CN107389607A - 一种单条吸收谱线实现气体多参数测量的方法 - Google Patents

一种单条吸收谱线实现气体多参数测量的方法 Download PDF

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    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers

Abstract

本发明属于气体浓度、温度、压力或流速的测量技术领域，为实现根据单条气体吸收谱线获取该气体的线宽及温度、浓度和压强实现最佳检测的方法，无需增加设备，通过对待测气体实施本方案，可以提高气体的温度、浓度和压强检测的精确度，该方法适用于气体的在线、原位或离线检测。为达到上述要求，本发明的技术方案是：一种单条吸收谱线实现气体多参数测量的方法，步骤是：从HITRAN数据库选取符合要求的单条吸收谱线，根据公式计算得到待测气体的近似福伊特展宽，并根据所提出的直和模型得到近似洛伦兹线宽和高斯展宽，进而获取气体的温度、浓度、压强。本发明主要应用于气体检测。

Description

一种单条吸收谱线实现气体多参数测量的方法
技术领域
本发明属于气体浓度、温度、压力或流速的测量技术领域，涉及多气体组分同时检测或者对单一气体的多条吸收谱线的气体温度、浓度和压强的检测，通过对所有待测谱线实施本方案，实现气体的温度、浓度和压强检测灵敏度提高的方法，具体讲，涉及气体的温度、浓度和压强的检测的最佳实现方法。
背景技术
可调谐二极管激光吸收光谱分析(Turnable Diode Laser Absorptionspectroscopy)简称TDLAS技术，是一种高灵敏度、高分辨率和快速响应的气体检测技术，广泛应用于工业过程控制、燃烧过程诊断分析、生物医疗及科学研究等领域。自TDLAS实验系统中可得到气体的吸收光谱，该谱线蕴含大量的气体信息，包括气体的浓度、温度及压力等参数，通过对吸收光谱进行选线处理并展开一系列分析，可以在线或离线检测气的温度、浓度、压力。
TDLAS系统中的测温方法包括：高斯展宽、双线测温、多线测温法等，对于气体温度的分析测量，通常采用双线测温法，该方法基于光谱的积分吸光度A，在等光程、压力、摩尔浓度下同时测得两条线的积分吸光度(面积)，将二者之比可简化为线强之比，得到温度的单值单调函数，通常意义下，该温度为路径平均意义下的等效温度值。双线测温在很大程度上提高了气体温度测量的准确度，简化了数据处理的流程，但在实际搭建实验系统进行实验时，需配备两台激光器或引入光纤分束器产生两束激光，增加系统的硬件开销和运行成本。
此外，多线测温法多采用对燃烧流场的温度测量，采用多个激光器将测得的m条直接吸收谱线，在整个测量路径中压强保持不变，据此建立一组积分吸光度的非线性方程组。对于方程组的处理，在数学上可归结为最小二乘的求解问题，对数学能力要求较高，并多用于燃烧流场的温度分布模型的建立，对实验及工厂等普通测温的要求适用性不强，而且投入多个激光器造价昂贵。
华东师范大学的刘玉燕等人提出了一种计算单线线宽的方式，即测量计算福伊特线宽，在洛伦兹线宽与总线宽相比较小时可以将计算误差减小到百分之一以下，当洛伦兹线宽所占比重提升，模型不再适用，且并未对该方法进一步拓展利用；名古屋大学的Feng-Yuan Zhang等人在温度检测方面提出温度达高达5000K以上时只考虑高斯展宽，简化计算过程，但该模型适用于测量高温情况的测量，并不适用于低温时的温度检测，不具备通用性。故本发明在前人的理论研究基础上提出了单线测温的方法，不仅提高了检测精度，在测量温度的同时准确的测出气体的浓度及压强。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种能够满足同时检测气体的温度、浓度、压强，尤其是对温度实现最佳检测的实用方法。基于本发明的方法，可以提高在不增加系统硬件的情况下提高对气体浓度、压强、温度的检测灵敏度，该方法可用于气体的在线检测。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：单谱线检测气体温度的直和模型实现方法，其特征是，检测气体对激光的吸收谱线对包括浓度、压力、温度的气体的参数的测量，其特征是，从吸收光谱选取满足要求的谱线通过所提出的直和模型获得气体吸收谱线的线宽，进而获取气体的浓度、压力、温度。
从吸收光谱中选取无干扰的单谱线计算福伊特线宽，并满足洛伦兹线宽与高斯线宽之比应尽量大(≥4)，引入直和模型的特征参数与气体吸收谱线参数、无量纲参数d均相关。具体如下：
根据福伊特线型的直和模型公式：
其中cL及cG为直和模型的系数，通过阅读前人的相关文献可得其表达式，引入无量纲系数d＝(ΔvL-ΔvG)/(ΔvL+ΔvG)
cL＝0.68188(17)+0.61293(31)*d-0.18384(39)*d2-0.11568(44)*d3
cG＝0.32460(17)+0.61825(31)*d+0.17681(39)*d2+0.12109(44)*d3
求解：洛伦兹线宽为ΔvL＝2*[(1-χ)*Δγair+χ*Δγself](1)
高斯线宽为
福伊特线宽为
其中，T为气体温度，单位：K，χ为气体浓度，Δγair和Δγself分别为气体的空气展宽和自展宽系数；M为气体摩尔质量，单位：g/mol；P为压强，单位：atm，积分吸光度A可以从吸收谱线中获取。
对直和系数cL及cG的求解采用非线性方程进行多项式拟合，并解得d，利用d与已知的福伊特线宽，结合经验公式解得较为精确的高斯线宽和洛伦兹线宽，并根据高斯线宽ΔvG，积分吸光度A＝P·χ·Si(T)·L与洛伦兹线宽ΔvL联立求得待测气体的温度T、浓度χ、压强P。
本发明的技术特点：可以对吸收光谱内的所有气体吸收谱线都可以进行浓度、温度和压强的反演，极大程度减少了谱线周边的各种噪声的影响，避免了对福伊特线宽的直接计算，实现最佳的气体温度检测。并可以提高气体检测中的精度，本发明可以用于单气体的温度检测，也可以用于浓度和压强检测，在需要对气体的温度、浓度、压强等多方位测量时的情况下优势明显。
附图说明
图1为本发明方法的计算流程框图
图2是应用本发明方法的进行气体检测的TDLAS框图(实施例1、2)
图3、图5分别为实施例1和实施例2的吸收谱线选择图
图4、图6分别为实施例1和实施例2的福伊特线型、洛伦兹线型和高斯线型的拟合曲线图
1从TDLAS系统中获取吸收谱线
2谱线选择：高斯线宽与洛伦兹线宽之比控制为≤7
3计算福伊特线宽
4引入无参变量d
5引入直和模型求解直和系数cL、cG
6求解无参变量d
7计算洛伦兹线宽、高斯线宽
8联立求解气体温度、浓度、压力
9激光驱动器
10二极管激光器
11信号发生器
12与14光准直透镜
13待测气体
15光电探测器
16前置放大器
17锁相放大器
18AD转换器
19嵌入式处理器(计算机)
具体实施方式
本发明是一种根据气体的吸收谱线获取气体温度、浓度和压强的最佳检测方法，基于前人的理论基础，从气体吸收谱线中计算得到单吸收谱线的线宽，引入无量纲参数d，根据经验公式获取精确的高斯线宽和洛伦兹线宽，并结合积分吸光度反演出气体的温度、浓度和压强。本发明主要用于气体温度、浓度和压强的多参数测量。
本发明的技术方案是：
一种根据气体的吸收谱线获取气体温度、浓度和压强的最佳检测方法是利用TDLAS系统获取气体吸收谱线并选择符合要求的单谱线，结合直和模型获取线宽，计算线宽的作用是提高测量参数的精确度，提高数据处理的效率或其他好处。
直和模型的引入避免了对吸收谱线线宽的直接计算，直和系数cL及cG的特征参数与气体吸收谱线的高斯线宽ΔvG、洛伦兹线宽ΔvL、福伊特线宽ΔvV以及包括无量纲参数d、气体温度T、压强P、浓度χ等参数特性相关，具体如下：
引入本专利所提出关于福伊特线宽计算的直和模型公式：
其中cL及cG为该直和模型的系数，通过阅读前人的相关文献可得其表达式，引入无量纲系数d＝(ΔvL-ΔvG)/(ΔvL+ΔvG)
cL＝0.68188(17)+0.61293(31)*d-0.18384(39)*d2-0.11568(44)*d3
cG＝0.32460(17)+0.61825(31)*d+0.17681(39)*d2+0.12109(44)*d3
求解：洛伦兹线宽为ΔvL＝2*[(1-χ)*Δγair+χ*Δγself](1)
高斯线宽为
福伊特线宽为
其中，T为气体温度，单位：K，χ为气体浓度，Δγair和Δγself分别为气体的空气展宽和自展宽系数；M为气体摩尔质量，单位：g/mol；P为压强，单位：atm，积分吸光度A直接从谱线中获取。
本发明中的直和系数cL及cG的求解采用非线性的方法进行多项式拟合，并解得d，利用d与已知的福伊特线宽，结合经验公式解得较为精确的高斯线宽和洛伦兹线宽，并根据高斯线宽ΔvG，积分吸光度A＝P·χ·Si(T)·L与洛伦兹线宽ΔvL联立求得待测气体的温度、浓度、压力等参量。
下面结合附图和具体实验详细说明本发明的具体实施方式：
根据实验室现有的激光器选取吸收波长为1412nm，下面对具体实验进行分析。
实施例1：(1412nm激光器，T＝296K)
下面以分析水分子吸收谱线1414.127nm为例，说明实施直和模型计算该气体的浓度、温度、压强的测量方法。查阅HITRAN数据库，可以得到该谱线的吸收线强为7.855E-21cm/molecule。从吸收曲线和吸收系数曲线中选择出13条可供选择的吸收峰，经过计算得到在波数为7071.49757cm-1处，且ΔvL/ΔvG为5.589786，最终选择该吸收曲线。
WN＝7071.49757cm-1
WN，cm-1 λ，nm S，cm/mol vair，cm-1 vself，cm-1
7071.49757 1414.127616 7.855E-22 0.0511 0.39
T＝296K，P＝1atm，浓度χ＝1.86％，光程长L＝100cm。
洛伦兹线宽：vL＝2*[(1-χ)*Δγair+χ*Δγself]＝0.114807cm-1
高斯线宽：
ΔvL/ΔvG＝5.589786
福伊特线宽：
积分吸光度A＝P·χ·Si(T)·L＝9.60E-02cm-1
利用全局优化的方法进行直和模型拟合得到拟合系数cG＝0.0240，cL＝0.9769。通过使用文献中的公式，得到结果d为0.6790。利用以上数据以及经验公式得到高斯线宽为0.021853cm-1，洛伦兹线宽为0.114302cm-1，吸收线强S(T)＝5.16E-02(cm-2，atm-1)
利用线宽结合公式得到实验温度为T＝335.08878(K)，相对误差13.2056％；浓度为1.79％，相对误差是3.7634％；P＝1.0394atm，相对误差为3.9400％。
由此得到了实验中气体的温度、浓度、压力，简化计算并提高了测量精度。
实施例2：1412nm激光器(500K)
以分析水分子吸收谱线1414.127nm为例，说明实施直和模型计算该气体的浓度、温度、压强的测量方法。查阅HITRAN数据库，可以得到该谱线的吸收线强为4.11E-21cm/molecule。从吸收系数曲线中选择出2条可供选择的吸收峰，经过计算得到在波数为7094.683cm-1处ΔvL/ΔvG为3.566382，最终选择该曲线进行实验。
WN＝3.5663821cm-1
WN，cm-1 λ，nm S，cm/mol vair，cm-1 vself，cm-1
7094.683 1，409.5063 5.74E-21 0.0429 0.304
T＝500K，P＝1atm，仿真浓度χ＝1.86％，光程长L＝100cm。
洛伦兹线宽：ΔvL＝2*[(1-χ)*Δγair+χ*Δγself]＝0.095513cm-1
高斯线宽：
ΔvL/ΔvG＝3.5663821
福伊特线宽：
积分吸光度A＝P·χ·Si(T)·L＝1.57E-01cm-1
利用全局优化的方法进行直和模型拟合得到拟合系数cG＝0.0548，cL＝0.9471。通过使用文献中的公式，求得d结果为0.5605。利用以上数据以及经验公式得到高斯线宽为0.026884cm-1，洛伦兹线宽为0.095456cm-1，吸收线强S(T)为8.43E-02(cm-2，atm-1)
利用线宽结合公式得到实验温度为T＝503.8431(K)，相对误差0.7686％；浓度为1.85％，相对误差是0.5376％；P＝1.0067atm，相对误差为0.6700％。
基于此可以分析得，该方法测量误差小，可以应用于气体的温度、浓度、压强等参数测量。

Claims (4)

1.一种气体单谱线温度检测的直和模型的实现方法，其步骤是：利用TDLAS系统获取气体吸收谱线，选择合适的单谱线计算线宽，进而获取包括温度、浓度和压强在内的气体参数，其特征是：计算线宽阶段根据提出的直和模型实现对气体吸收谱线线宽的求解。
2.如权利要求1所述的气体单谱线温度检测的直和模型的方法，其特征是，从吸收光谱中选取无干扰的单谱线计算福伊特线宽，并满足洛伦兹线宽与高斯线宽之比应尽量大(≤5)，引入直和模型的特征参数与气体吸收谱线参数、无量纲参数d均相关。
3.如权利要求2所述的气体单谱线温度检测的直和模型的方法，其特征是，所述相关参数具体为：引入直和模型的直和系数cL及cG特征参数与气体吸收谱线洛伦兹线宽ΔvL、高斯线宽ΔvG、福伊特线宽ΔvV以及包括无量纲参数d、气体温度T、压强P、浓度χ等参数特性相关。
4.如权利要求3所述的气体单谱线温度检测的直和模型的方法，其特征是：对于直和系数cL及cG的求解非线性方程进行多项式拟合，并解得d，利用d与已知的福伊特线宽，结合经验公式解得较为精确的高斯线宽和洛伦兹线宽，并根据高斯线宽的表达式；积分吸光度A与洛伦兹展宽联立求得待测气体的温度T、浓度χ、压强P。
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