基于TDLAS技術的CO2濃度測量

王雪梅 劉 石

(華北電力大學控制與計算機工程學院，北京 102206)

基于TDLAS技術的CO2濃度測量

王雪梅 劉 石

(華北電力大學控制與計算機工程學院，北京 102206)

基于可調諧半導體激光吸收光譜(TDLAS)技術，結合HITRAN數據庫對CO2吸收譜線進行分析，選擇對1 572.3nm附近的CO2吸收譜線進行掃描，搭建TDLAS單光路測量實驗系統。采用直接測量方法，對一定濃度的CO2氣體進行濃度測量。針對線型函數，提出了擬合吸收譜線加寬調諧范圍積分和加入線型積分修正系數兩種方法，并對兩種方法做出了比較，得到較為準確的修正方法。

濃度測量 可調諧半導體激光吸收光譜 吸收譜擬合 線型函數

隨著目前電力、鋼鐵、石油、冶金、造紙及水泥等行業的迅速發展，造成的環境污染壓力越來越大，如溫室效應、酸雨及臭氧層破壞等，已經嚴重影響人們的日常生產和生活，因此節能減排成為重中之重。煤炭等化石燃料的燃燒是大氣中CO2劇增的重要原因[1]。通過在線實時監測CO2濃度，可以為燃燒的優化提供可靠參數，從而提高燃燒效率，達到節能減排的目的。同時，通過對CO2濃度的可靠測量，可以提高設備的安全性，保證人身安全。

可調諧半導體激光吸收光譜(TDLAS)技術通過掃描氣體特征譜線，實現對氣體的實時檢測，具有靈敏度高、非接觸式測量、操作方便及不受背景氣體干擾等優勢。且隨著二極管激光光源逐漸向高功率、小型化、低成本、高壽命方向發展，使它成為氣體檢測的理想型光源，可滿足工業領域對氣體在線實時檢測的要求[2,3]。

1 實驗原理

當一束強度為Io的激光穿越長度為L的氣體介質時，由于氣體介質對特定波長的吸收，激光強度會發生衰減。入射強度Io和透射光強It遵循Lambert-Beer定律[4～6]：

It=Io·exp[-S(T)φ(v-v0)pXL]

(1)

其中，Io為光線穿過被測氣體前的激光強度，mW；It為光線穿過被測氣體后的強度，mW；p為被測氣體總壓力，atm(1atm=101325Pa)；X為被測氣體的體積分數；L為光通過的路程，cm；S(T)為吸收譜線的線強，cm-2atm-1，表示該譜線對光強度吸收的強弱，可以運用分子光譜數據庫HITRAN進行計算[7]；φ(v-v0)為線型函數，cm，表示被測氣體吸收譜線的形狀，與溫度、壓力、各組分含量有關。

(2)

2 實驗過程

2.1實驗選用的測量吸收譜線和環境參數

對于吸收譜的選擇，主要需考慮其他氣體的干擾。實驗測量時主要雜質氣體為N2、O2和H2O。N2在這一段波長沒有吸收，O2、H2O和CO2自身吸收系數如圖1所示。從圖中可以看出，CO2在6 359～6 361cm-1波段內相對于H2O和O2在數量級上大兩個以上，因此測量結果受到的干擾可以忽略。同時，由于位于1 570.0nm左右中心波長的激光器加工生產工藝較為成熟，可以更好地保證實驗的精確性。因此，選用中心位置為1 572.3nm的吸收譜線。

圖1 氣體吸收系數曲線

實驗中的環境參數為：吸收池內溫度23℃，壓力為常壓1atm。

2.2激光器電流調諧標定

實驗采用的激光器為英國古奇公司的100MW、中心波長為1 571.24nm的激光器，配以美國索雷博公司的ITC4001激光控制器。通過調節電流控制激光器的輸出波長。

實驗前，利用波長計對激光器進行標定。由于所選用的波長在激光器調諧的線性區，所以實驗利用標定數據進行了線性擬合，結果如圖2所示。可利用擬合后的曲線求解輸出實時波長。通過外部電壓調節激光控制器進行電流調諧，使激光器在波長1 572.152～1 572.483nm范圍內掃描。

圖2 電流調諧擬合曲線

2.3單光路實驗系統

根據直接吸收測量原理，設計實驗系統總體流程如圖3所示。

圖3 實驗系統總體流程

經激光控制器電流調諧后發出的掃描激光經過準直器提高能量密度后，進入氣體吸收池，通過光電探測器，將吸收衰減后的光信號轉換成電信號，使用數據采集卡進行采集，在計算機上進行數據顯示、處理與繪圖。

分別對不同體積分數的CO2氣體進行驗證性實驗。首先通入純N2對吸收池內進行吹掃，盡量避免其余氣體的干擾。一段時間后改為通入體積分數為99.99%的CO2氣體，通過控制氣罐安全閥開度來控制濃度，濃度值通過紅外濃度測量儀示數讀出。當達到預先設定的濃度時，吸收池進氣保持一定的速度，使池內維持在當前濃度。利用信號發生器對激光器進行調諧，利用信號采集卡對數據進行采集與保存。

3 實驗結果與分析

對不同濃度的CO2氣體進行實驗測量，由于每次數據采集處理的過程類似，筆者以體積分數79%為例對整個實驗數據處理過程進行詳細說明。

通過采集卡得到經CO2吸收后的測量信號，選取中間穩定階段的一個完整周期，然后進行兩步擬合。首先是初始強度Io的擬合。由于激光控制器的外部調諧電壓為鋸齒波，控制其輸出電流為線性，而激光器的模式為電流調節功率的模式，且對應的調諧電流在電流功率線性區，故對應的功率也是線性的，從而初始光強應是線性的。取調諧曲線的前一部分和后一部分做線性擬合，擬合結果如圖4所示。

其次是吸收譜的擬合。吸收譜符合以中心波長對稱的分布規律，但是由于調諧本身和環境影響，通常直接對光譜吸收信號進行積分時誤差比較大，因此一般采用與線型函數形式相同的方式進行擬合，選用Lorentz線型函數對吸收部分進行擬合，擬合結果如圖5所示。

根據擬合的吸收譜，使用式(2)，利用直接吸收法可以求解出濃度。通常將線型函數頻域的積分記為1，但實際實驗中，由于激光掃描的范圍較窄，不宜用整個頻域上的積分代替，這時使用兩種方法進行處理。方法1是吸收譜擬合出來以后，通過擬合公式求出較寬掃描范圍吸收值，然后積分，這種方式對吸收譜的擬合要求非常高，吸收譜的誤差會帶來整個大積分范圍較大的誤差。方法2是定義一個修正系數，而這個修正系數與右邊線型函數的積分有關，筆者選取對理想線型函數進行該頻域的積分如圖6所示。可以看出，隨著體積分數的增大，線型積分值相應減小，但是減小的范圍非常小，最大的相對變化為3%左右，所以筆者統一取修正系數為0.916，也就是整個區域積分值的平均，這樣線型修正的最大誤差只在1.5%左右。

圖4 初始光強擬合

圖5 吸收譜擬合

表1為分別通過兩種方法得出的不同濃度下TDLAS最終的實驗測量值，其中方法1選取的波數積分范圍為6 340～6 380cm-1，這個范圍下理想的線型函數積分都在0.99以上，關于這個范圍的選取，由于吸收譜的擬合存在誤差，所以并非越寬越好。

圖6 實驗調諧范圍線型積分值

表1 TDLAS濃度測量結果 %

兩種方法的誤差如圖7所示。

圖7 兩種方法的誤差對比

可以看出，測量值相對實際值都偏小。從總體上看，方法1相對方法2誤差變化較小，但方法2的修正誤差絕對值小。其中誤差波動產生區別的原因是方法1的誤差主要來自于吸收譜擬合自身的誤差，而在兩側吸收譜線是相對平滑的，所以變化較小，方法2是直接取平均，這在兩側就會帶來較大的波動。為了更精確地得出測量結果，可以利用方法1對數據進行處理后，將得出的測量濃度乘以一個固定的大于1的數，由于方法1得出的數據整體偏小，而且誤差穩定，所以只要系數選取合理，其處理結果將更為精確。

4 結束語

主要介紹了所搭建的TDLAS單光路實驗測量系統，重點對數據的采集、處理進行了介紹。對于吸收譜選擇先進行函數擬合再對調諧波長范圍積分，對最終的濃度修正提出了擬合吸收譜線加寬調諧范圍積分和加入線型積分修正系數兩種方法，并對兩種方法做出了比較，以得到較準確的測量數據。

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CO2ConcentrationMeasurementBasedonTDLAS

WANG Xue-mei, LIU Shi

(SchoolofControlandComputerEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China)

Based on the tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) and combined with HITRAN database, an absorption line of CO2near 1 572.3nm was selected for scanning and the experimental system for TDLAS single optical measurement was set up. The direct measurement was adopted to measure CO2gas of certain concentration. As for the linear function, two methods based on fitting absorption lines and widening tuning range integral and adding the correction coefficient of linear integral were proposed and compared for a more accurate correction method.

concentration measurement, TDLAS, fitting absorption spectrum, linear function

TN247

A

1000-3932(2016)11-1158-04

2016-05-11(修改稿)

教育部高等學校學科創新引智計劃(又稱“111計劃”)項目(B13009)