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1、第29卷,第10期光谱学与光谱分析Vol29,No10,pp259726012009年10月SpectroscopyandSpectralAnalysisOctober,2009可调谐半导体激光吸收光谱技术光信号相关法氨气浓度流速同时测量*张春晓,王飞,李宁,严建华,池涌,岑可法浙江大学能源清洁利用国家重点实验室,浙江杭州310027摘要利用可调谐半导体激光吸收光谱技术结合光信号相关技术可以实现气体浓度和流速的同时在线测量。文章首先介绍了气
2、体浓度与流速测量的基本原理,然后对在近红外通讯波段附近的NH3吸收谱线进行分析,并从中选取适合测量的目标谱线,并进行了相应的计算分析。在常温常压下内径为0016m长度为1m的管道内,利用流量计配制出不同浓度以及不同流速的NH3和N2混合气体进行相关的试验。利用线宽为15MHz,可连续调谐范围为1cm-1的激光二极管对位于65487cm-1处的NH3吸收谱线进行快速扫描,采用直接吸收计算的方法测量得到实时气体吸收信号并计算出气体浓度。同时利用非介入式的光信号相关法,通过布置在管道上下游两个探测器探测到的N
3、H3浓度信号间的相关性,计算得到NH3气体从上游到下游的渡越时间,进而计算出气体流速。计算得到的NH3气体浓度值和流速值与流量计标定值之间相比,其相对误差分别在7%和10%之内。测量系统响应迅速,抗干扰能力强,测量结果重复性好,适用于恶劣的现场测量环境,具有很广的工业应用前景。关键词可调谐半导体激光吸收光谱;光学信号互相关法;氨气浓度测量;氨气流速测量中图分类号:O4335文献标识码:ADOI:103964/jissn10000593(2009)10259705测量NH3浓度的同时利
4、用抗干扰能力强,能适应恶劣环境引言的非介入式的光学信号互相关技术从上下游NH3浓度信号的相关性可以计算出NH3从上游到下游的渡越时间从而测大气污染大部分来源于能源、电力、化工、冶金、纺织、量气体流速,如果知道烟气流经的横截面积,就能计算出烟制药、垃圾焚烧等工业过程在化学反应时产生的各种烟气,气总量。该方法突破了传统的TDLAS多普勒测速方法对测这些烟气含有大量对人体有害的物质,必须对其排放量进行速范围的限制,适用于烟气流速测量,测量系统易于实现在严格控制。因此,烟气在线动态测量对环境保护和污染控制线实
5、时测量,具有很广的应用前景。并且可以为进一步同时具有重要的意义。可调谐半导体激光吸收光谱技术通过激光测量燃烧污染物的浓度和流速积累经验。器在不同区域的扫描,其分析测量不受测量环境中背景气体、粉尘以及环境温度和压力的影响,可以实现现场方式测1浓度和流速同时测量原理量,避免了现有取样分析系统必需的采样预处理系统,具有恶劣测量环境的良好适应性、非常高的测量精度和快的测量11浓度直接吸收测量原理响应速度,在技术上具有无可比拟的优势。目前,国外的研利用可调谐激光二极管扫描气体的特征吸收谱线计算气究人员已经运用可
6、调谐半导体激光吸收光谱技术进行了多种体浓度,其测量原理基于BeerLambert定律[1]常见气体,如O2,H2O,CO,CO2,NO,NO2,NH3,HF,Ita()=-ln=PS(T)()XL(1)H2S和CH4等的测量。I0NH3是城市大气中的污染物之一,同时也是化肥生产其中a()定义为光谱吸收率,It和I0分别为透射激光强度中的重要材料,并且在制冷,锅炉烟气脱硝等各个方面都有和参考激光强度,S(T)为吸收谱线强度,可通过光谱数据库很重要的作用,因此对于其浓度的检测具有重要的意义。在来进行查
7、询,P为气体总压,L为光程长度,X为气体的体积收稿日期:20080810,修订日期:20081220基金项目:国家自然科学基金项目(60534030),国家重点基础研究发展计划项目(2009CB219802),浙江省自然科学基金项目(Y107387)和高等学校学科创新引智计划项目(B08026)资助作者简介:张春晓,1984年生,浙江大学能源清洁利用国家重点实验室硕士研究生email:zhangchunxiao@163com*通讯联系人email:wangfei@zjued
8、ucn2598光谱学与光谱分析第29卷浓度,()为线型函数。进行相关分析,因此更有意义的是互相关函数的离散形式[6]气体吸收谱线主要的加宽类型包括由分子碰撞引起的(N-1)!t1Rsx(k)=Is(j)Ix(j+k)(9)Lorentzian线型和分子热运动引起的Guass线型。在常温常N-kj=1压的情况下,碰撞加宽占主要地位,因此可以利用Lorentzi式中k=
