一种基于差分紫外光谱法的气体测量系统的制作方法

1.本发明涉及光学分析仪器技术领域，具体涉及一种基于差分紫外光谱法的气体测量系统。


背景技术：

2.当前,关于污染气体和有毒气体的测量，主要有三种技术。第一是电化学法，其优点为成本低，缺点为测量准确度低，无法处理多种气体交叉干扰的问题。第二种是红外法，其优点是测量精度高，一次可以测量两种气体，缺点是成本高，且对预处理要求高，需要绝对除湿，否则无法进行测量。随着gb37186-2018《气体分析二氧化硫和氮氧化物的测定紫外差分吸收光谱分析法》的发布和实施，差分紫外光谱法(doas)已成为第三种气体测量技术。其中，电化学法的传感器本身存在化学污染或中毒、易受交叉干扰和寿命短等缺陷，属于逐步被淘汰技术。红外法和差分紫外光谱法都属于光学法，光学法因为涉及机械、光学、电子、软件、算法、数据处理等诸多专业领域，难度较大。
3.关于差分紫外光谱法(doas)，目前虽然与长程开放式光路系统(用于空气质量监测，价格高昂)配合，在固定现场得测试场景中有一定的应用历史。但在与小型封闭性光学气池系统配合的技术方面还比较欠缺。目前，市场上的相关类型的产品，普遍存在测量准确性低、对于标准要求必须检测的污染气体氮氧化物存在检出下限高、温度漂移严重或需要恒温使用以及维护成本高等问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于差分紫外光谱法的气体测量系统，实现测量准确性高，检出下限低，稳定性好，便于维护，并能进行温度漂移补偿的要求。
5.为实现上述目的，本发明实施例提供一种基于差分紫外光谱法的气体测量系统，作为其中一种实施方式，所述基于差分紫外光谱法的气体测量系统包括电源模块、光源模块、气体池模块、光谱仪模块以及系统总控模块；
6.所述电源模块分别与所述光源模块、所述光谱仪模块和所述系统总控模块连接，用于提供电源；所述光源模块与所述气体池模块连接，用于产生紫外光以传入所述气体池模块；
7.所述气体池模块包括气体池和温度传感器，所述气体池模块与所述光谱仪模块连接，以将透过所述气体池内的污染气体后的被测紫外光传入所述光谱仪模块，所述温度传感器与所述系统总控模块连接，用于提供所述气体池的温度信息；
8.所述光谱仪模块包括光强自动调节装置和光电探测器，所述光强自动调节装置用于调节射入所述光电探测器的所述被测紫外光的光强，所述光电探测器与所述系统总控模块连接，以发送被调节光强后的被测紫外光的吸收特征图谱至所述系统总控模块；
9.所述系统总控模块用于根据所述气体池的温度信息补偿所述吸收特征图谱因温度变化产生的吸收度变化，并对所述补偿后的吸收特征图谱进行分析以识别所述污染气体
的种类和浓度。
10.作为其中一种实施方式，所述光源模块包括光源控制子模块和光源，所述系统总控模块包括算法子模块和通信与控制子模块；
11.所述光源控制子模块与所述光源和所述通信与控制子模块连接，用于控制所述光源提供闪烁的紫外光，并将闪烁频率或周期信息同步传送至所述通信与控制子模块；
12.所述通信与控制子模块与所述光谱仪模块连接，用于根据所述闪烁频率或周期信息控制所述光谱仪模块进行检测，并将检测到的吸收特征图谱发送给所述算法子模块，对被测紫外光的吸收特征图谱进行分析，以识别污染气体的种类和浓度。
13.作为其中一种实施方式，所述光谱仪模块还包括动态可调运算放大器，所述动态可调运算放大器用于在所述光电探测器检测到光学强度发生变化时，调节所述光电探测器的输出信号到特定值。
14.作为其中一种实施方式，所述基于差分紫外光谱法的气体测量系统还包括光强调节装置，所述光强调节装置设置于所述光源模块和所述气体池模块之间，用于调节进入所述气体池模块的光源入射强度。
15.作为其中一种实施方式，所述算法子模块每隔预设时间段接收所述通信与控制子模块发送的所述光谱仪模块的运行信息，并根据所述运行信息进行波长修正。
16.作为其中一种实施方式，所述通信与控制子模块获取所述光源控制子模块的运行信息，并发送所述运行信息至所述算法子模块，以使得所述算法子模块实时扣除系统内的系统噪声，并采用动态拟合方式保证测量浓度值不跳动。
17.作为其中一种实施方式，所述算法子模块获取所述光谱仪模块检测的被测紫外光的光学强度，当光学强度衰减到预设阈值以下时，通过所述通信与控制子模块输出相应信息至用户系统。
18.作为其中一种实施方式，所述系统总控模块为微型电脑，所述通信与控制子模块包括多个rs232串口和usb接口，用户系统通过其中一rs232串口获取系统数据信息和发送系统操作指令。
19.作为其中一种实施方式，所述电源模块包括开关电源子模块和过流保护子模块，所述开关电源子模块用于为系统各模块提供直流电源，所述过流保护子模块与所述开关电源子模块连接，用于监测系统的运行电流，并在运行电流过载时自动断开电源。
20.作为其中一种实施方式，所述基于差分紫外光谱法的气体测量系统还包括显示模块，所述显示模块与所述电源模块、所述系统总控模块连接，用于显示系统的所有数据信息。
21.综上所述，本发明提供的基于差分紫外光谱法的气体测量系统，包括电源模块、光源模块、气体池模块、光谱仪模块以及系统总控模块，所述电源模块分别与所述光源模块、所述光谱仪模块和所述系统总控模块连接，用于提供电源，所述光源模块与所述气体池模块连接，用于产生紫外光以传入所述气体池模块，所述气体池模块包括气体池和温度传感器，所述气体池模块与所述光谱仪模块连接，以将透过所述气体池内的污染气体后的被测紫外光传入所述光谱仪模块，其中所述温度传感器与所述系统总控模块连接，用于提供所述气体池的温度信息，所述光谱仪模块包括光强自动调节装置和光电探测器，所述光强自动调节装置用于调节射入所述光电探测器的所述被测紫外光的光强，所述光电探测器与所
述系统总控模块连接，以发送被调节光强后的被测紫外光的吸收特征图谱至所述系统总控模块，所述系统总控模块用于根据所述气体池的温度信息补偿所述吸收特征图谱因温度变化产生的吸收度变化，并对所述补偿后的吸收特征图谱进行分析以识别所述污染气体的种类和浓度。本发明提供的测量系统在进行气体测量时，测量准确性高，检测污染气体的氮氧化物检出下限低，稳定性好，并能进行温度漂移补偿。
附图说明
22.图1为本发明实施例1提供的基于差分紫外光谱法的气体测量系统的原理框图。
23.图2为本发明实施例2提供的基于差分紫外光谱法的气体测量系统的原理框图。
具体实施方式
24.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
25.需要说明的是，为了描述时清楚、简便，下文在描述不同实施例时，不同图中相同的部件使用相同的标记，且附图中的各部件的连接方式请结合附图和相应文字说明进行理解。
26.实施例1
27.本发明实施例1提供一种基于差分紫外光谱法的气体测量系统100，请参考图1，图1为本发明实施例1提供的基于差分紫外光谱法的气体测量系统的原理框图。如图1所示，该基于差分紫外光谱法的气体测量系统包括电源模块10、光源模块20、气体池模块30、光谱仪模块40以及系统总控模块50。电源模块10分别与光源模块20、光谱仪模块40和系统总控模块50连接，用于提供电源。光源模块20与气体池模块30连接，用于产生紫外光以传入气体池模块30。气体池模块30包括气体池31和温度传感器32，其中，气体池模块30与光谱仪模块40连接，以将透过气体池31内的污染气体后的被测紫外光传入光谱仪模块40，温度传感器32与系统总控模块50连接，用于提供气体池31的温度信息。光谱仪模块40包括光强自动调节装置41和光电探测器42，光强自动调节装置41用于调节射入光电探测器42的被测紫外光的光强，光电探测器42与系统总控模块50连接，以发送被调节光强后的被测紫外光的吸收特征图谱至系统总控模块50。系统总控模块50用于根据气体池31的温度信息补偿吸收特征图谱因温度变化产生的吸收度变化，并对补偿后的吸收特征图谱进行分析以识别污染气体的种类和浓度。
28.具体地，当污染气体输入气体池31之后，被测紫外光经光源模块20发出，然后通过光纤传入气体池31，被测紫外光线在气体池31内被污染气体吸收而产生衰减，再经光纤进入光谱仪模块40，光谱仪模块40用于探测光线吸收强度，并将该数据通过数据线传入系统总控模块50，系统总控模块50通过分析被测紫外光的吸收特征图谱识别出污染气体的种类和对应的浓度。需要说明的是，当干净参考气体(比如纯氮气或氧气)从气体池31进气口进入，出气口排出时，不会产生光强衰减，而当污染气体以同样的方式进入气体池31，则产生
对应特征波长的吸收，从而表现为特定光强的衰减。
29.在本实施例中，气体池模块30内的温度传感器32用于提供气体池31内的温度信息给系统总控模块50，系统总控模块50根据该温度信息补偿吸收特征图谱因温度变化产生的吸收度变化。在本实施例中，气体池31在温度-10摄氏度到50摄氏度之间光学强度变化不超过20％，所以，可省去气体池31或者整机系统的恒温加热器。当然，也可以根据气体池31的特性相应的增设恒温加热器，以进一步的保证系统检测的稳定性。
30.在本实施例中，光谱仪模块40内的光强自动调节装置41可自动调节射入光电探测器42的被测紫外光的光强，提高光谱仪模块40的精确度。例如在一实施方式中，光电探测器42在20％饱和光强到80％饱和光强之间时，灵敏度最佳，信噪比最好，所以最终光谱仪模块40的精确度最佳。
31.因此，本实施例提供的基于差分紫外光谱法的测量系统，在进行气体测量时，测量准确性高，检测污染气体的氮氧化物检出下限低，稳定性好，并能进行温度漂移补偿。
32.实施例2
33.请参考图2，图2为本发明实施例2提供的基于差分紫外光谱法的气体测量系统的原理框图。如图2所示，该基于差分紫外光谱法的气体测量系统100包括电源模块10、光源模块20、气体池模块30、光谱仪模块40以及系统总控模块50。电源模块10分别与光源模块20、光谱仪模块40和系统总控模块50连接，用于提供电源。光源模块20与气体池模块30连接，用于产生紫外光以传入气体池模块30。气体池模块30包括气体池31和温度传感器32，其中，气体池模块30与光谱仪模块40连接，以将透过气体池31内的污染气体后的被测紫外光传入光谱仪模块40，温度传感器32与系统总控模块50连接，用于提供气体池31的温度信息。光谱仪模块40包括光强自动调节装置41和光电探测器42，光强自动调节装置41用于调节射入光电探测器42的被测紫外光的光强，光电探测器42与系统总控模块50连接，以发送被调节光强后的被测紫外光的吸收特征图谱至系统总控模块50。系统总控模块50用于根据气体池31的温度信息补偿吸收特征图谱因温度变化产生的吸收度变化，并对补偿后的吸收特征图谱进行分析以识别污染气体的种类和浓度。
34.其中，光电探测器可以是ccd线阵光电探测器或cmos线阵光电探测器。
35.在本实施例中，光源模块20包括光源控制子模块21和光源22，系统总控模块50包括算法子模块51和通信与控制子模块52。光源控制子模块21与光源22和通信与控制子模块52连接，用于控制光源22提供闪烁的紫外光，并将闪烁频率或周期信息同步传送至通信与控制子模块52。通信与控制子模块52与光谱仪模块40连接，用于根据闪烁频率或周期信息控制光谱仪模块40进行检测，并将检测到的吸收特征图谱发送给算法子模块51，对被测紫外光的吸收特征图谱进行分析，以识别污染气体的种类和浓度。
36.具体地，本实施例中，光源22可以是氙灯，因为氙灯的光波长范围覆盖从紫外到近红外，约190nm-2500nm之间，当然也可以是氘灯等其他光源。光源控制子模块21控制氙灯为系统提供闪烁的紫外光，并将闪烁频率或周期信息(例如20ms)同步传送至通信与控制子模块52，光谱仪模块40根据闪烁频率或周期信息进行检测，实现光谱仪模块40采集闪烁光强的绝对光强，即光源22打开时采集一次，光源22关闭时采集一次，将打开时采集的强度减去关闭时采集的强度，得到绝对光强，进而可实现实时扣除系统固定背影噪声。
37.在本实施例中，光谱仪模块40还包括动态可调运算放大器43，动态可调运算放大
器43用于在光电探测器42检测到光学强度发生变化时，调节光电探测器的输出信号到特定值，进而在避免信号饱和的前提下，减少外界电磁干扰所造成的信号波动，即光电探测器42的输出信号经过增益可变的放大器放大一定倍数到特定值后，输出给模数转换器(光谱仪内部的必要部件)，以便充分利用模数转换器的分辨率。其中，放大的倍数依据入射到光电探测器的光强值进行动态调整。
38.在本实施例中，该系统还包括光强调节装置(图中均未示出)，光强调节装置设置于光源模块20和气体池模块30之间，用于调节进入气体池模块30的光源入射强度。
39.具体地，光源模块20和光学气池模块之间设置光强调节装置，可以在光学气体池31出现轻微脏污时，通过该光强调节装置增强光源入射强度，进而增大光学气池维护周期，当然，气体池31还可以设置清洗窗口，在气体池31内光学部件脏污后，可打开清洁，方便维护。
40.在本实施例中，算法子模块51每隔预设时间段接收所述通信与控制子模块52发送的所述光谱仪模块40的运行信息，并根据所述运行信息进行波长修正。
41.具体地，光谱仪模块40因为机械老化等物理原因可能会造波长漂移，本实施例中，通过使光谱仪模块40提供光谱仪模块40运行信息给系统总控模块50的算法子模块51，算法子模块51每隔预设时间，例如半年，进行一次波长修正，实现光谱像素漂移补偿，保证系统长期运行稳定，而不需要对光谱仪模块40频繁进行波长标定。
42.在本实施例中，通信与控制子模块52获取光源控制子模块21的运行信息，并发送该运行信息至算法子模块51，以使得算法子模块51实时扣除系统内的系统噪声，并采用动态拟合方式保证测量浓度值不跳动。
43.在本实施例中，系统总控模块50为微型电脑，通信与控制子模块52包括多个rs232串口和usb接口，用户系统通过其中一rs232串口获取系统数据信息和发送系统操作指令。
44.具体地，系统总控模块50可以是工控机、树莓派或带嵌入式操作系统的机器，系统可使用wince、linux等。系统总控模块50内的通信和控制子模块包括两个标准工业串口rs232和usb接口，其中，一个rs232串口(com1)用于连接光谱仪模块40，系统总控模块50通过该rs232串口(com1)采集闪烁光强的绝对光强，经过多次平均、平滑处理之后，由算法子模块51进行计算分析，一次性分析出所含氨气、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、硫化氢、一三丁二烯等一种或多种气体浓度值，该浓度值单位可为ppm或mg/m3。另一个rs232串口(com2)用于连接用户系统，用户系统通过其该rs232串口(com2)获取系统数据信息和发送系统操作指令，例如，用户系统通过该串口(com2)获得检测的气体浓度值；通过该串口(com2)选择测量目标气体的种类，选择范围可以是二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、氨气、二硫化碳、一三丁二烯、硫化氢的一种或多种；通过该串口(com2)输入四组以上线性校正数据，由算法子模块51生产校正曲线和线性校正后的浓度值；通过该串口(com2)进行浓度标定，浓度标定包含纯净气体数据采集或已知特定浓度值的污染气体数据采集等。usb接口可以用于控制其它设备或系统维护。因此，通过标准工业接口rs232接入用户系统，简单易用，同时指令提供足够的灵活性，易于用户二次开发。
45.在本实施例中，算法子模块51获取光谱仪模块40检测的被测紫外光的光学强度，当光学强度衰减到预设阈值以下时，通过通信与控制子模块52输出相应信息至用户系统。
46.具体地，系统总控模块50内的算法子模块51监控系统光学性能强度，当光学强度
因气池脏污或其它异常，导致光学强度衰减到特定值以下时，通过系统总控模块50内的通信与控制子模块52输出相应信息至用户系统，以提示用户需要进行系统维护。
47.在本实施例中，电源模块10包括开关电源子模块11和过流保护子模块12，开关电源子模块11用于为系统各模块提供直流电源，过流保护子模块12与开关电源子模块11连接，用于监测系统的运行电流，并在运行电流过载时自动断开电源。
48.具体地，电源模块10内的开关电源子模块11负责为系统提供电源，例如，在一实施方式中，电源模块10输入电压可为100-240v，其将用户单相交流电变为直流电源12v为系统内其他模块提供电源。过流保护子模块12实时监测系统运行电流，当电流过载时自动断开电源，电流恢复正常时再自动投送电源，例如可将过流保护子模块12的设定电流为3a，系统运行电流超过3a则自动断开电源。
49.在本实施例中，还包括显示模块60，显示模块60与电源模块10、系统总控模块50连接，用于显示系统的所有数据信息。
50.具体地，显示模块60可以是电脑显示器、lcd显示屏、oled显示屏，显示系统实时采集到的浓度值、浓度曲线等数据信息，并可选择性显示绝对光强值图谱，该绝对光强值图谱可用于快速诊断系统光学故障和出厂之前的光学调试，并且显示模块60上显示的所有数据均可发送至用户整机。
51.值得一提的是，本实施例中所有模块均可以断电自动关机、通电自动开机，不需要人为操作开机或关机，不过，所有模块内仍然设置有开机/关机按钮作为备用。
52.因此，本实施例提供的基于差分紫外光谱法的气体测量系统，包括电源模块、光源模块、气体池模块、光谱仪模块以及系统总控模块，电源模块分别与光源模块、光谱仪模块和系统总控模块连接，用于提供电源，光源模块与气体池模块连接，用于产生紫外光以传入气体池模块，气体池模块包括气体池和温度传感器，气体池模块与光谱仪模块连接，以将透过气体池内的污染气体后的被测紫外光传入光谱仪模块，其中温度传感器与系统总控模块连接，用于提供气体池的温度信息，光谱仪模块包括光强自动调节装置和光电探测器，光强自动调节装置用于调节射入光电探测器的被测紫外光的光强，光电探测器与系统总控模块连接，以发送被调节光强后的被测紫外光的吸收特征图谱至系统总控模块，系统总控模块用于根据气体池的温度信息补偿吸收特征图谱因温度变化产生的吸收度变化，并对补偿后的吸收特征图谱进行分析以识别污染气体的种类和浓度。本实施例提供的测量系统在进行气体测量时，测量准确性高，检测污染气体的氮氧化物检出下限低，稳定性好，并能进行温度漂移补偿。
53.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。