CN105067564B

CN105067564B - 一种具有温度补偿能力的光纤气体浓度检测方法

Info

Publication number: CN105067564B
Application number: CN201510413838.8A
Authority: CN
Inventors: 阎毓杰; 王楠; 陈佳; 耿伟智; 杨云涛
Original assignee: 719th Research Institute of CSIC
Current assignee: 719th Research Institute of CSIC
Priority date: 2015-07-14
Filing date: 2015-07-14
Publication date: 2017-10-13
Anticipated expiration: 2035-07-14
Also published as: CN105067564A

Abstract

本发明提供一种具有温度补偿能力的光纤气体浓度检测方法，过程为：一，激光器产生两个中心波长为λ1和λ2的光信号；二，光信号经光纤传输后通过分光器分成两束后，分别通过存储有参考气体的参考气室和存储有待测气体的检测气室；三，多次测量由参考气室和检测气室出射光的谱线强度；步骤四，对所述谱线强度进行线性拟合，获得两种波长单色光吸收系数的温度影响拟合系数；五，根据拟合系数，计算经过温度补偿后的气体浓度。该方法建立了光纤气体检测系统的温度补偿模型，实现了考虑温度变化因子的光纤气体检测系统，通过温度补偿的方式抑制环境温度变化给检测带来的干扰，减小由于环境温度变化引入的测量误差，提高系统的检测精度。

Description

一种具有温度补偿能力的光纤气体浓度检测方法

技术领域

本发明涉及一种气体浓度检测方法，具体涉及一种具有温度补偿能力的气体浓度检测方法，属于光纤检测技术领域。

背景技术

工业现场作业通常是在高温、高水分、高粉尘、强腐蚀性和高流速的环境条件下，对现场作业的持续可靠、安全开展尤其依赖于快速准确地进行气体浓度的检测。

传统的非光学式气体检测仪虽然可以达到较低的检测限，但是很容易受其它气体成分的交叉灵敏，而且其响应速度较慢，可重复利用率低，使用寿命较短，难以实时连续检测。为克服这些缺陷，半导体激光吸收光谱技术(TDLAS技术)采用了独特的“单线光谱”技术和调制光谱技术，可不受背景气体交叉干扰和粉尘、视窗污染的干扰，因此可以将检测分析设备直接安装在测量现场，实现其它光谱吸收技术无法或很难实现的现场在线连续气体测量。

目前针对工业现场的光纤气体检测，通常是利用待测气体在光纤透明窗口(0.8～1.7μm)内的吸收峰，测量由气体吸收产生的光强衰减，从而推演出待测气体的浓度。具体采用谐波检测的办法，对半导体激光器光源进行正弦信号(或三角波)调制，而调制光信号的谐波成分经气体吸收后与气体浓度成正比，通过检测这些谐波分量就可得到待测气体的浓度信息。上述检测方法忽略了待测气体环境温度的变化所带来的吸收系数变化的影响。实际上，在实际测量环境中，待测气体环境温度的变化对气体分子的旋转、振动等过程产生影响，从而引起吸收系数的变化，影响气体浓度的检测。因此，在检测气体浓度的同时需要确定气体的所处的环境温度，用以校正被测气体的浓度。如何确定气体吸收线随测量环境温度变化的特性使得能够在温度变化的环境中测量气体的浓度，一直未能很好解决。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种具有温度补偿能力的光纤气体浓度检测方法，采用该方法能够针对传统的双波长差分气体检测方式，建立温度补偿的数学模型以去除温度因子对吸收系数的影响，从而消除温度变化所引入的气体浓度检测的误差，获取较高的检测精度。

实现本发明的技术方案如下

一种具有温度补偿能力的光纤气体浓度检测方法，具体过程为：

步骤一，激光器产生两个中心波长为λ1和λ2的光信号，其中λ1对应待测气体的吸收峰，λ2对应参考气体的吸收峰；

步骤二，光信号经光纤传输后通过分光器分成两束后，分别通过存储有参考气体的参考气室和存储有待测气体的检测气室；

步骤三，重复步骤二，多次测量由参考气室和检测气室出射光的谱线强度；

步骤四，利用公式(1)对所述谱线强度进行线性拟合，获得波长λ1单色光的吸收系数温度影响拟合系数a₁，b₁，c₁，获得波长λ2单色光的吸收系数温度影响拟合系数a₂，b₂，c₂；

S＝a+bT^-1+cT^-2 (1)

其中，T为气室内的环境温度；

步骤五，根据拟合系数，利用公式(2)计算经过温度补偿后的气体浓度；

其中，l表示光程，n为温度系数，I(λ1)为波长λ1单色光的谐波光强，I(λ2)为波长λ2单色光的谐波光强，T₀为参考温度296k，γ₀为温度T₀下吸收线的半高半宽，k为玻尔兹曼常量，P为待测气体的压强。

有益效果

该方法建立了光纤气体检测系统的温度补偿模型，实现了考虑温度变化因子的光纤气体浓度检测系统，通过温度补偿的方式抑制环境温度变化给气体浓度检测带来的干扰，减小由于环境温度变化引入的测量误差，提高系统的检测精度。

该检测方法可有效抑制杂散光干扰和信号噪声，在消除光源输出光功率不稳等光路因素影响的同时还消除了温度因素的干扰。

附图说明

图1为本发明检测方法的流程图；

图2为本实例检测过程的示意图；

图3为本实例温度补偿过程的示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种具有温度补偿能力的光纤气体浓度检测方法，通过对气体吸收线的谱线强度进行拟合，对因温度变化所带来的气体浓度检测误差影响进行温度补偿，抑制环境温度变化给检测带来的干扰，从而精确获得被测气体的浓度。

如图1所示，本发明一种具有温度补偿能力的光纤气体浓度检测方法，具体过程为：

S＝a+bT^-1+cT^-2 (1)

其中，T为气室内的环境温度；

本发明公式(2)中充分考虑了温度对吸收系数的影响，通过建立温度补偿的数学模型以去除温度因子对吸收系数的影响，相比于现有检测方法，本发明方法所检测的气体浓度具有较高的检测精度。

下面对公式(1)和公式(2)的推导过程进行详细说明：

用两个波长λ1和λ2相隔极近(在吸收系数上有很大差别：其中λ1在待测气体吸收峰上，而待测气体对λ2吸收很弱或不吸收，同时也要避开其它非待测气体分子等的吸收)的单色光同时或相差很短时间内通过待测气体，将光强相除可得：

其中，l表示光程；

在波长λ1、λ2下，如气体的吸收系数α(λ1)、α(λ2)都可以通过标准气体测量得到，则在同种条件下，待测气体的浓度就可以通过测量谐波光强I(λ1)和I(λ2)求出。

然而，根据光谱线的展宽原理，吸收系数α随着外界温度变化而变化。因此，单纯地通过测量二次谐波的强度，若不考虑温度变化的影响，不可能准确地得到所测气体浓度。由于采用二次谐波检测的办法，在进行温度补偿时主要需要考虑二次谐波的补偿效果，其对温度的依赖会直接导致测量结果的偏差，需要确定二次谐波对于温度的依赖关系。

利用指数函数拟合气体吸收系数：

气体吸收线中心频率处的吸收系数与单位体积内气体分子密度、吸收线的线强度和吸收线的半高半宽有关，可以表示为：

式子中，N为单位体积内的气体分子密度(mol/cm³)，S为吸收线的谱线强度(cm^-1/(mol·cm³))，γ为吸收线的半高半宽(cm^-1)。

根据理想气体的压强公式，单位体积内的待测气体的分析密度是：

式子中，P为待测气体的压强，k为玻尔兹曼常量，T为热力学温度。

由于检测时压强没有变化，吸收线的半高半宽与温度有关，不同温度吸收线的半高半宽可以表示为：

式子中，T₀、γ₀分别为参考温度296k时的温度值和吸收线半高半宽；n为温度系数。

有：

随温度的变化，气体吸收谱线强度也发生变化，可将气体吸收谱线强度表示为温度的函数：

N_c为Loschmidt常数，单位为cm^-3；e和m_e分别为电荷电量与质量；c为光速；Q(T)为分子配分函数；h为普朗克(Planck)常量；k为波耳兹曼常数；g、W、f分别为衰减因子、能量及振荡强度。

考虑到吸收线的谱线强度随温度的升高而减小，用二阶多项式来拟合，得到：

S＝a+bT^-1+cT^-2 (1)

其中，a，b，c分别是拟合系数。可以通过多次测量谱线强度随温度的数值关系来标定拟合出该系数。

于是吸收系数温度影响模型可表示为：

α＝∈·(aT^n-1+bT^n-2+cT^n-3)

其中，为一个常数。

于是，考虑温度影响因子后的气体浓度(也即温度补偿模型)为：

其中，a₁，b₁，c₁为波长λ1的单色光的吸收系数温度影响拟合系数；

a₂，b₂，c₂为波长λ2的单色光的吸收系数温度影响拟合系数；

由于a₁，a₂，b₁，b₂，c₁，c₂已知，因此通过上述的带有温度补偿的式子即可得到温度补偿后的气体浓度。

当待测气体受环境温度变化影响时，为准确测量待测气体的浓度，需通过温度补偿抑制环境温度变化给检测带来的干扰。系统利用温度传感器采集气室内环境温度，对不同温度下测量得到的气体浓度进行温度补偿。

实例：

基于现有的双电极DFBLD的差分吸收检测系统，如图2所示，信号发生器产生正弦波，通过调节激光器的注入电流对其输出波长进行调制。通过改变半导体激光器两个电极输入的电流比率，产生两个中心波长为λ1和λ2的光信号，λ2为参考光，而λ1对应气体分子的吸收峰，强度近似相等。从DFBLD出射的光经光隔离器到光纤耦合器，耦合到光纤中的光由分束器分为两束，一束光通过参考气室到PIN探测器，PIN输出信号经锁相放大后，用于反馈控制激光器的注入电流，稳定激光器的输出频率；另一束光通过检测气室，到另一光电探测器，输出信号锁相放大后用于获得待测气体的浓度。检测气室和参考气室的输出光经光电探测器转化为电信号，用锁相放大器通过差分方式提取它们的二次谐波信号，然后将两个二次谐波信号送入除法器进行比值输出，输出量携带含有温度影响因子的气体浓度信息。根据前面建立气体浓度的温度补偿模型，通过温度补偿的办法可以消除温度波动的干扰影响，同时也消除了由于光源波动和外界环境影响造成的测量误差。

如图3所示，具体过程是：

1.用温度传感器采集气室内的环境温度；

2.多次测量谱线强度；

3.利用式(1)对谱线强度进行二阶多项式拟合

4.获得λ1，λ2波长的温度影响拟合系数；

5.通过温度补偿模型计算气体浓度C(T)；

经上述处理的反应气体浓度的信号被送入信号处理装置后，输入计算机进行处理、显示和打印。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种具有温度补偿能力的光纤气体浓度检测方法，其特征在于，具体过程为：

步骤四，利用公式(1)对所述谱线强度进行线性拟合，获得波长λ1单色光吸收系数的温度影响拟合系数a₁，b₁，c₁，获得波长λ2单色光吸收系数的温度影响拟合系数a₂，b₂，c₂；

S＝a+bT^-1+cT^-2 (1)

其中，T为气室内的环境温度；

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