基于TDLAS测量二氧化碳动态浓度与温度

应用技术8基于TDLAS测量二氧化碳动态浓度与温度*李胜肖兵（广东省科学院自动化工程研制中心）(华南理工大学自动化科学与工程学院)摘要：可调谐激光二极管吸收光谱学(TDLAS)技术测量燃烧过程相关分子(CO2、NOx等)参数的原理是基于比尔-朗伯(Beer-Lambert)定律，即通过被测气体的入射光强与经被测气体吸收后的出射光强的比值与气体浓度、温度等存在特定的数学关系。文章描述仅用一个TDL同时测量CO2分子浓度和温度的原理与系统实现方案。关键词：二极管激光吸收光谱学；气体浓度；气体温度；动态测量；EGR1引言汽车发动机燃烧过程会排出有害废气，降低发动机动态运行过程（急加速与减速）废气排放是排放达标的关键。为了减少氮氧化合物（NOX）的排放，发动机控制中采用废气循环（EGR）[1]技术，即把部分排气废气重新引入发动机进气系统，通过降低发动机内燃烧温度来大幅减少NOX排放。由于EGR会造成发动机输出功率下降，必须针对发动机的工况采用不同EGR率。EGR率以废气中CO2浓度表征，精确测量CO2动态浓度，就能优化发动机EGR控制。传统的废气测量是以废气取样后的实验室分析为基础。这种测量方法由于在取样过程中要对气体进行预处理，包括冷却等，而温度的改变将导致气体分子的浓度产生一定变化。另外采样、预处理和化学分析都需时间，测量频率一般低于20Hz，无法满足实时测量的要求。直接注入电流来调制半导体激光二极管技术[2]出现后，可调谐半导体激光二极管吸收光谱学（TDLAS）技术逐渐应用于燃烧气体排放物的监测上，并成为当前环境污染在线自动监测的发展方向和技术主流[3]。采用TDLAS测量的主要优点：①可以同时监测几种污染物的浓度，测量频率最高可超过10kHz，实现完全非接触动态测量；②仪器的灵敏度高，只要选取合适的检测波段，就可以测出低于1ppm的浓度；③测量距离可以从几厘米到数公里，测出一个区域的平均污染程度，监测结果比单点监测更具有代表性。2基于TDLAS测量CO2浓度与温度的原理基于Lambert-Beer理论的TDLAS技术有较高的灵敏度和较高的分辨率，实用指标可以做到ppm量级。由于TDL的体积小、能够测量更长的距离，且信噪比高；特别是狭窄的线宽、大范围的波长调谐和稳定的输出，使其比起以往系统有更快的响应时间。当激光光源发出一定频率ν(cm-1)的单频光穿透一定浓度的待测气体时，假设入射光强为I0，穿透光强为It，依据Lambert-Beer定律，得出()⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=∫LtdxxkII00expν（1）式中kv（cm－1）是吸收系数，L是通过吸收气体光程。在穿越单一吸收气体单一吸收区域时，NPvgTSkabsv)()(=。S(T)(cm－2atm－1)是一定温度下的谱线强度，g(v)(cm)是吸收谱线线型函数，并且()1≡∫vvg，Pabs(atm)是总体压强，N是吸收气体的克分子分数，代表气体浓度。假设整个系统的气体达到均匀状态，因此，由（1）式得()⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=∫LtdxxkII00expν＝()NLPvgTSabs)()(exp−（2）dvTIt∫∞∞−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=0lnναNLPTSabs)(=(3)να为吸收积分。吸收区域的谱线强度S(T)是吸收气体分子的一个基本属性。各种气体分子的谱线强度可以在公开数据库：美国空军研究的红外吸收应用的HITRAN[4]数据库查到。一定温度下的S(T)可由下述公式计算得出：*广东省科学计划项目(No.2003A3040301)资助李胜肖兵：基于TDLAS测量二氧化碳动态浓度与温度2006年第4期自动化与信息工程9()()×⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−=11exp)()(000TTkhcETQTQTSTS()⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−−−)/exp(1/exp10kThcEkThcE(4)式中，Q是分子配分函数，E是分子跃迁的底层能量，h是布朗克常量，k是玻尔兹曼常量，c是光速,S(T0)是在参考温度下T0的光谱线强度。谱线线型函数g（v）描述的是由于温度和压强引起的分子碰撞加宽的影响。气体的吸收谱线线型主要取决于线型加宽原因中的多普勒加宽，即由于气体分子运动而引起的多普勒效应而造成分子吸收光谱的加宽；还有一种是分子的碰撞加宽。气体分子吸收峰的线型g(v)是Voigt函数),(waV[5]，具体如下：()DDLDvvvwawaVgΔ−=ΔΔ=Δ=)(2ln2,2ln),,(2ln20ννπνν（5）式中LvΔ（cm－1）和DvΔ（cm－1）是压强和多普勒加宽的半最大值全宽(FWHM)。如果同时检测同一吸收路径中的同一吸收分子的两个不同吸收波长区域，由于浓度N和光程L都是一样的，通过对两个区域的吸收测量积分比值α1/α2和式(4)可以得到一个T为参数的比率函数：()()()≈==2121TSTSTRαα()()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−⎟⎠⎞⎜⎝⎛−×0''2''1020111expTTEEkhcTSTS(6)根据式(6)和(3)便可测量气体温度T和浓度N[6]。3CO2分子浓度、温度动态测量系统方案系统由光源及光源驱动电路、气室、光探测器、数字信号处理器及连接光纤等部分组成。3.1光源的选择选择光源时应满足：输出中心频率同气体的吸收谱线特性相吻合；温度特性良好，工作于室温下；与光纤的个体低损耗窗口相适应特性良好；输出功率足够大且在工作范围内与注入电流存在良好线性关系。CO2是主要燃烧产物和造成温室效应的重要气体。CO2在波长1300nm~1600nm、1900nm~2300nm和4600nm处都有依次增强的吸收，而且较少受到水分子的干扰，是理想的吸收区域。如图1所示。图1HITRAN数据库[3]H2O、CO2和CO在近红外1500K下的谱线强度计算值分布反馈式半导体激光器(DFBLD)作为光源的气体传感技术在灵敏度、选择性、动态范围、信噪比和响应时间等方面比传统方法具有诸多优点：谱线窄，功率大，单纵模运行等，并且可以通过调整温度和注入电流来粗调和精调其输出波长，且有很高的短期稳定度和长期稳定度。3.2检测系统构成检测系统如图2所示。从TDL发出的光通过分光器分成两部分，其中一束直接传输到PIN光电探测器，作为参考光强I0；另一束射入气室由另一个PIN光电探测器检测，为入射光强It。通过光纤可以将激光器发出的光传输很长距离，所以光源及电路处理单元均可安装于远离高温气室或危险源，实现遥测。图2系统基本构造方案4针对频率调制的数字信号处理算法调制光谱技术把检测频率提高到一个较高频率上，能有效减少由于激光源和探测器自身带来的噪光电探测器光电探测器光电耦合器激光束分光器(1×2）驱动气室光纤波长[μm]谱线强度[cm-2atm-1]10音，并通过相敏检测技术减少检测的频谱带宽，从而可以提高测量信噪比几个数量级。通过对光源的注入电流进行正弦调制,光源频率和输出光强也将受到相应的调制。[]ftIIftvvvmπηπ2sin1,2sin0'00+=+=（7）假设光源没经调制时的中心频率为v0（cm－1）；νm为频率调制幅度；η为光强调制系数，f为电流调制频率。代入（2）式得[](){vgTSftIIt(exp2sin100πη+−+=}LNPftvabsm)2sinπ+（8）当气体压力接近一个标准大气压，碰撞加宽起主要作用，可以用Lorentz曲线描述CO2分子的吸收谱线型：()220221)(⎟⎠⎞⎜⎝⎛Δ+−Δ=ccvvgνννπ（9）作以下定义：2/,2/0_cmcmxνννννΔ=Δ−=。m通常称为波长调制系数，把式(9)代入（8）式中并作数学变换，忽略高阶项得：2sin1{)(0ftItIπη−+=()]}2sin112[)(2ftmxLNPTSabsπνπ++Δ（10）将上式展开傅立叶级数序列，它的一次谐波（f）和二次谐波（2f）的系数分别为：),(,2020mxHIIIIff==η(11)()⎪⎩⎪⎨⎧⎢⎢⎣⎡++++−+Δ=22222224412)(2),(xMxMMxMmTSNLPmxHcabsνπ⎪⎭⎪⎬⎫−⎥⎥⎦⎤+−[phone]mxMMxMx(12)式中221mxM+−=，用二次谐波fI2和一次谐波fI的比值作为系统的输出来获得气体浓度信息，能消除光强波动等因素带来的干扰[7]。在线处理系统如图3所示，DFBLD发出经过调制的光通过光纤传输到测量气室,光能与CO2气体发生相互作用,然后将携带有用信息的光信号传输到PIN光探测器转换成电信号,再经过自平衡接收器,消除背景光的交流漂移和PIN的暗电流,并过滤信号中的高频噪声，数字信号处理器（DSP）既实现数字锁相放大，又实现快速傅立叶变换（FFT）计算一次基波和二次谐波，处理数据后得出动态浓度与温度。5实验系统构成与初步实验结果具体构成图3所示测量系统的各部件如下：○1DFB二极管激光器采用TriQuint公司生产的型号为D2525P的激光二极管，中心波长为1578.63nm。○2激光控制器采用ILXLightWave公司的LDC-3724B控制器。○3单模光纤适配器采用NewFocus公司的1281FC-光纤适配器○4自平衡接收器采用NewFocus公司的2017-M125kHZ自平衡接受器○5锁定放大器采用DSP以数字信号处理方式实现。○6数字信号处理器采用TI公司的TMS320F2811。本测量装置的激光通过标准单模光纤传输，唯一需要调整的机械部件是瞄准器，它聚焦激光束使透射激光能完全定位到自平衡接收器的有效接收面上。从而使整个测量装置非常紧凑，便于汽车发动机台架实验室内的现场连接。图4、图5为实验室条件下，标准气室CO2浓度恒定为2.5%、温度为26℃时，经DSP处理后得到了气体吸收曲线与接收信号的二次谐波的波形。初步证明通过计算二次谐波系数，能正确测量相光纤样本气室光纤分光器电缆反光镜光电探测器斜波信号发生器f=50Hz瞄准器光纤TDL温度与电流控制器基于DSP的数字锁定放大光电探测器输入参考输出检波输出D/A转换器DSP自平衡接受器激光器温度与电流DFBTDL数字信号发生器f=30kHz图3基于DSP的气体浓度测量系统李胜肖兵：基于TDLAS测量二氧化碳动态浓度与温度2006年第4期自动化与信息工程11关分子浓度。下一步应建立描述测量精度与灵敏度的数学模型，提高系统的稳定性和抗干扰能力。图4气体吸收曲线,图5二次谐波波形6结语TDLAS技术是气体检测的有力工具，通过简单的系统结构达到较高的精度，实时快速测量气体的动态浓度、温度、压强和流量等各种参数。这些参数是相关控制系统的主要反馈变量，快速、准确测量这些气体动态参数，对于提高系统的性能，减少废气的排放，保护环境有着显著的作用。参考文献[1]RobertM.Green,MeasuringtheCylinder-to-CylinderEGRDistributionintheIntakeofaDieselEngineDuringTransientOperation,SAEPaperNo.2000-01-2866[2]B.R.Bennett,R.A.Soref,andJ.A.DelAlamo,Carrier-inducedchangeinrefractiveindexofInP,GaAs,andInGaAsP,IEEEJ.ofQuantumElectronics26,113-122(1990)[3]I.Linerud,P.Kaspersen,T.Jaeger,“Gasmonitoringintheprocessindustryusingdiodelaserspectroscopy,”AppliedPhysics,LaserandOptics,1998[4]RothmanLS,GamacheRR,TippingRH,RinslandCP,SmithMAH,BennerDC,DeviVM,FlaudJ-M,BrownLRandTothRA,1992TheHitranmoleculardatabase:editionsof1991an