[发明专利]一种基于一次谐波信号的气体温度和浓度在线测量方法

摘要

一种基于一次谐波信号的气体温度和浓度在线测量方法，属于可调谐激光二极管吸收光谱(TDLAS)技术领域。该方法通过一次谐波X轴信号和Y轴信号与气体吸收率函数积分值的关系实现对气体温度和浓度的在线测量。本发明将TDLAS技术中直接吸收法与波长调制法的优点相结合，不仅有效解决了直接吸收法难以在恶劣环境和弱吸收条件下应用的难题，同时解决了波长调制法在测量中需要通过标定实验确定气体温度和浓度的难题。该方法有效提高了TDLAS技术在工业现场的测量精度，拓宽了其应用范围。

主权项

1.一种基于一次谐波信号的气体温度和浓度在线测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1)根据待测气体种类，从高分辨率光谱数据库中选取两条相应的吸收光谱谱线，其中心频率分别为ν₀和ν′₀；2)以可调谐半导体激光器(5)为光源，调节激光控制器(4)的温度及电流，使可调谐半导体激光器(5)的输出频率稳定在中心频率ν₀处，并用波长计(6)进行标定和监测；3)将信号发生器(1)产生的低频锯齿波和锁相放大器(2)产生的高频正弦波经过加法器(3)叠加后输入到激光控制器(4)，驱动激光器产生的激光在吸收光谱谱线频率处发生扫描和调制，则激光的瞬时频率v和瞬时强度I₀用下式表示：v=v1+acos(ωt)I0=I1+ΔIcos(ωt+ψ)---(1)]]>式中：ν₁和I₁分别为激光频率平均值和激光强度平均值，a和ΔI分别为频率调制幅度和强度调制幅度，ω为高频正弦调制信号的角频率，ψ为频率调制和强度调制之间的相位差；4)将激光器(5)发出的激光准直后直接由光电探测器(8)接收，然后分两路，一路输入数字示波器(9)中记录激光强度随时间的变化过程，另一路输入到锁相放大器(2)中检测一次谐波背景信号，锁相放大器(2)检测到的一次谐波背景信号S_back输入到计算机数据采集与处理系统(10)中；5)将激光器(5)发出的激光准直后经过气体介质(7)由光电探测器(8)接收，然后分两路，一路输入数字示波器(9)中记录激光强度随时间的变化过程，另一路输入到锁相放大器(2)中检测一次谐波信号，锁相放大器(2)检测到的一次谐波X轴信号和Y轴信号输入到计算机数据采集与处理系统(10)中，用压力传感器(11)测量气体总压P；6)计算机数据采集与处理系统中采集到的一次谐波X轴信号和Y轴信号及背景信号S_back代入下式，得到函数Fun：Fun=X·sinβ-Y·cosβSback=sinψ·[1-(H0-H22)]---(2)]]>式中：X为一次谐波X轴信号，Y为一次谐波Y轴信号，β为锁相放大器参考信号与输入信号之间的相位差，H₀为气体吸收率函数傅里叶级数的直流项，H₂为气体吸收率函数傅里叶级数的二次谐波系数；7)令对气体吸收率函数进行泰勒级数展开，可以得到气体吸收率函数的积分值A为下式：A=∫-∞∞α(v1)·dv1=∫-∞∞Λ·dv1=∫-∞∞(1-Funsinψ)·dv1---(3)]]>式中：α(ν₁)为气体吸收率函数，P[atm]为气体总压，C为气体浓度，L[cm]为气体介质长度，S(T)[cm^-2atm^-1]为谱线的线强度，为分子吸收线型函数，且8)调节激光控制器(4)的温度及电流，使激光器的输出频率稳定在ν′₀处，并用波长计(6)进行标定和监测，重复步骤3-7，得到中心频率为ν′₀的谱线的气体吸收率函数的积分值A′，将A和A′代入下式：R(T)=S(T)S′(T)=∫-∞∞α(v1)dv1∫-∞∞α′(v1)dv1=AA′---(4)]]>即得到待测气体的温度R(T)，式中S(T)[cm^-2atm^-1]为中心频率为ν₀的谱线线强度，S′（T)为中心频率为ν′₀的谱线线强度；9)根据测量得到的气体温度确定谱线强度S(T)，将气体吸收率函数的积分值A，气体压力P，气体介质长度L，代入下式：C=∫-∞∞α(v1)dv1PS(T)L=APS(T)L---(5)]]>即得到待测气体的浓度C。