基于TDLAS技术的H2O浓度及温度测试研究

1、 基于TDLAS技术的H2O浓度及温度测试研究 吕晓静 徐恩华【摘 要】H2O是燃烧过程重要产物之一，对其浓度和温度的监测有助于更准确地了解工作过程。基于激光吸收光谱技术，利用波段为1392nm激光器通过直接测量法对环境中H2O组分进行了气体浓度和温度测量，测得H2O的气体浓度值为36%，温度值为342K。并对测量结果误差进行了简单分析。该研究可为TDLAS技术应用于民航等领域环境安全监测提供技术基础。【Key】激光;谱线;浓度;温度： TN248.2 ： A： 2095-2457（2019）23-0150-001DOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2019.23.07

2、00 引言近年来，石油化工、生化制药及航空航天等领域飞速发展，为保证工业生产安全高效进行，需要对生产过程进行有效监测1。对燃烧产物及环境温度的在线实现监测不仅对过程控制具有重要指示作用，还可以为环境保护及进一步科学研究提供数据参考2。半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术是一种无损式气体监测手段，测量过程中无需提前预处理及取样，且可实现多种气体同时在线测量，具有非常广阔的应用前景3。H2O是燃烧过程重要产物之一，对其浓度和温度的监测有助于更准确地了解工作过程。文章利用波段为1392nm激光器通过直接测量法对环境中H2O组分进行了气体浓度和温度测量。该研究可为TDLAS技术应用于民航等领域环境安全

3、监测提供技术基础。1 测试谱线选取及实验介绍1.1 谱线选取测试基于Beer-Lambert吸收定律4，需要选择合适的吸收谱线。实验激光器为1393nm可调谐半导体激光器。通过HITRAN数据库的查询得到在常温环境下波数为7178cm-1附近H2O分子的光谱分布情况。在激光器扫描范围内，筛选出吸收信号明显且能够避免谱线之间相互干扰的几条谱线，并最终选取位于7181.15578cm-1的谱线对空气中H2O的浓度进行测量研究，选择位于7181.15578与7182.20911cm-1谱线完成空气中H2O温度的测量。由HITRAN数据库查询计算得到，7181.15578cm-1和7182.20911

4、cm-1的线强比与温度的关系如图1所示。观察该图可知，谱线强度比值和温度是一一对应关系，通过获得两条谱线的强度比值，可实现对温度的测量。温度200-1000K范围内，测量灵敏度较高。1.3 实验系统及操作采用TDLAS技术对H2O的浓度及温度进行测量的实验系统流程如图2所示。0.2-1V锯齿波扫描电压加载在驱动电路的调制端口产生激光信号。红外激光通过光纤输出，经过准直后，射入吸收池。由于吸收池内承载着待测气体，所以红外光在经过吸收池气体透射后，强度根据消光定律发生衰减，衰减后的红外光从另一端射出，通过大面积探测器探测，得到电信号。经过数据采集卡进行采集和模数转换，然后通过计算机来进行分析和数据

5、显示、保存。2 实验结果分析图3为采集得到的7181.15578cm-1和7182.20911cm-1附近的扫描波形。截取扫描波形的一个周期，并利用曲线进行多项式线性拟合方法确定基线并分别对两条曲线作数学运算-ln（A/B），便得到吸收波峰曲线，对测量得到的光谱吸收率信号并通过利用洛伦兹线型拟合函数进行拟合计算，然后对横坐标进行波数（或波长）标定。通过洛伦兹拟合曲线可以得到谱线在频域内的积分面积。分别为A1=0.18548和A2=0.0178508。在已知吸收率曲线对频率域的积分A1、大气压强P、吸收谱线强度S（T）和吸收光程L的情况下，根据公式经过简单的数学计算计算我们可以很容易得出所测H2

6、O的气体浓度值为36% ;谱线对在频域上的积分面积比为A1：A2=10.391，根据线强比值与温度的一一对应关系，计算得到所测H2O的气体温度值为342K。激光器的强度会随测试过程的进行而发生细微变化。当吸收信号减弱至与激光背景强度变化同一数量级的水平时，很难将吸收信号提取出来。另外，由于所使用的探测器没有温控装置，所以长时间工作的条件下，电子元件的输出信号将产生温度漂移，一旦探测器的响应随着温度发生变化，则得到的激光强度电压信号将发生变化，这样将给测量带来很大的误差。除此以外，数据处理过程，如基线确定、洛伦兹线型拟合等也会给测量结果带来一定误差。【Reference】1姜日红.脉冲爆震发动机工作过程研究D.南京理工大学，2010.2HU HONG-BO， WENG CHUN-SHENG， LV XIAO-JING， et al. Analysis on Impulse Characteristics of PDRE with Exhaust MeasurementsJ.International Journal of Turbo & Jet-Engines. 2014，31（2）：97-1033张杨，范颖，王哲，等.基于可调諧激光吸收光谱技术的硫化氢