[实用新型]激光吸收光谱痕量气体分析装置

说明书

技术领域

本实用新型属于工业工程控制和气体参数分析领域；具体涉及一种自校准的激光吸收光谱痕量气体参数分析装置。

背景技术

排放气体的参数分析，是工业工程控制的一个重要环节；在诸如垃圾焚烧、火力发电的燃烧控制、石化、冶金、水泥等生产领域，排放气体的参数测量更是优化生产和降低能耗的关键技术。传统的测量方法需要从工作环境中抽出一部分气体，利用物理和化学进行净化、提纯、分析；过程复杂、测量成本高，实时性不好。半导体激光吸收光谱技术是一种新兴的气体测量方法，由于其具有灵敏高，选择性好、响应时间快等优点，被广泛用于环境检测、大气科学、痕量分析等领域；是工业过程痕量气体分析领域的一种最有前途的技术。

半导体激光吸收光谱技术的基本原理是气体的受激吸收；一束激光穿过被测气体，当激光器的波长和被测气体某个吸收谱线中心频率相同时，气体分子(原子)会吸收光子而跃迁到高能级；表现出来，就是激光的能量衰减。激光的能量衰减可以由Beer-Lambert定律来描述：

I_v＝I_v，0exp[-S(T)g(v-v′₀)PρL]                (1)

其中，I_v，0和I_v分别表示频率为v的激光通过吸收气体前后的光强，S(T)表示气体吸收谱线在温度T时候的谱线强度，g(v-v′₀)是气体该吸收谱线的线型函数，P是工作气体压力，ρ是气体浓度，L为工作光程(激光穿过气体的长度)。在已知气体的压力P、光程L，工作温度T、谱线强度S(T)、线型函数g(v-v′₀)情况下，测量I_v，0和I_v值即可算出气体的浓度。由于气体的吸收谱线是由气体原子结构决定，不同气体的吸收谱线不同；因此理论上讲，工作环境内其他气体对测量没有影响。

可调谐激光二极管吸收光谱气体分析仪是采用半导体激光吸收光谱技术的最常见的气体分析仪器。参见附图1，在一个工作周期内(0～t₀时刻)，其工作过程如下：首先保证激光器工作温度在某个特定的工作点上T₀(附图1a)，确保激光器的初始工作波长λ_min(附图1c)；然后改变激光二极管的工作电流i(附图1b)，使其从i_min增加到i_max，激光二极管工作波长由λ_min到λ_max线性变化(附图1c)；当波长不在被测气体吸收范围谱线内时，没有受激吸收现象，此时的激光光强可以当作I_v，0(附图1d)，当波长扫描通过被测气体吸收范围谱线时，将被吸收衰减，此时的光强则作为I_v，波长扫描一次以后将获得两个光强参数，再用附加传感其测量到气体的压力P和工作温度T，加上谱线强度S(T)和线型函数g(v-v′₀)等理论值和已知的工作光程L就可以计算出被测气体浓度。显然，测量的精确性取决于P、T、S(T)、g(v-v′₀)、L等参数的精确性，所以实际的测量仪器都需要利用标准浓度的气体进行标定。这一方法存在如下问题：

1、标定困难、难以保证高测量精度

由公式(1)可见，影响测量精度的因素非常多，其中P、T的测量精度受制于传感器的精度和测点位置，S(T)和g(v-v′₀)的精度受制于国际标准HITRAN数据库本身的精度。研究表明，对某些气体而言，HITRAN数据库的误差可能达到2％～5％，这一问题严重影响了该方法在高精度测量中的应用。

通常采用定期标定的方法来提高测量精度。一来，设备需要离开工作现场定期送回厂家标定，非常不方便；二来，标定也只是在常温、常压下进行，不可能涵盖所有的工作温度和压力，这样标定在不同温度和压力下(特别是在高温和高压情况)的准确性也得不到保证。

2、需要精确的测量和控制激光二极管的工作温度