[發(fā)明專利]一種高精度氣體濃度檢測方法及檢測裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410731072.3
• 申請日: 2014-12-05
• 公開（公告）號: CN104535530A
• 公開（公告）日: 2015-04-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張可可;鄭學(xué)勇;劉世萱;齊勇;趙強(qiáng);孫金偉;李選群;苗斌
• 申請（專利權(quán)）人: 山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 青島聯(lián)智專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 37101
• 代理人: 邵新華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氣體濃度檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是涉及一種高精度氣體濃度檢測方法及檢測裝置。

背景技術(shù)

光譜氣體分析技術(shù)通過測量氣體透光率來反演分析氣體濃度，因此要準(zhǔn)確測量被測氣體濃度，必須精確測量氣體的透光率。粉塵、視窗污染以及激光器功率衰減變化等因素都會使測量氣體透光率發(fā)生變化，消除透光率的影響需找到一個在透光率發(fā)生變化時，與吸收二次諧波峰峰值同步、同比例變化的影響因子，以吸收諧波峰峰值與該因子相除來消除透光率變化對儀器線性度的影響。如何找到與吸收諧波峰峰值同步、同比例變化的影響因子，成為本發(fā)明的關(guān)鍵。理論上講，有多個因子可以選擇，但是由于器件、電路等因素對所選因子的影響結(jié)果有很大的不確定性。

目前較多采用的檢測方法是通過控制激光器的輸入電流和工作溫度使激光頻率掃描被測氣體的吸收譜線，在頻率掃描范圍內(nèi)，可以測量得到二次諧波信號幅值和直流分量信號，由于氣體的濃度是由透射光強(qiáng)的二次諧波信號與直流分量信號的比值來決定，二者比值為：

式中：k表示光路中的粉塵、視窗污染以及激光器功率衰減變化等對兩路信號的影響系數(shù)；V_DC1和V_DC2分別為二次諧波的兩個谷值所對應(yīng)的直流分量信號。上述公式默認(rèn)為當(dāng)激光傳輸光路中的粉塵、視窗污染以及激光器功率衰減產(chǎn)生光強(qiáng)衰減時，兩信號會等比例下降，也即影響系數(shù)k值相同，無論何種情況下激光傳輸光路中的粉塵、視窗污染以及激光器功率衰減造成的光強(qiáng)衰減，二次諧波信號與直流分量信號的比值保持不變。如果測量出兩個信號，并利用該比值來分析氣體濃度，則粉塵、視窗污染和激光器功率變化等因素對于儀器的測量結(jié)果的影響可以消除。但是，當(dāng)環(huán)境溫度、氣壓發(fā)生變化時，吸收譜線的寬度會發(fā)生變化，吸收信號的二次諧波線型也會相應(yīng)發(fā)生變化，表現(xiàn)為二次諧波的兩個谷值所對應(yīng)的直流分量值變化，也即，，此時利用二次諧波信號與直流分量信號的比值測量氣體的濃度會產(chǎn)生測量偏差，也即，當(dāng)環(huán)境溫度、氣壓發(fā)生變化時，吸收譜線的寬度會發(fā)生變化，對k₁和k₂的影響是不同的，若采用目前的認(rèn)為兩者等比例變化的計算方法的話，計算結(jié)果將會產(chǎn)生較大偏差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有氣體濃度檢測方法受到影響的因素多、檢測結(jié)果不精確的技術(shù)問題，提供了一種提高調(diào)諧激光氣體濃度檢測精度的方法，可以解決上述問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種高精度氣體濃度檢測方法，包括以下步驟：

（1）、運(yùn)放加法器將低頻三角波掃描信號、高頻正弦波調(diào)制信號以及直流信號相加后作用到激光器驅(qū)動電路，作為激光器驅(qū)動電路的電流輸入；

（2）、激光驅(qū)動電路驅(qū)動激光器發(fā)射激光信號，穿過氣室內(nèi)的被測氣體；

（3）、光電檢測器接收經(jīng)過氣室內(nèi)相關(guān)氣體吸收后輸出的激光信號并進(jìn)行光電檢測，轉(zhuǎn)換為電壓信號并輸入至檢測濾波單元；

（4）、檢測濾波單元將轉(zhuǎn)換后的電壓信號進(jìn)行帶通濾波處理后輸出的信號其中一路依次經(jīng)前置放大、鎖相放大、以及低通濾波處理后，得到二次諧波信號，另外一路經(jīng)有效值轉(zhuǎn)換電路得到有效值信號，以及將該有效值信號進(jìn)行低通濾波處理并輸出；

（5）、數(shù)據(jù)處理單元接收二次諧波信號以及有效值信號，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，采樣計算其波峰值V_ppmax、波谷值V_ppmin、以及有效值V_RMS，所述有效值V_RMS為有效值信號在二次諧波信號的波峰采樣時刻處的有效值；

（6）、數(shù)據(jù)處理單元計算待測氣體濃度X，其中，

。

進(jìn)一步的，所述步驟（5）中，查找到兩個波谷值，V_ppmin1和V_ppmin2，所述步驟（6）中，

。

進(jìn)一步的，所述步驟（4）中的鎖相放大步驟中，輸入高頻正弦波調(diào)制信號的二倍頻信號作為參考信號。

進(jìn)一步的，在所述步驟（3）和步驟（4）之間還包括自動增益控制步驟，將轉(zhuǎn)換后的電壓信號的直流值放大至恒定值。