[发明专利]基于波长调制的气体吸收谱线线宽和线型系数的测量方法有效

专利信息
申请号: 201310253120.8 申请日: 2013-06-24
公开(公告)号: CN103323115A 公开(公告)日: 2013-09-25
发明(设计)人: 彭志敏;丁艳军;蓝丽娟 申请(专利权)人: 清华大学
主分类号: G01J3/433 分类号: G01J3/433;G01N21/39
代理公司: 北京鸿元知识产权代理有限公司 11327 代理人: 邸更岩
地址: 100084 北京市海淀区1*** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 基于 波长 调制 气体 吸收 线线 宽和 线型 系数 测量方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及基于波长调制的气体吸收谱线线宽和线型系数的测量方法,该方法首次提出并实现了波长调制法在线测量气体吸收谱线线宽和线型系数。

背景技术

可调谐激光二极管吸收光谱(Tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)技术利用窄带的激光扫描气体的吸收谱线,通过分析被气体吸收后的激光强度得到待测气体的温度和浓度。与传统的采样式气体检测技术相比,TDLAS技术具有非接触式在线测量、选择性强、灵敏度高、在线响应速度快的优点,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(ν)可以用Beer-Lambert定律描述:

式中,It为有气体吸收时的吸收信号光强,I0为无吸收气体时的背景信号光强,K=PS(T)XL,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,为气体吸收线型函数,其表达式如式(2),α(υ)为光谱吸收率。

式中,δV为谱线线宽,是谱线半高宽的一半;fL(ξ)和fG(ξ)分别为福伊特线型中洛伦兹线型和高斯线型的权重系数,定义ξ为线型系数,ξ=(δLG)/(δLG),δL和δG分别是洛伦兹线宽和高斯线宽,当ξ=-1时是高斯线型,ξ=1时是洛伦兹线型;由式(2)可知,气体吸收线型函数是由线宽δV及线型系数ξ决定的;权重系数的表达式如式(3)所示:

fL(ξ)=0.68188+0.61293ξ-0.18384ξ2-0.11568ξ3fG(ξ)=0.32460-0.61825ξ+0.17681ξ2+0.12109ξ3---(3)]]>

在TDLAS技术测量气体参数中,气体吸收线型函数是重要的参数,例如美国Stanford大学R.K.Hanson课题组基于剩余幅度调制提出的2f/1f免标法是在已知线型函数的基础上得到的。线型函数主要用于描述吸收谱线的形状,精确确定该函数是实现在线精确测量的前提。但是实际上线宽和线型系数决定于气体的温度、压力以及组分浓度等参数,而这些参数在实际测量中往往是未知的、变化的或待测量的。同时由于HITRAN等光谱数据中光谱常数的不确定性,要在理论上精确计算气体吸收线型函数存在着非常大的困难。在实际工业现场中,尤其是在一些恶劣环境下,如气体温度、压力以及组分浓度波动大或无法测量时,分子吸收线型函数不确定性所带来的测量误差会很大。

目前TDLAS技术的测量方法主要有直接吸收法和波长调制法。

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