TDLAS直接吸收法测量CO2的基线选择方法分析

    杨立红 张晓

    

    摘 要 为了有效对室温或者是大气常态条件下烟气中二氧化碳浓度进行测定，利用去峰拟合处理方式以及纯氮气线拟合处理方式较为常见，结合对比分析后发现，利用TDLAS直接吸收法测量CO2基线能有效提升浓度测定准确度，并且为二氧化碳浓度测量基线选择提供较好的数据参考。本文简要分析了TDLAS直接吸收法原理，并对实验过程和实验结果予以讨论，仅供参考。

    关键词 TDLAS直接吸收法 原理 CO2测量 基线选择方法

    中图分类号：TN247 文献标识码：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长调制的手段建立完整的应用框架，利用直接吸收法并不需要进行特殊标定，更适于在固定源判定效果较好的情况下以及浓度较高的环境中应用，而波长调制法则要对标准气体进行标定后才能完成测定分析，更适于在低浓度气体开放式环境中应用。正是因为基线的确定对于最后反算计量气体浓度值有较大的关联度，则能借助TDLAS直接吸收法联合纯氮气谱线进行基线分析和系统处理，有效提升二氧化碳浓度测量精确性。

    TDLAS直接吸收法应用过程中，其核心技术定律就是Beer-Lambert，在强度为的激光穿过某种气体后，就能进入吸收池，此时气体分子对于入射激光会形成甄选，也就是会形成选择性吸收过程。基于此，激光强度就会因为分子被吸收而形成衰减，此时利用=exp[-pS（T） （v）XL]进行计算，其中，表示激光穿过气体介质后的实际强度、表示无气体状态吸收情况下参考激光强度，另外，S（T）是气体特征谱线的实际在线强度，本身是温度单值函数。

    需要注意的是，在气体各个组分之间，若是存在的干扰并不大，则能转变为，将相关数据进行连接和管控，在自然对数环境中就能对波数范围内的积分进行集中测定。也就是说，只有保证光谱吸收率在波数范围内有效完善积分数值的判定和处理工作，才能借助相应的公式完成浓度的测定和分析。

    2 TDLAS直接吸收法测量CO2基线实验过程

    2.1选择激光器测线谱

    为了有效应用TDLAS直接吸收法对具体数据的测量水平，要依据数据库完成相应气体浓度的参数判定和选择工作，其中，CO2、H2O以及NO等都要在1579nm到1580之间进行选择。结合相应判定数据可知，CO2能在1580nm附件的两个强度量级体系内进行吸收峰的处理和控制，并且要進行时域和频域的转换处理，有效提升控制结构的实际价值。一般而言，烟气中主要含有二氧化硫、二氧化氮等气体，在1580nm附近则并不会进行数据的吸收，若是在1580nm范围内并没有建立吸收过程，就会导致H2O以及NO的线强度量级出现异常变动，此时能有效避开谱线干扰问题，也是对锅炉烟气中CO2进行集中测定的最佳时间段，选择中心波长满足要求的DFB激光器对激光光源进行控制，能在避免一氧化氮谱线对CO2产生影响的基础上，实现对混合气体的模拟。

    2.2具体实验装置

    在实验装置配置工作中，要将气体配置部分和激光控制测量部分作为关键，见图1。

    一方面，气体配制部分主要分为质量流量控制设备和配套流量显示仪器，气体混合器等，能有效进行实验操作和处理。并且，CO2和氮气要分别进入到不同的流量阀完成流量调节作用，从而形成差异化浓度的二氧化碳混合气体，在完成以上工序后就要将其加入到赫里奥特池中。

    另一方面，激光控制测量部分主要涉及激光控制器和光线准直设备等，并且要利用DFB激光器和光电探测设备完成具体处理工序。需要注意的是，利用控制器能将激光器温度控制在规定范围内，电流控制也能保证激光器能在完整的工作电流环境中实现工作目标，并且输出波长和扫描电流之间能形成一一对应的关系。

    因为在测量体系内无法得到直接的扫描结果，并且不能直观测定波长和时间的关系，就要对浓度进行计算，并且有效将时域信息转变为频域信息。本文在研究的过程中主要采取的就是对两个吸收峰进行扫描点位置测定和数据库内峰值频线波长进行对比分分析测定的方式，有效建立气体吸收谱线波长和扫描点对应关系模式，确保能结合数据关系分析相应问题，且能合理性提高管控流程的完整性，为关系拟合管控效果的全面优化奠定基础。最关键的是，在拟合结构基础上能获得吸收信号频域的分布结果，对于全面落实具体操作指令具有帮助，且能直接进行下一次谱线拟合和计算处理。

    除此之外，在对谱线数据进行汇总后，要对基线强度进行深度拟合管控，有效完成谱线强度分析水平，从而获取对数关系，就能完善光谱吸收率的相关参数数值。利用光谱吸收率-波线曲线完善洛伦兹线性拟合处理，此时，将线强度、压力参数以及光程代入公式就能得出最终的浓度参数数值，以此作为判定CO2实际基线浓度和相关参数的重要过程。

    3 TDLAS直接吸收法测量CO2基线实验结果

    借助TDLAS直接吸收法对CO2进行测定，在利用中心波长1580nm激光器进行扫描处理后，就能得出氮气线和各个浓度CO2吸收谱线的分析结果，除了吸收峰外，纯氮气参数线和CO2吸收基线之间最大的重点就是两者斜率较为一致。

    3.1直接吸收法

    在对直接吸收法进行测定和分析的过程中，基线的选择过程会对光谱吸收率产生一定程度上的影响，尤其是对全波数域内的积分数值，这就使得相应操作对反算浓度的实际准确性和应用效果会产生影响。尤其是在原始数据获取后，一般要利用两种方式建立基线拟合处理控制机制，见图2。

    最关键的是，要合理性去掉吸收峰，确保留下的两端无吸收部分，且能有效借助多次计算对二氧化碳浓度和实际配比之间的浓度差距予以分析。在进行对比后发现，这种处理方式最大的弊端就是拟合基线斜率和CO2吸收线的实际重合度之间差距较大，这必然会对光谱吸收率积分计算过程造成影响，甚至会出现反算浓度误差增大的问题。究其原因，主要是因为激光器性能和气体池光学偏转干涉等因素造成激光输出功率线性结构失衡问题。