基于復合多次諧波的氣體濃度在線測量方法
【專利摘要】基于復合多次諧波的氣體濃度在線測量方法，屬于可調諧激光二極管吸收光譜(TDLAS)【技術領域】。該方法首先利用二次與四次諧波的比值確定吸收譜線的線寬，進而計算出線型函數；再根據推導出的強吸收條件下二次與一次諧波的比值計算氣體的濃度。該方法實現了在強吸收條件下利用吸收信號的二次與一次諧波信號免標方法測量氣體的濃度，而且消除了激光強度波動、光電放大倍數等因素的影響，提高了信噪比和測量精度，有效地解決了波長調制法中由于吸收譜線線型函數不確定而導致濃度測量誤差的問題，提高氣體濃度的測量精度，拓寬TDLAS技術的應用范圍。
【專利說明】基于復合多次諧波的氣體濃度在線測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種氣體壓力和濃度在線測量方法，尤其涉及一種基于可調諧激光二極管吸收光譜技術的氣體濃度在線測量方法。
【背景技術】
[0002]實時在線檢測環境污染氣體、易燃易爆氣體以及燃燒氣氛是環境保護、工業安全生產和節能減排中的一項關鍵技術。可調諧激光二極管吸收光譜技術(Tunable diodelaser absorption spectroscopy, TDLAS)利用窄帶激光掃描氣體的吸收譜線,通過分析被氣體吸收后的激光強度得到待測氣體的濃度。與傳統的采樣式氣體檢測技術相比，TDLAS技術具有非接觸式在線測量、選擇性強、靈敏度高、響應速度快的優點，可測量某個區域氣體濃度的平均水平，已經成為當前氣體濃度在線檢測技術的重要發展方向和技術主流。
[0003]目前TDLAS技術的測量方法主要有直接吸收法(DAS)和波長調制法(WMS)，在測量中，氣體吸收線型函數是重要的函數。直接吸收法是將透射光強和入射光強的比值直接擬合得到氣體吸收率函數，擬合得到的吸收率函數不僅包括了待測氣體的溫度、濃度和壓力等信息，而且可以根據其確定特征譜線的光譜常數，因此直接吸收法具有操作簡單、可直接測量氣體溫度、濃度、壓力等的優點。但是直接吸收法易受顆粒物濃度、激光強度波動和高壓下譜線重疊等因素的影響，因而無法精確擬合吸收率函數，進而導致測量誤差，因此直接吸收法只適用于強吸收的條件。
[0004]為了提高TDLAS的測量精度和靈敏度，解決惡劣環境以及弱吸收條件下的測量難題，J.Reid教授將波長調制法引入到TDLAS測量系統中，利用二次諧波測量氣體的溫度和濃度，該方法有效地降低了測量系統中背景信號的干擾，提高了 TDLAS的測量精度。但是二次諧波法需要用已知氣體進行標定，增加了測量系統的復雜度；另外，標定池與實際測量環境之間的偏差，使得線型函數的差異也給實驗造成一定的測量誤差。
[0005]針對二次諧波法的缺點，美國Stanford大學R.K.Hanson課題組基于剩余幅度調制提出了在弱吸收環境下2f/lf免標法，該方法采用一次諧波信號修正二次諧波信號，不僅消除了激光強度波動、光電放大倍數等因素的影響，而且推導出了氣體絕對濃度表達式，簡化了測量裝置。在Hanson的啟發下，中國專利ZL201210012470.0對激光透射率進行二階泰勒近似，并推導出了強吸收(30%)環境下2f/lf免標法的氣體濃度計算方法。
[0006]但是與二次諧波法相同，2f/lf免標法是在已知線型函數的基礎上得到的，而線型函數由線寬和線型系數共同決定。但是實際上線寬和線型系數決定于氣體的溫度、壓力以及組分濃度等參數，而這些參數在實際測量中往往是未知的、變化的或待測量的。同時由于HITRAN等光譜數據中光譜常數的不確定性，要在理論上精確計算氣體吸收線型函數存在著非常大的困難。測量中一般假定氣體的參數為特定值，從而計算出氣體的線型函數，但在實際工業現場中，尤其是在一些惡劣環境下，如氣體溫度、壓力以及組分濃度波動大或無法測量時，分子吸收線型函數不確定性所帶來的測量誤差會很大。
【發明內容】
[0007]為了解決波長調制法無法精確確定線型函數而導致濃度測量誤差的問題，本發明提供一種基于復合多次諧波的氣體濃度在線測量方法，可直接確定氣體的濃度，簡化測量過程。
[0008]本發明的技術方案如下:基于復合多次諧波的氣體濃度在線測量方法，其特征是該方法包括如下步驟:
[0009]I)用溫度計和標度尺分別測量氣體介質的溫度T和光程L，根據待測氣體種類，確定其摩爾質量M，從光譜數據庫中選取相對應的吸收光譜譜線，并提取光譜的中心頻率％、線強度S(T)、自身加寬系數\3&和空氣加寬系數x&;
[0010]2)以可調諧半導體激光器為光源，用激光控制器控制可調諧半導體激光器的輸出頻率穩定在中心頻率Vo處；
[0011]3)將信號發生器產生的高頻調幅正弦信號輸入到激光控制器，以調制可調諧半導體激光器的輸出頻率，確定調制幅度a和線性光強系數Ici，定義調制系數m=a/Y，其中Y為譜線的線寬，是特征譜線半高寬的一半；
[0012]4)將可調諧半導體激光器輸出的激光經準直后射入氣體介質中，透射的激光光強由光電探測器接收并轉換為電信號，經數據采集卡采集后輸入到計算機數據處理系統中進行一次、二次和四次諧波檢測，得到在中心頻率Vtl處二次和四次諧波比值R24隨調制幅度a變化的曲線，以及二次和一次諧波比值R21隨調制幅度a變化的曲線；
[0013]5)在光譜吸收率小于30%情況下，設定R24隨調制系數m變化的曲線恒過近似不動點0(2.50，2.25)，根據這`一近似不動點，在R24隨調制幅度a變化的曲線上找到R24=2.25時對應的調制幅度a%則調制系數為m*=2.50，根據調制系數的定義即得到譜線的線寬Y =a7m*,以及不同調制幅度a對應的調制系數m ;
[0014]6)根據測得的譜線的線寬Y和氣體介質的溫度T，計算m=2.1時線型函數P(V)的傅里葉系數凡、H2, T0和T2,并取m=2.1時的線性光強系數L以及二次和一次諧波比值R21,將這些參數代入下式，求氣體的濃度X:
[0015]
【權利要求】
1.基于復合多次諧波的氣體濃度在線測量方法，其特征是該方法包括如下步驟: 1)采用壓力計(4)、溫度計(5)和標度尺分別測量氣體介質(6)的壓強P、溫度T和光程L，根據待測氣體種類,確定其摩爾質量M,從光譜數據庫中選取相對應的吸收光譜譜線，并提取光譜的中心頻率V。、線強度S(T)、自身加寬系數\3&和空氣加寬系數x&; 2)以可調諧半導體激光器(3)為光源，用激光控制器(2)控制可調諧半導體激光器(3)的輸出頻率穩定在中心頻率Vtl處； 3)將信號發生器(I)產生的高頻調幅正弦信號輸入到激光控制器(2)，以調制可調諧半導體激光器(3)的輸出頻率，確定調制幅度a和線性光強系數Ici，定義調制系數m=a/Y，其中Y為譜線的線寬，是特征譜線半高寬的一半； 4)將可調諧半導體激光器(3)輸出的激光經準直后射入氣體介質(6)中，透射的激光光強由光電探測器(7)接收并轉換為電信號，經數據采集卡(8)采集后輸入到計算機數據處理系統(9)中進行一次、二次和四次諧波檢測，得到在中心頻率Vtl處二次和四次諧波比值R24隨調制幅度a變化的曲線，以及二次和一次諧波比值R21隨調制幅度a變化的曲線； 5)在光譜吸收率小于30%情況下，設定R24隨調制系數m變化的曲線恒過近似不動點0(2.50，2.25)，根據這一近似不動點，在R24隨調制幅度a變化的曲線上找到R24=2.25時對應的調制幅度a%則調制系數為m*=2.50，根據調制系數的定義即得到譜線的線寬Y =a7m%以及不同調制幅度a對應的調制系數m ； 6)根據測得的譜線的線寬Y和氣體介質的溫度T，計算m=2.1時線型函數<v)的傅里葉系數凡、H2, T0和T2,并取m=2.1時的線性光強系數L以及二次和一次諧波比值R21，將這些參數代入下式，求氣體的濃度X:
【文檔編號】G01N21/39GK103868885SQ201410119964
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月27日 優先權日:2014年3月27日
【發明者】彭志敏, 丁艷軍, 藍麗娟 申請人:清華大學