[发明专利]一种用于复合气体组分的快速检测方法

说明书

本发明涉及一种用于复合气体组分的快速检测方法，该方法包括：(a)以脉冲序列的形式，将多个波长的测量光脉冲依次射入测试气体气室；(b)在预定散射角度测量每种波长下的散射光强度，利用光散射法计算悬浮颗粒物颗粒度及相应浓度；(c)计算对于每种波长的参考散射系数，构建同质散射系数方程；(d)使用红外光谱法进行气体组分测量，得到红外光谱测量方程组；(e)将参考散射系数、同质散射系数方程、红外光谱测量方程组联立求解，确定散射项大小，将所确定的散射项代回红外光谱测量方程组，并基于该方程组确定各个气体组份浓度。本发明具有测量精度高，测量过程快速、悬浮颗粒物污染环境适应性强、测量设备依赖度低等优点。

技术领域

本发明涉及光学传感器领域，特别涉及一种快速高精度复合气体组份、浓度及悬浮颗粒的颗粒度、浓度的检测方法。

技术背景

随着社会的发展、科技的进步，人们对于空气质量及安全性的关注度逐年提高。一方面，随着污染的加剧，各种有毒、有害气体，以及颗粒物都使得生活环境中的空气影响到人们的身体健康；另一方面，对于一些特殊生产场景，如矿井、化工厂、建筑场地等，往往充斥着各类有毒气体及粉尘，严重威胁着人们的身体健康，更严重者危及人身安全。因此，对于能够快速、实时、高精度的复合气体组份浓度、颗粒度的检测方法的需求也越来越高。

红外吸收谱检测是一种常用的快速、实时、高精度的检测方法，但是这种方法并不能满足目前实际需求，首先红外吸收谱检测方法无法检测气体中悬浮颗粒物的颗粒度及浓度，对于目前空气悬浮颗粒污染严重的城市，以PM2.5为例，虽然中国城市的PM2.5水平在2018年下降了12％之后，在2019年平均下降了9％。但是，98％的城市依旧超过了世界卫生组织(WHO)的准则值。可见气体中悬浮颗粒物的颗粒度、浓度检测是一项必要检测项。其次，在空气中悬浮物浓度高、或者高粉尘污染的应用场景中，红外吸收谱检测方法的精度将大幅降低。对于后者，目前常采用三种解决方案：第一种，双波长差分法，这种方法使用与测试光波长相近，但被测气体不吸收的另一波长的参考光，认为散射系数相近而认为散射项近似相等，进行差分计算，散射项将直接消去，这种方法的对散射项的近似处理，在红外吸收谱检测方法所采用的长光程测试条件下，带来的测量误差是无法忽略的；第二种，忽略悬浮颗粒物散射对测量精度的影响，即使是在中度空气悬浮物污染的生活环境中，这种解决方案都会使得气体组份浓度检测的精度大大降低，并不能真正解决具体问题；第三种，是在检测气室前设置漉网，这种解决方案虽然能够减少悬浮颗粒物散射对测量精度的影响，但需要定期更换滤网，增加了检测设备运维成本。

目前，针对这些问题的解决方案目前主要有文章“张曦雯,李立京,梁生,张春熹.新型多波长红外同步粉尘、气体浓度传感器[J].红外技术,2009,31(01):35-38.”与专利“US2017/0097301A1”及中所提的，不忽略Lambert-Beer定律

I_out(λ)＝I_in(λ)e^-K(λ)L (1)

衰减系数K(λ)的散射项，将衰减系数还原为吸收项与散射项的求和项。但是这种方法仍存在严重不足。

首先，这种方法将n种波长下n组Lambert-Beer定律的入射光强I_in(λ)与透射光强I_out(λ)联立，解出n个衰减系数。为了使得线性方程组有解，需要满足对于任意波长λ，悬浮颗粒物或气体组份的衰减系数K(λ)仅为吸收项或散射项，另一项为零项。但对于红外光谱吸收法这种为了提高测试精度往往采用很长的测试光路的测试方法，吸收项与散射项是不可能同时为零的。这种这使得模型得到大幅简化的方法，会大大降低计算结果的准确度。同时，这种方法在确定悬浮颗粒物颗粒度与浓度时，通过光吸收法仅对入射光强I_in(λ)与透射光强I_out(λ)的测量而得到悬浮颗粒物颗粒度与对应浓度，则需预先确定不同粒径D悬浮颗粒物的衰减系数K_D(λ)，显然，在实际快速测量中是不可行的。