散型CH4氣體分析儀的氣路中，測出U1A2的值，并根據經驗方程式C = Pr1In [(UtllZU2)/(U1ZU)]求出對應的k值；由此得到不同濃度段的C與U1/U2 一一對應的的經驗方程式c = V1I-1In [(UQ1/UQ2)/(U1ZU) ]，n為正整數；步驟七:設隊=U02,U1 = U01-X, X = 0、1、2、3、4、5、6......U01，其中 U2, U02, U1, U01
及X量綱均取mV，在不同濃度段內以c對In(UZU2)作圖，將不同濃度段的c對In(U1ZU2)的曲線圖連接成完整的、能涵蓋整個測量動態范圍的c對In(U1ZU)的曲線圖，并將此c與In(U1ZU2) 一一對應的數據存儲到系統的單片機中；步驟八在實際使用中，系統按對光源的調制頻率采集到U1與U2的值，能計算出In(VU2)的值；將此In(U1ZU)的值與系統單片機中已存儲的In(VU2)的值比較，找到與之最接近的In ( / )的值，再根據這個In (U1ZU2)的值找到對應的CH4氣體的濃度c值，由此完成了 CH4氣體濃度的定量計算。有益效果本發明所涉及的一種基于非色散型CH4氣體分析儀的氣體濃度定量計算方法的有益效果就是使計算濃度在整個濃度范圍內高精度重合，有效提高了計算精度而且避免了分段吸收率計算法所固有的計算濃度在分段處會產生波動的問題。本發明所體現的發明點具體闡述如下I、本發明所涉及的一種基于非色散型CH4氣體分析儀的氣體濃度定量計算方法的特點之一是將整個測試動態范圍分成多個濃度段，每個濃度段具有相近的氣體吸收率k值，得到不同濃度段內的計算濃度c值的經驗方程，即c與In(U1ZU)的經驗方程，解決了目前所采用的方法所必將導致的由于經驗方程難于擬合精度差所帶來的CH4氣體分析儀的氣體濃度定量計算精度差的問題。2、本發明所涉及的一種基于非色散型CH4氣體分析儀的氣體濃度定量計算方法的特點之二是在將整個測試動態范圍分成多個濃度段的基礎上，在以查表法代替按線性插值法，來計算待測氣體濃度，避免了分段吸收率線性插值計算法所固有的計算濃度在分段處會產生波動的問題。因為分段吸收率線性插值計算法軟件實現上就存在一個問題，那就是在相鄰的分段點，即氣體濃度剛好處在分段處附件時其濃度顯示值就會在兩段間重復跳動，直觀的結果就是在分段點處，計算濃度產生波動。


圖I為待測氣體濃度定量計算流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖并舉實施例，對本發明進行詳細描述。假設某型非色散型CH4氣體分析儀采用雙光路設計，通道I為測試通道，其窄帶帶通濾光片的中心波長為3. 35 ym，半峰寬為170nm;通道2為參比通道，其窄帶帶通濾光片的中心波長為3. 95 V- m,半峰寬為90nm。本發明所涉及的一種基于非色散型氣體分析儀的CH4待測氣體濃度定量計算方法，如圖I所示，該方法實現的步驟如下步驟一根據比耳朗伯定律，推算出CH4氣體濃度的計算公式為U1ZU2 = U01/U02EXP(-kcl)其中U1為氣體濃度為c時測試通道的電壓輸出值，單位mV ；U2為氣體濃度為c時參比通道的電壓輸出值，單位HiV5Utll為氣體濃度為0時測試通道的電壓輸出值，單位mV;UQ2為氣體濃度為0時參比通道的電壓輸出值，單位mV ；k為氣體在測試通道的吸收系數，單位cm—1 ；1為光程，單位取cm ；c為氣體濃度，無量綱。步驟二 將不同已知其濃度的標準CH4氣體通入系統氣路中，記錄測試通道的電壓輸出值U1隨濃度c的變化情況，并根據U1與c之間的線性相關性將CH4氣體濃度的量程(及動態范圍)分為多段，如將動態范圍0% -10%分為0% -2%,2% -4%,4% -10%三個濃度段。在每一濃度段內其不同濃度c下的吸收率k不同，即雖然不同的c對應不同的k，但c與k之間的線性相關性較好。步驟三根據系統的機械設計得知非色散型CH4氣體分析儀的光程I為7cm ;測出沒有CH4氣體時的兩個通道的電壓信號值Utll = 1860mV、U02 = 910mV，根據CH4氣體濃度的計算公式為 / = U01/U02EXP(-kcl)推導出不同濃度段內的c與U1A2的經驗方程式為c = kHE (U01A12)ZWU2)];將I、U01及U02的值代入得到的經驗方程式為c =0. 1429k_1ln [2. 0440/ (VU2)]。步驟四在待測氣體最低濃度段內，選擇一種已知其濃度為2. 00%的CH4標準氣體作為待測氣體，將其通入非色散型CH4氣體分析儀的氣路中，測出U1 = 1720mV、U2 =910mV，并根據經驗方程式 2. 00%= 0. 1429k_1ln[2. 0440/( / )]，求出 k = 0. 5593cm_10步驟五將步驟四計算出的k值記為kp并代入同一經驗方程得到了 c與U1ZU2——對應的的經驗方程式c = 0. 25551n[2. 0440/( / )]。步驟六在其它不同的濃度段內均選擇已知其濃度為4. 00%及6. 00%的標準氣體作為待測氣體，將其通入非色散型CH4氣體分析儀的氣路中，測出U1A2的值，并根據經驗方程式c = ITT1In[(UtllZU2)/(U1ZU)]求出k值；由此得到了不同濃度段的c與U1ZU 一一對應的的經驗方程式C = 0. 36681n[2. 0440/( / )] Rc = O. 55671n[2. 0440/ (U1ZU2) ] 步驟七設％= U02, U1 = U01-X, x = 0、1、2、3、4、5、6......Utll，其中 HUpU01
及X量綱均取mV，在不同濃度段內以c對In(UZU2)作圖，將不同濃度段的c對In(U1ZU2)的曲線圖連接成完整的、能涵蓋整個測量動態范圍的c對In(U1ZU)的曲線圖，并將此c與
In (U1ZU2)——對應的數據存儲到系統的單片機中，如I. 00% —0. 6765-----------2. 00%
—0. 6931 等。
步驟八在實際使用中，系統按對光源的調制頻率2Hz采集到U1與U2的值分別為1790mV及910mV，就可計算出In(U^U2)的值。將此In(U^U2)的值與系統單片機中已存儲的In(U1Z^U2)的值比較，找到與之最接近的In(U1Z^U2)的值為0. 6765，再根據這個In(U1ZU2)=0. 6765的值就能找到對應的CH4氣體的濃度c值為I. 00%，由此則完成了 CH4氣體濃度的定量計算。
權利要求
1.一種基于非色散型CH4氣體分析儀的氣體濃度定量計算方法，其特征在于該方法實現的具體步驟如下 步驟一根據比耳朗伯定律，推算出CH4氣體濃度的計算公式為Vu2 = U01/U02EXP(-kcl) 其中U1為氣體濃度為c時測試通道的電壓輸出值，單位mV ；U2為氣體濃度為c時參比通道的電壓輸出值，單位mV Wtll為氣體濃度為O時測試通道的電壓輸出值，單位mV ;Utl2為氣體濃度為O時參比通道的電壓輸出值，單位mV ；k為氣體在測試通道的吸收系數，單位cm—1 ；I為光程，單位取cm ；c為氣體濃度，無量綱； 步驟二 將不同已知其濃度的標準CH4氣體通入系統氣路中，記錄測試通道的電壓輸出值U1隨濃度c的變化情況，并根據U1與c之間的線性相關性，將CH4氣體濃度所需測量的動態范圍分為多段； 步驟三測出非色散型CH4氣體分析儀的光程1，再測出沒有CH4氣體時的兩個通道的電壓信號值U01及Utl2，根據CH4氣體濃度的計算公式U1ZU2 = U01/U02EXP(-kcl)推導出不同濃度段內的c與U1ZiU2的經驗方程式為c = ITT1In [(UcilZU2V(U1ZU2)] 步驟四在待測氣體的最低濃度段內，選擇一種已知濃度的標準氣體作為待測氣體，將其通入非色散型CH4氣體分析儀的氣路中，測出U1ZiU2的值，并根據經驗方程式c =kHE卬真)/(嗔)]求出k值; 步驟五將步驟四計算出的k值記為ki，并代入同一經驗方程得到C與U1AJ2 一一對應的的經驗方程式C = V1I-1In [(UtllZU2V(VU2)]； 步驟六除最低濃度段外，在其它不同的濃度段內均選擇一種已知其濃度的標準氣體作為待測氣體，將其通入非色散型CH4氣體分析儀的氣路中，測出U1ZU2的值，并根據經驗方程式c = LT1In[(UcilZU2V(UZU2)]求出對應的k值；由此得到不同濃度段的c與U1ZiU2一一對應的的經驗方程式c = V1I-1In [(UQ1/UQ2)/( / ) ]，η為正整數； 步驟七設％ = U027U1 = U01-X, X = 0、1、2、3、4、5、6......Utll，其中 U2、υο2、U” Utll 及 χ量綱均取mV，在不同濃度段內以c對In(U1ZU)作圖，將不同濃度段的c對In( / )的曲線圖連接成完整的、能涵蓋整個測量動態范圍的c對In(U1ZiU2)的曲線圖，并將此c與IWU1/U2) 一一對應的數據存儲到系統的單片機中； 步驟八在實際使用中，系統按對光源的調制頻率采集到U1與U2的值，能計算出IWU1/U2)的值；將此In(VU2)的值與系統單片機中已存儲的In(U1ZiU2)的值比較，找到與之最接近的In ( / )的值，再根據這個In (U1ZU2)的值找到對應的CH4氣體的濃度c值，由此完成了 CH4氣體濃度的定量計算。
2.如權利要求I所述的一種基于非色散型CH4氣體分析儀的氣體濃度定量計算方法，其特征在于步驟二中所述的分為多段為等間隔的劃分。
3.如權利要求I所述的一種基于非色散型CH4氣體分析儀的氣體濃度定量計算方法，其特征在于非色散型CH4氣體分析儀采用雙光路設計，通道I為測試通道，其窄帶帶通濾光片的中心波長為3. 35 μ m，半峰寬為170nm;通道2為參比通道，其窄帶帶通濾光片的中心波長為3. 95 μ m,半峰寬為90nm。
全文摘要
本發明屬于氣體濃度測量領域，為了解決目前非色散型CH4氣體分析儀在氣體濃度定量計算方法中CH4氣體的濃度計算中出現的誤差較大的技術問題，本發明提出了一種基于非色散型氣體分析儀的CH4氣體濃度定量計算方法，該方法將整個測試動態范圍分成多個濃度段，每個濃度段具有相近的氣體吸收率k值，得到不同濃度段內的計算濃度c值的經驗方程，然后再以查表法代替按線性插值法，來計算待測氣體濃度，避免了分段吸收率線性插值計算法所固有的計算濃度在分段處會產生波動的問題，同時使計算濃度在整個濃度范圍內高度重合，有效提高了CH4氣體濃度計算精度。
文檔編號G01N21/25GK102621074SQ20121005589
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月6日 優先權日2012年3月6日
發明者易宏, 李永輝, 黃家新 申請人:昆明斯派特光譜科技有限責任公司