一种离散红外频谱温室气体流量光学计量方法及装置

1.本发明属于温室气体流量计量领域，更具体地，涉及一种离散红外频谱温室气体流量光学计量方法及装置。


背景技术：

2.在全球展开减碳、低碳的洪流下，作为低碳技术体系中重要一环的碳流量精确计量技术却相对薄弱。工厂排放、化工配比、能源供应和碳交易等低碳行动的关键环节均需要精确的碳流量计量技术作为支撑。碳流量的精确计量涉及气体流速、目标温室气体浓度、排放口横截面积等关键参数。对于特定监测应用，排放口横截面积为固定值，容易测量，关键难点在于流速与浓度测量。
3.当前对于碳排放的精确计量绝大多数已知方法均为流速测量，即假设气体浓度是定值。这对于成分及排放稳定的应用是可行的，例如化工原料传输。但对于碳排放而言，气体浓度会经常变化，忽略此浓度变化得出来的气体流量误差较大。另外，对于开放环境温室气体监测等应用而言，浓度测量比流速测量更加重要。
4.在已有的火力发电厂碳排放监测等应用中，有利用烟气分析仪进行气体浓度测量的实践。流速测量由额外的超声风速仪、皮托管压差测量法等实现。此类方法用两套装置分别测量流速和目标物质的浓度。烟气分析仪、奥氏气体分析仪、电导分析仪、电位电极分析仪、热导分析仪、红外气体分析仪、气相色谱分析仪等实验室设备难以用于室外在线监测应用。另一方面，如皮托管、文丘里流量计、涡动流量计等机械装置流速测量方法灵敏度较低，需要压强或流速达到一定强度才能产生有效测量值。也有基于超声、电磁、热效应的流速测量方法。
5.即在各类流速和浓度的测量方法中，都存在精度和可靠性不高，并且均需要两套装置分别测量流速和目标物质的浓度，设备体积、成本等多方面存在限制，缺乏能够实现温室气体精确在线监测以及一体化的方法与设备。


技术实现要素：

6.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种离散红外频谱温室气体流量光学计量方法及装置，其目的在于实现温室气体流量、浓度的一体化测量。
7.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种离散红外频谱温室气体流量光学计量方法，包括如下步骤：
8.窄带红外光产生步骤：产生宽带红外光，并将其形成为不同中心频率的n 2路窄带红外光，n≥1；其中，n路窄带红外光的波长分别与待测气体的n种成分的吸收波长一致，1路窄带红外光的波长为待测气体的n种成分均不吸收的波长；另1路窄带红外光的波长与所述n路窄带红外光的波长不同；
9.浓度测量步骤：分别测量所述n路窄带红外光穿过待测气体之前和之后的信号能量强度变化，依据信号能量强度变化计算待测气体对所述n路窄带红外光能量的吸收系数，
记为s1，s2，
……
，sn；对产生的1路窄带红外光作同样的处理，得到待测气体对这1路窄带红外光的吸收系数，记为基准吸收系数s；将所述吸收系数s1，s2，
……
，sn和基准吸收系数s代入吸收系数与待测气体各成分浓度之间的关系式，求解得到待测气体各成分的浓度；
10.流速测量步骤：将产生的另1路窄带红外光分成两束窄带同频光束，引导两束窄带同频光束在待测气体管道内形成两个干涉焦点，测量待测气体携带的微粒经过所述两个干涉焦点发生散射的时间间隔，所述两个干涉焦点的间距除以所述时间间隔，得到待测气体的流速。
11.进一步地，所述流速测量步骤具体包括如下子步骤：
12.步骤s1、将该路窄带红外光分为两路，引导两路光束入射至管道内干涉，形成两个干涉焦点；
13.步骤s2、流经管道内的待测气体携带的微粒经过所述两个干涉焦点时发生散射，散射光束经过汇聚后，将其转换为两路脉冲电信号；
14.步骤s3、检测两路脉冲电信号的脉冲时间差，所述时间差为同一微粒经过两个干涉焦点时的时间差，以所述两个干涉焦点间的距离除以所述时间差，得到待测气体流速。
15.进一步地，所述浓度测量步骤具体包括如下子步骤：
16.步骤s1、将n路窄带红外光中的每路汇聚后以设定的分光比分为两路：将第一路穿过待测气体后转变为电信号，测量该电信号的能量强度a1；将第二路直接转变为电信号，测量该路电信号的能量强度d，根据该能量强度d及所述分光比计算第一路经过待测气体吸收前的电信号的能量强度a2，则待测气体对第一路窄带红外光能量的吸收系数为1-a1/a2；按照上述方式获得待测气体对所述n路窄带红外光能量的吸收系数，记为s1，s2，
……
，sn；
17.步骤s2、对产生的1路窄带红外光作同样的处理，得到待测气体对这1路窄带红外光的吸收系数，记为基准吸收系数s；
18.步骤s3、将所述吸收系数s1，s2，
……
，sn和基准吸收系数s代入吸收系数与待测气体各成分浓度之间的关系式，求解得到待测气体各成分的浓度；所述关系式为：
[0019][0020]
其中，c1，c2，
……
，cn表示待测气体各成分的浓度，k
mn
表示待测气体的第m种成分在第n个波长处的固有吸收系数，1≤m≤n，1≤n≤n。
[0021]
进一步地，所述n路窄带红外光的波长分别与待测气体的n种成分的最大吸收尖峰处的波长一致；
[0022]
或选取的n路窄带红外光的波长使k
mn
满足：
[0023][0024]
按照本发明的另一个方面，提供了一种离散红外频谱温室气体流量光学计量装置，包括：窄带红外光产生模块、流速测量模块及浓度测量模块；
[0025]
所述窄带红外光模块用于产生宽带红外光，并将其形成为不同中心频率的n 2路
窄带红外光，n≥1；其中，n路窄带红外光的波长分别与待测气体的n种成分的吸收波长一致，1路窄带红外光的波长为待测气体的n种成分均不吸收的波长；另1路窄带红外光的波长与所述n路窄带红外光的波长不同；
[0026]
所述浓度测量模块用于分别测量所述n路窄带红外光穿过待测气体之前和之后的信号能量强度变化，依据信号能量强度变化计算待测气体对所述n路窄带红外光能量的吸收系数，记为s1，s2，
……
，sn；对产生的1路窄带红外光作同样的处理，得到待测气体对这1路窄带红外光的吸收系数，记该吸收系数为基准吸收系数s；将所述吸收系数s1，s2，
……
，sn和基准吸收系数s代入吸收系数与待测气体各成分浓度之间的关系式，求解得到待测气体各成分的浓度；
[0027]
所述流速测量模块用于将产生的另1路窄带红外光分成两束窄带同频光束，引导两束窄带同频光束在待测气体管道内形成两个干涉焦点，测量待测气体携带的微粒经过所述两个干涉焦点发生散射的时间间隔，所述两个干涉焦点的间距除以所述时间间隔，得到测量待测气体的流速。
[0028]
进一步地，所述窄带红外光模块包括：宽带红外光源、具有开孔的遮光片以及设置在所述遮光片开孔处或者紧贴其开孔处的第一窄带滤光片及n 1个窄带滤光片；其中，n个窄带滤光片的中心波长分别与待测气体的n种成分的吸收波长一致且均与第一窄带滤光片的中心波长不同，1个窄带滤光片的中心波长为待测气体的n种成分均不吸收的波长。
[0029]
进一步地，所述流速测量模块包括：发射端和接收端，所述发射端和接收端分别位于待测气体管道两侧并相对于管道横截面成中心对称；
[0030]
所述发射端内设有干涉发生单元，所述干涉发生单元将经过所述第一窄带滤光片产生的窄带红外光分为两路，两路光束入射至管道内干涉形成两个干涉焦点；流经管道内的待测气体携带的微粒经过两个干涉焦点时发生散射，散射光束入射至接收端；
[0031]
所述接收端包括聚焦透镜、设置在所述聚焦透镜焦平面上的两个光电传感器和流速计算单元；所述聚焦透镜用于将所述散射光束经过所述聚焦透镜汇聚；所述两个光电传感器用于将汇聚后的散射光束分别转换为脉冲电信号；所述流速计算单元用于检测两路脉冲电信号的时间差，以所述两个干涉焦点间的距离除以所述时间差，得到待测气体的流速。
[0032]
进一步地，所述干涉发生单元沿光路传输方向依次包括：第一凸透镜、第一凹透镜、半反半透镜、第二凸透镜、全反镜、第三凸透镜、第二凸透镜及第四凸透镜；
[0033]
所述窄带红外光通过所述第一凸透镜和第一凹透镜汇聚成线状光后经过所述半反半透镜将该线状光分成两束：一束光入射至所述第二凸透镜，另一束光经过所述全反镜反射后入射至所述第三凸透镜；经过所述第二凸透镜和第三凸透镜的汇聚以及发散后，两束光分别经过所述第四凸透镜折射后入射至管道内发射干涉；其中，所述第四凸透镜分别与所述第三凸透镜和第二凸透镜之间的距离等于它们的焦距之和。
[0034]
进一步地，所述浓度测量模块沿光路方向依次包括：第五凸透镜、第二凹透镜、分光镜片、第二光电转换器、第六凸透镜、第一光电转换器及浓度计算单元；
[0035]
经过每个窄带滤光片后产生的窄带红外光通过所述第五凸透镜及第二凹透镜汇聚成线状光束后，经过所述分光镜片将所述线状光束以设定的分光比分为两路：第一路穿过待测气体后进入与之对应的第六凸透镜汇聚，汇聚后的光入射至对应的第一光电转换器转换为电信号，并输入至浓度计算单元，测量该路经过待测气体吸收后的电信号的能量强
度a1；第二路经过所述第二光电转换器转换为电信号，并输入所述浓度计算单元测量该路电信号的能量强度d，根据该能量强度d及所述分光比计算第一路经过待测气体吸收前的电信号的能量强度a2，则待测气体对第一路窄带红外光能量的吸收系数为1-a1/a2；按照上述方式获得待测气体对所述n路窄带红外光能量的吸收系数，记为s1，s2，
……
，sn以及待测气体对1路窄带红外光的吸收系数，记为基准吸收系数s；将所述吸收系数s1，s2，
……
，sn和基准吸收系数s代入吸收系数与待测气体各成分浓度之间的关系式，求解得到待测气体各成分的浓度；所述关系式为：
[0036][0037]
其中，c1，c2，
……
，cn表示待测气体各成分的浓度，k
mn
表示待测气体的第m种成分在第n个波长处的固有吸收系数，1≤m≤n，1≤n≤n。
[0038]
进一步地，所述第一窄带滤光片的中心波长为待测气体的n种成分均不吸收的波长；
[0039]
所述n个窄带滤光片的中心波长分别与待测气体的n种成分的最大吸收尖峰处的波长一致；
[0040]
或n个窄带滤光片选取的中心波长使k
mn
满足：
[0041][0042]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0043]
(1)由于温室气体在红外光范围内均具有较为明显的吸收带，本发明在此光谱带内，通过产生不同中心频率的窄带红外光进行浓度与流速测量，并且由于流速测量和浓度测量采用的是不同中心频率的窄带红外光，使流速测量和浓度测量能够在不同的空间范围同时进行，两种测量不会相互影响，实现了流速和浓度的一体化测量；同时，远离可见光的范围使得本方法具有优良的抗干扰能力。
[0044]
(2)进一步地，本发明通过产生两束窄带红外同频光束在待测气体管道内形成两个干涉焦点，待测气体携带的微粒依次经过该干涉焦点后发生散射，两次散射光转换为电信号后会呈现两个强相关的脉冲，测量此脉冲的时间间隔即为微粒经过两焦点的行程延时，简单地用两个焦点间距除以行程时延即可得到精确的流速，本发明通过测量待测气体携带的微粒的流速间接测量了待测气体的流速，是一种非接触、无侵入的测量方法，不会对流体产生干扰，且在红外光范围内进行测量，远离可见光的范围，抗干扰能力强，测量的结果精度和可靠性更高。同时，流速的测量与温度、压强等环境条件无关，适用于室外在线监测应用。
[0045]
(3)进一步地，由于温室气体在红外光范围内均具有较为明显的吸收带，在此光谱带内提取不同中心频率的窄带红外光，通过测量不同窄带光的吸收强度，计算待测气体对不同中心频率的窄带红外光的吸收系数，对其进行简单的线性运算即可求得各成分的浓度，也是一种非接触、无侵入的测量方法，不会对流体产生干扰，且在红外光范围内进行测
量，远离可见光的范围，抗干扰能力强，测量的结果精度和可靠性更高。同时，浓度的测量与温度、压强等环境条件无关，适用于室外在线监测应用。
[0046]
(4)本发明的测量装置，设计的干涉发生单元满足第二凸透镜、第三凸透镜入射至第四凸透镜后出射的光束平行于主光轴，即远心光学系统，可以避免因视差而引起的测量误差，使得两个干涉焦点间的距离计算更准确，进而使得流速的测量精度更高。
[0047]
(5)本发明通过宽带红外光源、遮光片以及不同中心频率的窄带滤光片的组合产生不同的窄带红外光，而不是直接采用激光源产生窄带红外光，可以降低成本，因为在本发明所用的红外光范围内(1到20微米)，各窄带滤光片已有商用产品，而任意频率的中红外激光光源却未见公开报道；并且本发明的这种窄带滤光方法也易于扩展到其它不同成分气体监测应用中。
[0048]
(6)作为优选，n个窄带滤光片的中心波长选自待测气体的n种成分的最大吸收尖峰处的频点，虽然吸收光谱会随着温度和压强变换，但在常规温度和压强范围内各温室气体的吸收尖峰位置几乎不变，使得本发明提供的方法可尽量避免温度和压强变化带来的浓度测量误差。作为优选，当n个窄带滤光片的中心波长均只对待测气体中特定的成分有吸收，而对该特定的成分之外的其它成分均没有吸收时，可以简化测量之后的计算结果。
[0049]
总而言之，本发明能够提升温室气体流量测量的精度、浓度测量的精度以及实现流量、浓度测量的一体化。同时，本发明的装置避免了传统的机械装置带来的磨损，安装完成后便无需后续校准，具有测量精度高、设备体积小、成本低等优势。
附图说明
[0050]
图1为本发明的流速与浓度测量装置总体结构图。
[0051]
图2为常见的温室气体的红外吸收频谱。
[0052]
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
[0053]
1、2为壳体，3-气体通道，4、5为光学窗口，6-宽带红外光源，7-遮光片，8-第一窄带滤光，9-窄带滤光片，10-第一凸透镜，11-第一凹透镜，12-半反半透镜，13-全反镜，14-第三凸透镜，15-第二凸透镜，16-第四凸透镜，17、18为干涉焦点，19、20为未经散射的光束，21、22为散射光束，23-红外滤光片，24-聚焦透镜，25、26为光电传感器，27-信号处理单元，28-第五凸透镜，29-第二凹透镜，30-分光镜片，31-第二光电转换器，32-第六凸透镜，33-第一光电转换器，34-遮光板。
具体实施方式
[0054]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0055]
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
[0056]
本发明提供了一种离散红外频谱温室气体流量光学计量方法及装置，可以实现目标气体中包括诸如h2o、co2、ch4、n2o和o3等一种或多种温室气体成分的流速与浓度测量。
[0057]
如图1所示，本发明提供的离散红外频谱温室气体流量光学计量装置，包括：
[0058]
窄带红外光产生模块、流速测量模块及浓度测量模块；
[0059]
窄带红外光模块用于产生宽带红外光，并将其形成为不同中心频率的n 2路窄带红外光，n≥1；其中，n路窄带红外光的波长分别与待测气体的n种成分的吸收波长一致，1路窄带红外光的波长为待测气体的n种成分均不吸收的波长；另1路窄带红外光的波长与n路窄带红外光的波长不同；
[0060]
浓度测量模块用于分别测量n路窄带红外光穿过待测气体之前和之后的信号能量强度变化，依据信号能量强度变化计算待测气体对n路窄带红外光能量的吸收系数，记为s1，s2，
……
，sn；对产生的1路窄带红外光作同样的处理，得到待测气体对这1路窄带红外光的吸收系数，记该吸收系数为基准吸收系数s；将吸收系数s1，s2，
……
，sn和基准吸收系数s代入吸收系数与待测气体各成分浓度之间的关系式，求解得到待测气体各成分的浓度；
[0061]
流速测量模块用于将产生的另1路窄带红外光分成两束窄带同频光束，引导两束窄带同频光束在待测气体管道内形成两个干涉焦点，测量待测气体携带的微粒经过两个干涉焦点发生散射的时间间隔，两个干涉焦点的间距除以时间间隔，得到测量待测气体的流速。
[0062]
具体的，窄带红外光模块包括：宽带红外光源6、具有开孔的遮光片7以及设置在遮光片7开孔处或者紧贴其开孔处的第一窄带滤光片8及n 1个窄带滤光片9，n≥1；其中，n个窄带滤光片的中心波长分别与待测气体的n种成分的吸收波长一致且均与第一窄带滤光片8的中心波长不同，1个窄带滤光片的中心波长为待测气体的n种成分均不吸收的波长；
[0063]
具体的，流速测量模块包括：发射端和接收端，发射端和接收端分别位于待测气体管道两侧并相对于管道横截面成中心对称；其中，发射端和接收端分别位于不透光壳体1和壳体2内，用于避免外部光干扰。在其它实施例中，壳体1、2可为同一壳体，但发射端光源需与接收端完全隔开。
[0064]
在发射端和接收端分别与管道相交的光路区域处设置有透光性良好的光学窗口4及5，用于使通过发射端的光线能够较好的通过管道，减小光线的损耗。同时，该光学窗口还需能够防止气体泄漏。最为优选，光学窗口内壁与管道内壁平面尽量平整，避免对管道内流体造成干扰，也可最大程度避免污染物沉积。
[0065]
发射端内设有干涉发生单元，干涉发生单元将经过第一窄带滤光片8产生的窄带红外光分为两路，两路光束经过光学窗口4入射至管道内，并在管道内发射干涉形成两个干涉焦点17、18；管道内的待测气体携带的微粒经过两个干涉焦点17、18时发生散射，散射光束21、22和未经散射的光束19、20经过光学窗口5入射至接收端；
[0066]
接收端包括聚焦透镜24、设置在聚焦透镜24焦平面上的两个光电传感器25、26和流速计算单元；聚焦透镜24用于将散射光束经过聚焦透镜24汇聚；两个光电传感器25、26用于将汇聚后的散射光束分别转换为脉冲电信号；流速计算单元用于检测两路脉冲电信号的时间差t，得到同一微粒经过两个干涉焦点时的时间差，以两个干涉焦点17、18间的距离除以此时间差t，得到待测气体的流速。
[0067]
其中，干涉发生单元沿光路传输方向依次包括：第一凸透镜10、第一凹透镜11、半反半透镜12、第二凸透镜15、全反镜13、第三凸透镜14、第二凸透镜15及第四凸透镜16；
[0068]
窄带红外光通过第一凸透镜10和第一凹透镜11汇聚成线状光后经过半反半透镜
12将该线状光分成两束：一束光入射至第二凸透镜15，另一束光经过全反镜13反射后入射至第三凸透镜14；经过第二凸透镜15和第三凸透镜14的汇聚以及发散后，两束光分别经过第四凸透镜16折射后入射至管道内，并在管道内发射干涉，形成两个干涉焦点17、18；其中，第四凸透镜16分别与第三凸透镜14和第二凸透镜15之间的距离等于它们的焦距之和。
[0069]
作为优选，第一窄带滤光片8的中心波长为待测气体的n种成分(co2、h2o、co等)均不吸收的波长。
[0070]
作为优选，第四凸透镜16的焦距大于管道半径，可使得两个干涉焦点17、18位于原流体管道横截面中心，所测得的流速为流体经过管道横截面中心的流速，更准确。
[0071]
作为优选，在光学窗口5与聚焦透镜24之间设置有红外滤光片23，用于滤除管道中进入的可见光干扰。
[0072]
作为优选，聚焦透镜24、第一凸透镜10、第三凸透镜14、第二凸透镜15、第四凸透镜16为平凸透镜。
[0073]
作为优选，两个光电传感器25、26设置在聚焦透镜24的焦平面上且分别位于汇聚后的干涉光束的外侧，提升接收到的散射光的信噪比。
[0074]
浓度测量模块沿光路方向依次包括：第五凸透镜28、第二凹透镜29、分光镜片30、第二光电转换器31、第六凸透镜32、第一光电转换器33及浓度计算单元，其中，第五凸透镜28、第二凹透镜29、分光镜片30、第二光电转换器31设置有n 1组，且设置在发射端内，分别与n 1个窄带滤光片9对应，第六凸透镜32及第一光电转换器33设置有n 1组，且设置在接收端内。
[0075]
经过每个窄带滤光片9后产生的窄带红外光通过第五凸透镜28及第二凹透镜29汇聚成线状光束后，经过分光镜片30将线状光束以设定的分光比分为两路：第一路入射至管道内，穿过待测气体后进入与之对应的第六凸透镜32汇聚，汇聚后的光入射至对应的第一光电转换器33转换为电信号，并输入至浓度计算单元，测量该路经过待测气体吸收后的电信号的能量强度a1；第二路经过第二光电转换器31后输入浓度计算单元测量该路电信号的能量强度d，浓度计算单元根据该能量强度d及分光比计算得到第一路经过待测气体吸收前的电信号的能量强度a2；则待测气体经过第一路窄带红外光能量的吸收系数为1-a1/a2，按照上述方式获得待测气体对n 1路窄带红外光能量的吸收系数，记为s1，s2，
……
，sn；经过另外一个窄带滤光片9的那一路窄带红外光能量的吸收系数为基准吸收系数s；
[0076]
将吸收系数s1，s2，
……
，sn和基准吸收系数s代入吸收系数与待测气体各成分浓度之间的关系式，求解得到待测气体各成分的浓度；关系式为：
[0077][0078]
其中，c1，c2，
……
，cn表示待测气体的n种成分的浓度，k
mn
表示待测气体的第m种成分在第n个频点(波长)处的固有吸收系数，1≤m≤n，1≤n≤n。第n个频点(波长)是指经过n个窄带滤光片9的n路窄带红外光中的第n路对应的波长，也即第n个窄带滤光片9对应的中心波长。
[0079]
作为优选，流速计算单元和浓度计算单元共同集成在信号处理单元27中。
[0080]
作为优选，n个窄带滤光片的中心波长分别与待测气体的n种成分的最大吸收尖峰处的波长一致，此时所得到的待测气体在各频点处的吸收系数的信噪比最大；
[0081]
或者，n个窄带滤光片选取的中心波长使n种成分均只对应一个对该成分有吸收的波长，均只对待测气体中某一特定的成分有吸收，而对该特定的成分之外的其它成分均没有吸收，即n个窄带滤光片9选取的中心波长使k
mn
满足：
[0082][0083]
此时，吸收系数与待测气体各成分浓度之间的关系式最简单。
[0084]
作为优选，在接收端，浓度测量模块内部的n 1组单元之间(每个第六凸透镜32及第一光电转换器33为一个单元)以及浓度测量模块与流速测量模块之间设有遮光板34，用于减少各接收单元间的干扰。
[0085]
需要说明的是，作为优选，本发明的装置还可以包括设置在原流体管道(待测气体管道)内的气体通道3，透光性良好的光学窗口4及5分别设置在发射端、接收端分别与气体通道3的相交的光路区域处。此时，发射端、接收端与气体通道3可作为整体结构嵌入原流体管道中。气体通道3的横截面形状不限，常用的圆形、方形均适用。进一步作为优选，气体通道3的形状应尽量与原流体管道一致，避免对气流产生干扰。
[0086]
具体的，工作时，对于待测气体流速的测量，发射端内的宽带红外光源6产生平行射出的光束，常用光源有能斯特灯、硅碳棒光源以及陶瓷光源等。在遮光片7上有与不同中心频率的窄带滤光片对应的开孔，窄带滤光片可嵌入开孔内或与遮光片紧贴。开孔数量与滤光片数量对应。遮光片7总体形状应遮挡除滤光片部分的所有光，避免对后续测量光路产生干扰。通过不同中心频率的第一窄带滤光片8、窄带滤光片9输出的是不同带宽的窄带柱状光束。第一窄带滤光片8出来的窄带光束通过第一凸透镜10和第一凹透镜11将柱状光束汇聚成较细的线状光束，汇聚后的光束经过半反半透镜12后将汇聚光束分成两束，一半光线直接进入第二凸透镜15将线状平行光扩展成一束光，另一半光线通过一个全反镜13后也进入第三凸透镜14。第三凸透镜14、第二凸透镜15可完全相同，也可以不同，影响的是最终形成的两个干涉焦点沿气体流向方向的间距，此二透镜将光线聚焦并分散后进入另一面积能足够容纳这两束光线的第四凸透镜16。此处需要第四凸透镜16与第三凸透镜14之间的距离等于它们的焦距之和；第四凸透镜16与第二凸透镜15同理。按此方法设置，从第四凸透镜16出来的光束会平行于主光轴，经过透光性良好的光学窗口4，在气体通道内形成两个干涉焦点17、18。为使得这两个焦点大致处于气流管道横截面中心处，第四凸透镜16焦距应至少大于管道半径。图1中为使得管道内光路更清晰，管道内光路部分相对于管外部分有所放大。管中待测气体携带的微粒依次经过干涉焦点17、18时发生散射，产生散射光束21、22，此散射光束分布于各个方向，覆盖面大于未经散射的光束19、20(即从第四凸透镜16出来的光束未经过微粒的散射直接入射至接收端)。散射光束和未经散射的光束经过接收端光学窗口5后紧挨着通过一可选的红外滤光片23，用于滤除管道中可能进入的可见光干扰。散射的光和未经散射的光再经过一个面积足够大的聚焦透镜24后，位于接近聚焦透镜24焦平面处的两个光电传感器25、26分别接收微粒经过干涉焦点17、18产生的散射光脉冲。为保证更佳的汇聚效果，本发明所有的凸透镜均可采用平凸透镜。为使得经过两个光电传感器25、26后的光束接收到的散射光的信噪比尽量大，光电传感器25应位于未经散射的光束19经过聚焦
透镜24后的折射光路的外侧，以此避开未经散射的光的干扰；另一光电传感器26同理。光电传感器获得的电信号进入信号处理单元27检测同一微粒经过两个干涉焦点时产生的脉冲的时间差t，以干涉焦点17、18间的距离除以此时间差即可得到流速。根据两个光电传感器25、26接收到的脉冲的先后顺序可以判断待测气体是正向流速还是反向流速。
[0087]
进行浓度测量时，此处先介绍本发明的离散频点选取方法的具体实施方式。如图2所示，展示了一些常见气体按co2最强吸收系数归一化的红外吸收光谱。光谱来源于hitran库，通过该开源库可得大量气体在不同温度与压强下的光谱曲线，即待测目标气体的不同成分在某频点处的固有吸收系数。可见co2在图示的2到10微米波长范围内具有两个吸收谱带，其中在4.1微米到4.36微米处的吸收强度极大。水气h2o具有极宽的吸收谱带。图2中也展示了空气中含量较多n2、o2的吸收图谱，但由于它们是非红外活性气体，故在此频段相对于温室气体几乎没有红外吸收。温度和压强对这些吸收频谱虽然有影响，但吸收频带几乎没有变化。以测量存在n2、o2、co2、h2o及co混合气体中除氮气和氧气外的气体浓度应用为例，本方法中，分别选取目标气体(待测气体)的一个吸收频点，作为优选，选自待测气体不同的成分对应的最大吸收尖峰处的频点，外加这些气体都不吸收的一个频点作为基准频点，即n 1个频点，n≥1。需要指出的是，用于流速测量的频点最好也选取目标气体均不吸收的一个频点。本实施例中，选取待测气体不同的成分对应的最大吸收尖峰处的频点，所得到的各频点吸收系数测量的信噪比最大。测得的n个频点的吸收系数与基准频点的吸收系数后的差值，是待测目标气体的各成分气体浓度乘以在该处的吸收系数之和。联立n个方程即可求得目标气体各成分的浓度。当选取的各个频点均只对目标气体中特定成分的气体有吸收时，测得的各频点吸收系数除以对应特定气体的在该频点处的固有吸收系数即可得到该气体浓度，从而避免求解方程。
[0088]
回到图1，浓度测量的具体实施方式由上述待测气体不同的成分对应频点的窄带滤光片9分别得出对应频点的光束，各光束通过第五凸透镜28和第二凹透镜29汇聚后光束集中成很小的一束。汇聚后的光束通过固定分光系数的分光镜片30将光束分为两部分，优选将大部分光入射管道内，剩余一小部分光通过第二光电转换器31转换为电信号输入信号处理单元27作为源基准，以此跟踪光源强度，后续通过源参考值乘以固定分光系数得到该路信号的吸收系数。穿过待测气体的各光束依次经过接收端光学窗口5和红外带通滤光片(即红外滤光片23)后，分别利用第六凸透镜32或平凸透镜聚焦到各自的第一光电转换器33，得到的电信号输入信号处理单元27进行吸收系数计算。在接收端各接收单元之间存在可选的遮光板34用于减少各接收单元间的干扰。第六凸透镜32位于红外滤光片23稍远距离，可以滤除其它光束过来的干扰光，例如从干涉焦点17、18散射过来的光，绝大部分会在遮光板34入口处被隔断，从而提高各频点吸收系数测量的信噪比。
[0089]
作为优选，进行测量时先进行一次空载测量，得到第一光电转换器33所得的信号强度作为初始入射光强度a0。为防止宽带红外光源6强度衰减产生漂移，在进行初始入射光强度测量时同时测量第二光电转换器31信号强度b0，则a0除以b0为经过分光镜片30后将光束分成的两部分光的实际分光比。后续监测中以a0除以b0乘以第二光电转换器31信号强度d作为实际入射光强度，也即经过第一光电转换器33的那路光在经过待测气体吸收之前的信号能量强度a2。进行监测时，假定接收端第一光电转换器33测得的信号强度为a1，该路电信号的吸收系数则为1-a1/a2。结合上一段方法即可求得目标气体各成分的浓度。即在长时
间工作光源强度衰减后，由于实际分光比不会变化，吸收强度测量不受影响，本发明的装置不需要校准。
[0090]
进行流量测量时，用目标物质(待测气体)的浓度直接乘以管道横截面积和流速即可得到单位时间内的体积流量。对单位时间内的体积流量进行求和即可得到某段时间内的总排放流量。
[0091]
本发明通过中心波长不同的窄带滤光片使流速测量和浓度测量在不同的空间范围能够同时进行，两种测量不会相互影响。且基于浓度和流速测量，本发明还能实现其它衍生参量的计算。
[0092]
本发明提供了一种离散红外频谱温室气体流量光学计量方法，包括如下步骤：
[0093]
窄带红外光产生步骤：产生宽带红外光，并将其形成为不同中心频率的n 2路窄带红外光，n≥1；其中，n路窄带红外光的波长分别与待测气体的n种成分的吸收波长一致，1路窄带红外光的波长为待测气体的n种成分均不吸收的波长；另1路窄带红外光的波长与n路窄带红外光的波长不同；
[0094]
浓度测量步骤：分别测量n路窄带红外光穿过待测气体之前和之后的信号能量强度变化，依据信号能量强度变化计算待测气体对n路窄带红外光能量的吸收系数，记为s1，s2，
……
，sn；对产生的1路窄带红外光作同样的处理，得到待测气体对这1路窄带红外光的吸收系数，记该吸收系数为基准吸收系数s；将吸收系数s1，s2，
……
，sn和基准吸收系数s代入吸收系数与待测气体各成分浓度之间的关系式，求解得到待测气体各成分的浓度；
[0095]
流速测量步骤：将产生的另1路窄带红外光分成两束窄带同频光束，引导两束窄带同频光束在待测气体管道内形成两个干涉焦点，测量待测气体携带的微粒经过两个干涉焦点发生散射的时间间隔，两个干涉焦点的间距除以时间间隔，得到测量待测气体的流速。
[0096]
具体的，流速测量步骤具体包括如下子步骤：
[0097]
步骤s1、将该路窄带红外光分为两路，引导两路光束入射至管道内干涉，形成两个干涉焦点；
[0098]
步骤s2、流经管道内的待测气体携带的微粒经过两个干涉焦点时发生散射，散射光束经过汇聚后，将其转换为两路脉冲电信号；
[0099]
步骤s3、检测两路脉冲电信号的脉冲时间差，时间差为同一微粒经过两个干涉焦点时的时间差，以两个干涉焦点间的距离除以时间差，得到待测气体流速。
[0100]
具体的，浓度测量步骤具体包括如下子步骤：
[0101]
步骤s1、将n路窄带红外光中的每路汇聚后以设定的分光比分为两路：将第一路穿过待测气体后转变为电信号，测量该路经过待测气体吸收后的电信号的能量强度a1；将第二路直接转变为电信号，测量该路电信号的能量强度d，根据该能量强度d及分光比计算第一路经过待测气体吸收前的电信号的能量强度a2；则待测气体对该路窄带红外光能量的吸收系数为1-a1/a2，按照上述方式获得待测气体对n路窄带红外光能量的吸收系数，记为s1，s2，
……
，sn；
[0102]
步骤s2、对产生的1路窄带红外光作同样的处理，得到待测气体对这1路窄带红外光的吸收系数，记为基准吸收系数s；
[0103]
步骤s3、将吸收系数s1，s2，
……
，sn和基准吸收系数s代入吸收系数与待测气体各成分浓度之间的关系式，求解得到待测气体各成分的浓度；关系式为：
[0104][0105]
其中，c1，c2，
……
，cn表示待测气体的n种成分的浓度，k
mn
表示待测气体的第m种成分在第n个频点(波长)处的固有吸收系数，1≤m≤n，1≤n≤n。第n个频点(波长)是指n路窄带红外光中的第n路对应的波长。
[0106]
作为优选，n路窄带红外光的波长分别与待测气体的n种成分的最大吸收尖峰处的波长一致；
[0107]
或与待测气体的n种成分的吸收波长一致，且n种成分之间互不吸收，即选取的n路窄带红外光的波长使k
mn
满足：
[0108][0109]
本发明根据温室气体在1到20微米波长的电磁波范围内均具有较为明显的吸收带，在此光谱带内进行浓度与流速测量，远离可见光的范围使得本方法具有优良的抗干扰能力。同时具有光学测量的非接触、无侵入、高精度、大量程等优势，一体化测量也具有更佳的小型化潜力。
[0110]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。