TDLAS直接吸收法測量CO₂的基線選擇方法分析

楊立紅 張曉

摘 要 為了有效對室溫或者是大氣常態(tài)條件下煙氣中二氧化碳濃度進行測定，利用去峰擬合處理方式以及純氮氣線擬合處理方式較為常見，結(jié)合對比分析后發(fā)現(xiàn)，利用TDLAS直接吸收法測量CO2基線能有效提升濃度測定準(zhǔn)確度，并且為二氧化碳濃度測量基線選擇提供較好的數(shù)據(jù)參考。本文簡要分析了TDLAS直接吸收法原理，并對實驗過程和實驗結(jié)果予以討論，僅供參考。

關(guān)鍵詞 TDLAS直接吸收法 原理 CO2測量 基線選擇方法

中圖分類號：TN247 文獻標(biāo)識碼：A

1 TDLAS直接吸收法原理

TDLAS直接吸收法能借助直接吸收和波長調(diào)制的手段建立完整的應(yīng)用框架，利用直接吸收法并不需要進行特殊標(biāo)定，更適于在固定源判定效果較好的情況下以及濃度較高的環(huán)境中應(yīng)用，而波長調(diào)制法則要對標(biāo)準(zhǔn)氣體進行標(biāo)定后才能完成測定分析，更適于在低濃度氣體開放式環(huán)境中應(yīng)用。正是因為基線的確定對于最后反算計量氣體濃度值有較大的關(guān)聯(lián)度，則能借助TDLAS直接吸收法聯(lián)合純氮氣譜線進行基線分析和系統(tǒng)處理，有效提升二氧化碳濃度測量精確性。

TDLAS直接吸收法應(yīng)用過程中，其核心技術(shù)定律就是Beer-Lambert，在強度為的激光穿過某種氣體后，就能進入吸收池，此時氣體分子對于入射激光會形成甄選，也就是會形成選擇性吸收過程?；诖?，激光強度就會因為分子被吸收而形成衰減，此時利用=exp[-pS（T） （v）XL]進行計算，其中，表示激光穿過氣體介質(zhì)后的實際強度、表示無氣體狀態(tài)吸收情況下參考激光強度，另外，S（T）是氣體特征譜線的實際在線強度，本身是溫度單值函數(shù)。

需要注意的是，在氣體各個組分之間，若是存在的干擾并不大，則能轉(zhuǎn)變?yōu)?，將相關(guān)數(shù)據(jù)進行連接和管控，在自然對數(shù)環(huán)境中就能對波數(shù)范圍內(nèi)的積分進行集中測定。也就是說，只有保證光譜吸收率在波數(shù)范圍內(nèi)有效完善積分?jǐn)?shù)值的判定和處理工作，才能借助相應(yīng)的公式完成濃度的測定和分析。

2 TDLAS直接吸收法測量CO2基線實驗過程

2.1選擇激光器測線譜

為了有效應(yīng)用TDLAS直接吸收法對具體數(shù)據(jù)的測量水平，要依據(jù)數(shù)據(jù)庫完成相應(yīng)氣體濃度的參數(shù)判定和選擇工作，其中，CO2、H2O以及NO等都要在1579nm到1580之間進行選擇。結(jié)合相應(yīng)判定數(shù)據(jù)可知，CO2能在1580nm附件的兩個強度量級體系內(nèi)進行吸收峰的處理和控制，并且要進行時域和頻域的轉(zhuǎn)換處理，有效提升控制結(jié)構(gòu)的實際價值。一般而言，煙氣中主要含有二氧化硫、二氧化氮等氣體，在1580nm附近則并不會進行數(shù)據(jù)的吸收，若是在1580nm范圍內(nèi)并沒有建立吸收過程，就會導(dǎo)致H2O以及NO的線強度量級出現(xiàn)異常變動，此時能有效避開譜線干擾問題，也是對鍋爐煙氣中CO2進行集中測定的最佳時間段，選擇中心波長滿足要求的DFB激光器對激光光源進行控制，能在避免一氧化氮譜線對CO2產(chǎn)生影響的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對混合氣體的模擬。

2.2具體實驗裝置

在實驗裝置配置工作中，要將氣體配置部分和激光控制測量部分作為關(guān)鍵，見圖1。

一方面，氣體配制部分主要分為質(zhì)量流量控制設(shè)備和配套流量顯示儀器，氣體混合器等，能有效進行實驗操作和處理。并且，CO2和氮氣要分別進入到不同的流量閥完成流量調(diào)節(jié)作用，從而形成差異化濃度的二氧化碳混合氣體，在完成以上工序后就要將其加入到赫里奧特池中。

另一方面，激光控制測量部分主要涉及激光控制器和光線準(zhǔn)直設(shè)備等，并且要利用DFB激光器和光電探測設(shè)備完成具體處理工序。需要注意的是，利用控制器能將激光器溫度控制在規(guī)定范圍內(nèi)，電流控制也能保證激光器能在完整的工作電流環(huán)境中實現(xiàn)工作目標(biāo)，并且輸出波長和掃描電流之間能形成一一對應(yīng)的關(guān)系。

因為在測量體系內(nèi)無法得到直接的掃描結(jié)果，并且不能直觀測定波長和時間的關(guān)系，就要對濃度進行計算，并且有效將時域信息轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信息。本文在研究的過程中主要采取的就是對兩個吸收峰進行掃描點位置測定和數(shù)據(jù)庫內(nèi)峰值頻線波長進行對比分分析測定的方式，有效建立氣體吸收譜線波長和掃描點對應(yīng)關(guān)系模式，確保能結(jié)合數(shù)據(jù)關(guān)系分析相應(yīng)問題，且能合理性提高管控流程的完整性，為關(guān)系擬合管控效果的全面優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。最關(guān)鍵的是，在擬合結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上能獲得吸收信號頻域的分布結(jié)果，對于全面落實具體操作指令具有幫助，且能直接進行下一次譜線擬合和計算處理。

除此之外，在對譜線數(shù)據(jù)進行匯總后，要對基線強度進行深度擬合管控，有效完成譜線強度分析水平，從而獲取對數(shù)關(guān)系，就能完善光譜吸收率的相關(guān)參數(shù)數(shù)值。利用光譜吸收率-波線曲線完善洛倫茲線性擬合處理，此時，將線強度、壓力參數(shù)以及光程代入公式就能得出最終的濃度參數(shù)數(shù)值，以此作為判定CO2實際基線濃度和相關(guān)參數(shù)的重要過程。

3 TDLAS直接吸收法測量CO2基線實驗結(jié)果

借助TDLAS直接吸收法對CO2進行測定，在利用中心波長1580nm激光器進行掃描處理后，就能得出氮氣線和各個濃度CO2吸收譜線的分析結(jié)果，除了吸收峰外，純氮氣參數(shù)線和CO2吸收基線之間最大的重點就是兩者斜率較為一致。

3.1直接吸收法

在對直接吸收法進行測定和分析的過程中，基線的選擇過程會對光譜吸收率產(chǎn)生一定程度上的影響，尤其是對全波數(shù)域內(nèi)的積分?jǐn)?shù)值，這就使得相應(yīng)操作對反算濃度的實際準(zhǔn)確性和應(yīng)用效果會產(chǎn)生影響。尤其是在原始數(shù)據(jù)獲取后，一般要利用兩種方式建立基線擬合處理控制機制，見圖2。

最關(guān)鍵的是，要合理性去掉吸收峰，確保留下的兩端無吸收部分，且能有效借助多次計算對二氧化碳濃度和實際配比之間的濃度差距予以分析。在進行對比后發(fā)現(xiàn)，這種處理方式最大的弊端就是擬合基線斜率和CO2吸收線的實際重合度之間差距較大，這必然會對光譜吸收率積分計算過程造成影響，甚至?xí)霈F(xiàn)反算濃度誤差增大的問題。究其原因，主要是因為激光器性能和氣體池光學(xué)偏轉(zhuǎn)干涉等因素造成激光輸出功率線性結(jié)構(gòu)失衡問題。