王雪梅 劉 石

(華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京 102206)

基于TDLAS技術(shù)的CO2濃度測(cè)量

王雪梅 劉 石

(華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京 102206)

基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)，結(jié)合HITRAN數(shù)據(jù)庫對(duì)CO2吸收譜線進(jìn)行分析，選擇對(duì)1 572.3nm附近的CO2吸收譜線進(jìn)行掃描，搭建TDLAS單光路測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。采用直接測(cè)量方法，對(duì)一定濃度的CO2氣體進(jìn)行濃度測(cè)量。針對(duì)線型函數(shù)，提出了擬合吸收譜線加寬調(diào)諧范圍積分和加入線型積分修正系數(shù)兩種方法，并對(duì)兩種方法做出了比較，得到較為準(zhǔn)確的修正方法。

濃度測(cè)量 可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜 吸收譜擬合 線型函數(shù)

隨著目前電力、鋼鐵、石油、冶金、造紙及水泥等行業(yè)的迅速發(fā)展，造成的環(huán)境污染壓力越來越大，如溫室效應(yīng)、酸雨及臭氧層破壞等，已經(jīng)嚴(yán)重影響人們的日常生產(chǎn)和生活，因此節(jié)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)CO2濃度，可以為燃燒的優(yōu)化提供可靠參數(shù)，從而提高燃燒效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。同時(shí)，通過對(duì)CO2濃度的可靠測(cè)量，可以提高設(shè)備的安全性，保證人身安全。

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)通過掃描氣體特征譜線，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的實(shí)時(shí)檢測(cè)，具有靈敏度高、非接觸式測(cè)量、操作方便及不受背景氣體干擾等優(yōu)勢(shì)。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(fā)展，使它成為氣體檢測(cè)的理想型光源，可滿足工業(yè)領(lǐng)域?qū)怏w在線實(shí)時(shí)檢測(cè)的要求[2,3]。

1 實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)一束強(qiáng)度為Io的激光穿越長(zhǎng)度為L(zhǎng)的氣體介質(zhì)時(shí)，由于氣體介質(zhì)對(duì)特定波長(zhǎng)的吸收，激光強(qiáng)度會(huì)發(fā)生衰減。入射強(qiáng)度Io和透射光強(qiáng)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(cè)氣體前的激光強(qiáng)度，mW；It為光線穿過被測(cè)氣體后的強(qiáng)度，mW；p為被測(cè)氣體總壓力，atm(1atm=101325Pa)；X為被測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)；L為光通過的路程，cm；S(T)為吸收譜線的線強(qiáng)，cm-2atm-1，表示該譜線對(duì)光強(qiáng)度吸收的強(qiáng)弱，可以運(yùn)用分子光譜數(shù)據(jù)庫HITRAN進(jìn)行計(jì)算[7]；φ(v-v0)為線型函數(shù)，cm，表示被測(cè)氣體吸收譜線的形狀，與溫度、壓力、各組分含量有關(guān)。

(2)

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1實(shí)驗(yàn)選用的測(cè)量吸收譜線和環(huán)境參數(shù)

對(duì)于吸收譜的選擇，主要需考慮其他氣體的干擾。實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)主要雜質(zhì)氣體為N2、O2和H2O。N2在這一段波長(zhǎng)沒有吸收，O2、H2O和CO2自身吸收系數(shù)如圖1所示。從圖中可以看出，CO2在6 359～6 361cm-1波段內(nèi)相對(duì)于H2O和O2在數(shù)量級(jí)上大兩個(gè)以上，因此測(cè)量結(jié)果受到的干擾可以忽略。同時(shí)，由于位于1 570.0nm左右中心波長(zhǎng)的激光器加工生產(chǎn)工藝較為成熟，可以更好地保證實(shí)驗(yàn)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(shù)曲線

實(shí)驗(yàn)中的環(huán)境參數(shù)為：吸收池內(nèi)溫度23℃，壓力為常壓1atm。

2.2激光器電流調(diào)諧標(biāo)定

實(shí)驗(yàn)采用的激光器為英國古奇公司的100MW、中心波長(zhǎng)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(diào)節(jié)電流控制激光器的輸出波長(zhǎng)。

實(shí)驗(yàn)前，利用波長(zhǎng)計(jì)對(duì)激光器進(jìn)行標(biāo)定。由于所選用的波長(zhǎng)在激光器調(diào)諧的線性區(qū)，所以實(shí)驗(yàn)利用標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行了線性擬合，結(jié)果如圖2所示?？衫脭M合后的曲線求解輸出實(shí)時(shí)波長(zhǎng)。通過外部電壓調(diào)節(jié)激光控制器進(jìn)行電流調(diào)諧，使激光器在波長(zhǎng)1 572.152～1 572.483nm范圍內(nèi)掃描。

圖2 電流調(diào)諧擬合曲線

2.3單光路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)直接吸收測(cè)量原理，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體流程如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體流程

經(jīng)激光控制器電流調(diào)諧后發(fā)出的掃描激光經(jīng)過準(zhǔn)直器提高能量密度后，進(jìn)入氣體吸收池，通過光電探測(cè)器，將吸收衰減后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，使用數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、處理與繪圖。

分別對(duì)不同體積分?jǐn)?shù)的CO2氣體進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。首先通入純N2對(duì)吸收池內(nèi)進(jìn)行吹掃，盡量避免其余氣體的干擾。一段時(shí)間后改為通入體積分?jǐn)?shù)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(cè)量?jī)x示數(shù)讀出。當(dāng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的濃度時(shí)，吸收池進(jìn)氣保持一定的速度，使池內(nèi)維持在當(dāng)前濃度。利用信號(hào)發(fā)生器對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)諧，利用信號(hào)采集卡對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與保存。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)不同濃度的CO2氣體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，由于每次數(shù)據(jù)采集處理的過程類似，筆者以體積分?jǐn)?shù)79%為例對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程進(jìn)行詳細(xì)說明。

通過采集卡得到經(jīng)CO2吸收后的測(cè)量信號(hào)，選取中間穩(wěn)定階段的一個(gè)完整周期，然后進(jìn)行兩步擬合。首先是初始強(qiáng)度Io的擬合。由于激光控制器的外部調(diào)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(diào)節(jié)功率的模式，且對(duì)應(yīng)的調(diào)諧電流在電流功率線性區(qū)，故對(duì)應(yīng)的功率也是線性的，從而初始光強(qiáng)應(yīng)是線性的。取調(diào)諧曲線的前一部分和后一部分做線性擬合，擬合結(jié)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(zhǎng)對(duì)稱的分布規(guī)律，但是由于調(diào)諧本身和環(huán)境影響，通常直接對(duì)光譜吸收信號(hào)進(jìn)行積分時(shí)誤差比較大，因此一般采用與線型函數(shù)形式相同的方式進(jìn)行擬合，選用Lorentz線型函數(shù)對(duì)吸收部分進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)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(shù)頻域的積分記為1，但實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，由于激光掃描的范圍較窄，不宜用整個(gè)頻域上的積分代替，這時(shí)使用兩種方法進(jìn)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(duì)吸收譜的擬合要求非常高，吸收譜的誤差會(huì)帶來整個(gè)大積分范圍較大的誤差。方法2是定義一個(gè)修正系數(shù)，而這個(gè)修正系數(shù)與右邊線型函數(shù)的積分有關(guān)，筆者選取對(duì)理想線型函數(shù)進(jìn)行該頻域的積分如圖6所示?？梢钥闯?，隨著體積分?jǐn)?shù)的增大，線型積分值相應(yīng)減小，但是減小的范圍非常小，最大的相對(duì)變化為3%左右，所以筆者統(tǒng)一取修正系數(shù)為0.916，也就是整個(gè)區(qū)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)測(cè)量值，其中方法1選取的波數(shù)積分范圍為6 340～6 380cm-1，這個(gè)范圍下理想的線型函數(shù)積分都在0.99以上，關(guān)于這個(gè)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(shí)驗(yàn)調(diào)諧范圍線型積分值

表1 TDLAS濃度測(cè)量結(jié)果 %

兩種方法的誤差如圖7所示。

圖7 兩種方法的誤差對(duì)比

可以看出，測(cè)量值相對(duì)實(shí)際值都偏小。從總體上看，方法1相對(duì)方法2誤差變化較小，但方法2的修正誤差絕對(duì)值小。其中誤差波動(dòng)產(chǎn)生區(qū)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(cè)吸收譜線是相對(duì)平滑的，所以變化較小，方法2是直接取平均，這在兩側(cè)就會(huì)帶來較大的波動(dòng)。為了更精確地得出測(cè)量結(jié)果，可以利用方法1對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，將得出的測(cè)量濃度乘以一個(gè)固定的大于1的數(shù)，由于方法1得出的數(shù)據(jù)整體偏小，而且誤差穩(wěn)定，所以只要系數(shù)選取合理，其處理結(jié)果將更為精確。

4 結(jié)束語

主要介紹了所搭建的TDLAS單光路實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)，重點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理進(jìn)行了介紹。對(duì)于吸收譜選擇先進(jìn)行函數(shù)擬合再對(duì)調(diào)諧波長(zhǎng)范圍積分，對(duì)最終的濃度修正提出了擬合吸收譜線加寬調(diào)諧范圍積分和加入線型積分修正系數(shù)兩種方法，并對(duì)兩種方法做出了比較，以得到較準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)。

[1] 車德勇,劉大任,張卓文,等.火電廠MEA吸收法捕集CO2的模擬與分析[J].化工自動(dòng)化及儀表,2014,41(7):797～800.

[2] McCurdy M R, Bakhirkin Y, Wysocki G,et al.Recent Advances of Laser-spectroscopy-based Techniques for Applications in Breath Analysis[J].Journal of Breath Research,2007,1(1):014001.

[3] 傅澤宏.激光氣體分析儀在RFCC再生煙氣測(cè)量中的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表,2012,39(11):1418～1422,1485.

[4] 宋偉,劉巖,黃帆,等.基于聲光融合的氣體溫度和濃度二維重建[J].化工自動(dòng)化及儀表,2015,42(11):1211～1215，1219.

[5] Sanders S T,Baldwin J A,Jenkins T P,et al.Diode-laser Sensor for Monitoring Multiple Combustion Parameters in Pulse Detonation Engines[J].Proceedings of the Combustion Institute, 2000, 28(1): 587～594.

[6] 李寧,王飛.利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)對(duì)氣體濃度的測(cè)量[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(15):121～126.

[7] Rothman L S,Rinsland C P, Goldman A,et al.The HITRAN Molecular Spectroscopic Database and HAWKS (HITRAN Atmospheric Workstation):1996 Edition[J].Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer,1998,60(5):665～710.

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(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃(又稱“111計(jì)劃”)項(xiàng)目(B13009)