[发明专利]一种用于激光气体在线分析仪确定气体浓度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及气体浓度确定方法的改进，本方法主要用于激光气体在线分析仪，属于激光气体分析仪信号处理领域。

背景技术

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术是光谱吸收技术的一种，该技术是通过气体分子“选频”吸收特定波长激光的原理来测量气体浓度的一种方法。具体来说，半导体激光器发射出的特定波长的激光束穿过被测气体时，被测气体对激光束进行吸收，导致激光强度产生衰减，激光强度的衰减与被测气体含量成正比。因此，通过测量激光强度衰减信息就可以分析获得被测气体的浓度。可调谐半导体激光吸收光谱技术具有高灵敏度、实时、动态、多组分同时测量等独特优势，因此，在工业生产中将其应用于痕量气体成分的检测，可以为研究大气中污染气体形成的机理和条件，以及研究大气中污染气体对生态环境的危害提供独特的技术手段和新型的研究平台。

基于TDLAS技术设计的激光气体分析仪的理论基础是Beer-Lambert定律，根据Beer-Lambert定律，通过气体吸收前和气体吸收后的光强关系为：

I=I₀exp[-S(T)g(v)PCL]   (1)

式中I为通过气体吸收后的光强，I₀为通过气体吸收前的光强，S(T)表示分子在温度T、波长λ处的吸收线强，g(v)为气体吸收线型，v是频率，P为待测气体压力，C为气体分子浓度，L为总光程。一般情况下，气体在近红外吸收很小，即S(T)g(v)PcL≤0.05条件很容易满足。将(1)式进行傅立叶展开，可以得到二次谐波信号和浓度成正比，即

I_2f∝I₀S(T)g(v)PCL   (2)

式中I_2f表示二次谐波强度，由(2)可见如何处理光强的二次谐波信号是计算待测气体浓度的关键。

当前基于光强信号计算浓度的方法主要有：基于二次谐波最小值的拟合算法，基于二次谐波的最大值的拟合算法；基于一次谐波与二次谐波的比值的拟合算法。然而前者由于只统计了二次谐波的最小值或者最大值，不能够消除系统噪声的影响，容易在浓度计算中引入较大误差。后者分别用了一次谐波与二次谐波的信息，信号采集过程较为繁琐、计算过程较为复杂。通过对已有的浓度计算方法分析，可以发现已有算法并不能很好的消除系统噪声影响与满足运算量简单两方面要求。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种既能够消除系统噪声影响又使运算简单的用于激光气体在线分析仪的确定气体浓度的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于激光气体在线分析仪确定气体浓度的方法，其实现步骤为：

1）通过分析待测气体历史已知某浓度情况下的二次谐波信号，分别求出待测气体该历史已知浓度下的二次谐波信号的最大值与最小值；

2）计算该历史已知浓度下的二次谐波信号最大值与二次谐波信号最小值之间的差值；

3）根据最小二乘拟合的需要，再按步骤1）和2）得到待测气体其它历史浓度已知情况下的二次谐波信号最大值与二次谐波信号最小值之间的差值，将得到的所有差值与对应浓度参数进行最小二乘拟合，拟合出差值信号与该气体浓度信号的关系函数；

4）通过分析待测浓度气体实际二次谐波信号，分别求出待测浓度气体实际二次谐波信号的最大值与最小值；

5）计算待测浓度气体实际二次谐波信号最大值与二次谐波信号最小值之间的差值；

6）根据第3）步拟合出的关系函数与第5）步得到的差值，即可求得待测气体浓度。

所述步骤3）中拟合出差值信号与该气体浓度信号的关系函数，具体实现方式如下：

设已知浓度和该浓度气体的二次谐波最大值与二次谐波最小值差值数据点为共有R+1组数据，其中为不同浓度气体的二次谐波最大值与二次谐波最小值差值，C_j为对应的气体浓度，其中坐标对应关系为用最小二乘法拟合浓度和浓度气体的二次谐波最大值与二次谐波最小值差值数据点所对应的函数曲线，设所求的函数曲线表达式为：

P_n(△I_f2)=a₀+a₁ΔI_f2+a₂△I_f2²+......+a_n△I_f2ⁿ