[發(fā)明專利]基于免基線波長掃描直接吸收光譜的氣體濃度測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710040401.3
• 申請日: 2017-01-19
• 公開（公告）號: CN106770024B
• 公開（公告）日: 2019-04-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周賓;王一紅;程禾堯
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

本發(fā)明提出一種基于免基線波長掃描直接吸收光譜的氣體濃度測量方法，該方法首先對透射光強(qiáng)信號加上Nuttall時(shí)窗，其次對加窗的透射光強(qiáng)信號進(jìn)行數(shù)字帶通濾波處理，獲得諧波處的X分量，使得吸收部分的信號得到強(qiáng)化而使邊緣處接近為零，同時(shí)對加窗的透射光強(qiáng)信號進(jìn)行數(shù)字低通濾波處理得到常數(shù)項(xiàng)，然后使用得到的常數(shù)項(xiàng)對X分量進(jìn)行歸一化處理，消除光強(qiáng)波動的影響，最后對歸一化的X分量使用擬合算法即可得到待測氣體參數(shù)值。本發(fā)明的測量方法克服了傳統(tǒng)直接吸收方法對基線敏感的缺點(diǎn)，同時(shí)避免了由于基線擬合誤差對結(jié)果的影響，尤其適合于掃描范圍較窄或者高壓下線寬較寬無法獲得基線的情況。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種免基線的波長掃描直接吸收方法，用于氣體濃度測量，屬于激光吸收光譜技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

以煤炭、石油為代表的碳?xì)淙剂系娜紵俏覀冏顝V為采用的能量轉(zhuǎn)換方式，燃燒參數(shù)的測量對揭示燃燒機(jī)理和調(diào)控燃燒過程具有重要意義。可調(diào)諧二極管激光器吸收光譜技術(shù)(tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS)因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)諸如組分濃度、溫度、壓力及速度等多參數(shù)在線測量，并且具有高靈敏度、快時(shí)間響應(yīng)及非接觸等特點(diǎn)，在燃燒診斷領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

與其他技術(shù)相比，傳統(tǒng)直接吸收方法具有系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與處理方法簡單等優(yōu)點(diǎn)，是TDLAS技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的方法。傳統(tǒng)直接吸收方法對基線擬合誤差特別敏感，特別是在高壓燃燒環(huán)境下，由于壓力展寬效應(yīng)導(dǎo)致譜線混疊，使非吸收基線的擬合存在困難，甚至根本得不到基線，因此要獲得準(zhǔn)確完整的吸收光譜對波長掃描范圍有一定要求，目前技術(shù)廣泛采用的通信用二極管激光器調(diào)制范圍一般在2cm^-1以內(nèi)。在某些氣體組分狀態(tài)變化劇烈的情況下(如燃燒環(huán)境下氣體參數(shù)的測量)，為了保證良好的瞬態(tài)響應(yīng)特性，需要使激光器在較高的調(diào)制頻率下工作。然而隨著調(diào)制頻率的提高，半導(dǎo)體激光器的調(diào)制范圍會進(jìn)一步減小，為了獲得準(zhǔn)確完整的吸收光譜，激光器的調(diào)制頻率一般限制在10KHz以下。因此傳統(tǒng)直接吸收方法在高壓燃燒環(huán)境的應(yīng)用受到了限制，而且時(shí)間響應(yīng)速率一般小于10KHz，這限制了傳統(tǒng)直接吸收方法的應(yīng)用。

綜上，傳統(tǒng)的掃描波長直接吸收光譜只適用于吸光度適當(dāng)(過大或過小都會降低測量靈敏度)、壓力相對較低、調(diào)制頻率不大，吸收線相對孤立的場合。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種適用于在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(如高壓燃燒環(huán)境)實(shí)現(xiàn)氣體參數(shù)的測量的免基線波長掃描直接吸收方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

基于免基線波長掃描直接吸收光譜的氣體濃度測量方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

(1)參數(shù)設(shè)置：定義t時(shí)刻的入射光強(qiáng)信號為I₀(t)、穿過待測氣體的透射光強(qiáng)信號為I_t(t)；設(shè)置迭代變量x，通過x在每一輪迭代中的更新逼近待測氣體真實(shí)值；

(2)初始化x＝x₀，根據(jù)x利用Beer-Lambert定律仿真透射光強(qiáng)信號，得到透射光強(qiáng)的仿真信號^SI_t(t)；

(3)分別為I_t(t)和^SI_t(t)加上Nuttall時(shí)窗，得到I_t(t)和^SI_t(t)加窗后的信號分別為I_t(t)_Window和^SI_t(t)_Window；