利用可调谐半导体激光吸收光谱技术对气体浓度(5)

第15期 李 宁等： 利用可调谐半导体激光吸收光谱技术对气体浓度的测量

0.3 光谱吸收率 0.2 0.1 0.0

6359.856360.00

波数/cm 1

6360.15

125

类、光学仪器精度、温度、压强等条件的影响。一般采用吸收谱线的波峰值来估算气体的最小可探测浓度，根据式(2)，定义气体最小可探测浓度为

MDA

Xmin=

PS(T)φ(v0)L其中，MDA为最小可探测吸收值；φ(v0)为吸收谱线中心处的线型函数值。假定MDA为10 4，则模型中最小可探测浓度Xmin随温度与压强的变化规律如图7所示。

×10 6 最小可探浓度/(m3/m3)

400 300 200 100 0 0.02

0.06 压强/MPa

900 750

0.1 6359.70

图8 模拟实验中的吸收信号

Fig. 8 Simulation of the absorption signal in experiment

1.6 浓度相对误差/%

1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2

2

4 6 8 吸收率随机误差/%

10

0.1 300 450 温度/K

注：空气和CO2的混合气，CO2的浓度为10%， 吸收路径长度为2000cm，最小可探测吸收值为10 4

600

注：空气和CO2的混合气，CO2谱线中心为6359.97cm 1， 气体总压为0.01MPa，温度为296K，吸收路径长度为2000cm

图7 CO2在6359.97cm处的 最小探测灵敏度随温度、压强变化曲线

Fig. 7 Minimum detectivity of CO2 transition at 6359.97

cm 1 as a function of temperature and pressure

1

图9 吸收率随机误差对于浓度计算的影响 Fig. 9 The effect of absorbance random error on

concentration calculation

在图7中，气体最小可探测浓度随着温度的升高而不断增大，因此模型在温度较低的情况下气体浓度的测量精度更高。这主要是因为温度的变化主要影响的

是谱线的线强度，随着温度的升高，线强度减小，使得最小可探测浓度不断增大。

最小可探测浓度随着压强的增大而不断减小，但在压强较大时，随着压强的增加，气体的最小可探测浓度几乎不变。这主要是由于吸收线型的原因造成的。在压强较低的时候，多普勒加宽线型起主导作用，线型函数峰值变化较大，使得最小可探测浓度变化明显。但在压强较高的时候，碰撞加宽线型起主导作用，这时增加压强，碰撞加宽线型对于线型宽度的影响较大，但是线型函数峰值变化很小，故曲线趋于平坦[6]。

3.4 随机误差对于浓度测量的影响

在实际测量中存在各种各样的干扰因素，为此假定给计算出的模型吸收信号（图3）加入一定量的随机误差，模拟实验中测量得到的吸收信号，如图8所示。

以0.004cm 1的激光扫描步长在6359.57cm 1

到6360.37cm 1的范围采集数据点，来观察随机误差对于气体浓度测量的影响，从图9可以看出，随着给

定误差值的增大，气体浓度相对误差也相应增大。

如果取6359.57cm 1到6360.37cm 1范围内激光扫描步长为0.004cm 1，光谱吸收率测量随机误差取为5%，则根据计算，由扫描步长所产生的误差为1.2%，由随机误差所产生的误差大约为0.8%，取透射率积分的误差为2%，如果假定在实验中的 气体总压误差σP取1%，路径误差σL取3%，吸收谱线的线强度误差σS(T)取3%，则根据误差传递公

式σX=得到CO2浓度测量的误差σX大约为5%。

4 结论

使用TDLAS技术可以快速准确的实现气体浓度的在线测量。浓度测量精度受温度、压强、激光扫描步长等因素的影响。在建立的CO2的吸收谱线模型中，低的温度和高的压强是有利于浓度测量的，但是压强过高会引起谱线宽度的增加，考虑到其他谱线叠加影响的干扰，反而会不利于有效数据的采集。激光扫描精度的选择应该适当，精度过低会使得测量出的气体浓度误差过大，但是精度过高需要增加设备投资，并且过高的精度对于计算没有太大的帮助。