[发明专利]一种免标定的气体浓度测量装置及方法

说明书

一种免标定的气体浓度测量装置及方法，其装置包括直接吸收光谱装置和衰荡光谱装置，两装置气室相互联通，共用一个激光器。激光器出射光分为两束，一束进入直接吸收光谱装置，另一束进入衰荡光谱测量装置，通过程序控制实现两种光谱技术分时测量。该方法通过直接拟合透射光强，得到气体浓度，实现了直接吸收光谱免标定测量。利用直接吸收光谱测量的气体吸收率，以及衰荡光谱测量的蕴含气体吸收的衰荡时间，计算得到空腔衰荡时间，实现衰荡光谱免标定测量。本发明根据两种光谱的测量精度和量程智能选择测量结果，测量精度在高浓度时约10‑20ppm，低浓度时小于1ppm，且测量过程无需标定，具有测量速度快、操作简单等优点。

技术领域

本发明涉及一种基于直接吸收光谱技术和腔衰荡技术的气体浓度测量方法，属于测量技术领域。

背景技术

可调谐激光二极管吸收光谱(Tunable laser diode absorption spectroscopy，简称TDLAS)具有非接触、快速响应和波长选择性等优点。TDLAS中的直接吸收光谱(Directabsorption spectroscopy，简称DAS)物理概念明确，操作简单，常用于测量气体的浓度、温度等参数，在高浓度、强吸收环境中得到了广泛的应用。而对于痕量气体监测和弱吸收，常使用更复杂的技术，例如腔衰荡光谱(Cavity ring-down spectroscopy，简称CRDS)。

气体吸收池长度为1m时，DAS的最小可检测吸光度α_min约为10^-4～10^-5，相应的吸收系数κ约为10^-6～10^-7cm^-1；对CRDS而言，κ的最大值和最小值分别约为10^-6～10^-7cm^-1和10^-11～10^-13cm^-1，因此两种技术的测量范围交集较小，分别适合较高浓度和较低浓度气体的测量。然而，在实际测量中，一些气体的浓度可以在很大的范围内变化，有时甚至波动剧烈。例如在移动飞机上监测高层大气中H₂O时，其浓度可以从1ppm到1％不等，并且随着飞机穿过云层而急剧波动。在大气环境、非预混的CH₄/空气层流火焰中，火焰中不同高度CO浓度可从1ppm到4％。在单个内燃机循环中，发动机废气(例如NO和CO)的范围可以从1ppm 到0.3％(NO)和1ppm到4％(CO)。在大气压下的等离子体射流中，等离子体流出物的HO₂浓度的径向分布也有很大的不同。在这些情况下，单一的方法难以在如此宽的浓度测量范围快速响应，并且很难在宽范围内仍然保持高的测量精度，因此有必要考虑具有更宽范围、高精度和快速响应的气体传感器。一些研究人员考虑了两种方法的组合，例如DAS和波长调制光谱(Wavelength modulation spectroscopy，简称WMS)的组合。利用DAS的测量结果实时校准WMS，可以实现宽量程、高精度的水浓度在线测量。CRDS与激光诱导荧光的结合可以实现对大气中NOx的实时、宽量程、高精度测量。腔增强吸收光谱和CRDS的互补也可以实现对大气中N₂O₅的实时高精度检测。

在上述研究的启发下，本发明将DAS和CRDS相结合，建立一种宽范围、高精度、免标定的气体浓度测量方法。该方法结合了DAS(快速、宽量程、可测量吸收率函数)和CRDS(高精度)的优点，并且由DAS测量的吸收率和蕴含气体吸收的衰荡时间可直接计算出准确的空腔衰荡时间τ₀，实现空腔衰荡时间的免标定，简化测量方式，提升测量速度。

发明内容

本发明的目的在于实现气体浓度的免标定测量，提出了一种基于直接吸收光谱技术和衰荡光谱技术的测量装置及方法，其核心在于：1)利用直接吸收光谱测量的吸收率和衰荡光谱测量的衰荡时间，直接计算得到空腔衰荡时间，实现空腔衰荡时间的免标定；2)此装置联合了直接吸收光谱和衰荡光谱测量装置，可在不同浓度时采用精度更高的光谱技术的测量结果，实现免标定、宽量程、高精度的气体浓度测量。