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专利号: 2020109033307
申请人: 中国计量大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于分子光谱学及实验数据的中红外甲烷传感器校正方法,其特征在于,包括如下步骤:S1、基于从HITRAN数据库获取的参数计算甲烷多普勒线宽函数和洛伦兹线宽函数,并将多普勒线宽与洛伦兹线宽进行卷积得到Voigt曲线线宽函数;其中,计算甲烷多普勒线宽函数具体包括:S11、通过HITRAN数据库获取甲烷的分子量M;

S12、采用如下公式计算甲烷多普勒致宽半高宽αD:其中νij为中心波数,c为光速,NA为阿佛加德罗常数,k为玻尔兹曼常数,M为分子量,T为温度;

S13、将计算得到的多普勒致宽半高宽带入多普勒线宽函数中,得到甲烷多普勒线宽函数:计算甲烷洛伦兹线宽函数具体包括:

S14、通过HITRAN数据库获取甲烷的空气半宽度γair,自展宽半宽度γself和温度依赖系数nair;

S15、采用如下公式计算甲烷洛伦兹展宽半高宽γ(p,T):其中Tref为296K,Pref为标准大气压,T为实际温度,p为实际气压;

S16、将计算得到的洛伦兹展宽半高宽带入洛伦兹线宽函数中,得到甲烷洛伦兹线宽函数:通过如下公式将多普勒线宽与洛伦兹线宽进行卷积得到Voigt曲线线宽函数:S2、基于从HITRAN数据库获取的参数计算设定温度、气压下的甲烷气体的谱线强度,具体包括:S21、通过HITRAN数据库获取同位素丰度Ia,自发辐射的爱因斯坦系数Aij,高状态统计权g'和低状态能量E”;

S22、计算总内配分函数Q(Tref)为:

S23、计算温度为296K,气压为标准情况下的甲烷谱线强度:其中C2为第二辐射常数;

S24、计算设定温度、气压下每单位体积内的单个分子的谱线强度:S3、基于S1中得到的卷积结果和S2中得到的甲烷谱线强度,基于如下公式计算得到确定波数下预设温度、气压范围内甲烷气体的谱线吸收系数:kij(v,T,p)=Sij(T)fv(v;vij,p,T)1

其中,ν为波数,单位为cm‑;

S4、基于S3中的计算结果,通过最小二乘法拟合出气压、温度与甲烷吸收系数之间的函数关系;

S5、基于甲烷吸收系数测试实验数据,对S4中得到的函数关系进行修正;

S6、基于实际测量时中红外甲烷传感器在确定温度、气压条件下参考通道和信号通道的电压值,结合修正后的函数关系计算得到校正后的甲烷测量浓度,具体包括:S61、在温度、气压均确定时,使用红外甲烷传感器测量得到参考通道I0与信号通道I的值;

S62、改变温度或气压值,再次对I0和I的值进行测量,其中温度变化范围‑10℃~50℃,气压变化范围0.6atm~1.2atm,变化步长为0.1;

S63、将测得的I0、I与经步骤S5修正后的函数关系拟合出的甲烷吸收系数带入lg(I0/I)=kCL中,得到校正后的甲烷测量浓度。

2.如权利要求1所述的中红外甲烷传感器校正方法,其特征在于,步骤S5中,基于如下测试装置获取甲烷吸收系数测试实验数据:所述测试装置包括配置有变温模块、变压模块、温度传感器、气压传感器的短光程气室,连接所述短光程气室的测试气源和真空抽气泵,用于测量气室中甲烷吸光度的高分辨率傅里叶红外光谱仪,以及电连接所述变温模块、变压模块、温度传感器、气压传感器、真空抽气泵及高分辨率傅里叶红外光谱仪的PID控制器和上位机。

3.如权利要求2所述的中红外甲烷传感器校正方法,其特征在于,步骤S5中,基于如下步骤获取甲烷吸收系数测试实验数据:S51、使用真空抽气泵将所述短光程气室内的气体抽空;

S52、通过高分辨率傅里叶红外光谱仪对真空状态下的短光程气室进行背景测量,消除环境背景的干扰;

S53、向短光程气室中通入一定浓度的甲烷气体,通过PID控制器实时监测气体的气压大小,达到设定的气压值时停止通气,保持内部气压不变;

S54、通过PID控制器控制变温模块,使短光程气室加温或降温,达到设定温度时停止温度的变化并保持不变;

S55、在温度、气压均确定时,使用高精度傅里叶红外光谱仪对甲烷的吸光度进行测量;

S56、在得到确定的吸光度后,改变温度或气压值,再次测量吸光度的值;其中,温度变化范围‑10℃~50℃,气压变化范围0.6atm~1.2atm,变化步长为0.1个单位;

S57、基于测量得到的不同温度气压下的吸光度值,基于朗伯比尔定律计算出不同温度、气压下甲烷的吸收系数;其中,吸光度与吸收系数的关系式为A=kCL,k为甲烷吸收系数,C为摩尔浓度,L为光程。