TDLAS技術中不同背景氣體的混合氣體濃度算法
發(fā)布時間：2022-01-17 17:48
可調諧半導體激光光譜技術（TDLAS）是目前發(fā)展十分迅速的光譜檢測技術,被廣泛用于檢測工業(yè)環(huán)境中的易燃易爆等危險氣體;這些危險氣體往往是多種氣體混合而成,待測氣體的直接吸收光譜在不同的背景氣體下會發(fā)生改變,濃度計算結果存在誤差;故而提出一種新型的混合氣體濃度算法。針對不同背景氣體下的混合氣體濃度算法進行了討論,研究了不同背景氣體下洛倫茲吸收譜產(chǎn)生變化的原因,并分析了峰值算法和積分算法在計算混合氣濃度存在誤差的原因,提出了采用Levenberg-Marquardt算法擬合出洛倫茲吸收譜,利用面積系數(shù)與標準濃度進行二次擬合來表征混合氣濃度的算法。實驗搭建了基于TDLAS技術的氣體檢測系統(tǒng),采用中心波長為1 368.59 nm的激光器,氣室長度為30 cm,以水汽為待測氣體,干燥空氣、氮氣、氬氣作為背景氣體,利用國瑞智雙壓法濕度發(fā)生器GRZ5013產(chǎn)生40%～80%的相對濕度環(huán)境,以Mitchell-s8000露點儀的測量結果作為參考值,通過計算干燥空氣為背景氣體下的峰值、積分和面積系數(shù),擬合三者與Mitchell露點儀測量的水汽濃度結果,得到三種算法二次擬合關系,再對氮氣和氬氣背景下的水汽...
【文章來源】：光譜學與光譜分析. 2020,40(10)北大核心EISCICSCD
【文章頁數(shù)】：6 頁
【部分圖文】：
同濃度不同半高寬下吸收譜線的模擬結果
迭代計算可以通過Matlab實現(xiàn), 進一步得到式(8)的最優(yōu)化待定系數(shù)。 根據(jù)洛倫茲吸收譜線的線型定義, x1為譜線中心頻率, 是洛倫茲吸收譜線中心峰值的頻率位置; x2為譜線半高寬系數(shù), 表征了洛倫茲吸收譜線展寬程度; x3為面積系數(shù), 表征了整體的洛倫茲吸收程度; x4ν+x5是基線函數(shù)。 將最優(yōu)化待定系數(shù)帶入目標函數(shù), 扣除基線函數(shù), 獲得擬合后的洛倫茲吸收譜, 利用面積系數(shù)與標準濃度二次擬合, 得到表征濃度的算法。 整體算法流程圖如圖2所示。3 實驗部分
實驗系統(tǒng)由TDLAS水汽測試系統(tǒng)、 Michell-s8000露點儀和國瑞智GRZ5013濕度發(fā)生器組成。 國瑞智濕度發(fā)生器采用雙壓法原理, 用于產(chǎn)生各種背景氣體的相對濕度環(huán)境, Michell露點儀用來測量實際的水汽濃度。 TDLAS水汽測試系統(tǒng)選用中心波長為1 368.59 nm的DFB半導體激光器, 氣室長度30 cm, 通過單片機產(chǎn)生低頻的鋸齒波電流信號, 激光器經(jīng)過電流調制后, 輸出光信號波長覆蓋水汽吸收峰, 光信號在氣室中進行反射吸收進入探測器, 最終由上位機對信號進行處理。根據(jù)Hitran數(shù)據(jù)庫, 實驗選取了1 368.579 nm波長的水汽吸收峰, 吸收強度為1.8×10-20 cm-1·(molec·cm-2)-1, 背景氣體選取了濃度為99.99%的氬氣、 99.99%的氮氣和干燥空氣, 通過國瑞智濕度發(fā)生器產(chǎn)生40%～80%的相對濕度環(huán)境, 濕度間隔10%, 溫度為25℃, Michell露點儀水汽測量結果作為參考, 將TDLAS水汽測試系統(tǒng)的氣室探頭放入濕度發(fā)生器環(huán)境箱中, PC端讀取每個測試環(huán)境的直接吸收曲線, 利用Levenberg-Marquardt算法擬合出洛倫茲吸收譜線, 對三種算法進行了誤差分析。 測試系統(tǒng)整體結構如圖3所示。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]TDLAS技術在烯烴生產(chǎn)過程中的多組分檢測應用[J]. 季文海,呂曉翠,胡文澤,李國林. 光學精密工程. 2018(08)
[2]TDLAS氧氣檢測系統(tǒng)設計及背景噪聲在線消除[J]. 龐濤,夏滑,吳邊,張志榮,王煜,崔小娟,董鳳忠. 光電子·激光. 2015(03)
[3]溫度和壓強的變化對譜線線型峰值的影響[J]. 陳舟,陶少華,杜翔軍,侯小靜. 光譜學與光譜分析. 2013(02)
[4]基于TDLAS技術的工業(yè)環(huán)境中HF氣體在線監(jiān)測[J]. 張志榮,董鳳忠,吳邊,田明麗,龐濤,涂郭結,夏滑,王煜,倪志波. 光電子.激光. 2011(11)
[5]利用TDLAS技術開展吸氣式發(fā)動機來流熱試實驗參數(shù)測量[J]. 楊斌,何國強,劉佩進,齊宗滿,潘科瑋. 中國激光. 2011(05)
[6]基于紅外波段光譜吸收的小型化濕度探測系統(tǒng)[J]. 鞠昱,謝亮,韓威,孫可. 強激光與粒子束. 2011(02)
本文編號：3595169
【文章來源】：光譜學與光譜分析. 2020,40(10)北大核心EISCICSCD
【文章頁數(shù)】：6 頁
【部分圖文】：
同濃度不同半高寬下吸收譜線的模擬結果
迭代計算可以通過Matlab實現(xiàn), 進一步得到式(8)的最優(yōu)化待定系數(shù)。 根據(jù)洛倫茲吸收譜線的線型定義, x1為譜線中心頻率, 是洛倫茲吸收譜線中心峰值的頻率位置; x2為譜線半高寬系數(shù), 表征了洛倫茲吸收譜線展寬程度; x3為面積系數(shù), 表征了整體的洛倫茲吸收程度; x4ν+x5是基線函數(shù)。 將最優(yōu)化待定系數(shù)帶入目標函數(shù), 扣除基線函數(shù), 獲得擬合后的洛倫茲吸收譜, 利用面積系數(shù)與標準濃度二次擬合, 得到表征濃度的算法。 整體算法流程圖如圖2所示。3 實驗部分
實驗系統(tǒng)由TDLAS水汽測試系統(tǒng)、 Michell-s8000露點儀和國瑞智GRZ5013濕度發(fā)生器組成。 國瑞智濕度發(fā)生器采用雙壓法原理, 用于產(chǎn)生各種背景氣體的相對濕度環(huán)境, Michell露點儀用來測量實際的水汽濃度。 TDLAS水汽測試系統(tǒng)選用中心波長為1 368.59 nm的DFB半導體激光器, 氣室長度30 cm, 通過單片機產(chǎn)生低頻的鋸齒波電流信號, 激光器經(jīng)過電流調制后, 輸出光信號波長覆蓋水汽吸收峰, 光信號在氣室中進行反射吸收進入探測器, 最終由上位機對信號進行處理。根據(jù)Hitran數(shù)據(jù)庫, 實驗選取了1 368.579 nm波長的水汽吸收峰, 吸收強度為1.8×10-20 cm-1·(molec·cm-2)-1, 背景氣體選取了濃度為99.99%的氬氣、 99.99%的氮氣和干燥空氣, 通過國瑞智濕度發(fā)生器產(chǎn)生40%～80%的相對濕度環(huán)境, 濕度間隔10%, 溫度為25℃, Michell露點儀水汽測量結果作為參考, 將TDLAS水汽測試系統(tǒng)的氣室探頭放入濕度發(fā)生器環(huán)境箱中, PC端讀取每個測試環(huán)境的直接吸收曲線, 利用Levenberg-Marquardt算法擬合出洛倫茲吸收譜線, 對三種算法進行了誤差分析。 測試系統(tǒng)整體結構如圖3所示。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]TDLAS技術在烯烴生產(chǎn)過程中的多組分檢測應用[J]. 季文海,呂曉翠,胡文澤,李國林. 光學精密工程. 2018(08)
[2]TDLAS氧氣檢測系統(tǒng)設計及背景噪聲在線消除[J]. 龐濤,夏滑,吳邊,張志榮,王煜,崔小娟,董鳳忠. 光電子·激光. 2015(03)
[3]溫度和壓強的變化對譜線線型峰值的影響[J]. 陳舟,陶少華,杜翔軍,侯小靜. 光譜學與光譜分析. 2013(02)
[4]基于TDLAS技術的工業(yè)環(huán)境中HF氣體在線監(jiān)測[J]. 張志榮,董鳳忠,吳邊,田明麗,龐濤,涂郭結,夏滑,王煜,倪志波. 光電子.激光. 2011(11)
[5]利用TDLAS技術開展吸氣式發(fā)動機來流熱試實驗參數(shù)測量[J]. 楊斌,何國強,劉佩進,齊宗滿,潘科瑋. 中國激光. 2011(05)
[6]基于紅外波段光譜吸收的小型化濕度探測系統(tǒng)[J]. 鞠昱,謝亮,韓威,孫可. 強激光與粒子束. 2011(02)
本文編號：3595169
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