激光气体检测及温压补偿研究

黄云彪

（重庆川仪自动化股份有限公司 技术中心, 重庆 401121）

0 引言

近年来，随着工业化水平的不断提高，我国的钢铁、冶金、石油化工、电力、造纸、水泥和生化、制药等行业得到快速发展。但经济增长的同时，工业化进程所带来的环境污染问题日益严重，给我国可持续发展带来巨大压力，加强对石油化工、钢铁冶金等高污染行业的工矿企业的监管和限制是减少环境污染的重要方法，实现生产过程的自动分析优化和监测是监管的重要手段，具有高精度、响应快、可靠稳定的在线分析设备是实现优化和监测的重要环节。目前，工业在线浓度分析采用的电化学等方法，难以消除其他气体以及被测环境中粉尘、湿度等对测量的干扰，从而影响测量准确度。而光学和光谱学方法以其测量精度高、响应快速已成为污染气体监测研究的热点。可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）具有原位快速在线测量优势，已日益广泛地应用于有毒气体泄漏遥测、大气质量监测等。基于TDLAS 技术的在线气体浓度分析仪在取代传统气体分析仪方面具有巨大的潜力，它预处理简单、不受背景气体和粉尘影响，在在线气体分析方面具有广阔的应用前景。本文将探讨TDLAS技术浓度测量原理，研究气体浓度测量数字滤波算法，以及浓度测量的温压补偿方法。

1 TDLAS浓度测量原理

根据气体分子对光谱选择吸收原理，当半导体激光器发射出激光束穿过气体时，气体会对特定波长激光吸收，导致激光强度产生衰减，分析激光强度的衰减信息就可以获得被测气体的浓度。TDLAS（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）可调谐半导体激光吸收光谱技术就是利用气体分子的这一特性来分析气体浓度的。

根据朗伯—比尔原理，当气体在特定波长范围内吸收时，其吸收强度满足如下数学公式[1-6]：

由公式可见，式中包含气体浓度信息，测量出光强变化，就能计算出气体浓度。但在实际使用过程中，由于直接光强测量易受外部干扰和低频噪声影响，很难测量准确。为了使TDLAS的检测灵敏度能够达到ppm，甚至ppb 等级，一般采用波长调制光谱技术及锁相检测技术实现浓度测量。通过波长调制光谱技术可以抑制噪声带宽，利用锁相检测技术可以准确测量出淹没在噪音中的含有浓度信息的微弱谐波信号，通过被测信号与参考信号频率相关，而噪音频率不相关，能有效地抑制外部干扰和低频噪声，从而可以实现较高的检测灵敏度。

将公式(2)通过泰勒级数展开，并去掉高阶无穷小项,可以得到二次谐波信号和浓度成正比关系,即

可见浓度信号存在二次谐波中，在恒温、恒压下可以认为浓度与二次谐波强度呈线性关系，产品运用中如果气体的温度、压力变化不大，可以将 F ( α (ν )maxP L 看做常数，选取两种标准气体标定，即可得到浓度与二次谐波峰值的关系式，通过高速A/D采样锁相放大器输出的调制信号的二次谐波，找到峰值计算出测量浓度。

2 二次谐波信号数字滤波

在实际产品中通过锁相放大、带通滤波后的二次谐波中仍然存在一定的干扰信号，对测量精度带来影响，硬件的方法很难进一步提高滤波效果，软件的数字滤波是很好的选择。目前在TDLAS技术中广泛应用的数字滤波有：小波变换、Kalman滤波、αβγ 滤波[7]等。他们各有优点和缺点，在实际应用中，本文通过各种滤波算法实际比较，最终设计了一种基于FFT的滤波算法。方法是将二次谐波的时域的采样信号转换到频域，保留有用信号频谱，将无用的谱线去除。再通过傅立叶逆变换把处理后的谐波信号转换回到时域，这样就得到比较平滑的数据曲线，且对曲线线型几乎没有影响，达到较好的滤波效果。图1是滤波前后效果。

3 浓度信号的温压修正

前面2节介绍了产品在恒温、恒压下实现浓度测量的方法。但产品的应用现场很难达到这样条件的要求，这就限制了产品的适用场合。因此，如何修正产品在不同环境条件下的浓度测量值，满足不同温度、压力环境下的浓度测量是激光气体分析仪最基本的要求。从公式(3)中可以看出，浓度与 F ( α (ν )max（ 吸收系数 α(ν)线型在中心频率 ν0处的二阶导数）相关，而α(ν)是线型函数与谱线强度的乘积。

图1 基于 FFT滤波的效果图Fig.1 Effect based on FFT filter graph

式中Q是摩尔分子量函数，E是分子跃迁底层能量，h是普朗克常数，k是玻尔兹曼常量，c是光速，S(T0)是在参考温度T0下的光谱线强度。

吸收谱线线型函数在气体压力较低时可以用Gauss线型函数表示。

吸收谱线线型函数在气体压力较高时可以用Lorenz线型函数表示。

式中C标为标定气体浓度，P标为标定气体压强，T标为标定气体温度，为过标定气体后二次谐波峰值，C测为待测气体浓度，P测为待测气体压强，T测为待测气体温度，为过待测气体后二次谐波峰值，根据公式（9）可以得到实际工况下的浓度值，达到温压补偿的目的。

4 结束语

TDLAS在线气体浓度分析仪具有预处理简单、响应速度快、测量精度高、维护方便等优点，是气体在线分析的重要装备，能提高我国工业过程自动分析控制和监测水平，是气体泄漏探测、环境保护的理想选择。本文分析了基于TDLAS技术气体浓度检测技术，阐述了FFT滤波及分析仪温压补偿方法。通过仿真试验和实际数据验证，方法可行。

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