[发明专利]一种单条吸收谱线实现气体多参数测量的方法

说明书

本发明属于气体浓度、温度、压力或流速的测量技术领域，为实现根据单条气体吸收谱线获取该气体的线宽及温度、浓度和压强实现最佳检测的方法，无需增加设备，通过对待测气体实施本方案，可以提高气体的温度、浓度和压强检测的精确度，该方法适用于气体的在线、原位或离线检测。为达到上述要求，本发明的技术方案是：一种单条吸收谱线实现气体多参数测量的方法，步骤是：从HITRAN数据库选取符合要求的单条吸收谱线，根据公式计算得到待测气体的近似福伊特展宽，并根据所提出的直和模型得到近似洛伦兹线宽和高斯展宽，进而获取气体的温度、浓度、压强。本发明主要应用于气体检测。

技术领域

本发明属于气体浓度、温度、压力或流速的测量技术领域，涉及多气体组分同时检测或者对单一气体的多条吸收谱线的气体温度、浓度和压强的检测，通过对所有待测谱线实施本方案，实现气体的温度、浓度和压强检测灵敏度提高的方法，具体讲，涉及气体的温度、浓度和压强的检测的最佳实现方法。

背景技术

可调谐二极管激光吸收光谱分析(Turnable Diode Laser Absorptionspectroscopy)简称TDLAS技术，是一种高灵敏度、高分辨率和快速响应的气体检测技术，广泛应用于工业过程控制、燃烧过程诊断分析、生物医疗及科学研究等领域。自TDLAS实验系统中可得到气体的吸收光谱，该谱线蕴含大量的气体信息，包括气体的浓度、温度及压力等参数，通过对吸收光谱进行选线处理并展开一系列分析，可以在线或离线检测气的温度、浓度、压力。

TDLAS系统中的测温方法包括：高斯展宽、双线测温、多线测温法等，对于气体温度的分析测量，通常采用双线测温法，该方法基于光谱的积分吸光度A，在等光程、压力、摩尔浓度下同时测得两条线的积分吸光度(面积)，将二者之比可简化为线强之比，得到温度的单值单调函数，通常意义下，该温度为路径平均意义下的等效温度值。双线测温在很大程度上提高了气体温度测量的准确度，简化了数据处理的流程，但在实际搭建实验系统进行实验时，需配备两台激光器或引入光纤分束器产生两束激光，增加系统的硬件开销和运行成本。

此外，多线测温法多采用对燃烧流场的温度测量，采用多个激光器将测得的m条直接吸收谱线，在整个测量路径中压强保持不变，据此建立一组积分吸光度的非线性方程组。对于方程组的处理，在数学上可归结为最小二乘的求解问题，对数学能力要求较高，并多用于燃烧流场的温度分布模型的建立，对实验及工厂等普通测温的要求适用性不强，而且投入多个激光器造价昂贵。

华东师范大学的刘玉燕等人提出了一种计算单线线宽的方式，即测量计算福伊特线宽，在洛伦兹线宽与总线宽相比较小时可以将计算误差减小到百分之一以下，当洛伦兹线宽所占比重提升，模型不再适用，且并未对该方法进一步拓展利用；名古屋大学的Feng-YuanZhang等人在温度检测方面提出温度达高达5000K以上时只考虑高斯展宽，简化计算过程，但该模型适用于测量高温情况的测量，并不适用于低温时的温度检测，不具备通用性。故本发明在前人的理论研究基础上提出了单线测温的方法，不仅提高了检测精度，在测量温度的同时准确的测出气体的浓度及压强。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种能够满足同时检测气体的温度、浓度、压强，尤其是对温度实现最佳检测的实用方法。基于本发明的方法，可以提高在不增加系统硬件的情况下提高对气体浓度、压强、温度的检测灵敏度，该方法可用于气体的在线检测。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：单谱线检测气体温度的直和模型实现方法，其特征是，检测气体对激光的吸收谱线对包括浓度、压力、温度的气体的参数的测量，其特征是，从吸收光谱选取满足要求的谱线通过所提出的直和模型获得气体吸收谱线的线宽，进而获取气体的浓度、压力、温度。

从吸收光谱中选取无干扰的单谱线计算福伊特线宽，并满足洛伦兹线宽与高斯线宽之比应尽量大(≥4)，引入直和模型的特征参数与气体吸收谱线参数、无量纲参数d均相关。具体如下：

根据福伊特线型的直和模型公式：