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...》

2013 中中中国 国 国物 物 物理 理 理学 学 学会 会会Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 234204-1 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 62, No.

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234204 式和 HITRAN 线强拟合得出的理论修正公式对不 同温度下的浓度值进行修正. 对未修正的实验结果 和补偿修正后的结果进行比较, 表明上述两种修正 方法对气体温度变化所引起的测量误差有一定的 抑制作用, 为实验室 TDLAS 系统应用到燃烧诊断 气体监测提供了依据.

2 基本原理 对于特定的气体吸收线 ν, I0 为激光的初始光 强, S(T) 表示在吸收峰 ν 处的吸收线强, g(ν) 为吸 收线形函数, P 为气体压强, 通过光程 L 的待测气体 浓度 C 后的出射光强, 遵循 Lambert-Beer 定律: I(υ) = I0(υ)exp[?PS(T)g(υ)CL]. (1) 线型函数 g(ν) 存在如下关系: ∫ +∞ ?∞ g(v)dv = 1. (2) 实验中, 为了提高系统检测的灵敏度, 采用波长调制技术进行实时监测, 一般情况下S(T)g(υ)PCL ?

1 很容易得到满足, 因此将 (1) 式进 行傅里叶展开, 二次谐波信号与线强的温度函数、 气体浓度、压力等参数的关系可以如下表示 [14]: I2f ∝ I0(υ)S(T)g(υ)PCL. (3) 线强函数 S(T) 可以采用参考温度 (T0 =

300 K) 下的线强函数表示, 同时假定在测量过程中气压恒 定, 则S(T) =S(T0) Q(T0) Q(T) ( T0 T )nj *exp [ ? hcE′′ k (

1 T ?

1 T0 )] * 1?exp ( ? hcν0 kT ) 1?exp ( ? hcν0 kT0 ) ≈S(T0) Q(T0) Q(T) ( T0 T )nj *exp [ ?1.439E′′ (

1 T ?

1 T0 )] , (4) 其中, E′′ 是低态能级, nj 为温度相关系数, Q(T) 是 配分函数, 均可由 HITRAN 数据库得到 [15] .

3 实验装置及过程 实验室情况下, 温度修正测量实验系统基本装 置如图

1 所示. 为了高温试验的安全性要求, 采用 氧气作为目标检测气体, 同时测量实验室温度为

26 ?C, 实验用氧气配比浓度为 21%. 加热装置采用 的是改进的科晶公司出品的型号为 GSL-1500X 高 温管式炉. 为了使温度准确稳定, 一是采用三端温 度测量 (管两端

1 ?

3 ? 点和管中间

2 ? 点, 三区温度 相差 ±20 K 以内), 二是在每次测量时都在恒温区 保持至少

30 min 使气体温度充分混合均匀, 且热电 偶测量显示值不再变化. 同时为了防止外界气体交 换和外界非 监测光 路上的氧气对测 量结果的影响, 图1温度修正测量实验系统的基本装置 234204-2 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 62, No.

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234204 采用如下方式: 一是让发射端和接收端尽可能的靠 近检测管内, 二是两端分别采用水冷法兰安装石英 窗片封存气体, 三是采用氮气在测量过程中吹扫非 测量部分光路保持测量环境无外界氧气干扰. 系统中采用的 DFB 激光器通过课题组研制的 已经产品化的高精度温度控制板、电流驱动板锁 定在中心吸收波长 760.77 nm 处, 数字式核心控制 模块 [16,17] 产生调制信号

10 kHz 正弦调制信号和

10 Hz 锯齿扫描信号对激光波长进行调制, 调制光 经过管内

50 cm 光程气体吸收后, 为了提高检测灵 敏度和信噪比, 使探测器输出的电流信号经过前置 放大板转换为放大的电压信号输入数字控制模块 进行信号解调输出十六进制的

1024 点每周期的一 次、二次谐波数字信号. 最后, 通过计算机的 RS232 串口采集、保存和处理.

4 温度影响与修正 4.1 经验公式方法修正 既然温度对浓度测量的影响是非常大的, 因 此要对不同温度下的测量进行修正. 根据谐波信 号峰值-温度的关系, 可以通过多项式拟合得到如 下方程: SO2 = A+B1 ・T +B2 ・T2 +B3 ・T3 +B4 ・T4 , (5) 其中, SO2 是氧气的吸收二次谐波线强, T 是气体 温度, B1,B2,B3,B4 是多项式拟合参数, 可以结合实 际测量的温度和二次谐波信号强度关系进行拟合 得到. 根据 (2) 和(3) 式以及与实际线强的关系可 以得到 I2f ∝ I0(υ)・[A+B1 ・T +B2 ・T2 +B3 ・T3 +B4 ・T4 ]・CL. (6) 实验中, I0, L 均为常量, 同时在采集二次谐波 信号时采集一次谐波信号分量, 发现如图