PDF《基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体浓度 测量温度影响...》

物理学报Acta Phys.

Sin. Vol. 62, No.

23 (2013)

234204 基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体浓度 测量温度影响修正方法研究* 张志荣 吴边 夏滑 庞涛 王高旋 孙鹏帅 董凤忠? 王煜 ( 安徽省光子器件与材料重点实验室, 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 合肥

230031 ) (

2013 年7月19 日收到;

2013 年8月20 日收到修改稿 ) 可调谐二极管激光吸收光谱技术测量气体浓度时, 由于测量氛围温度变化的影响引起解调的二次谐波信号发 生变化, 最终导致浓度测量的较大误差. 为了修正温度变化对浓度反演结果的影响, 适应工业测量、燃烧诊断的需 要, 采用通过实验所得温度关系的数值拟合修正方法即经验公式修正和根据 HITRAN 数据库参数的理论关系即理 论公式修正两种方法进行分析与讨论. 实验中采用在

50 cm 长的高温管式炉中通入高温安全的 21%浓度的氧气为 目标测定气体, 选定 760.77 nm 的中心吸收波长, 测量了温度变化范围为 300―900 K, 间隔

50 K 的情况下所得到的 谐波信号, 并利用一次谐波比值消元法消除光强波动影响后的结果, 得出了不同温度下未修正的原始浓度值和通过 修正方法后的修正值. 实验结果表明所述的经验公式和理论公式两种修正方法对温度影响都有一定的抑制作用, 可 以应用到温度变化引起的气体浓度误差修正监测中, 为下一步开展燃烧诊断实时在线监测提供了依据. 关键词: 可调谐二极管激光吸收光谱 (TDLAS), 温度修正, 经验公式, 理论公式 PACS: 42.62.Fi, 42.62.?b, 42.68.Ca, 07.07.Df DOI: 10.7498/aps.62.234204

1 引言可调谐二极管激光吸收光谱技术 (TDLAS) 是 利用分布反馈式激光器 (DFB) 的窄线宽和波长可 调谐等特性, 实现气体分子的单根吸收谱线 指纹 区 的扫描和测量, 具有高灵敏、高选择性、非接 触式、可进行实时原位检测等优点, 已在低浓度 气体检测、汽车尾气监测、气体参数分析、工业 过程控制、管道泄露监测、工业污染源排放监测、 温度场在线监测等多方面得到了广泛的应用 [1?11]. 根据气体状态方程可知, 在浓度测量中气体温 度的变化会影响气体的浓度值. 然而, 国家相关排 放标准的制定均是在常温常压下制定的 (GB3095-

1996 国家大气污染物综合排放标准), 因此当温度 较高时的浓度测量结果与给定的国家标准之间存 在一定的误差, 无法准确的预知厂矿企业真实的 污染气体排放情况. 然而在大多数研究中并未考 虑温度变化对所检测到的浓度存在的影响, 束小 文等 [12] 以1747 nm-HCl 为例研究了温度变化在 295―510 K 范围内的变化情况, 由于实验采用的是 电加热带装置, 并且因为 HCl 极具吸附性和激光器 自身光强的变化等原因, 因此易于造成气体浓度、 热均匀性、热稳定性等方面的误差, 最终影响修正 结果的准确度. Zhao 等[13], 以1653.72 nm-CH4 为 例简单说明了数十摄氏度温度变化时浓度的变化, 未对该方法的工作原理修正过程等进行详细说明, 也未涉及温度相对较高时的修正情况. 在本文实验中, 以相对高温安全的 21%的氧气 为实验用气, 采用

50 cm 基长高温管式炉为测量氛 围, 测量了温度范围在 300―900 K, 间隔

50 K, 假 定测量环境压力保持不变的情况下, 温度变化所引 起的谐波信号的不准确情况, 并且通过一次谐波比 例消元法消除光强起伏因素的影响, 得到了高温环 境下温度对浓度测量的实际误差值和未修正结果, 然后分别采用多项式拟合实验数据得出的经验公 * 国家自然科学基金青年科学基金 (批准号: 11204320) 资助的课题. ? 通讯作者. E-mail: [email protected] c ?