Multi-Component Gas Monitoring System Based on an Long-Path Gas Cell
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摘要: 为更好的满足工况环境下多组分危险气体的低浓度范围监测需求,减小测量仪器的体积,提高气体浓度的测量精度,研制了基于怀特池结构的长光程气体吸收池,用于降低仪器的检测限,从而能够探测出低浓度的多组分危险气体。介绍了基于怀特池结构的长光程气体吸收池的设计、工作原理和仿真结果,介绍了光学实验平台的搭建以及红外光源、红外热释电探测器的选型,并在此基础上开展了实验。采用最小二乘法拟合出各个气体的浓度反演模型,使用不同组合的标准气体对模型进行了验证,并计算了实验结果的相对误差。数据结果表明,设计的多组分危险气体在线监测仪器检测限可达5 μL/L,测量误差≤±5%F.S.(满量程),能够满足低浓度多组分危险气体的测量需求。Abstract: To address the monitoring needs of low-concentration multi-component hazardous gases in industrial environments and reduce the size of measurement instruments, a long-path gas absorption cell using the White cell structure was developed. This cell aims to lower the detection limit, enabling the detection of low-concentration multi-component hazardous gases. This paper discusses the design, working principles, and simulation results of the long-path gas absorption cell, as well as the setup of the optical experimental platform, selection of the infrared light source, and infrared pyroelectric detectors. Experiments based on this setup were conducted, and the least squares method was employed to derive concentration inversion models for various gases. These models were validated using different combinations of standard gases, and the relative errors of the experimental results were calculated. The results indicate that the designed multi-component hazardous gas online monitoring instrument can detect concentrations as low as 5 μL/L with a measurement error of ≤±5%F.S. (full scale), meeting the needs for low-concentration multi-component hazardous gas measurements.
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Key words:
- metrology /
- non-dispersive infrared (NDIR) /
- gas /
- long-path gas cell /
- White cell /
- pyroelectric detector
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表 1 各气体检测限(11 cm光程长)及检测到5 μL/L所需光程长
Table 1. Detection limits for each gas (optical path length of 11 cm) and required optical path length for detecting 5 μL/L
气体 光程长为11cm的仪器
检测限/μL/L检测到5μL/L所
需要的光程/mCO 110 2.42 SO2 108 2.376 NO 90 1.98 CO2 95 2.09 NH3 100 2.2 表 2 滤光片参数
Table 2. Parameters of the optical filters
目标气体 中心波长/nm 半波宽/nm CO2 4265 120 CO 4650 180 NO 5300 200 SO2 7300 180 NH3 10540 690 表 3 单一组分气体准确性测试实验数据
Table 3. Accuracy test data for single-component gases
CO2标准浓度(μL/L) 测量浓度(μL/L) 满量程误差 200 223.5 2.35% 400 393.9 -0.61% 600 619.3 1.93% 800 825.3 2.53% CO标准浓度(μL/L) 测量浓度(μL/L) 满量程误差 5 9.2 4.20% 35 37.9 2.90% 65 60.2 -4.80% 95 90.8 -4.20% SO2标准浓度(μL/L) 测量浓度(μL/L) 满量程误差 5 8.5 3.50% 35 32.9 -2.10% 65 63.3 -1.70% 95 96.7 1.70% NO标准浓度(μL/L) 测量浓度(μL/L) 满量程误差 5 6.7 1.70% 35 37.5 2.50% 65 61.6 -3.40% 95 90 -5.00% NH3标准浓度(μL/L) 测量浓度(μL/L) 满量程误差 5 4.5 -0.50% 35 32.5 -2.50% 65 69.4 4.40% 95 93.3 -1.70% 表 4 单一组分气体重复性测试实验数据
Table 4. Repeatability test data for single-component gases
气体 1 2 3 4 5 平均值 CO2/500 μL/L 525 483 475 509 532 504.8 CO/ 50 μL/L 47 52 55 54 49 51.4 SO2/ 50 μL/L 52 53 49 49 55 51.6 NO/ 50 μL/L 45 46 47 49 52 47.8 NH3/ 50 μL/L 49 52 55 51 48 51 表 5 多组分气体测试实验数据
Table 5. Experimental data for multi-component gas testing
实验组 气体 标气浓度(μL/L) 测量浓度(μL/L) 满量程误差 第一组 CO 25 24.2 −0.8% CO2 120 109.8 −1.0% NO 50 52.3 2.3% SO2 95 97.5 2.5% NH3 100 102.1 2.1% 第二组 CO 50 54.5 4.5% CO2 400 382.5 −1.8% NO 65 63.0 −2.0% SO2 35 33.3 −1.7% NH3 40 43.2 3.2% -
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