一种离散红外频谱温室气体流量光学计量方法及装置

技术特征：
1.一种离散红外频谱温室气体流量光学计量方法，其特征在于，包括如下步骤：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；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，
……
，s
n
；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，
……
，s
n
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；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。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流速测量步骤具体包括如下子步骤：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；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；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。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述浓度测量步骤具体包括如下子步骤：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，
……
，s
n
；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；步骤s3、将所述吸收系数s1，s2，
……
，s
n
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：其中，c1，c2，
……
，c
n
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。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，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；或选取的n路窄带红外光的波长使k
mn
满足：5.一种离散红外频谱温室气体流量光学计量装置，其特征在于，包括：窄带红外光产生模块、流速测量模块及浓度测量模块；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；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，
……
，s
n
；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，
……
，s
n
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。6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述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)以及设置在所述遮光片(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)；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。7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，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；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(8)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(17，18)；流经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，散射光束入射至接收端；所述接收端包括聚焦透镜(24)、设置在所述聚焦透镜(24)焦平面上的两个光电传感器(25，26)和流速计算单元；所述聚焦透镜(24)用于将所述散射光束经过所述聚焦透镜(24)汇聚；所述两个光电传感器(25，26)用于将汇聚后的散射光束分别转换为脉冲电信号；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(17，18)间的距离除以所述时间差，得到待测气体的流速。8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述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)；所述窄带红外光通过所述第一凸透镜(10)和第一凹透镜(11)汇聚成线状光后经过所述半反半透镜(12)将该线状光分成两束：一束光入射至所述第二凸透镜(15)，另一束光经过所述全反镜(13)反射后入射至所述第三凸透镜(14)；经过所述第二凸透镜(15)和第三凸透镜(14)的汇聚以及发散后，两束光分别经过所述第四凸透镜(16)折射后入射至管道内发射干涉；其中，所述第四凸透镜(16)分别与所述第三凸透镜(14)和第二凸透镜(15)之间的距离等于它们的焦距之和。9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述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；经过每个窄带滤光片(9)后产生的窄带红外光通过所述第五凸透镜(28)及第二凹透镜(29)汇聚成线状光束后，经过所述分光镜片(30)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(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；第二路经过所述第二光电转换器(31)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，
……
，s
n
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，
……
，s
n
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：其中，c1，c2，
……
，c
n
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。10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，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；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；或n个窄带滤光片选取的中心波长使k
mn
满足：

技术总结
本发明公开了一种离散红外频谱温室气体流量光学计量方法及装置，属于温室气体流量计量领域。方法包括：形成不同中心频率的N 2路窄带红外光。测量N路窄带光穿过气体之前和之后的信号能量强度变化，得到N路相应的吸收系数S1，S2，


技术研发人员：唐朝清 刘文中
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2022.03.09
技术公布日：2022/5/30