用于測量長光程CO和CO2 濃度的TDLAS傳感器系統(tǒng)室內(nèi)試驗

李永剛，張 濤，李洪剛

(1.天津同陽科技發(fā)展有限公司 天津300384；2.天津市環(huán)境監(jiān)測技術(shù)企業(yè)重點實驗室 天津300384)

0 引言

近年來，以可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)為理論基礎(chǔ)的氣體傳感器已廣泛應(yīng)用于控制工業(yè)燃燒過程，減少污染物和提高產(chǎn)品質(zhì)量[1-3]。該類型的氣體傳感器時間分辨率高、靈敏度高、抗干擾性強，因此可用于惡劣環(huán)境下監(jiān)控氣體的濃度、溫度等重要現(xiàn)場參數(shù)。而分布式反饋(Distributed Feedback，DFB)激光器憑借緊湊性、堅固性、兼容性高及操作簡單等自身優(yōu)點，已成為TDLAS(可調(diào)諧半導體激光吸收光譜)氣體傳感器中激光光源的重要選擇之一[4,5]。

一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)的濃度在燃燒診斷中意義重大，對于碳氫燃料系統(tǒng)，燃燒尾氣中CO和CO2的濃度是燃燒效率的重要指標[6]。目前已有許多文獻闡述了同時測量CO和CO2氣體濃度，如：顧海濤等[7]選擇測量CO和CO2中心頻率分別為1577.64 nm 和1577.79 nm，光程長度50 cm 下測量CO和CO2的濃度下限分別為0.042%和0.022%；董鳳忠等[8]根據(jù)TDLAS技術(shù)研制道邊實時監(jiān)測機動車尾氣儀器用于測量CO和CO2，譜線的中心波長1579.737 nm 和1579.574 nm，并進行了實地檢測，準確性較高。以上研究成果均對本文的長光程測量具有重要的參考意義。

考慮目前道路上機動車尾氣CO與CO2長光程測量的精度要求，選用波段分別為2327 nm 和2004 nm 的DFB激光器，保證其吸收線強足夠大且不受干擾，結(jié)合TDLAS技術(shù)的直接吸收測量方法，搭建了可用于CO和CO2同時檢測的長光程對射式氣體傳感器模型，為實驗室環(huán)境下機動車尾氣CO和CO2的測量奠定基礎(chǔ)。

1 基本原理

TDLAS技術(shù)通過氣體分子對不同波段激光的“選擇性吸收”進行氣體濃度檢測，其原理基于朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律[9,10]。由朗伯-比爾定律可知，氣體在光度為：

其中：Ii(ν)為入射光強，Io(ν)為穿過待測氣體后的出射光強，S T )為吸收譜線的線強，P 為待測氣體的壓強，L為氣體吸收的光程長度，φ(ν)為氣體線型函數(shù)，χabs為待測氣體的濃度。

為了便于計算，一般對線型函數(shù)進行歸一化處理，即：

據(jù)此，對吸光度α(ν)求積分后得到光譜積分吸光度 A(ν)：

由以上公式可知，當壓強、光程長度和吸收線強度已知時，根據(jù)氣體的積分吸光度即求得待測氣體的濃度。積分吸光度根據(jù)氣體的出射光強與入射光強計算。已知經(jīng)氣體吸收后的出射光強為 Io(ν)，而氣體的入射光強無法準確獲得，為了便于計算，本系統(tǒng)選擇根據(jù)出射光強進行基線擬合，并在合理范圍內(nèi)加寬激光器的掃描范圍，使得基線的擬合更為準確。

為簡化計算量，本激光傳感器系統(tǒng)并未對線型函數(shù)進行擬合，而是根據(jù)氣體吸收的線性，選擇吸收峰的峰高反演氣體濃度。此外，在實際測量過程中，由于光程長度較長(大于24 m)，空氣中CO和CO2對測量結(jié)果的影響已不能忽略，因此濃度反演算法中需實時扣除空氣中CO和CO2的背景吸收。

2 試驗系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用DFB半導體激光器作為激光光源，可調(diào)諧特性強，輸出激光功率高，動態(tài)單模性良好，且波長范圍可有效覆蓋近紅外波段。根據(jù)Zhou等[11]提出的譜線選擇要求，選擇合適的吸收譜線。由圖1可知，選擇的CO和CO2吸收峰無氣體間的交叉干擾，不受空氣中H2O氣體的干擾，也能避免NO和NO2等尾氣氣體的干擾。此外，根據(jù)HITRAN2012數(shù)據(jù)庫[12]可知CO和CO2的吸收線強的數(shù)量級為e-21，滿足測量要求。

圖1 CO、CO2、NO、NO2和H2O的吸收譜線圖(HITRAN，T＝300 K，P＝1 atm，L＝100 cm)Fig.1 Absorption spectrum of CO，CO2，NO，NO2 and H2O(HITRAN，T＝300 K，P＝1 atm，L＝100 cm)

以此為基礎(chǔ)搭建本激光傳感器系統(tǒng)，模塊包括：CO激光器(NP-DFB-2004-TO5，nanoplus)、CO2激光器(NP-DFB-2327-TO5，nanoplus)，自制鎖相放大模塊，自制激光驅(qū)動模塊，自制角錐棱鏡模塊，自制校準氣室(L＝20 cm)，非球面鏡(C036TME-D，ThorLabs)，90°離軸拋物面鏡(MPD229H-M01，ThorLabs)，光電探測模塊(PDA10D2，ThorLabs)。其中激光器、非球面鏡、離軸拋物面鏡、校準氣室的連接方式及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 同時測量CO和CO2的激光傳感器系統(tǒng)示意Fig.2 Laser sensor system diagram for synchronous monitoring concentrations of CO and CO2

圖2顯示，鎖相放大模塊產(chǎn)生信號，傳輸至激光驅(qū)動模塊將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，控制激光器將電流信號轉(zhuǎn)化為光信號，光信號通過離軸拋物面鏡的中心孔射出后被對路另一側(cè)的角錐棱鏡反射回來并匯聚在離軸拋物面鏡的焦點上，由光電探測器檢測到在光路上被氣體吸收后的光信號，被鎖相放大模塊中的采集卡采集并進行處理，最終求得氣體的濃度。

3 試驗結(jié)果

根據(jù)Bartzis等[13]搭建的機動車尾氣的擴散模型——三維計算流體動力學(CFD)模型，利用CFD模型計算出機動車在速度為60 km/h、風速為5 m/s駛過后CO的擴散速度，得到的結(jié)論為機動車尾氣的擴散速度極快，在車輛駛過約0.5 s后CO的濃度衰減近10000 倍，1 s后與空氣中的背景濃度持平。由此可知，利用TDLAS技術(shù)對機動車尾氣濃度的測量須保證在車輛駛過后的幾十毫秒內(nèi)完成，對測量系統(tǒng)的時間靈敏度要求極高，因此設(shè)置鋸齒波的掃描頻率為100 Hz。

將系統(tǒng)在實驗室環(huán)境下進行CO和CO2濃度的長光程檢測實驗，以確定測量氣室中CO和CO2濃度的準確性。將氣室與角錐棱鏡的距離分別設(shè)置為12、13、14、15 m，在進行測量時，首先采集大氣中的背景譜線并進行記錄，隨后在氣室中充入不同濃度的CO和CO2，同構(gòu)動態(tài)校準儀將濃度為99.9%的CO切割為2%、5%、8%、10%，將99.95%濃度CO2切割為3%、8%、13%、16%。得到CO、CO2濃度的測量結(jié)果分別如圖3、圖4所示。

由圖3可知，在24～30 m 光程長度內(nèi)，濃度為2%、5%、8%、10%的CO最大測量誤差分別為-7.3%、0.5%、4.8%、4.4%；由圖4可知，在24～30 m 光程長度內(nèi)，濃度為3%、8%、13%、16%的CO2最大測量誤差分別為5.34%、-5.2%、-7%、-7.03%?？梢钥闯?，CO2的測量結(jié)果誤差略大于CO，分析認為，大氣中的CO2濃度比CO高，波動范圍大，對測量影響較大，導致測量結(jié)果的誤差大于CO。

圖3 CO的濃度測量結(jié)果Fig.3 Measurement result of CO concentration

圖4 CO2的濃度測量結(jié)果Fig.4 Measurement result of CO2 concentration

4 結(jié)論

利用TDLAS技術(shù)的分辨率高、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢，搭建了一套以直接吸收光譜技術(shù)為基礎(chǔ)的用于仿真機動車尾氣檢測的實驗室系統(tǒng)。選擇利用氣體吸收譜線的峰高獲得氣室內(nèi)CO和CO2的濃度，并對氣室內(nèi)不同濃度、不同光程的2種氣體進行濃度檢測，最大測量誤差不超過10%，對搭建機動車尾氣中CO和CO2的濃度檢測有一定的參考意義。針對測量過程中CO2濃度受空氣中背景濃度影響的情況，需在之后進行技術(shù)上的改進。