TDLAS技术中不同背景气体的混合气体浓度算法
发布时间：2022-01-17 17:48
可调谐半导体激光光谱技术（TDLAS）是目前发展十分迅速的光谱检测技术,被广泛用于检测工业环境中的易燃易爆等危险气体;这些危险气体往往是多种气体混合而成,待测气体的直接吸收光谱在不同的背景气体下会发生改变,浓度计算结果存在误差;故而提出一种新型的混合气体浓度算法。针对不同背景气体下的混合气体浓度算法进行了讨论,研究了不同背景气体下洛伦兹吸收谱产生变化的原因,并分析了峰值算法和积分算法在计算混合气浓度存在误差的原因,提出了采用Levenberg-Marquardt算法拟合出洛伦兹吸收谱,利用面积系数与标准浓度进行二次拟合来表征混合气浓度的算法。实验搭建了基于TDLAS技术的气体检测系统,采用中心波长为1 368.59 nm的激光器,气室长度为30 cm,以水汽为待测气体,干燥空气、氮气、氩气作为背景气体,利用国瑞智双压法湿度发生器GRZ5013产生40%～80%的相对湿度环境,以Mitchell-s8000露点仪的测量结果作为参考值,通过计算干燥空气为背景气体下的峰值、积分和面积系数,拟合三者与Mitchell露点仪测量的水汽浓度结果,得到三种算法二次拟合关系,再对氮气和氩气背景下的水汽...
【文章来源】：光谱学与光谱分析. 2020,40(10)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
同浓度不同半高宽下吸收谱线的模拟结果
迭代计算可以通过Matlab实现, 进一步得到式(8)的最优化待定系数。 根据洛伦兹吸收谱线的线型定义, x1为谱线中心频率, 是洛伦兹吸收谱线中心峰值的频率位置; x2为谱线半高宽系数, 表征了洛伦兹吸收谱线展宽程度; x3为面积系数, 表征了整体的洛伦兹吸收程度; x4ν+x5是基线函数。 将最优化待定系数带入目标函数, 扣除基线函数, 获得拟合后的洛伦兹吸收谱, 利用面积系数与标准浓度二次拟合, 得到表征浓度的算法。 整体算法流程图如图2所示。3 实验部分
实验系统由TDLAS水汽测试系统、 Michell-s8000露点仪和国瑞智GRZ5013湿度发生器组成。 国瑞智湿度发生器采用双压法原理, 用于产生各种背景气体的相对湿度环境, Michell露点仪用来测量实际的水汽浓度。 TDLAS水汽测试系统选用中心波长为1 368.59 nm的DFB半导体激光器, 气室长度30 cm, 通过单片机产生低频的锯齿波电流信号, 激光器经过电流调制后, 输出光信号波长覆盖水汽吸收峰, 光信号在气室中进行反射吸收进入探测器, 最终由上位机对信号进行处理。根据Hitran数据库, 实验选取了1 368.579 nm波长的水汽吸收峰, 吸收强度为1.8×10-20 cm-1·(molec·cm-2)-1, 背景气体选取了浓度为99.99%的氩气、 99.99%的氮气和干燥空气, 通过国瑞智湿度发生器产生40%～80%的相对湿度环境, 湿度间隔10%, 温度为25℃, Michell露点仪水汽测量结果作为参考, 将TDLAS水汽测试系统的气室探头放入湿度发生器环境箱中, PC端读取每个测试环境的直接吸收曲线, 利用Levenberg-Marquardt算法拟合出洛伦兹吸收谱线, 对三种算法进行了误差分析。 测试系统整体结构如图3所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]TDLAS技术在烯烃生产过程中的多组分检测应用[J]. 季文海,吕晓翠,胡文泽,李国林. 光学精密工程. 2018(08)
[2]TDLAS氧气检测系统设计及背景噪声在线消除[J]. 庞涛,夏滑,吴边,张志荣,王煜,崔小娟,董凤忠. 光电子·激光. 2015(03)
[3]温度和压强的变化对谱线线型峰值的影响[J]. 陈舟,陶少华,杜翔军,侯小静. 光谱学与光谱分析. 2013(02)
[4]基于TDLAS技术的工业环境中HF气体在线监测[J]. 张志荣,董凤忠,吴边,田明丽,庞涛,涂郭结,夏滑,王煜,倪志波. 光电子.激光. 2011(11)
[5]利用TDLAS技术开展吸气式发动机来流热试实验参数测量[J]. 杨斌,何国强,刘佩进,齐宗满,潘科玮. 中国激光. 2011(05)
[6]基于红外波段光谱吸收的小型化湿度探测系统[J]. 鞠昱,谢亮,韩威,孙可. 强激光与粒子束. 2011(02)
本文编号：3595169
【文章来源】：光谱学与光谱分析. 2020,40(10)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
同浓度不同半高宽下吸收谱线的模拟结果
迭代计算可以通过Matlab实现, 进一步得到式(8)的最优化待定系数。 根据洛伦兹吸收谱线的线型定义, x1为谱线中心频率, 是洛伦兹吸收谱线中心峰值的频率位置; x2为谱线半高宽系数, 表征了洛伦兹吸收谱线展宽程度; x3为面积系数, 表征了整体的洛伦兹吸收程度; x4ν+x5是基线函数。 将最优化待定系数带入目标函数, 扣除基线函数, 获得拟合后的洛伦兹吸收谱, 利用面积系数与标准浓度二次拟合, 得到表征浓度的算法。 整体算法流程图如图2所示。3 实验部分
实验系统由TDLAS水汽测试系统、 Michell-s8000露点仪和国瑞智GRZ5013湿度发生器组成。 国瑞智湿度发生器采用双压法原理, 用于产生各种背景气体的相对湿度环境, Michell露点仪用来测量实际的水汽浓度。 TDLAS水汽测试系统选用中心波长为1 368.59 nm的DFB半导体激光器, 气室长度30 cm, 通过单片机产生低频的锯齿波电流信号, 激光器经过电流调制后, 输出光信号波长覆盖水汽吸收峰, 光信号在气室中进行反射吸收进入探测器, 最终由上位机对信号进行处理。根据Hitran数据库, 实验选取了1 368.579 nm波长的水汽吸收峰, 吸收强度为1.8×10-20 cm-1·(molec·cm-2)-1, 背景气体选取了浓度为99.99%的氩气、 99.99%的氮气和干燥空气, 通过国瑞智湿度发生器产生40%～80%的相对湿度环境, 湿度间隔10%, 温度为25℃, Michell露点仪水汽测量结果作为参考, 将TDLAS水汽测试系统的气室探头放入湿度发生器环境箱中, PC端读取每个测试环境的直接吸收曲线, 利用Levenberg-Marquardt算法拟合出洛伦兹吸收谱线, 对三种算法进行了误差分析。 测试系统整体结构如图3所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]TDLAS技术在烯烃生产过程中的多组分检测应用[J]. 季文海,吕晓翠,胡文泽,李国林. 光学精密工程. 2018(08)
[2]TDLAS氧气检测系统设计及背景噪声在线消除[J]. 庞涛,夏滑,吴边,张志荣,王煜,崔小娟,董凤忠. 光电子·激光. 2015(03)
[3]温度和压强的变化对谱线线型峰值的影响[J]. 陈舟,陶少华,杜翔军,侯小静. 光谱学与光谱分析. 2013(02)
[4]基于TDLAS技术的工业环境中HF气体在线监测[J]. 张志荣,董凤忠,吴边,田明丽,庞涛,涂郭结,夏滑,王煜,倪志波. 光电子.激光. 2011(11)
[5]利用TDLAS技术开展吸气式发动机来流热试实验参数测量[J]. 杨斌,何国强,刘佩进,齐宗满,潘科玮. 中国激光. 2011(05)
[6]基于红外波段光谱吸收的小型化湿度探测系统[J]. 鞠昱,谢亮,韩威,孙可. 强激光与粒子束. 2011(02)
本文编号：3595169
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