基于TDLAS技術(shù)的H2O濃度及溫度測(cè)試研究

呂曉靜 徐恩華

【摘 要】H2O是燃燒過(guò)程重要產(chǎn)物之一，對(duì)其濃度和溫度的監(jiān)測(cè)有助于更準(zhǔn)確地了解工作過(guò)程。基于激光吸收光譜技術(shù)，利用波段為1392nm激光器通過(guò)直接測(cè)量法對(duì)環(huán)境中H2O組分進(jìn)行了氣體濃度和溫度測(cè)量，測(cè)得H2O的氣體濃度值為36%，溫度值為342K。并對(duì)測(cè)量結(jié)果誤差進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。該研究可為TDLAS技術(shù)應(yīng)用于民航等領(lǐng)域環(huán)境安全監(jiān)測(cè)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】激光;譜線;濃度;溫度

中圖分類號(hào)： TN248.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）23-0150-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.070

0 引言

近年來(lái)，石油化工、生化制藥及航空航天等領(lǐng)域飛速發(fā)展，為保證工業(yè)生產(chǎn)安全高效進(jìn)行，需要對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)[1]。對(duì)燃燒產(chǎn)物及環(huán)境溫度的在線實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)不僅對(duì)過(guò)程控制具有重要指示作用，還可以為環(huán)境保護(hù)及進(jìn)一步科學(xué)研究提供數(shù)據(jù)參考[2]。半導(dǎo)體激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)是一種無(wú)損式氣體監(jiān)測(cè)手段，測(cè)量過(guò)程中無(wú)需提前預(yù)處理及取樣，且可實(shí)現(xiàn)多種氣體同時(shí)在線測(cè)量，具有非常廣闊的應(yīng)用前景[3]。H2O是燃燒過(guò)程重要產(chǎn)物之一，對(duì)其濃度和溫度的監(jiān)測(cè)有助于更準(zhǔn)確地了解工作過(guò)程。文章利用波段為1392nm激光器通過(guò)直接測(cè)量法對(duì)環(huán)境中H2O組分進(jìn)行了氣體濃度和溫度測(cè)量。該研究可為TDLAS技術(shù)應(yīng)用于民航等領(lǐng)域環(huán)境安全監(jiān)測(cè)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 測(cè)試譜線選取及實(shí)驗(yàn)介紹

1.1 譜線選取

測(cè)試基于Beer-Lambert吸收定律[4]，需要選擇合適的吸收譜線。實(shí)驗(yàn)激光器為1393nm可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器。通過(guò)HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢得到在常溫環(huán)境下波數(shù)為7178cm-1附近H2O分子的光譜分布情況。在激光器掃描范圍內(nèi)，篩選出吸收信號(hào)明顯且能夠避免譜線之間相互干擾的幾條譜線，并最終選取位于7181.15578cm-1的譜線對(duì)空氣中H2O的濃度進(jìn)行測(cè)量研究，選擇位于7181.15578與7182.20911cm-1譜線完成空氣中H2O溫度的測(cè)量。

由HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)查詢計(jì)算得到，7181.15578cm-1和7182.20911cm-1的線強(qiáng)比與溫度的關(guān)系如圖1所示。觀察該圖可知，譜線強(qiáng)度比值和溫度是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)獲得兩條譜線的強(qiáng)度比值，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量。溫度200-1000K范圍內(nèi)，測(cè)量靈敏度較高。

1.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及操作

采用TDLAS技術(shù)對(duì)H2O的濃度及溫度進(jìn)行測(cè)量的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程如圖2所示。0.2-1V鋸齒波掃描電壓加載在驅(qū)動(dòng)電路的調(diào)制端口產(chǎn)生激光信號(hào)。紅外激光通過(guò)光纖輸出，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直后，射入吸收池。由于吸收池內(nèi)承載著待測(cè)氣體，所以紅外光在經(jīng)過(guò)吸收池氣體透射后，強(qiáng)度根據(jù)消光定律發(fā)生衰減，衰減后的紅外光從另一端射出，通過(guò)大面積探測(cè)器探測(cè)，得到電信號(hào)。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)顯示、保存。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖3為采集得到的7181.15578cm-1和7182.20911cm-1附近的掃描波形。

截取掃描波形的一個(gè)周期，并利用曲線進(jìn)行多項(xiàng)式線性擬合方法確定基線并分別對(duì)兩條曲線作數(shù)學(xué)運(yùn)算-ln（A/B），便得到吸收波峰曲線，對(duì)測(cè)量得到的光譜吸收率信號(hào)并通過(guò)利用洛倫茲線型擬合函數(shù)進(jìn)行擬合計(jì)算，然后對(duì)橫坐標(biāo)進(jìn)行波數(shù)（或波長(zhǎng)）標(biāo)定。

通過(guò)洛倫茲擬合曲線可以得到譜線在頻域內(nèi)的積分面積。分別為A1=0.18548和A2=0.0178508。

在已知吸收率曲線對(duì)頻率域的積分A1、大氣壓強(qiáng)P、吸收譜線強(qiáng)度S（T）和吸收光程L的情況下，根據(jù)公式經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算計(jì)算我們可以很容易得出所測(cè)H2O的氣體濃度值為36% ;譜線對(duì)在頻域上的積分面積比為A1：A2=10.391，根據(jù)線強(qiáng)比值與溫度的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算得到所測(cè)H2O的氣體溫度值為342K。

激光器的強(qiáng)度會(huì)隨測(cè)試過(guò)程的進(jìn)行而發(fā)生細(xì)微變化。當(dāng)吸收信號(hào)減弱至與激光背景強(qiáng)度變化同一數(shù)量級(jí)的水平時(shí)，很難將吸收信號(hào)提取出來(lái)。另外，由于所使用的探測(cè)器沒(méi)有溫控裝置，所以長(zhǎng)時(shí)間工作的條件下，電子元件的輸出信號(hào)將產(chǎn)生溫度漂移，一旦探測(cè)器的響應(yīng)隨著溫度發(fā)生變化，則得到的激光強(qiáng)度電壓信號(hào)將發(fā)生變化，這樣將給測(cè)量帶來(lái)很大的誤差。除此以外，數(shù)據(jù)處理過(guò)程，如基線確定、洛倫茲線型擬合等也會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)一定誤差。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]張楊，范穎，王哲，等.基于可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)的硫化氫檢測(cè)方法研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2017，31（12）：1943-1947.

[4]呂曉靜，李寧，翁春生.高壓環(huán)境下1.58μm波段CO2吸收光譜特性分析[J].物理學(xué)報(bào)，2012，61（23）：234205.