一种免标定的气体浓度测量装置及方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN111122496A(43)申请公布日2020.05.08(21)申请号201911328202.8(22)申请日2019.12.20(71)申请人清华大学地址100084北京市海淀区北京市100084信箱82分箱清华大学专利办公室(72)发明人彭志敏王振丁艳军(74)专利代理机构北京鸿元知识产权代理有限公司11327代理人邸更岩(51)Int.Cl.G01N21/39(2006.01)权利要求书1页说明书7页附图5页(54)发明名称一种免标定的气体浓度测量装置及方法(57)摘要一种免标定的气体浓度测量装置及方法，其装置包括直接吸收光谱装置和衰荡光谱装置，两装置气室相互联通，共用一个激光器。激光器出射光分为两束，一束进入直接吸收光谱装置，另一束进入衰荡光谱测量装置，通过程序控制实现两种光谱技术分时测量。该方法通过直接拟合透射光强，得到气体浓度，实现了直接吸收光谱免标定测量。利用直接吸收光谱测量的气体吸收率，以及衰荡光谱测量的蕴含气体吸收的衰荡时间，计算得到空腔衰荡时间，实现衰荡光谱免标定测量。本发明根据两种光谱的测量精度和量程智能选择测量结果，测量精度在高浓度时约10-20ppm，低浓度时小于1ppm，且测量过程无需标定，具有测量速度快、操作简单等优点。CN111122496ACN111122496A权利要求书1/1页1.一种免标定的气体浓度测量装置，该测量装置包括可调谐半导体激光器(3)、激光控制器(2)、信号发生器(22)、计算机(1)、干涉仪(23)、第一光电探测器(21)和长光程气体吸收池(17)；其特征在于：该气体浓度测量装置还包括衰荡光谱测量装置，该装置包括衰荡腔(8)、第二光电探测器(13)和脉冲延迟器(15)以及声光调制器(6)；所述衰荡腔(8)与长光程气体吸收池(17)通过管路连接；所述可调谐半导体激光器(3)发出的激光束经过光隔离器(4)、分束器(5)后分为两束，一束经过第一光准直器(16)、长光程气体吸收池(17)、第二聚焦透镜(20)和第一光电探测器(21)后，经采集卡(14)采集；另一束经过声光调制器(6)、第二光准直器(7)、衰荡腔(8)、第二聚焦透镜(12)和第二光电探测器(13)后分为两路，分别进入采集卡(14)和脉冲延迟器(15)；采集卡(14)采集的两路信号进入计算机(1)分析处理，并反馈给激光控制器(2)。2.采用如权利要求1所述装置的一种免标定的气体浓度测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1)根据待测气体种类，从光谱数据库中选取相应的吸收光谱谱线，其中心频率为v0，谱线强度为S；长光程气体吸收池和衰荡腔通过连接管(24)联通并充入待测气体，待测气体温度为T，压力为P；2)通过计算机控制激光器的温度和电流，使激光波长在谱线中心频率v0附近以三角波的形式扫描；入射到长光程气体吸收池前的瞬时入射光强度信号为I0；穿过长光程吸收池后，瞬时透射光强信号为It；根据比尔-朗伯定律，It可表示为：式中：L为气体吸收池有效光程，X为待测气体浓度，为待测气体谱线线型函数，利用干涉仪标定激光相对波长v，采用公式(1)对测量的It进行拟合即得到吸收率函数α(v)；3)通过计算机控制激光器的温度和电流，使激光波长固定在谱线中心频率v0处，利用压电陶瓷扫描衰荡腔的腔长；当第二光电探测器的接收光强最大时，脉冲延迟器发出脉冲信号，该信号使声光调制器瞬间关断激光，从而得到单指数式衰减的光强信号，对此信号进行拟合即得到衰荡时间τ：式中：c为光速，为中心频率v0处待测气体谱线线型函数，τ0为空腔衰荡时间；根据步骤2)，得到则中心频率v0处有将其代入公式(2)得到：将测量的衰荡时间τ和中心频率v0处的α(v0)代入公式(3)即得到空腔衰荡时间τ0，再将计算的τ0代入公式(2)，即实现气体浓度X的测量。2CN111122496A说明书1/7页一种免标定的气体浓度测量装置及方法技术领域[0001]本发明涉及一种基于直接吸收光谱技术和腔衰荡技术的气体浓度测量方法，属于测量技术领域。背景技术[0002]可调谐激光二极管吸收光谱(Tunablelaserdiodeabsorptionspectroscopy，简称TDLAS)具有非接触、快速响应和波长选择性等优点。TDLAS中的直接吸收光谱(Directabsorptionspectroscopy，简称DAS)物理概念明确，操作简单，常用于测量气体的浓度、温度等参数，在高浓度、强吸收环境中得到了广泛的应用。而对于痕量气体监测和弱吸收，常使用更复杂的技术，例如腔衰荡光谱(Cavityring-downspectroscopy，简称CRDS)。-4-5[0003]气体吸收池长度为1m时，DAS的最小可检测吸光