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基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的O_2和CO气体测量

张春晓  
【摘要】:基于可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)对气体浓度及温度的测量,具有响应速度快、测量结果准确、测量系统简单稳定等优势,易于实现在线监测。同时利用非接触的激光测量方法,对恶劣的测量环境具有非常好的适应性。近年来半导体激光器制造技术迅速发展,激光器在性能越来越稳定的同时价格更加便宜。目前可调谐半导体激光吸收光谱技术已经成为气体在线监测的主流技术,被广泛应用于多种测量环境。 本文基于TDLAS技术,针对近红外波段,利用廉价的可调谐半导体激光二极管对高温环境中气体进行测量。工业生产过程中,对O2浓度和温度的测量具有十分重要的意义。针对于氧气位于760nm附近的吸收谱线完成了浓度测量和温度测量。对于浓度测量,模拟工业测量现场中O2温度梯度分布,利用工作波长位于761nm处的可调谐DFB激光二极管,针对O2位于760.09nm和760.07nm谱线,通过两条吸收谱线建立方程组,在不用N2吹扫的条件下,去除了空气中02对测量结果的影响。对于温度测量,通过O2位于759.86nm和760.44nm吸收谱线对进行测量。利用特殊光路设计,在不用N2吹扫的条件下,去除了空气中02对测量结果的影响,可以实现温度和浓度的同时测量。实时监测燃烧过程中CO浓度对提高燃烧效率,控制燃烧污染物排放具有重要意义。本文选择位于2302.12nm一氧化碳吸收谱线R30,利用直接吸收和波长调制两种方法对一氧化碳浓度进行测量。 实验测量02浓度5%-100%范围内与标定值误差小于7.01%,理论计算500K条件下浓度探测极限为0.3%-m。测量O2温度400K-1000K氛围内与标定值误差小于6%,理论计算500K条件下浓度探测极限为0.5%-m。对于O2浓度和温度的探测极限可以满足工业现场测量的需要,测量结果准确可靠,测量系统方案简易可行。对于CO浓度测量,利用直接吸收方法测量CO浓度1%-9%范围内与标定值误差小于5%,理论计算1000K条件下浓度探测极限为60ppm-m左右。利用二次谐波方法测量CO浓度1%-9%范围内与标定值误差小于3%,理论计算1000K条件下浓度探测极限为20ppm-m左右。可以满足燃烧环境CO浓度的监测。


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