CN103868884A - 一种基于调制系数的气体吸收率在线测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于调制系数的气体吸收率在线测量方法，属于可调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术领域。该方法首先利用二次与四次谐波的比值经过不动点的特征确定吸收谱线的线宽，进而计算出调制系数；然后再根据调制系数等于0.94时二次与一次谐波的比值确定谱线的峰值吸收率。该方法原理简单，消除了激光强度波动、光电放大倍数等因素的影响，有效地解决了波长调制法中无法精确测量吸收率的问题，拓宽TDLAS技术的应用范围。

Description

一种基于调制系数的气体吸收率在线测量方法

技术领域

本发明涉及一种气体吸收率在线测量方法，尤其涉及一种基于可调谐激光二极管吸收光谱技术的气体吸收率在线测量方法。

背景技术

可调谐激光二极管吸收光谱技术(Tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)利用窄带激光扫描气体的吸收谱线，通过分析被气体吸收后的激光强度得到待测气体的浓度。与传统的采样式气体检测技术相比，TDLAS技术具有非接触式在线测量、选择性强、灵敏度高、响应速度快的优点，可测量某个区域气体浓度的平均水平，已经成为当前气体浓度在线检测技术的重要发展方向和技术主流。目前TDLAS主要有直接吸收法和波长调制法。

直接吸收法是将透射光强和入射光强的比值直接拟合得到气体吸收率函数，拟合得到的吸收率函数不仅包括了待测气体的温度、浓度和压力等信息，而且可以根据其确定特征谱线的光谱常数，因此直接吸收法具有操作简单、可直接测量气体温度、浓度、压力等的优点。但是直接吸收法需要对整个吸收谱线扫描，因此易受颗粒物浓度、激光强度波动和高压下谱线重叠等因素的影响，因而无法精确拟合吸收率函数，进而导致测量误差，因此直接吸收法只适用于气体浓度较大，吸收率较高的情况。

波长调制法由于对目标信号进行高频调制，而非目标信号由于没有经过调制在后续的谐波检测过程中被除去，因此可以有效地抑制测量系统中背景信号的干扰，提高测量精度和灵敏度。但是该方法在测量中仍需事先已知线型函数，而到目前为止，波长调制法尚没有有效的办法用于测量气体的吸收率函数，测量中一般假定气体的参数为一特定值，从而计算出气体的吸收率函数，但在实际工业现场中，尤其是在一些恶劣环境下，如气体温度、压力以及组分浓度波动大或无法测量时，分子吸收线型函数不确定性所带来的测量误差会很大。科学家进行了多种尝试，例如英国Strathclyde大学G.Stewart课题组通过分析一次谐波剩余幅度调制(RAM)信号，得到当调制系数m较小(小于＜0.5)时，RAM与线型函数近似相等的结论，通过改变调制信号的相位角以实现恢复吸收率的目的。但是当调制系数很小时，RAM信号很弱，信噪比较低，很难得到理想的结果。中国专利CN102680020A提出采用奇数次谐波拟合吸收率函数、中国专利CN102680428A提出采用一次谐波计算吸收率函数积分值，这些方法虽然可以通过谐波信号得到吸收率函数或其积分值，但都存在下述缺点：与直接吸收法相似，这些方法都需要激光扫描整条吸收谱线，因此在测量中无法消除激光强度波动的影响，而激光强度波动在实际应用中普遍存在。

通过以上研究我们可以断定：在波长调制光谱技术中，不仅奇数次谐波可用于计算气体吸收率及其函数值，而且偶次谐波信号也一定含有吸收率的信息，我们探索一种结合多次谐波测量气体吸收率的方法。

发明内容

为了解决波长调制法由于无法实时测量吸收率而导致气体参数测量误差的问题，本发明提供一种基于调制系数的气体吸收率在线测量方法，以进一步提高气体测量精度，简化测量过程。

本发明的技术方案如下：一种基于调制系数的气体吸收率在线测量方法，其特征是该方法包括如下步骤：

1)根据待测气体种类，从光谱数据库中选取相对应的吸收光谱谱线，并提取光谱的中心频率v₀；

2)以可调谐半导体激光器为光源，用激光控制器控制可调谐半导体激光器的输出频率稳定在中心频率v₀处；

3)将信号发生器产生的高频调幅正弦信号输入到激光控制器，以调制可调谐半导体激光器的输出频率，确定调制幅度a和线性光强系数i₀，定义调制系数m=a/γ，其中γ为谱线的线宽，是特征谱线半高宽的一半；

4)将可调谐半导体激光器输出的激光经准直后射入气体介质中，透射的激光光强由光电探测器接收并转换为电信号，经数据采集卡采集后输入到计算机数据处理系统中进行一次、二次和四次谐波检测，得到在中心频率v₀处二次和四次谐波比值R₂₄随调制幅度a变化的曲线，以及二次和一次谐波比值R₂₁与线性光强系数i₀乘积i₀R₂₁随调制幅度a变化的曲线；

5)在峰值吸收率小于50%情况下，设定R₂₄随调制系数m变化的曲线恒过近似不动点O₁(2.300,2.504)，根据这一不动点，在R₂₄随调制幅度a变化的曲线上找到R₂₄=2.300时对应的调制幅度

则调制系数为

根据调制系数的定义即得到特征谱线的线宽

以及不同调制幅度a对应的调制系数m；

6)在i₀R₂₁曲线上找到调制系数m=0.94时对应的值(i₀R₂₁)₁代入公式(1)计算谱线峰值吸收率α₁(v₀)：

${\mathrm{\α}}_j\left(v_0\right)=4.114\×(1-\sqrt{1-2.131{\left(i_0{R}_{21}\right)}_j}),j=\mathrm{1,2,3}...---\left(1\right)$

7)将上述计算得到的谱线峰值吸收率α₁(v₀)代入公式(2)，计算R₂₄曲线不动点O2的坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_{j+1}^{*}=2.4935+0.0377{\mathrm{\α}}_j\left(v_0\right)-0.00173{\mathrm{\α}}_j{\left(v_0\right)}^2\\ {\left(R_{24}^{*}\right)}_{j+1}=2.1856+0.3809{\mathrm{\α}}_j\left(v_0\right)+0.07535{\mathrm{\α}}_j{\left(v_0\right)}^2\end{array}\right.---\left(2\right)$

8)然后重复步骤5)～7)计算谱线的线宽γ₂和谱线峰值吸收率α₂(v₀)，直到气体吸收率α(v₀)收敛为止，此时即可得到气体谱线吸收率α(v₀)。

本发明方法相对于TDLAS技术的直接吸收法，采用波长调制法在特定调制系数(m=0.94)下二次和一次谐波比值测量气体谱线峰值吸收率，该方法既可以有效抑制低频噪声，消除颗粒物浓度、激光强度波动的影响，提高信噪比和测量灵敏度；并且采用二次和四次谐波比值测量谱线线宽、二次和一次谐波比值测量气体谱线峰值吸收率，可以消除光电放大倍数和激光强度的影响，适用于震动、粉尘等恶劣的工业现场。该方法既适用于弱吸收环境，也可适用于强吸收的工况，有效地拓展了TDLAS技术波长调制法应用范围。

附图说明

图1是本发明的气体吸收率测量系统结构原理图。

图2是不同吸收率条件下m与R₂₄的关系曲线图，其中m是调制系数，R₂₄是特征谱线中心频率v₀处二次和四次谐波比值。

图3是不同吸收率条件下m与i₀R₂₁的关系曲线图，其中i₀R₂₁是二次和一次谐波比值R₂₁与线性光强系数i₀乘积。

图4是α(v₀)与i₀R₂₁的关系曲线图，其中α(v₀)是峰值吸收率。

图5是计算机数据处理系统采集到的R₂₄和i₀R₂₁随调制幅度a变化的曲线图。

图6(a)是三次计算谱线线宽γ、以及计算得到的调制系数m的情况；图6(b)是i₀R₂₁在m=0.94计算气体吸收率的结果。

图中：1—信号发生器；2—激光控制器；3—可调谐半导体激光器；4—压力计；5—温度计；6—气体介质；7—光电探测器；8—数据采集卡；9—计算机数据处理系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明提供了一种基于激光吸收光谱的气体吸收率在线测量方法，该方法包括了如下步骤：

1)根据待测气体种类，从光谱数据库中选取相对应的吸收光谱谱线，并提取光谱的中心频率v₀；

2)以可调谐半导体激光器3为光源，用激光控制器2控制可调谐半导体激光器3的输出频率稳定在中心频率v₀处；

3)将信号发生器1产生的高频调幅正弦信号输入到激光控制器2，以调制可调谐半导体激光器3的输出频率，确定调制幅度a和线性光强系数i₀；

4)将可调谐半导体激光器3输出的激光经准直后射入气体介质6中，透射的激光光强由光电探测器7接收并转换为电信号，经数据采集卡8采集后输入到计算机数据处理系统9中进行一次、二次和四次谐波检测，得到在特征谱线中心频率v₀处二次和四次谐波比值R₂₄随调制幅度a变化的曲线，以及二次和一次谐波比值R₂₁与线性光强系数i₀乘积i₀R₂₁随调制幅度a变化的曲线：

$R_{24}=\frac{S_{2f}}{S_{4f}}=-\frac{{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}\exp [-\mathrm{\α}(v_0+a\cos \mathrm{\θ})]\·\cos 2\mathrm{\θ}\·\mathrm{d\θ}}{{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}\exp [-\mathrm{\α}(v_0+a\cos \mathrm{\θ})]\·\cos 4\mathrm{\θ}\·\mathrm{d\θ}}---\left(1\right)$

式中，S_2f和S_4f分别是二次和四次谐波信号；θ∈[-π，π]；α(ν)为气体吸收率，用福伊特线型函数表示，由线宽γ及线型系数d决定，线宽γ是特征谱线半高宽的一半，线型系数d∈[-1,1]；从公式(1)中看出，R₂₄仅与调制幅度a和气体谱线的峰值吸收率α(v₀)有关；定义调制系数m=a/γ，对式(1)进行仿真计算得到如图2的一系列恒过定点的曲线簇：对于特定的吸收率，不管线型系数d如何变化，随着调制系数m的增大，R₂₄值单调减小且恒过不动点；而且随着吸收率增加，不动点的横纵坐标也随着增大，在峰值吸收率小于50%情况下，不动点坐标与吸收率的关系式如公式(2)：

$\left\{\begin{array}{c}{m}^{*}=2.4935+0.0377\mathrm{\α}\left(v_0\right)-0.00173\mathrm{\α}{\left(v_0\right)}^2\\ {R_{24}}^{*}=2.1856+0.3809\mathrm{\α}\left(v_0\right)+0.07535\mathrm{\α}{\left(v_0\right)}^2\end{array}\right.---\left(2\right)$

5)实际测量中，由于吸收率未知，首先假设R₂₄随调制系数m变化的曲线恒过近似不动点O₁(2.504,2.300)，根据这一不动点，在R₂₄随调制幅度a变化的曲线上找到R₂₄=2.300时对应的调制幅度则调制系数为根据调制系数的定义即得到特征谱线的线宽

以及不同调制幅度a对应的调制系数m；

6)二次和一次谐波比值R₂₁与线性光强系数i₀乘积i₀R₂₁随调制幅度a变化的曲线满足如下关系式：

${i_{0}R}_{21}=\frac{2{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}\exp [-\mathrm{\α}(v_0+a\cos \mathrm{\θ})]\·\cos 2\mathrm{\θ}\·\mathrm{d\θ}}{{\∫}_{-\mathrm{\π}}^{\mathrm{\π}}\exp [-\mathrm{\α}(v_0+a\cos \mathrm{\θ})]\·(1+\cos 2\mathrm{\θ})\·\mathrm{d\θ}}---\left(3\right)$

对公式(3)进行仿真计算得到如图3的一系列曲线簇：在相同吸收率条件下，无论线型如何变化，i₀R₂₁值均相交于一固定点，且固定点的纵坐标随着吸收率的增大而增大，但其横坐标变化很小，如在吸收率小于50%条件下，调制系数在0.94±0.005范围内取值。根据该特点，在测量中设定调制系数为0.94，则i₀R₂₁值与峰值吸收率α(v₀)有关而与线型基本无关，其关系曲线图如图4所示，关系式如下：

$\mathrm{\α}\left(v_0\right)=4.114\×(1-\sqrt{1-2.131i_0{R}_{21}})---\left(4\right)$

因此，在测量中，在i₀R₂₁曲线上找到调制系数m=0.94时对应的(i₀R₂₁)₁值代入公式(4)即可计算谱线峰值吸收率α₁(v₀)；

7)将上述计算得到的谱线峰值吸收率α₁(v₀)代入公式(2)，重新计算R₂₄曲线不动点O₂的坐标；

8)然后重复步骤5)～7)计算谱线的线宽γ₂和谱线峰值吸收率α₂(v₀)，直到气体吸收率α(v₀)收敛为止，此时即可得到气体谱线吸收率α(v₀)。

实施例：

1)实施例以测量CO₂的吸收率为例，根据待测气体种类，从光谱数据库中选取CO₂吸收光谱的中心频率v₀=6982.0678cm^-1；

2)以可调谐半导体激光器3为光源，调节激光控制器2的温度及电流，使可调谐半导体激光器3的输出频率稳定在中心频率v₀处；

3)将信号发生器1产生的高频调幅正弦信号输入到激光控制器2，以调制可调谐半导体激光器3的输出频率，确定调制幅度a和线性光强系数i₀，定义调制系数m=a/γ，其中γ为谱线的线宽，是特征谱线半高宽的一半；

4)将可调谐半导体激光器3输出的激光经准直后射入气体介质6中，透射的激光光强由光电探测器7接收并转换为电信号，经数据采集卡8采集后输入到计算机数据处理系统9中进行一次、二次和四次谐波检测，得到在中心频率v₀处二次和四次谐波比值R₂₄随调制幅度a变化的曲线，以及二次和一次谐波比值R₂₁与线性光强系数i₀乘积i₀R₂₁随调制幅度a变化的曲线；

5)在峰值吸收率小于50%情况下，设定R₂₄随调制系数m变化的曲线恒过近似不动点O₁(2.504,2.300)，根据这一不动点，在R₂₄随调制幅度a变化的曲线上找到R₂₄=2.300时对应的调制幅度

则调制系数为

根据调制系数的定义即得到特征谱线的线宽以及不同调制幅度a对应的调制系数m；

6)在i₀R₂₁曲线上找到调制系数m=0.94时对应的(i₀R₂₁)₁值为0.03576代入公式(1)计算谱线峰值吸收率α₁(v₀)=15.99%，其中，j=1,2,3...

${\mathrm{\α}}_j\left(v_0\right)=4.114\×(1-\sqrt{1-2.131{\left(i_0{R}_{21}\right)}_j}),j=\mathrm{1,2,3}...---\left(1\right)$

7)将上述计算得到的谱线峰值吸收率α₁(v₀)代入公式(2)，计算R₂₄随调制系数m变化的曲线不动点的坐标O₂(2.49995,2.2484)：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_{j+1}^{*}=2.4935+0.0377{\mathrm{\α}}_j\left(v_0\right)-0.00173{\mathrm{\α}}_j{\left(v_0\right)}^2\\ {\left(R_{24}^{*}\right)}_{j+1}=2.1856+0.3809{\mathrm{\α}}_j\left(v_0\right)+0.07535{\mathrm{\α}}_j{\left(v_0\right)}^2\end{array}\right.---\left(2\right)$

8)然后重复步骤5)～7)计算谱线的线宽γ₂=2.614×10^-2cm^-1，将m=0.94时对应的(i₀R₂₁)₂=0.03771代入公式(1)计算峰值吸收率α₂(v₀)=16.41%，第三次迭代得到：γ₃=2.612×10^-2cm^-1，α₃(v₀)=16.40%，此时气体吸收率α(v₀)收敛，因此α(v₀)=16.40%。

Claims (1)

1.一种基于调制系数的气体吸收率在线测量方法，其特征是该方法包括如下步骤：

1)根据待测气体种类，从光谱数据库中选取相对应的吸收光谱谱线，并提取光谱的中心频率v₀；

2)以可调谐半导体激光器(3)为光源，用激光控制器(2)控制可调谐半导体激光器(3)的输出频率稳定在中心频率v₀处；

3)将信号发生器(1)产生的高频调幅正弦信号输入到激光控制器(2)，以调制可调谐半导体激光器(3)的输出频率，确定调制幅度a和线性光强系数i₀，定义调制系数m=a/γ，其中γ为谱线的线宽，是特征谱线半高宽的一半；

4)将可调谐半导体激光器(3)输出的激光经准直后射入气体介质(6)中，透射的激光光强由光电探测器(7)接收并转换为电信号，经数据采集卡(8)采集后输入到计算机数据处理系统(9)中进行一次、二次和四次谐波检测，得到在中心频率v₀处二次和四次谐波比值R₂₄随调制幅度a变化的曲线，以及二次和一次谐波比值R₂₁与线性光强系数i₀乘积i₀R₂₁随调制幅度a变化的曲线；

5)在峰值吸收率小于50%情况下，设定R₂₄随调制系数m变化的曲线恒过近似不动点O₁(2.300,2.504)，根据这一不动点，在R₂₄随调制幅度a变化的曲线上找到R₂₄=2.300时对应的调制幅度

则调制系数为

根据调制系数的定义即得到特征谱线的线宽

以及不同调制幅度a对应的调制系数m；

6)在i₀R₂₁曲线上找到调制系数m=0.94时对应的值(i₀R₂₁)₁代入公式(1)计算谱线峰值吸收率α₁(v₀)：

${\mathrm{\α}}_j\left(v_0\right)=4.114\×(1-\sqrt{1-2.131{\left(i_0{R}_{21}\right)}_j}),j=\mathrm{1,2,3}...---\left(1\right)$

7)将上述计算得到的谱线峰值吸收率α₁(v₀)代入公式(2)，计算R₂₄随调制系数m变化的曲线不动点O₂的坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_{j+1}^{*}=2.4935+0.0377{\mathrm{\α}}_j\left(v_0\right)-0.00173{\mathrm{\α}}_j{\left(v_0\right)}^2\\ {\left(R_{24}^{*}\right)}_{j+1}=2.1856+0.3809{\mathrm{\α}}_j\left(v_0\right)+0.07535{\mathrm{\α}}_j{\left(v_0\right)}^2\end{array}\right.---\left(2\right)$

8)然后重复步骤5)～7)，计算谱线的线宽γ₂和谱线峰值吸收率α₂(v₀)，直到气体吸收率α(v₀)收敛为止，此时即得到气体谱线吸收率α(v₀)。

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