一种基于TDLAS的气体浓度测量方法及系统与流程

一种基于tdlas的气体浓度测量方法及系统
技术领域
1.本发明涉及气体浓度测量技术领域，更具体地，涉及一种基于tdlas的气体浓度测量 方法及系统。


背景技术：

2.随着半导体激光器的发展，可调谐二极管激光吸收光谱(tdlas)技术有了巨大的进步， 该技术利用气体分子对光的吸收测量气体浓度，具有非接触测量、响应速度块、良好的选择 性、测量精度高等优点，可以满足不同环境下气体浓度的测量，近年来，得到很多研究人员 的青睐。目前已经有了超过1000种tdlas仪器应用于连续排放监测以及工业过程控制等领 域，每年全球出售的tdlas检测仪器占据了红外气体传感检测仪器总数的5％～10％，实现 了不同领域气体浓度、温度、流速等参数的高精度探测，为各领域的发展提供了重要的技术 保障。
3.传统的tdlas直接吸收光谱技术通过测量无气体吸收时的光谱信号或对透射激光强度 信号i
t
无吸收区域进行多项式拟合来获得初始激光强度i0，再对进行拟合积分获得积 分吸光度，最后利用比尔朗伯定律求得气体浓度。在计算积分吸光度时，往往需要标准具或 者波长计将吸收光谱信号从时域转换至频域，这增加了设备的复杂性与成本。
4.现有技术中，一种tdlas气体浓度检测方法(公开号为cn108181266b)，包括如下 步骤：d、计算步骤c中的5种吸收峰面积作为目标气体的浓度特征量，以吸收峰面积为 x、目标气体的5种实际浓度为y进行线性拟合，得到实际浓度-吸收峰面积定标模型；e、 向气体池中通入未知浓度的待检测气体，待光谱稳定后，测得待测光谱，与步骤a得到的 标准零光谱按光谱锯齿波下降沿进行光谱缩放和对齐，将对齐后的光谱做差，提取光谱锯齿 波上升沿差值曲线得到待测光谱的吸收峰；f、计算待测光谱的吸收峰面积，将其代入步骤 d中的实际浓度-吸收峰面积定标模型中，计算得到待检测气体的浓度。确定未知浓度的待 检测气体的吸收峰面积，进而反演出待检测气体的实际浓度。该方案是利用浓度-吸收峰面 积定标模型进行气体浓度的计算，计算复杂度较高。


技术实现要素：

5.本发明为克服上述现有技术气体浓度测量额外的辅助工具较多，计算复杂的缺陷，提供 一种基于tdlas的气体浓度测量方法及系统。
6.本发明至少通过如下技术方案之一实现。
7.一种基于tdlas的气体浓度测量方法，包括以下步骤：
8.s1、获取环境参数和光谱参数；
9.s2、采集激光的光谱吸收数据，计算对数吸光度，得到对数吸光度的最大值；
10.s3、根据环境参数和光谱参数计算lorentz线型下的最大半高全宽fwhm；
11.s4、利用浓度计算公式计算气体的近似浓度，作为初始的迭代值x0，并将x0赋值于x1；
12.s5、用x1计算lorentz线型下的fwhm，记为δv
c1
；
13.s6、利用步骤s4的浓度值计算voigt线型下在中心波长处的线型函数值φ(ν)，记为 φv(v0)；
14.s7、将φv(ν0)代入浓度计算公式计算浓度，记为x2；
15.s8、判断x1和x2的差值的绝对值是否小于预设值，如果小于预设值，则输出x1为计 算浓度；如果大于或者等于预设值，则改变x1的值回到步骤s5继续计算。
16.优选地，所述环境参数包括有:压力p、温度t、光程长l；所述光谱参数包括：空气展 宽υ
air
和目标气体的自展宽υ
self
。
17.优选地，所述气体的近似浓度x0计算公式为：
[0018][0019]
其中，为出射信号的最大值i
t
(v0)与入射信号i0(v0)在中心波长v0处的比值，l表示 光程长，p为气体介质的总压，为对数吸光度的最大值，φ(v0)是ν＝ν0时计算的洛伦 兹线型的峰值：
[0020][0021]
其中s(t)为气体吸收谱线的线强，δν
c0
为lorentz线型下的最大半高全宽fwhm。
[0022]
优选地，利用x1计算lorentz线型下的fwhm具体公式为：
[0023]
δv
c1
＝p*[((1-x1)*2*υ
air
) x1*2*υ
self
]
[0024]
其中p为气体介质的力压，υ
air
为空气展宽，υ
self
为目标气体的自展宽。
[0025]
优选地，步骤s6中φv(v0)的计算公式为：
[0026][0027]
其中，为高斯函数，a、y均为自定义参数，
[0028]
δνd为在浓度为x1时，高斯线型下的fwhm，δνc为半高宽，v为激光波长，ν0为光谱吸收 中心波长，三个参数单位均为cm-1
。
[0029]
优选地，步骤s7中的浓度计算公式为：
[0030][0031]
其中，为出射信号的最大值i
t
(v0)与入射信号i0(v0)在中心波长处的比值，l表示光 程长，为对数吸光度的最大值，ν0为光谱吸收中心波长，s(t)为气体吸收谱线的线强。
[0032]
优选地，步骤s8中的预设值根据迭代步长确定。
[0033]
实现所述的一种基于tdlas的气体浓度测量方法的系统，该系统包括：第一待测气
瓶、 第二待测气瓶、第一流量控制器、第二流量控制器、气体混合器、气体吸收池、探测器、准 直器、激光器、前置放大器、激光控制器、pc机；所述第一待测气瓶通过第一流量控制器连 通至气体混合器的第一输入口，所述第二待测气瓶通过第二流量控制器连通至气体混合器的 第二输入口，所述气体混合器的输出口连通至气体吸收池的第一输入口，所述气体吸收池的 第二输入口通过准直器与激光器的光输出端连接，所述激光器的控制输入端与激光控制器的 第一控制输出端连接，所述气体吸收池的输出口与探测器的输入端连接，所述探测器的输出 端连接至前置放大器的输入端，所述前置放大器的输出端与激光控制器的输入端连接，所述 激光控制器的第二控制输出端与pc机连接。
[0034]
优选地，所述pc机中包括有存储器、处理器，分别用于储存和执行权利要求1的各步骤。
[0035]
优选地，所述系统还包括：流量显示仪、温度控制器，所述流量显示仪的第一输入端和第 二输入端分别与第一流量控制器和第二流量控制器电连接，所述温度控制器与气体吸收池电 连接。
[0036]
本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中包括基于 tdlas的气体浓度测量方法程序，所述基于tdlas的气体浓度测量方法程序被处理器执行 时，实现如上项所述的一种基于tdlas的气体浓度测量方法的步骤。
[0037]
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
[0038]
本发明通过获取环境参数、光谱参数以及激光的光谱吸收数据，基于tdlas进行反演 计算得到气体浓度，无需借助额外辅助测量工具，极大的极少了计算复杂度，提高了浓度检 测效率。
附图说明
[0039]
图1为本发明一种基于tdlas的气体浓度测量方法流程图。
[0040]
图2为本发明一种基于tdlas的气体浓度测量系统框图。
具体实施方式
[0041]
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式 对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实 施例中的特征可以相互组合。
[0042]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用 其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实 施例的限制。
[0043]
名词解释：
[0044]
tdlas技术
[0045]
tdlas技术的基本原理是beer-lambert定律，该定律描述了激光束通过均匀气体介质时 透射光谱强度和入射光谱强度之间的关系，定律可表示如下：
[0046][0047]
其中，τv为激光光束的透射率；i0(ν)为入射激光强度；i
t
(ν)为穿越介质后的出射
激光强 度；p为气体介质的总压，单位为atm；s(t)为气体吸收谱线的线强，单位为cm-2
atm-1
； φ(ν)为线型函数，单位为cm，满足归一化条件x为被测气体的体积浓度；l 为激光在气体介质中传播的距离，单位为cm。
[0048]
通常情况下，基于beer-lambert定律，对式(1)进行对数运算并在整个频域积分，可 以得到目标气体的浓度：
[0049][0050]
以上，是tdlas技术中最普遍使用的积分面积法。由于积分面积法中基线拟合的不准 确以及对积分区域拟合的不准确，测量浓度存在一定误差。
[0051]
实施例1
[0052]
本发明获取环境参数和光谱参数，通过测量得到的吸光度在中心波长处的峰值，可以用 迭代法反演出目标气体的浓度，避免频域时域转换。
[0053]
如图1所示，本发明第一方面提供了一种基于tdlas的气体浓度测量方法，包括以下步 骤：
[0054]
s1、获取环境参数和光谱参数；
[0055]
本方案中，所述环境参数包括有:压力p、温度t、光程长l；所述光谱参数包括：空气 展宽υ
air
和目标气体的自展宽υ
self
。
[0056]
s2、采集激光的光谱吸收数据，计算对数吸光度，得到对数吸光度的最大值；
[0057]
需要说明的是，在计算对数吸光度前需要先计算出射信号的最大值与入射信号在中心波 长v0处的比值对数吸光度的最大值记作
[0058]
s3、根据环境参数和光谱参数计算lorentz线型下的最大fwhm，记为δν
c0
；
[0059]
需要说明的是，δν
c0
表示极限半高宽，其是根据环境参数和光谱参数计算得到的半高宽δ νc最小值，不具有其他物理意义，仅是为了提前假设一个更接近真实浓度的值，以减少迭代 次数，在这里δν
c0
＝p*2*min[γair,γself],min[γair,γself]是γair和γself之间小的值，其中p 表示介质的总压力，以atm为单位。
[0060]
s4、利用浓度计算公式计算气体的近似浓度，作为初始的迭代值，记为x0，并将其赋值 于x1；
[0061]
所述浓度计算公式为：
[0062][0063]
其中，为出射信号的最大值与入射信号在中心波长处的比值，为对数吸光度 的最大值，v为激光波长，ν0为光谱吸收中心波长，φ(v0)是ν＝ν0时计算的洛伦兹线型的峰 值：
[0064][0065]
s5、用x1计算lorentz线型下的fwhm，记为δv
c1
；具体计算公式为：
[0066]
δv
c1
＝p*[((1-x1)*2*υ
air
) x1*2*υ
self
]。
[0067]
s6、利用步骤s4的浓度值计算voigt线型下的φ(ν)，记为φv(v0)；
[0068]
φv(v0)的计算公式为：
[0069][0070]
其中，为高斯函数，a、y为自定义参数；δνd为在浓度为x1 时，高斯线型下的fwhm，δνd的计算公式为：
[0071][0072]
其中，m为质量，m为气体相对分子质量，k是玻尔兹曼常数，v为激光波长，ν0为光谱 吸收中心波长，三个参数单位均为cm-1；
[0073]
s7、将φv(ν0)代入浓度计算公式计算浓度，记为x2；
[0074]
浓度x2的计算公式为：
[0075][0076]
s8、判断x1和x2的差值的绝对值是否小于预设值，如果小于预设值，则输出x1为计 算浓度；如果大于或者等于预设值，则改变x1的值回到步骤s5继续计算。
[0077]
需要说明的是，步骤s8中的预设值根据迭代步长确定，在本实施例中迭代步长为0.0001， 步长取决于实际浓度的数量级，使得相对误差很小即可。例如，10％浓度数量级的目标气体， 可以选择步长为0.0001，迭代终止时的相对误差最大仅为0.1％数量级。
[0078]
图2示出了一种基于tdlas的气体浓度测量系统框图。
[0079]
本发明第二方面提供了一种基于tdlas的气体浓度测量系统，该系统包括：第一待测气 瓶1、第二待测气瓶2、第一流量控制器3、第二流量控制器4、气体混合器5、气体吸收池 6、探测器7、准直器8、激光器9、前置放大器10、激光控制器11、pc机12，所述第一待 测气瓶1通过第一流量控制器3连通至气体混合器5的第一输入口，所述第二待测气瓶2通 过第二流量控制器4连通至气体混合器5的第二输入口，所述气体混合器5的输出口连通至 气体吸收池6的第一输入口，所述气体吸收池6的第二输入口通过准直器8与激光器9的光 输出端连接，所述激光器9的控制输入端与激光控制器11的第一控制输出端连接，所述气体 吸收池6的输出口与探测器7的输入端连接，所述探测器7的输出端连接至前置放大器10的 输入端，所述前置放大器10的输出端与激光控制器11的输入端连接，所述激光控制器11的 第二控制输出端与pc机12连接，所述pc机中包括有存储器、处理器，所述存储器中包括 基于tdlas的气体浓度测量方法程序，所述基于tdlas的气体浓度测量方法程序被所述处 理器执行时实现如下步骤：
[0080]
s1、获取环境参数和光谱参数；
[0081]
s2、采集激光的光谱吸收数据，计算对数吸光度，得到对数吸光度的最大值；
[0082]
s3、根据环境参数和光谱参数计算lorentz线型下的最大fwhm，命名为δν
c0
；
[0083]
s4、利用浓度计算公式计算气体的近似浓度，作为初始的迭代值，记为x0，并将其
赋值 于x1；
[0084]
s5、用x1计算lorentz线型下的fwhm，记为δν
c1
；
[0085]
s6、利用步骤s4的浓度值计算voigt线型下的φ(ν)，记为φv(ν0)；
[0086]
s7、将φv(ν0)代入浓度计算公式计算浓度，记为x2；
[0087]
s8、判断x1和x2的差值的绝对值是否小于预设值，如果小于预设值，则输出x1为计 算浓度；如果大于或者等于预设值，则改变x1的值回到步骤s5继续计算。
[0088]
需要说明的是，在气体测量时，第一待测气体和第二待测气体分别通过第一流量控制器3 和第二流量控制器4进入气体混合器5中混合，然后混合后的气体进入气体吸收池6中，在 气体吸收池6中，气体对激光器9出射的激光发生了光谱吸收作用，探测器7探测到的光谱 信号经过前置放大器10、激光控制器11后被传输到计pc机12中，得到相应的光谱吸收数 据，pc机12中的处理器执行tdlas的气体浓度测量方法程序实现上述步骤。
[0089]
本方案中，所述系统还包括：流量显示仪13、温度控制器14，所述流量显示仪13的第一 输入端和第二输入端分别与第一流量控制器3和第二流量控制器4电连接，所述温度控制器 14与气体吸收池6电连接。
[0090]
本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中包括基于 tdlas的气体浓度测量方法程序，所述基于tdlas的气体浓度测量方法程序被处理器执行 时，实现如上项所述的一种基于tdlas的气体浓度测量方法的步骤。
[0091]
实施例2
[0092]
验证分析
[0093]
本实施例以近红外co2红外吸收光谱系统为例来验证本发明方法，如图2所示为气体浓 度的测量系统，可分为气体制备部分和激光检测部分。气体制备部分主要包括两个质量流量 阀、配套的流量显示仪以及光程为2000cm的herriott吸收池。验证过程中，高纯氮气(99.999％) 和高纯二氧化碳(99.999％)经过质量流量阀和流量显示仪配置10％，12％，14％，16％，18％ 和20％六个浓度的co2。
[0094]
在温度为298k，压力为1atm的工况下，采集了co2在1580nm左右的光谱吸收信号。 对信号采用本发明中提出的峰值迭代法进行浓度的反演，同时与传统的积分面积法进行对比， 结果如下表1所示：
[0095]
表1结果对照表
[0096][0097]
[0098]
从表中可以看出，本发明提出的方法反演浓度的准确性优于传统的积分面积法。
[0099]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明 的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其 它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神 和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之 内。