李 偉 賈軍偉 柴 昊 張書鋒 張明志 崔鴻飛 劉敬敏 劉 展
(北京東方計(jì)量測試研究所,北京100086)
環(huán)境污染氣體、易燃易爆氣體以及燃燒氣氛的實(shí)時(shí)在線檢測是環(huán)境保護(hù)、工業(yè)安全生產(chǎn)和節(jié)能減排中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)??烧{(diào)諧二極管激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)是近年發(fā)展起來的、非接觸式的氣體溫度、濃度和壓力在線檢測技術(shù)[1]。該技術(shù)采用帶寬極窄的激光掃描氣體分子的吸收譜線,可以有效地除去其他譜線的干擾,具有極高的波長選擇性和靈敏度[2~4]。TDLAS自提出以來,形成了以直接吸收光譜技術(shù)和波長調(diào)制光譜技術(shù)為主的兩種主要測量方法。
直接吸收光譜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于:該技術(shù)根據(jù)Beer-Lambert吸收定理,通過透射光強(qiáng)和入射光強(qiáng)的比值直接擬合氣體吸收率函數(shù),而擬合得到的氣體吸收率函數(shù)不僅包含著氣體溫度、濃度和壓力等信息,而且還可以根據(jù)其確定特征譜線的光譜常數(shù)。因此,直接吸收光譜技術(shù)具有物理概念清晰、操作簡單、可直接測量氣體溫度、濃度和壓力等優(yōu)點(diǎn)[5,6]。但問題在于:隨著TDLAS的發(fā)展以及對氣體檢測精度和靈敏度要求的提高,尤其是越來越多的惡劣環(huán)境出現(xiàn)在實(shí)際測量中,傳統(tǒng)的直接吸收光譜技術(shù)在測量中由于容易受到顆粒物濃度、激光強(qiáng)度波動(dòng)和高壓下譜線重疊等因素的影響而無法精確擬合氣體吸收率函數(shù),進(jìn)而導(dǎo)致測量誤差甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤的測量結(jié)果[7]。另外,直接吸收光譜技術(shù)一般只能在強(qiáng)吸收條件下應(yīng)用的缺點(diǎn)也制約了其進(jìn)一步發(fā)展,如在峰值吸收為1%的弱吸收測量中,1%的基線擬合誤差可能會(huì)引起100%的濃度測量誤差[8]。
為了提高TDLAS的測量精度和靈敏度,解決惡劣環(huán)境以及弱吸收條件下氣體溫度、濃度和壓力的測量難題,上世紀(jì)八十年代J.Reid將波長調(diào)制光譜技術(shù)引入到TDLAS測量系統(tǒng)中[9]。波長調(diào)制光譜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于:該技術(shù)在測量過程中通過對目標(biāo)信號進(jìn)行高頻調(diào)制,而非目標(biāo)信號由于沒有經(jīng)過調(diào)制在后續(xù)的諧波檢測過程中被除去,因此可以有效地降低測量系統(tǒng)中背景信號的干擾,提高TDLAS的測量精度和靈敏度[10]。但問題在于:目前波長調(diào)制光譜技術(shù)一般都是根據(jù)二次諧波峰值和復(fù)雜的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)來確定待測氣體的溫度和濃度,而對氣體壓力和光譜常數(shù)的測量無能為力。此外,對于一次諧波,該方法只有在調(diào)制系數(shù)很小的條件下(m<0.2)才與吸收率函數(shù)相似,其擬合誤差隨著調(diào)制深度的增大而急劇增大,但理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,只有在較大的調(diào)制系數(shù)下(約為2.0)才具有較高的信噪比。
為了解決上述問題,本文通過吸收光譜理論和波長調(diào)制理論,推導(dǎo)了蘊(yùn)含分子吸收信息的諧波通項(xiàng)表達(dá)式,建立了一種基于諧波信號的絕對吸收強(qiáng)度測量算法。以CO2分子和H2O分子在6982cm-1附近的譜線為例進(jìn)行數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)研究,當(dāng)調(diào)制系數(shù)m約為2.0時(shí),仿真模擬和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與理論結(jié)果的相對誤差不超過5%,解決了目前波長調(diào)制技術(shù)需要通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)來測量氣體濃度、壓力等參數(shù)的問題,進(jìn)一步驗(yàn)證了該算法的準(zhǔn)確性與可靠性,拓寬了TDLAS在工業(yè)現(xiàn)場中的應(yīng)用范圍。
當(dāng)一束波長為ν[cm-1]的單色激光穿越待測氣體介質(zhì)時(shí),由于氣體吸收作用使得激光強(qiáng)度發(fā)生變化,根據(jù)Beer-Lambert定律,激光強(qiáng)度變化可用公式(1)來進(jìn)行描述,其測量原理如圖1所示[1]。
式中:It和I0——分別表示有氣體和無氣體吸收時(shí)的激光光強(qiáng);P[atm]——?dú)怏w總壓;S(T) [cm-2atm-1]——譜線的線強(qiáng)度,且僅與溫度有關(guān);X——待測氣體相對于總氣體的體積濃度;L——激光在氣體中的傳輸距離,cm;φ(ν)——分子吸收線型函數(shù),且滿足分子吸收線型函數(shù)決定于氣
1.2.1 問卷調(diào)查 調(diào)查問卷分為兩部分:①一般資料:內(nèi)容包括患者姓名、性別、年齡、學(xué)歷、文化程度、家族史、病程和糖尿病類型等。②胰島素注射相關(guān)知識問卷:由Fitzgerald等[4]制定的《糖尿病知識問卷》改編而來,內(nèi)容涉及胰島素使用注意事項(xiàng)和胰島素注射并發(fā)癥,共25題,總分100分,<60分為差,60~80分為中,81~100分為優(yōu)。該量表經(jīng)專家評定,內(nèi)容效度指數(shù)(CVI)=1.00,經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)測得評分表的 Cronbach's α為0.75。
體的溫度、壓力以及組分濃度等參數(shù),cm;α(ν)——吸收率函數(shù)。
圖1 TDLAS測量原理圖Fig.1 Diagram of measuring principle of TDLAS
以CO2分子6982cm-1附近的吸收譜線為例,通過公式(12)計(jì)算得到不同調(diào)制深度(調(diào)制系數(shù))下諧波信號Φ與吸收率函數(shù)之間的關(guān)系,如圖2所示,其中峰值最高的曲線為吸收率函數(shù)的理論值。
由公式(2)可知,在氣體溫度、壓力和激光傳輸距離已知的情況下,只要測量得到積分值A(chǔ),代入到公式(2)中即可得到待測氣體的體積濃度。
波長調(diào)制法測量原理如下:首先將激光器通過低頻電流調(diào)制,將其以頻率掃描吸收譜線,再注入一個(gè)高頻正弦調(diào)制信號(頻率為ω),激光瞬時(shí)頻率為:,帶入公式(1)可得
他開始覺得,先前的一切,是那樣的不真實(shí)。晶瑩剔透的水蓮,半人半魚的孩子,虛浮縹緲的黑霧,以及黑袍人那張永遠(yuǎn)也看不清的臉……這些東西,怎么可能存在呢?
利用一次諧波背景信號對Y1進(jìn)行歸一化處理,則可以得到
當(dāng)采用頻率為ω,2ω,3ω…kω的正弦參考信號對透射激光強(qiáng)度進(jìn)行諧波檢測時(shí),式(6)中Xk和Yk分別為基于剩余幅度調(diào)制的k次諧波X和Y軸,其表達(dá)式如下
式中:a[cm-1]——調(diào)制幅度,定義調(diào)制系數(shù)m=a/Δν,Δν是吸收線最大值一半時(shí)的半寬(HWHM);吸收率函數(shù)的傅里葉系數(shù)Fk(,a)的表達(dá)式如下
當(dāng)沒有吸收時(shí),傅里葉系數(shù)F0=2,F(xiàn)k=0(k=1,2,3…),則一次諧波X和Y軸的背景信號為
事實(shí)上,頻率調(diào)制的同時(shí)激光強(qiáng)度也發(fā)生調(diào)制,激光瞬時(shí)光強(qiáng)可表示為幅度系數(shù);φ1——激光頻率調(diào)制與強(qiáng)度調(diào)制之間的相位差。
將公式(4)代入式(3)中,可得到透射激光的瞬時(shí)強(qiáng)度如下
將公式(10)代入到公式(4)中,可得到Fk表達(dá)式如下
空間構(gòu)建是畫家從內(nèi)容到形式表現(xiàn)的主要階段,也是畫家與畫面空間情感交流的過程。中國畫表現(xiàn)內(nèi)容的超越和新風(fēng)格的產(chǎn)生歸功于獨(dú)特的空間形式??臻g構(gòu)建形式并不是繪畫的所有,一張好畫并不一定有著好形式,但是只有在好的空間構(gòu)建中方能創(chuàng)作出好畫。就北宋的全景山水或是南宋的邊角山水而言,每一個(gè)高峰期都有著獨(dú)特的空間構(gòu)建樣式。空間的構(gòu)建是中國畫中不可分割的一部分,為了完成一幅優(yōu)秀的作品,藝術(shù)家無不傾注心血和熱情,而畫面的空間構(gòu)建則掌握著作品從內(nèi)容到實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵,具備了好的空間想象但構(gòu)建布局不到位,作品所體現(xiàn)的意境與張力則得不到很好的實(shí)現(xiàn)。
將公式(11)代入到公式(9)中,可得到諧波信號
中國水利:剛剛過去的2011年是“十二五”的開局之年,是中央1號文件發(fā)布和中央水利工作會(huì)議召開之年,也是《太湖流域管理?xiàng)l例》的發(fā)布實(shí)施之年。請您談?wù)劇稐l例》頒布施行以來,太湖局作為太湖流域水資源綜合管理的國家派出機(jī)構(gòu),在圍繞中央1號文件精神、貫徹落實(shí)《條例》、推進(jìn)流域水利工作方面開展了哪些工作?取得了怎樣的成效?
與傳統(tǒng)波長調(diào)制法一階諧波信號相比,本算法結(jié)合了TDLAS中直接吸收和波長調(diào)制的優(yōu)點(diǎn),消除了激光強(qiáng)度波動(dòng)、光電放大系數(shù)等不確定性的影響,克服了傳統(tǒng)波長調(diào)制法需要通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)或復(fù)雜的重構(gòu)算法確定氣體濃度和溫度的缺點(diǎn),具有較高的信噪比和靈敏度。
為了驗(yàn)證以上算法的可靠性與正確性,仿真模擬以CO2分子在6982cm-1附近的吸收譜線為研究對象。CO2氣體濃度分別為20%,氣體壓力為0.1atm,溫度為296K,吸收路徑長120.0cm。仿真模擬參數(shù)來自HITRAN(High-resolution transmission molecular absorption database)光譜參數(shù)數(shù)據(jù)庫,如表1所示。
瀝青公路的施工質(zhì)量,決定著社會(huì)運(yùn)輸與出行安全,對于施工成果有著不可忽視的重要影響。而路面施工平整度是決定交通運(yùn)輸安全的重要因素,為保證路面安全,要對瀝青路面的施工平整度問題產(chǎn)生的原因以及具體養(yǎng)護(hù)措施展開分析,這是進(jìn)一步提升施工質(zhì)量的理論依據(jù)。
由上式可知,當(dāng)調(diào)制深度趨近于零時(shí)(a→0),諧波信號Φ趨近于吸收率函數(shù)α()。
表1 CO2分子在6982cm-1附近光譜參數(shù)Tab.1 Spectroscopic parameters for CO2near 6982cm-1
對公式(1)兩邊求對數(shù),在整個(gè)頻域內(nèi)積分,令積分值為A,則可得,于是可以得到氣體濃度的表達(dá)式如下
由圖2可知,隨著調(diào)制系數(shù)增大,諧波信號與吸收率函數(shù)之間的誤差急劇增大,只有在調(diào)制系數(shù)m≤0.5時(shí)才具有較高的擬合精度。當(dāng)m=0.5時(shí),擬合曲線峰值與理論峰值之間的相對誤差的絕對值不超過5.0%,擬合曲線相對于橫坐標(biāo)的積分值與理論曲線積分值的相對誤差為-0.19%;進(jìn)一步計(jì)算,當(dāng)m=1.0和1.5時(shí),擬合曲線積分值與理論曲線積分值的相對誤差的分別為-0.60%、-1.15%。盡管諧波信號隨著調(diào)制系數(shù)增大而偏離吸收率函數(shù),但諧波信號和吸收率函數(shù)在頻域(-∞,+∞)內(nèi)的積分值(絕對吸收強(qiáng)度)卻相等。對諧波信號Φ表達(dá)式兩側(cè)在(-∞,+∞)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行積分可得到
9月25日下午,第五屆黃河國際論壇水領(lǐng)導(dǎo)人高層論壇舉行。水利部部長陳雷在論壇講話并回答現(xiàn)場提問。水利部副部長胡四一,聯(lián)合國教科文組織前副總干事、聯(lián)合國教科文組織水教育學(xué)院院長納吉共同主持論壇。水利部副部長李國英,水利部黃河水利委員會(huì)主任陳小江,水利部總工程師汪洪、總規(guī)劃師周學(xué)文等出席。
圖2 不同調(diào)制系數(shù)下諧波信號與吸收率函數(shù)之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between harmonic signal and absorption function under different modulation indices
會(huì)上,上海市燃?xì)夤芾硖幐碧庨L莫非致辭,指出,上海市分布式供能項(xiàng)目經(jīng)過市政府多輪扶持政策取得了長足進(jìn)步,積累了寶貴的建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),初步形成全市產(chǎn)業(yè)市場化發(fā)展態(tài)勢,希望通過大家共同努力,推動(dòng)以分布式供能為基礎(chǔ)的區(qū)域性能源向能源微網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)方向發(fā)展,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、低碳環(huán)保可持續(xù)發(fā)展。
將公式(15)代入到(14)中,即可得到諧波信號Φ的積分值與氣體絕對吸收強(qiáng)度相等,即
測量氣體吸收率的實(shí)驗(yàn)方案如圖3所示,在實(shí)驗(yàn)前設(shè)計(jì)、搭建、調(diào)試TDLAS實(shí)驗(yàn)平臺(tái),精確標(biāo)定激光參數(shù),氣體組分濃度通過質(zhì)量流量控制器精確配比。為了獲得均勻的溫度場,將紫銅真空氣室浸沒在水恒溫槽中,水恒溫槽用于提供5℃ ~95℃的溫度場,恒溫槽溫度場均勻性可控制在±0.01℃。DFB激光器(NEL NLK1S5EAAA)由型號為ITC4001的激光控制器進(jìn)行控制,通過調(diào)節(jié)控制器的溫度和電流,使得激光器輸出激光頻率位于吸收譜線中心頻率(6982cm-1)處。激光經(jīng)光纖準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后進(jìn)入氣體混合室,多次往返通過測量腔,最終透射光由光電探測器(PDA50B-EC)接收,記錄在高速采集卡中。最后利用本項(xiàng)研究建立的算法對采集到的諧波信號進(jìn)行處理,擬合出各種工況條件下CO2分子和H2O分子特征譜線的吸收率函數(shù)。
圖3 測量氣體吸收率的實(shí)驗(yàn)方案Fig.3 Experimental scheme of measuring gas absorbance
對于CO2氣體測量實(shí)驗(yàn),氣體壓力為0.1atm,CO2氣體濃度分別為7.0%,溫度為296.5K,吸收路徑長120.0cm,并以6982cm-1附近的吸收譜線為研究對象。根據(jù)仿真模擬結(jié)果可知,諧波信號只有在調(diào)制系數(shù)很小的條件下(m≤0.5)才與理論吸收率函數(shù)接近,誤差隨著調(diào)制系數(shù)的增大而急劇增大,但理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,諧波信號只有在較大的調(diào)制系數(shù)下(約為1.5)才具有較高的信噪比,因此,實(shí)驗(yàn)研究時(shí)調(diào)制系數(shù)選擇在1.5左右。實(shí)驗(yàn)測得的CO2吸收率函數(shù)如圖4所示,其中峰值較大的光滑曲線(黑色曲線)為CO2分子的理論吸收光譜,峰值吸收率為3.8%,吸收譜線相對于橫坐標(biāo)的積分值為η0=1.235×10-3cm-1;波動(dòng)曲線(紅色譜線)表示根據(jù)本文提出的算法實(shí)驗(yàn)測得的結(jié)果,調(diào)制系數(shù)m=1.50;峰值較小的光滑曲線(藍(lán)色譜線)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果的擬合曲線,吸收譜線相對于橫坐標(biāo)的積分值為η1=1.216×10-3cm-1,實(shí)驗(yàn)與理論的相對誤差僅為-1.54%。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文算法對于其他分子的適用性,以H2O分子在6982cm-1附近的吸收譜線為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量。氣體壓力為0.27atm,實(shí)驗(yàn)溫度為296.5K,在此條件下,H2O分子濃度為2.85%。實(shí)驗(yàn)測得的H2O吸收率函數(shù)如圖5所示,其中峰值較大的光滑曲線(黑色曲線)為H2O分子的理論吸收光譜;波動(dòng)曲線(紅色譜線)為根據(jù)本文算法實(shí)驗(yàn)測得的結(jié)果,調(diào)制系數(shù)m=1.25;峰值較小的光滑曲線(藍(lán)色譜線)為其擬合結(jié)果。通過計(jì)算譜線相對于橫坐標(biāo)的積分值,實(shí)驗(yàn)與理論的相對誤差為-3.70%。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明本算法對于H2O分子吸收光譜也是適用性的。
(2)對煤泥水桶物料進(jìn)行預(yù)先分級處理,杜絕未經(jīng)處理的煤泥水從煤泥水桶溢流管進(jìn)入濃縮池,降低進(jìn)入一段濃縮池的煤泥量。
圖4 CO2分子的理論吸收光譜與實(shí)驗(yàn)測量及其擬合結(jié)果(m=1.50)Fig.4 Theoretical result,experimental and fitting result of absorption spectrum of CO2molecule(m=1.50)
本文建立了一種基于諧波信號的氣體絕對吸收強(qiáng)度測量算法,該算法結(jié)合了直接吸收法和波長調(diào)制法的優(yōu)點(diǎn),具有高信噪比和靈敏度。以 CO2和H2O分子在6982cm-1附近的吸收譜線為例,利用本文建立的算法進(jìn)行了仿真模擬與實(shí)驗(yàn)研究,測得氣體的絕對吸收強(qiáng)度,并與理論真實(shí)值進(jìn)行比對。結(jié)果發(fā)現(xiàn),對于諧波信號Φ所擬合的吸收率函數(shù),當(dāng)調(diào)制系數(shù)m≤1.5時(shí),無論對于CO2分子還是H2O分子,依據(jù)本文算法測得的吸收率與真實(shí)吸收率之間的相對誤差均不超過5%,進(jìn)一步驗(yàn)證了本文算法的準(zhǔn)確性與可靠性。