[发明专利]一种基于激光吸收光谱的气体浓度在线测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于激光吸收光谱的气体浓度在线测量方法，特别涉及在气体浓度较大时，提高气体测量精度的二阶泰勒近似测量方法。

背景技术

可调谐激光二极管吸收光谱技术(Tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS)利用窄带的激光扫描气体分子的吸收线，通过分析被气体分子吸收后的激光强度得到待测气体的浓度和温度。与传统的采样式气体检测技术相比，TDLAS技术具有众多优势，不仅可实现非接触式在线测量，而且选择性强、灵敏度高，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。

激光穿过被测气体后，激光透过率τ(v)可以用Beer-Lambert定律描述：

式中，I₀为无吸收气体时的背景信号光强，I_t为有气体吸收时的吸收信号光强，P为气体总压，L为激光吸收光程，X为待测气体浓度，S(T)为谱线的线强度，为分子吸收线型函数，α(v)为光谱吸收率。

目前TDLAS测量方法可分为直接吸收法和波长调制法。

对公式(1)两边求对数，再在整个频域内积分，即可得到气体浓度的表达式如下：

X=∫-∞∞α(v)dvPS(T)L=APS(T)L---(2)]]>

其中A为光谱吸收率在频域上的积分值。

从(2)式知，在气体温度T、压力P和激光吸收光程L已知的情况下，将光谱吸收率α(v)在整个频域上进行积分并将其代入(2)式即可得到气体浓度的绝对值X，此即为直接吸收法。

直接吸收法在测量中容易受到颗粒物浓度、激光强度波动的影响，且在高压下谱线重叠严重，无法准确获取基线及吸收率函数，不适宜用于恶劣的工业环境，难以满足气体测量精度要求。

科研工作者将波长调制(Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS)引入TDLAS技术以提高测量精度和灵敏度。将激光器通过低频电流调制，使其以频率扫描吸收谱线，再注入一个角频率ω的高频正弦信号同时对激光输出频率和光强进行调制，此时，激光瞬时频率为：a为调制幅度，定义m＝a/Δv为调制系数，其中Δv为吸收谱线的二分之一半高宽。

在弱吸收情况下，即当光谱吸收率时，可以对Beer-Lambert定律进行一阶泰勒级数近似，如公式(3)所示：