王雪梅 刘 石

(华北电力大学控制与计算机工程学院，北京 102206)

基于TDLAS技术的CO2浓度测量

王雪梅 刘 石

(华北电力大学控制与计算机工程学院，北京 102206)

基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术，结合HITRAN数据库对CO2吸收谱线进行分析，选择对1 572.3nm附近的CO2吸收谱线进行扫描，搭建TDLAS单光路测量实验系统。采用直接测量方法，对一定浓度的CO2气体进行浓度测量。针对线型函数，提出了拟合吸收谱线加宽调谐范围积分和加入线型积分修正系数两种方法，并对两种方法做出了比较，得到较为准确的修正方法。

浓度测量 可调谐半导体激光吸收光谱 吸收谱拟合 线型函数

随着目前电力、钢铁、石油、冶金、造纸及水泥等行业的迅速发展，造成的环境污染压力越来越大，如温室效应、酸雨及臭氧层破坏等，已经严重影响人们的日常生产和生活，因此节能减排成为重中之重。煤炭等化石燃料的燃烧是大气中CO2剧增的重要原因[1]。通过在线实时监测CO2浓度，可以为燃烧的优化提供可靠参数，从而提高燃烧效率，达到节能减排的目的。同时，通过对CO2浓度的可靠测量，可以提高设备的安全性，保证人身安全。

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术通过扫描气体特征谱线，实现对气体的实时检测，具有灵敏度高、非接触式测量、操作方便及不受背景气体干扰等优势。且随着二极管激光光源逐渐向高功率、小型化、低成本、高寿命方向发展，使它成为气体检测的理想型光源，可满足工业领域对气体在线实时检测的要求[2,3]。

1 实验原理

当一束强度为Io的激光穿越长度为L的气体介质时，由于气体介质对特定波长的吸收，激光强度会发生衰减。入射强度Io和透射光强It遵循Lambert-Beer定律[4～6]：

It=Io·exp[-S(T)φ(v-v0)pXL]

(1)

其中，Io为光线穿过被测气体前的激光强度，mW；It为光线穿过被测气体后的强度，mW；p为被测气体总压力，atm(1atm=101325Pa)；X为被测气体的体积分数；L为光通过的路程，cm；S(T)为吸收谱线的线强，cm-2atm-1，表示该谱线对光强度吸收的强弱，可以运用分子光谱数据库HITRAN进行计算[7]；φ(v-v0)为线型函数，cm，表示被测气体吸收谱线的形状，与温度、压力、各组分含量有关。

(2)

2 实验过程

2.1实验选用的测量吸收谱线和环境参数

对于吸收谱的选择，主要需考虑其他气体的干扰。实验测量时主要杂质气体为N2、O2和H2O。N2在这一段波长没有吸收，O2、H2O和CO2自身吸收系数如图1所示。从图中可以看出，CO2在6 359～6 361cm-1波段内相对于H2O和O2在数量级上大两个以上，因此测量结果受到的干扰可以忽略。同时，由于位于1 570.0nm左右中心波长的激光器加工生产工艺较为成熟，可以更好地保证实验的精确性。因此，选用中心位置为1 572.3nm的吸收谱线。

图1 气体吸收系数曲线

实验中的环境参数为：吸收池内温度23℃，压力为常压1atm。

2.2激光器电流调谐标定

实验采用的激光器为英国古奇公司的100MW、中心波长为1 571.24nm的激光器，配以美国索雷博公司的ITC4001激光控制器。通过调节电流控制激光器的输出波长。

实验前，利用波长计对激光器进行标定。由于所选用的波长在激光器调谐的线性区，所以实验利用标定数据进行了线性拟合，结果如图2所示。可利用拟合后的曲线求解输出实时波长。通过外部电压调节激光控制器进行电流调谐，使激光器在波长1 572.152～1 572.483nm范围内扫描。

图2 电流调谐拟合曲线

2.3单光路实验系统

根据直接吸收测量原理，设计实验系统总体流程如图3所示。

图3 实验系统总体流程

经激光控制器电流调谐后发出的扫描激光经过准直器提高能量密度后，进入气体吸收池，通过光电探测器，将吸收衰减后的光信号转换成电信号，使用数据采集卡进行采集，在计算机上进行数据显示、处理与绘图。

分别对不同体积分数的CO2气体进行验证性实验。首先通入纯N2对吸收池内进行吹扫，尽量避免其余气体的干扰。一段时间后改为通入体积分数为99.99%的CO2气体，通过控制气罐安全阀开度来控制浓度，浓度值通过红外浓度测量仪示数读出。当达到预先设定的浓度时，吸收池进气保持一定的速度，使池内维持在当前浓度。利用信号发生器对激光器进行调谐，利用信号采集卡对数据进行采集与保存。

3 实验结果与分析

对不同浓度的CO2气体进行实验测量，由于每次数据采集处理的过程类似，笔者以体积分数79%为例对整个实验数据处理过程进行详细说明。

通过采集卡得到经CO2吸收后的测量信号，选取中间稳定阶段的一个完整周期，然后进行两步拟合。首先是初始强度Io的拟合。由于激光控制器的外部调谐电压为锯齿波，控制其输出电流为线性，而激光器的模式为电流调节功率的模式，且对应的调谐电流在电流功率线性区，故对应的功率也是线性的，从而初始光强应是线性的。取调谐曲线的前一部分和后一部分做线性拟合，拟合结果如图4所示。

其次是吸收谱的拟合。吸收谱符合以中心波长对称的分布规律，但是由于调谐本身和环境影响，通常直接对光谱吸收信号进行积分时误差比较大，因此一般采用与线型函数形式相同的方式进行拟合，选用Lorentz线型函数对吸收部分进行拟合，拟合结果如图5所示。

根据拟合的吸收谱，使用式(2)，利用直接吸收法可以求解出浓度。通常将线型函数频域的积分记为1，但实际实验中，由于激光扫描的范围较窄，不宜用整个频域上的积分代替，这时使用两种方法进行处理。方法1是吸收谱拟合出来以后，通过拟合公式求出较宽扫描范围吸收值，然后积分，这种方式对吸收谱的拟合要求非常高，吸收谱的误差会带来整个大积分范围较大的误差。方法2是定义一个修正系数，而这个修正系数与右边线型函数的积分有关，笔者选取对理想线型函数进行该频域的积分如图6所示。可以看出，随着体积分数的增大，线型积分值相应减小，但是减小的范围非常小，最大的相对变化为3%左右，所以笔者统一取修正系数为0.916，也就是整个区域积分值的平均，这样线型修正的最大误差只在1.5%左右。

图4 初始光强拟合

图5 吸收谱拟合

表1为分别通过两种方法得出的不同浓度下TDLAS最终的实验测量值，其中方法1选取的波数积分范围为6 340～6 380cm-1，这个范围下理想的线型函数积分都在0.99以上，关于这个范围的选取，由于吸收谱的拟合存在误差，所以并非越宽越好。

图6 实验调谐范围线型积分值

表1 TDLAS浓度测量结果 %

两种方法的误差如图7所示。

图7 两种方法的误差对比

可以看出，测量值相对实际值都偏小。从总体上看，方法1相对方法2误差变化较小，但方法2的修正误差绝对值小。其中误差波动产生区别的原因是方法1的误差主要来自于吸收谱拟合自身的误差，而在两侧吸收谱线是相对平滑的，所以变化较小，方法2是直接取平均，这在两侧就会带来较大的波动。为了更精确地得出测量结果，可以利用方法1对数据进行处理后，将得出的测量浓度乘以一个固定的大于1的数，由于方法1得出的数据整体偏小，而且误差稳定，所以只要系数选取合理，其处理结果将更为精确。

4 结束语

主要介绍了所搭建的TDLAS单光路实验测量系统，重点对数据的采集、处理进行了介绍。对于吸收谱选择先进行函数拟合再对调谐波长范围积分，对最终的浓度修正提出了拟合吸收谱线加宽调谐范围积分和加入线型积分修正系数两种方法，并对两种方法做出了比较，以得到较准确的测量数据。

[1] 车德勇,刘大任,张卓文,等.火电厂MEA吸收法捕集CO2的模拟与分析[J].化工自动化及仪表,2014,41(7):797～800.

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[4] 宋伟,刘岩,黄帆,等.基于声光融合的气体温度和浓度二维重建[J].化工自动化及仪表,2015,42(11):1211～1215，1219.

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[6] 李宁,王飞.利用可调谐半导体激光吸收光谱技术对气体浓度的测量[J].中国电机工程学报,2005,25(15):121～126.

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CO2ConcentrationMeasurementBasedonTDLAS

WANG Xue-mei, LIU Shi

(SchoolofControlandComputerEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China)

Based on the tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) and combined with HITRAN database, an absorption line of CO2near 1 572.3nm was selected for scanning and the experimental system for TDLAS single optical measurement was set up. The direct measurement was adopted to measure CO2gas of certain concentration. As for the linear function, two methods based on fitting absorption lines and widening tuning range integral and adding the correction coefficient of linear integral were proposed and compared for a more accurate correction method.

concentration measurement, TDLAS, fitting absorption spectrum, linear function

TN247

A

1000-3932(2016)11-1158-04

2016-05-11(修改稿)

教育部高等学校学科创新引智计划(又称“111计划”)项目(B13009)