[发明专利]用于在线监测气体中总有机碳含量的装置及方法

权利要求书

1.用于在线监测气体中总有机碳含量的装置，其特征在于，包括：

采样模块，用于采集样气；

气体预处理模块，用于对样气进行伴热和过滤处理；

燃烧氧化模块，用于将样气中的含碳有机物高温氧化为CO₂；

光谱分析模块，用于通过光谱吸收的方式，测量氧化后样气中的CO₂含量以得到总碳含量，还用于测量未经过高温氧化的样气中无机碳的含量；其中，所述无机碳的含量为CO和CO₂的浓度含量；

当CO、CO₂进入光谱分析模块中，提取出二次谐波信号，根据二次谐波信号峰高值计算浓度：

二次谐波信号经过点对点算数平均，每个采样点经过n次算数平均后为：

其中，i为1-300，代表采样点数，n为算数平均次数，算数平均n次，需要采集n个二次谐波；

在全采样点范围寻峰找到经过增益放大N倍的二次谐波信号最高值H和两个最低值L₁、L₂，计算归一化的峰峰值，具体公式如下：

峰峰值：V_pp＝H-(L₁+L₂)/2

归一化峰峰值：

计算样气浓度

其中，V_pp为二次谐波信号峰峰值，N为增益倍数，b₀为零点系数，在零点校准时获得；K为标定系数，在标定时获得；P为压力，L为测量光程，S(T)为样气的谱线强度，与温度T有关，g(T,P,X)为线型函数，与温度、压力和成分组成有关；

其中，S(T)公式如下：

其中，Q(T)是分子内部分割函数，E是分子跃迁基层能量，h是普朗克常数，k是波尔兹曼常数，c是光速，S(T₀)是参考温度T₀下的谱线强度；

式中Q通过多项式拟合得到近似值：

Q(T_i)＝a+bT_i+cT_i²+dT_i³

其中，系数a、b、c、d根据不同的气体和温度范围有不同的取值；

通入零点标气，通过归一化零点峰峰值计算零点系数，调零公式如下：

在标定状态下的温度、压力、光程和标气浓度下，通过获得归一化标气峰峰值计算标定系数K，标定公式如下：

其中，X_calib为标气浓度；

在零点校准和量程校准获得b₀和K后，在样气浓度测量时，在设定的温度、压力、光程和工况下，根据测量的二次谐波信号V_pp值，计算得到样气浓度含量；

数据处理模块，用于通过获得的总碳含量和无机碳的含量计算得到总有机碳含量；其中，利用差减法计算获得总有机碳含量，测量测得的CO、CO₂与TOC的换算关系如下：

其中，X_TOC为样气中TOC含量，为标气TOC浓度含量，X_C为样气中CO、CO₂含量，为标气中CO、CO2含量，b₀为零点系数。

2.根据权利要求1所述的用于在线监测气体中总有机碳含量的装置，其特征在于，还包括：

管路切换模块，用于控制样气进入燃烧氧化模块或直接进入光谱分析模块。

3.根据权利要求1所述的用于在线监测气体中总有机碳含量的装置，其特征在于，所述气体预处理模块包括高温伴热管和过滤器；所述高温伴热管与过滤器连接。

4.根据权利要求1所述的用于在线监测气体中总有机碳含量的装置，其特征在于，所述燃烧氧化模块采用燃烧氧化炉。

5.用于在线监测气体中总有机碳含量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，采集样气，并对样气进行伴热和过滤处理，获得干净样气；

S2，对干净样气进行燃烧氧化处理，使样气中的含碳有机物高温氧化为CO₂；

S3，对燃烧氧化后的样气，通过光谱吸收的方式，测量燃烧氧化后样气中的CO₂含量，并得到总碳含量；

S4，测量未经过燃烧氧化的干净样气中无机碳的含量；其中，所述无机碳的含量为CO和CO₂的浓度含量；

S5，根据获得的总碳含量和无机碳的含量，计算获得总有机碳含量；

其中，步骤S4包括如下步骤：

S41，当CO、CO₂进入光谱分析模块中，提取出二次谐波信号，根据二次谐波信号峰高值计算浓度：

二次谐波信号经过点对点算数平均，每个采样点经过n次算数平均后为：

其中，i为1-300，代表采样点数，n为算数平均次数，算数平均n次，需要采集n个二次谐波；

S42，在全采样点范围寻峰找到经过增益放大N倍的二次谐波信号最高值H和两个最低值L₁、L₂，计算归一化的峰峰值，具体公式如下：

峰峰值：V_pp＝H-(L₁+L₂)/2

归一化峰峰值：

S43，计算样气浓度

其中，V_pp为二次谐波信号峰峰值，N为增益倍数，b₀为零点系数，在零点校准时获得；K为标定系数，在标定时获得；P为压力，L为测量光程，S(T)为样气的谱线强度，与温度T有关，g(T,P,X)为线型函数，与温度、压力和成分组成有关；

其中，S(T)公式如下：

其中，Q(T)是分子内部分割函数，E是分子跃迁基层能量，h是普朗克常数，k是波尔兹曼常数，c是光速，S(T₀)是参考温度T₀下的谱线强度；

式中Q通过多项式拟合得到近似值：

Q(T_i)＝a+bT_i+cT_i²+dT_i³

其中，系数a、b、c、d根据不同的气体和温度范围有不同的取值；

S44，通入零点标气，通过归一化零点峰峰值计算零点系数，调零公式如下：

在标定状态下的温度、压力、光程和标气浓度下，通过获得归一化标气峰峰值计算标定系数K，标定公式如下：

其中，X_calib为标气浓度；

S45，在零点校准和量程校准获得b₀和K后，在样气浓度测量时，在设定的温度、压力、光程和工况下，根据测量的二次谐波信号V_pp值，计算得到样气浓度含量；

步骤S5包括如下步骤：

S51，利用差减法计算获得总有机碳含量，测量测得的CO、CO₂与TOC的换算关系如下：

其中，X_TOC为样气中TOC含量，为标气TOC浓度含量，X_C为样气中CO、CO₂含量，为标气中CO、CO2含量，b₀为零点系数。