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基于长光程气室的多组分气体监测系统

闫泽宇 孙祚 费宁 刘涛 万涛 刘邦学

闫泽宇,孙祚,费宁,等. 基于长光程气室的多组分气体监测系统[J]. 计量科学与技术,2023, 67(9): 49-55 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0240
引用本文: 闫泽宇,孙祚,费宁,等. 基于长光程气室的多组分气体监测系统[J]. 计量科学与技术,2023, 67(9): 49-55 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0240
YAN Zeyu, SUN Zuo, FEI Ning, LIU Tao, WAN Tao, LIU Bangxue. Multi-Component Gas Monitoring System Based on an Long-Path Gas Cell[J]. Metrology Science and Technology, 2023, 67(9): 49-55. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0240
Citation: YAN Zeyu, SUN Zuo, FEI Ning, LIU Tao, WAN Tao, LIU Bangxue. Multi-Component Gas Monitoring System Based on an Long-Path Gas Cell[J]. Metrology Science and Technology, 2023, 67(9): 49-55. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0240

基于长光程气室的多组分气体监测系统

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0240
基金项目: 重庆市技术创新与应用发展专项(cstc2020jscx-dxwtBX0052)。
详细信息
    作者简介:

    闫泽宇(1997-),重庆大学光电工程学院硕士研究生,研究方向:气体监测与传感,邮箱:zbdxyzy@163.com

  • 中图分类号: TB99

Multi-Component Gas Monitoring System Based on an Long-Path Gas Cell

  • 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。
  • 图  1  气体红外吸收示意图

    Figure  1.  Diagram of gas infrared absorption

    图  2  怀特池结构

    Figure  2.  Structure of the white cell

    图  3  ZEMAX中怀特池三维布局

    Figure  3.  3D Layout of the White cell in ZEMAX

    图  4  ZEMAX的入射和出射光斑图

    Figure  4.  Incident and outgoing light spot diagrams in ZEMAX

    图  5  气体吸收池的尺寸及实物图

    Figure  5.  Dimensions and physical image of the gas absorption cell

    图  6  实验现场设备

    Figure  6.  Equipment at the experimental site

    图  7  系统结构框图

    Figure  7.  System structure diagram

    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/m
    CO1102.42
    SO21082.376
    NO901.98
    CO2952.09
    NH31002.2
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    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
    CO24265120
    CO4650180
    NO5300200
    SO27300180
    NH310540690
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    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
    200223.52.35%
    400393.9-0.61%
    600619.31.93%
    800825.32.53%
    CO标准浓度(μL/L)测量浓度(μL/L)满量程误差
    59.24.20%
    3537.92.90%
    6560.2-4.80%
    9590.8-4.20%
    SO2标准浓度(μL/L)测量浓度(μL/L)满量程误差
    58.53.50%
    3532.9-2.10%
    6563.3-1.70%
    9596.71.70%
    NO标准浓度(μL/L)测量浓度(μL/L)满量程误差
    56.71.70%
    3537.52.50%
    6561.6-3.40%
    9590-5.00%
    NH3标准浓度(μL/L)测量浓度(μL/L)满量程误差
    54.5-0.50%
    3532.5-2.50%
    6569.44.40%
    9593.3-1.70%
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    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
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    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CO2524.2−0.8%
    CO2120109.8−1.0%
    NO5052.32.3%
    SO29597.52.5%
    NH3100102.12.1%
    第二组CO5054.54.5%
    CO2400382.5−1.8%
    NO6563.0−2.0%
    SO23533.3−1.7%
    NH34043.23.2%
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-10-24
  • 录用日期:  2023-11-03
  • 修回日期:  2023-11-21
  • 网络出版日期:  2023-11-24
  • 刊出日期:  2023-09-18

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